斜床鞍異型砂輪專(zhuān)用數(shù)控車(chē)床的設(shè)計(jì)制造

李新強(qiáng)　徐瑞霞

(①濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司膜式壁分廠，山東 濟(jì)南 250023；②山東職業(yè)學(xué)院鐵道機(jī)車(chē)與機(jī)電裝備系，山東 濟(jì)南 250014)

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斜床鞍異型砂輪專(zhuān)用數(shù)控車(chē)床的設(shè)計(jì)制造

李新強(qiáng)①徐瑞霞②

(①濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司膜式壁分廠，山東 濟(jì)南 250023；②山東職業(yè)學(xué)院鐵道機(jī)車(chē)與機(jī)電裝備系，山東 濟(jì)南 250014)

通過(guò)研究機(jī)床總體結(jié)構(gòu)、主軸結(jié)構(gòu)、砂輪的裝夾、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌的密封、機(jī)床總體防護(hù)及吸塵，刀具的選擇及相關(guān)切削參數(shù)等，設(shè)計(jì)一種異型砂輪加工專(zhuān)用數(shù)控車(chē)床，既可以提高砂輪加工的靈活性，還能保證加工質(zhì)量、提高加工效率，降低加工成本。

斜床鞍；異型砂輪；專(zhuān)用；數(shù)控車(chē)床

磨削加工，在機(jī)械加工隸屬于精加工，加工量少、精度高，在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用比較廣泛。砂輪是磨削加工中最主要的一類(lèi)磨具，是在陶瓷磨料中加入結(jié)合劑，經(jīng)壓坯、干燥和焙燒而制成的多孔體。大部分的砂輪是圓柱形的。而現(xiàn)階段隨著社會(huì)對(duì)各類(lèi)工業(yè)及民用產(chǎn)品形狀的要求越來(lái)越高，各種非圓柱形異型砂輪的需求量也越來(lái)越多。傳統(tǒng)異型砂輪的加工通常是利用金剛石磨輪或金剛石筆，利用成型加工設(shè)備手動(dòng)控制修磨，加工精度、靈活性和效率都不高，對(duì)于型面為自由曲線的砂輪來(lái)說(shuō)，手動(dòng)修磨更是無(wú)法完成其加工。大部分砂輪加工企業(yè)急需一套能加工多種異型砂輪的自動(dòng)化設(shè)備，既能滿足砂輪加工的靈活性，還要保證加工質(zhì)量、提高加工效率、降低加工成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并將工人從高污染高危害的加工環(huán)境中解脫出來(lái)。

現(xiàn)階段數(shù)控技術(shù)已經(jīng)非常成熟，數(shù)控機(jī)床在加工靈活性、高質(zhì)量和高效率等各方面較普通機(jī)床都有很大的優(yōu)越性。所以數(shù)控機(jī)床在金屬加工行業(yè)應(yīng)用非常普及。砂輪同車(chē)削類(lèi)工件相同，都是回轉(zhuǎn)體零件，所以在理論上砂輪可以用數(shù)控車(chē)床進(jìn)行加工。但是因?yàn)樯拜喿陨淼奶厥獠馁|(zhì)、機(jī)床導(dǎo)軌等部位的密封和總體防護(hù)吸塵、砂輪的切削工藝和切削參數(shù)以及裝夾方式等各方面同金屬加工不同，所以現(xiàn)階段所有機(jī)床廠生產(chǎn)的數(shù)控車(chē)床都不能直接用來(lái)車(chē)削砂輪。

本文旨在設(shè)計(jì)一種異型砂輪加工專(zhuān)用數(shù)控車(chē)床，研究機(jī)床床身結(jié)構(gòu)、主軸結(jié)構(gòu)、砂輪(工件)的裝夾、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌的密封、機(jī)床總體防護(hù)及吸塵、刀具的選擇，并研究相關(guān)切削參數(shù)等，既可以提高砂輪加工的靈活性，還能保證加工質(zhì)量、提高加工效率，降低加工成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和對(duì)身體健康的危害，并在一定程度上減少室內(nèi)粉塵。本文將以CKZ630A斜床鞍異型砂輪專(zhuān)用數(shù)控車(chē)床為例來(lái)展開(kāi)介紹，此設(shè)備是筆者公司為某世界知名磨料磨具制造公司設(shè)計(jì)制造的。

1　機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)與通用金屬加工數(shù)控車(chē)床類(lèi)似，主要由主軸單元、主軸箱底座、床身、橫向X軸伺服進(jìn)給裝置、縱向Z軸伺服進(jìn)給裝置、斜床鞍、工件裝夾裝置、動(dòng)力刀架、刀具測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)控車(chē)床電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)間歇潤(rùn)滑泵以及鈑金防護(hù)等部分組成，光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，床身、主軸箱底座、斜床鞍和進(jìn)給滑座等部件均采用HT250灰鑄鐵，經(jīng)多次退火時(shí)效處理，高剛性及高穩(wěn)定性的床身為整機(jī)的高精度提供了有力保證。

根據(jù)砂輪圖紙的一般加工要求，選擇常州宏數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的LD4B-CK6163型四工位立式電動(dòng)刀架，該刀架為上刀架體免抬起轉(zhuǎn)位，換刀時(shí)可避免砂輪屑進(jìn)入刀架體內(nèi)部，以免損壞刀架體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件，可以滿足用戶的日常加工需要。切削砂輪時(shí)刀具磨損較快，為保證加工精度，需要經(jīng)常停機(jī)進(jìn)行手動(dòng)對(duì)刀，為了提高加工效率和精度，結(jié)構(gòu)上增加了數(shù)控車(chē)床自動(dòng)對(duì)刀儀，可根據(jù)刀具的磨損情況自動(dòng)對(duì)刀具進(jìn)行對(duì)刀和補(bǔ)償。工件的裝夾采用氣動(dòng)夾緊方式，為保證足夠的夾緊力，選用大直徑雙活塞回轉(zhuǎn)氣缸，夾緊動(dòng)作快捷、可靠且清潔，并配置壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)，與數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)鎖，在氣壓突降的情況下可迅速停機(jī)，保證加工過(guò)程中設(shè)備和操作人員的安全。

2　主軸單元的設(shè)計(jì)

主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要根據(jù)刀具的允許切削線速度、工件的直徑等因素來(lái)計(jì)算主軸的轉(zhuǎn)速，基本計(jì)算公式為：

(1)

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速,r/min；v為切削速度，m/min；d為工件直徑，mm。

目前陶瓷砂輪的車(chē)加工一般選用PCD聚晶金剛石刀片作為加工刀具，此種刀具具有高硬度和極好的耐磨性、熱導(dǎo)性，摩擦系數(shù)小。現(xiàn)根據(jù)國(guó)產(chǎn)株洲鉆石切削刀具股份有限公司的PCD聚晶金剛石刀片牌號(hào)為YCD511刀片推薦切削用量如表1所示，以工件最大直徑630 mm，根據(jù)式(1)，可計(jì)算出主軸轉(zhuǎn)速范圍為10～160 r/min左右。為了節(jié)約設(shè)計(jì)與制造成本，選用通用車(chē)床主軸箱，并根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證是否適合加工砂輪，通過(guò)參數(shù)比較，最終確定選擇CK6150三檔變速主軸箱，選用7.5 kW變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶通過(guò)齒輪變速箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，三檔齒輪有級(jí)變速配合檔內(nèi)變頻無(wú)極調(diào)速，主軸軸端為C-6形式，主軸轉(zhuǎn)速范圍0～1 600 r/min。配置主軸編碼器，配合數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)螺紋切削，以及更為復(fù)雜的變螺距切削因砂輪加工產(chǎn)生的粉塵對(duì)機(jī)床主軸危害很大，所以必須加強(qiáng)對(duì)主軸前端密封的設(shè)計(jì)。本主軸系統(tǒng)采用內(nèi)置骨架油封，外置多級(jí)迷宮密封，保證了主軸的密封性能。改進(jìn)后完全滿足對(duì)砂輪加工的使用要求。

表1推薦切削用量

牌號(hào)被加工材料加工方式切削速度/(m/min)YCD511硅鋁合金(Sl含量>12%)金屬基復(fù)合物未燒結(jié)陶瓷材料燒結(jié)陶瓷材料雙金屬材料車(chē)削300～700銑削500～1000銑削500～1000車(chē)削100～200車(chē)削20～50銑削200～300

3　進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因加工工件材質(zhì)的特殊性，本設(shè)備對(duì)橫向X軸和縱向Z軸伺服進(jìn)給裝置部分的要求極高，主要表現(xiàn)在進(jìn)給的精度，運(yùn)動(dòng)部件的剛性和穩(wěn)定性，特別是整個(gè)運(yùn)動(dòng)副的防塵密封性能，如果防塵密封性不好，將無(wú)法保證整臺(tái)機(jī)床的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，所以此處的密封是極為關(guān)鍵的，也是本設(shè)備的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。如圖2所示，縱向Z軸伺服進(jìn)給裝置與橫向X軸伺服進(jìn)給裝置垂直疊放，分別由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)無(wú)間隙聯(lián)軸器直聯(lián)滾珠絲杠，滑座與固定座之間為直線導(dǎo)軌，帶動(dòng)四工位立式電動(dòng)刀架，可自動(dòng)選刀，由數(shù)控系統(tǒng)控制兩軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，對(duì)于伺服進(jìn)給部分的扭矩和進(jìn)給力等的相關(guān)計(jì)算本文不再贅述。

橫向X軸和縱向Z軸伺服進(jìn)給裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相同的，如圖3a所示。為了達(dá)到防塵密封的要求，將導(dǎo)軌滑座在上安裝，螺母固定座在下安裝固定，見(jiàn)圖3a(圖中為了便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特翻轉(zhuǎn)顯示)，滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌和滑座一起移動(dòng)，導(dǎo)軌滑塊與螺母固定座不動(dòng)，整個(gè)導(dǎo)軌副和絲杠副結(jié)構(gòu)均為倒置安裝，滾珠絲杠內(nèi)置，使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的風(fēng)琴罩封住直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠，如圖3b，同時(shí)兩側(cè)增加鈑金側(cè)密封罩，底部帶有鈑金翻邊，對(duì)風(fēng)琴罩有導(dǎo)向和保護(hù)作用，同時(shí)也可抵制砂輪屑進(jìn)入內(nèi)部空間。另外為了提高防塵能力，向兩個(gè)獨(dú)立滑座里面通壓縮空氣，使滑座內(nèi)部空間建立起正壓(圖3c)，這樣滑座外部微細(xì)的灰塵也不容易通過(guò)各縫隙進(jìn)入內(nèi)部，可保證精密部件長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。正壓進(jìn)氣管通徑8 mm，進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)在0.1～0.2 MPa。

4　工件夾持裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)砂輪的加工要求，設(shè)計(jì)了兩種典型的裝夾方式：以砂輪內(nèi)孔定位和以砂輪外圓定位。如圖4所示是以砂輪內(nèi)孔定位的心軸夾持方式，將砂輪套在心軸上，回轉(zhuǎn)氣缸拉動(dòng)大拉桿，繼而拉動(dòng)小拉桿，利用C型卡環(huán)，將砂輪牢牢地壓緊在工裝定位盤(pán)上；如果以砂輪外圓定位夾持的話，只需將工裝定位盤(pán)、心軸組件和小拉桿從卡盤(pán)連接盤(pán)上卸掉，然后將標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力卡盤(pán)安裝到卡盤(pán)連接盤(pán)上，如圖5所示，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪以外圓定位夾緊。兩種方式可方便地互換。

其他部分的設(shè)計(jì)可參考通用金屬數(shù)控車(chē)床來(lái)設(shè)計(jì)，而且技術(shù)也相當(dāng)成熟，在此不再贅述。

5　使用結(jié)果

該設(shè)備全套部件裝配完畢后，經(jīng)過(guò)精度和電氣調(diào)試并試車(chē)成功，通過(guò)對(duì)加工完畢試件的檢驗(yàn)測(cè)量，試件完全符合圖紙要求，如圖6所示，砂輪試件曲線輪廓與檢測(cè)樣本完全符合。

實(shí)踐證明，整臺(tái)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，加工精度高，防塵性能好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

[1]《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[2] 徐宏海.數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

[3] 西門(mén)子(中國(guó))有限公司.SINUMERIK 808D_調(diào)試手冊(cè)[Z].2012.

[4]西門(mén)子(中國(guó))有限公司，SINUMERIK808D 編程與操作步驟(車(chē)削)[Z].2012.

(編輯汪藝)

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Design and manufacture of special numerical control lathe with oblique bed saddle for the special-shaped grinding wheel

LI Xinqiang①, XU Ruixia②

(①JiNan Boiler Group Co., Ltd., Jinan 250023, CHN;②Department of Electrical and Mechanical Equipment, Shandong Polytechnic, Jinan 250014, CHN)

By studying the overall structure of machine tools, the main structure of the spindle, the feeding system design, the sealing of the feed system, the overall protection of the machine tool, the selection of the machine tool, the relative cutting parameters, the special numerical control lathe is designed, which can improve the flexibility of the grinding wheel, and can guarantee the processing quality, improve the processing efficiency and reduce the processing cost.

oblique bed saddle; special-shaped grinding wheel; special; numerical control lathe

TH69

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.012

李新強(qiáng)，男，1979年生，廠長(zhǎng)，主要從事自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)、制造等。

2016-01-05)

160823