刀片周邊數(shù)控磨床關(guān)鍵部件研發(fā)
——直線進(jìn)給軸及主軸及相關(guān)部件

郭祥福， 尹作升， 李效民， 徐 敏

（1.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)云南分院有限公司，云南 昆明650031；2.云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650031）

0 引言

我國(guó)已成為世界上裝備制造大國(guó)， 也是刀具消耗大國(guó)。 目前國(guó)內(nèi)高檔數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床主要依賴進(jìn)口[1]。 隨著航天航空行業(yè)的高速發(fā)展，特種材料的加工及使用越來(lái)越廣泛， 大量的難加工材料的使用對(duì)數(shù)控機(jī)床使用刀具的質(zhì)量和數(shù)量都有較高的需求，被稱為“工業(yè)的牙齒” 的刀片是數(shù)控機(jī)床在切削過(guò)程中主要工作的直接承擔(dān)者，在切削過(guò)程中直接與工件發(fā)生關(guān)系。其質(zhì)量和性能直接影響數(shù)控加工設(shè)備的使用性能和加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。就此硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、CBN、PCD 等各種新材料的出世以滿足加工對(duì)刀片加性能的需求。 可轉(zhuǎn)位刀片作為現(xiàn)代切削刀具中一種先進(jìn)的刀具，具有耐用度高、可快換以及良好的斷屑能力、 制造成本低等特點(diǎn)在現(xiàn)代切削加工中被廣泛的應(yīng)用[2]。 使用方法主要是鑲嵌或安裝在各種規(guī)格尺寸的刀柄之上， 以滿足準(zhǔn)確可靠的加工及加工使用壽命的同時(shí)， 刀具在加工過(guò)程中可快速準(zhǔn)確更換刀片以提高生產(chǎn)效率。 其形狀有詳細(xì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要以三角形、四方形、正方形、長(zhǎng)菱形、多邊形及圓形等為主，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2078—2007 （帶圓角圓孔硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片）、GB/T2079—2007 （無(wú) 孔 可 轉(zhuǎn) 位 刀 片）、GB/T2080—2007（帶圓角沉孔硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片）。 同時(shí)針對(duì)特殊形狀刀片的磨削加工， 可通過(guò)特定夾具的加持進(jìn)行周邊磨削以滿足其使用要求。 數(shù)控刀片磨床擁有一機(jī)多用，通過(guò)一次裝夾即可完成刀片四周的平面、曲面、斜面（前面）的磨削加工[3-4]。 除國(guó)外如瑞士阿格頓公司、德國(guó)瓦爾特、澳大利亞ANCA 等以外，國(guó)內(nèi)陜西漢江機(jī)床有限公司、濟(jì)南博特威精密機(jī)械有限公司、 天通吉成機(jī)器技術(shù)有限公司均有刀片磨機(jī)床生產(chǎn)。 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家技術(shù)參數(shù)與機(jī)床價(jià)格，以及國(guó)內(nèi)刀片磨市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研分析后，研制一款高性能、高效率、高自動(dòng)化的數(shù)控刀片磨機(jī)床，確保其性能及精度達(dá)到國(guó)際一流水平的設(shè)備， 以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求的同時(shí)在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中擁有較好的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1 刀片磨機(jī)床形式及參數(shù)確定

優(yōu)質(zhì)刀片必須具有良好的刀片材料屬性， 同時(shí)要具有合理的幾何結(jié)構(gòu)以滿足切削的要求， 同樣要求母機(jī)具有較高加工精度和合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局。 論文所述數(shù)控刀片磨機(jī)床定義為MDPK40 刀片磨床， 其中磨輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)， 磨輪材料選用金剛石以滿足各類高性能新材料刀片的磨削工作。 在數(shù)控刀片磨床進(jìn)給軸布局中，Z軸為垂直于被加工表面的進(jìn)給， 拖動(dòng)主軸系統(tǒng)橫向移動(dòng)為X 軸，工件回轉(zhuǎn)軸為B 軸，驅(qū)動(dòng)B 軸擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)為C軸，機(jī)床整體布局如圖1 所示。 機(jī)床主要包括床身、主軸部件、在線修整機(jī)構(gòu)、滿足刀片周邊、刃口及各斜角磨削的B+C 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀片夾持機(jī)構(gòu)、拖動(dòng)主軸砂輪前后移動(dòng)的Z 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)及左右移動(dòng)的X 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)、 側(cè)置砂輪修整器以及輔助上料機(jī)器人、料架、內(nèi)外防護(hù)等組成。

圖1 刀片磨床整體布局圖

機(jī)床主要參數(shù)為：砂輪直徑400mm，主電機(jī)功率9kW，主軸最高轉(zhuǎn)速3000rpm；磨削刀片IC 為φ4.76～φ75，最大刀片厚度25mm；B 軸快移速度360°/S，定位精度為3″，重復(fù)定位精度1.5″； C 軸行程-30°～30°，快移速度360°/S，定位精度3″，重復(fù)定位精度1.5″；X 軸行程為800mm，快移速度10m/min，定位精度3μm，重復(fù)定位精度1.5μm；Z 軸行程200mm，快移速度10m/min，定位精度3μm，重復(fù)定位精度1.5μm；U 軸行程為50mm，快移速度5m/min，定位精度8μm， 重復(fù)定位精度為5μm。 配置有機(jī)器人輔助上下料裝置，機(jī)器人手臂可抓5kg 工件。

1.1 主軸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2 所示， 主軸機(jī)構(gòu)為砂輪通過(guò)螺釘固定在主軸上，主軸前端有軸及臺(tái)階定位。主軸軸系同過(guò)高精度主軸軸承安裝支撐與冷卻套內(nèi)。 主軸軸承布局形式選用常規(guī)的4 列背對(duì)背串聯(lián)安裝形式， 滿足磨床主軸在運(yùn)行及磨削過(guò)程中承受的各向力及快速旋轉(zhuǎn)的要求。 軸承通過(guò)外圈壓蓋、 內(nèi)圈鎖緊螺母的形式準(zhǔn)確可靠的安裝在主軸和冷卻套之間。 為防止高速運(yùn)行過(guò)程軸承摩擦發(fā)熱導(dǎo)致軸系熱變形， 在冷卻套上冷卻槽內(nèi)通入恒溫冷卻油對(duì)主軸系統(tǒng)的溫度進(jìn)行先導(dǎo)控制。 主軸軸系與主電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器進(jìn)行直聯(lián)， 該機(jī)構(gòu)擁有較好的傳動(dòng)剛性和較低的傳動(dòng)間隙。根據(jù)磨削過(guò)程中，砂輪旋轉(zhuǎn)偏心力對(duì)機(jī)床磨削加工質(zhì)量有較大的影響， 機(jī)床主軸在裝配過(guò)程中嚴(yán)格按磨床動(dòng)平衡質(zhì)量G0.4 要求進(jìn)行不平衡質(zhì)量的修正（按精密磨床的傳動(dòng)軸、砂輪和電樞陀螺儀等平衡等級(jí)要求）[7]。主軸基座下部設(shè)置有孔通過(guò)定位銷及螺釘與Z 向托板進(jìn)行連接。 上部設(shè)計(jì)有安裝支座用來(lái)安裝U 軸（在線修整輪）進(jìn)給裝置。

圖2 機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局圖

1.2 修整輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在磨削過(guò)程中，尤其是高硬度刀片材料的高速磨削，金剛石砂輪在磨削過(guò)程中存在鈍化和積削瘤粘接現(xiàn)象，使得磨削力增大，磨削溫度會(huì)急劇升高，從而嚴(yán)重影響工件的磨削表面質(zhì)量，甚至出現(xiàn)燒傷。不能正常工作的磨削會(huì)導(dǎo)致磨床整機(jī)受力不均、過(guò)載引起的振動(dòng)等現(xiàn)象，為了確保砂輪的正常運(yùn)行， 需在加工過(guò)程中對(duì)金剛石砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)修整以確保其幾何外形和鋒利性。 金剛石砂輪的修整工作，由于考慮到杯型砂輪修整方法操作簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，本機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)選擇該修整方法進(jìn)行修整。修整過(guò)程分為整形和修銳兩步進(jìn)行， 修整輪的磨削帶與金剛石砂輪完全交錯(cuò)貼合，并以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)U 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)確定金剛石砂輪與修整輪之間的相對(duì)位置關(guān)系后進(jìn)行修整，使其之間形成相互去磨料磨削，去除金剛石的鈍化磨粒，形成容屑空間。 修整輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)布局見圖3。

圖3 修整輪機(jī)構(gòu)安裝布局圖

如圖3 所示， 修整輪在磨床上的安裝位置位于主軸砂輪上部， 整體機(jī)構(gòu)可分為U 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和修整輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)部分組成。 在主軸箱上部設(shè)置有U 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝臺(tái)階， 臺(tái)階上安裝或基座用于安裝U 軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的直線導(dǎo)軌，進(jìn)給的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，進(jìn)給絲杠與U 軸進(jìn)給電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直聯(lián)， 并設(shè)置有位置檢測(cè)的光柵尺實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的全閉環(huán)控制。修整輪安裝座上與絲杠螺母座連接，通過(guò)螺釘連接，U 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母運(yùn)行以拖動(dòng)其前后移動(dòng)。

修整輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)置見圖4， 安裝座與絲杠螺母座連接，安裝座內(nèi)安裝有冷卻套，冷卻套通有恒溫冷卻油對(duì)修整輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱進(jìn)行預(yù)先控制， 確保其具有較高的運(yùn)行精度和使用壽命， 冷卻套內(nèi)安裝有緊密主軸軸承支撐主軸，主軸前端安裝修整輪，機(jī)構(gòu)配置有可靠性較高的定位裝置鎖緊裝置。

圖4 修整輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

金剛石砂輪在磨削過(guò)程中，尤其是磨斜面時(shí)，側(cè)面也參與磨削加工。 而圖4 所示的修整輪僅能實(shí)現(xiàn)砂輪前端面的修整功能， 所以在加工到一定時(shí)間或砂輪側(cè)面需要進(jìn)行修整時(shí)，需將主軸（金剛石砂輪）通過(guò)Z 軸和X 軸的移動(dòng)將其拖動(dòng)至側(cè)向修整輪處對(duì)砂輪進(jìn)行外圓面修整處理，側(cè)向修整輪機(jī)構(gòu)見圖5。

圖5 側(cè)向修整輪機(jī)構(gòu)

側(cè)向修整輪機(jī)構(gòu)安裝于床身指定位置處 （位于機(jī)床床身右前方之上），整套軸系安裝于基座之上，基座安裝于床身設(shè)定位置之上。修整輪軸系安裝于安裝套內(nèi)，由冷卻套、 支撐用主軸軸承 （主軸軸承為4 列背對(duì)背串聯(lián)布局），主軸于前端修整輪定位連接。 主軸于主電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接， 冷卻套內(nèi)通有恒溫冷卻油對(duì)軸承在運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱進(jìn)行溫度控制對(duì)熱變形進(jìn)行抑制， 主軸軸承外圈有壓蓋壓緊， 內(nèi)圈通過(guò)鎖緊螺母機(jī)構(gòu)將其鎖緊在主軸之上。 兩套修整輪主軸軸系機(jī)構(gòu)相同。

2 直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

磨床在運(yùn)行過(guò)程中， 砂輪在磨削加工過(guò)程中對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差的諧振具有明顯的復(fù)制性， 傳動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)度直接影響到磨削工件的表面質(zhì)量。 常見的短行程直線軸進(jìn)給在機(jī)床行業(yè)使用絲杠傳動(dòng)較多， 但考慮到高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和平穩(wěn)性， 該機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)各直線軸 （除U 軸外）均選用直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。直線電機(jī)的使用可以解決絲杠傳動(dòng)進(jìn)給存在的傳統(tǒng)誤差的同時(shí)，采用磁懸浮設(shè)計(jì)，由于機(jī)械接觸較少， 通過(guò)電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)避免傳統(tǒng)系統(tǒng)的中間轉(zhuǎn)換誤差，并擁有響應(yīng)性能敏捷、精確程度高、加減速度大及高長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[8]。

其中X 軸、Z 軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成為：直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，相關(guān)位置安裝有光柵尺進(jìn)行全閉環(huán)控制以提高機(jī)床進(jìn)給精度及其運(yùn)行的可靠性。

2.1 磨床X 軸與床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

X 軸的進(jìn)給機(jī)構(gòu)及床身布局見圖6。

圖6 X 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)及床身布局圖

如圖6 所示，床身上部按磨床相應(yīng)的功能進(jìn)行布局，在左前部分布置有C 軸的安裝位置， 右前方設(shè)置有側(cè)向修整磨頭安裝凸臺(tái)， 床身前部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為大斜坡結(jié)構(gòu)形式，方便切削冷卻油通過(guò)設(shè)定管道回流至相應(yīng)的位置。床身左側(cè)設(shè)計(jì)有凸臺(tái)用于安裝機(jī)器人， 上部與機(jī)床重心相對(duì)應(yīng)得四個(gè)吊環(huán)點(diǎn)（機(jī)床在吊裝完工后拆除，用蓋板蓋好）。 在X 軸下端位置床身上安裝有直線電機(jī)定子，定子兩側(cè)安裝有導(dǎo)向用的直線導(dǎo)軌， 后部導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)安裝有光柵尺進(jìn)行運(yùn)行位置檢測(cè)與反饋。

由于X 軸行程為800mm， 拖動(dòng)部件質(zhì)量為1500kg，選擇新加坡雅科貝思直線電機(jī)，定子為型號(hào)為：AKH130-TL270-E，數(shù)量為5 個(gè)。電機(jī)選型計(jì)算按照產(chǎn)品樣本要求：推力=總質(zhì)量×加速度+摩擦力+外界應(yīng)力， 根據(jù)直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)0.05， 摩擦力為μ.mg=0.05×1500×9.8=735N，加速度選擇為0.4G， 此時(shí)計(jì)算的推力=μ.mg+f+ma=735+20+1500×0.4×9.8=6635N。 其余還需計(jì)算持續(xù)推力等相關(guān)參數(shù)，但根據(jù)樣本計(jì)算選型說(shuō)明，根據(jù)最大推力和持續(xù)推力選擇一個(gè)電機(jī)，用戶應(yīng)將安全系數(shù)設(shè)為20%～30%，以便摩擦力和外界應(yīng)力抵消為0， 其余具體計(jì)算在此不再進(jìn)行詳細(xì)論證。 AKH130-TL270-E 電機(jī)定子參數(shù)中，TL 為磁軌長(zhǎng)度， 該電機(jī)在配置水冷的條件下， 最大推力可達(dá)7150N。 所選直線電機(jī)滿足設(shè)計(jì)使用要求。

2.2 磨床Z 軸及其布局設(shè)計(jì)

磨床X 軸移動(dòng)拖動(dòng)托板與主軸左右移動(dòng)， 其上布局的Z 軸拖動(dòng)主軸在托板上前后移動(dòng)， 兩直線軸的配合移動(dòng)， 拖動(dòng)砂輪至指定位置進(jìn)行磨削加工或到側(cè)向修整輪位置處進(jìn)行砂輪的修整工作。 托板上的進(jìn)給機(jī)構(gòu)布局見圖7。

圖7 托板及其進(jìn)給機(jī)構(gòu)布局

如圖7 所示，托板在參與X 向移動(dòng)的同時(shí)，還承擔(dān)主軸箱等部件的支撐功能，其下部安裝有直線電機(jī)動(dòng)子，動(dòng)子兩側(cè)安裝有線軌滑塊。托板上部安裝有線軌，兩線軌中間設(shè)置有直線電機(jī)定子線軌外側(cè)的托板上安裝有光柵尺讀數(shù)頭支架用于Z 軸的進(jìn)給及檢測(cè)。此外，線軌直線度設(shè)置有線軌直線度調(diào)整的內(nèi)錐孔壓塊， 主軸箱精度調(diào)整用的調(diào)整墊板， 防止運(yùn)行過(guò)程中過(guò)沖的硬限位等原件的設(shè)置也是必不可少的。

3 總結(jié)

論文介紹了數(shù)控刀片磨床的主要參數(shù)及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)主軸機(jī)構(gòu)（金剛石砂輪）、（X、Z、U）軸的直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)、 側(cè)置砂輪修整機(jī)構(gòu)及頂置砂輪修整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型等內(nèi)容。 數(shù)控刀片磨床配合其余的B 軸于C 軸的聯(lián)動(dòng)， 機(jī)器人自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)刀片周邊各面的一次裝夾全方位加工功能， 此外刀片磨床還需配置相應(yīng)的液壓、氣動(dòng)、冷卻、數(shù)字控制系統(tǒng)等以滿足機(jī)床相應(yīng)的功能要求。外圍設(shè)備則包含油霧收集器、機(jī)床滅火裝置、防護(hù)、料架等。數(shù)控刀片磨床作為自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定性好的精密加工設(shè)備， 根據(jù)用戶需求還配置有組線生產(chǎn)的結(jié)口與功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

論文介紹的數(shù)控刀片磨床選用先進(jìn)的進(jìn)給拖動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)， 配合各性能優(yōu)異的各組件設(shè)計(jì)制造與裝配工藝。研發(fā)過(guò)程中使用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)與優(yōu)化分析技術(shù)，為機(jī)床質(zhì)量和性能提供了良好的保障。 該機(jī)床參數(shù)及技術(shù)成熟程度可與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行媲美， 同時(shí)通過(guò)控制技術(shù)的優(yōu)化和提升，可為用戶提供優(yōu)良的使用體驗(yàn)。