數(shù)控精密磨床的設(shè)計(jì)研究

蔣桂平

（桂林廣陸數(shù)字測控有限公司，廣西 桂林541004）

數(shù)控精密磨床的設(shè)計(jì)研究

蔣桂平

（桂林廣陸數(shù)字測控有限公司，廣西 桂林541004）

提出了一種基于量具加工行業(yè)的數(shù)控精密磨床設(shè)計(jì)方案，并通過對加工零件的工藝特點(diǎn)分析與研究，從磨床的結(jié)構(gòu)布局、功能部件的設(shè)計(jì)等方面提出了可行的方案，為該設(shè)備的順利研制提供可靠的理論指導(dǎo)。

數(shù)控；精密；磨削；電主軸

一直以來，在我國傳統(tǒng)的量具生產(chǎn)過程中，卡尺的大小量面都是最后通過人工研磨來保證其最后精度的，這種完全依賴于工人手上技術(shù)的加工方式，在制造業(yè)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，已經(jīng)變得很不合時(shí)宜，同時(shí)也無法保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量和提升工作效率。

量具行業(yè)是國家工業(yè)的一個(gè)基礎(chǔ)性行業(yè)，量具行業(yè)的發(fā)展在一定程度上制約著國家基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，量具產(chǎn)品的質(zhì)量也在一定程度上決定了機(jī)械加工行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，因?yàn)檫@是一個(gè)鑒定機(jī)加產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)性行業(yè)。針對量具行業(yè)加工方式落后的限制，本文以量具行業(yè)中的卡尺量面為對象，從加工方式和加工設(shè)備等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，從而提高卡尺加工的機(jī)械化程度，保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，提高加工效率，降低企業(yè)成本，提升產(chǎn)品的市場競爭力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)床已經(jīng)在企業(yè)的加工過程中得到了很好的運(yùn)用，并在加工質(zhì)量和加工效率上都得到了企業(yè)的高度認(rèn)可，具有很大的行業(yè)推廣價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)床設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)床設(shè)計(jì)難點(diǎn)

機(jī)床設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在以下幾方面：

（1）卡尺大量面的平面度，要求在0.002 mm以內(nèi)，用平晶檢查必須肉眼能看到發(fā)散的彩色光帶。

（2）要實(shí)現(xiàn)互換性，必須保證每把卡尺的大小量面之間的距離的誤差在0.005 mm以內(nèi)，考慮用絕對式光柵來保證。

（3）要保證卡尺尺身與尺寬安裝完畢后大小量面對貼合縫隙在0.005 mm以內(nèi)，即尺身的大小量面與尺身定位面的垂直度必須在0.002 5 mm以內(nèi)，同時(shí)尺寬的大小量面與尺寬的定位面的垂直度也要保證在0.002 5 mm以內(nèi)。

（4）卡尺大小量面對粗糙度要求在Ra0.2 mm以內(nèi)。

（5）機(jī)床的外形尺寸不能太大，為了體現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的人性化特點(diǎn)，該機(jī)床的操作者應(yīng)以坐姿來操作。

（6）導(dǎo)軌的選擇，主要是在線軌和滑軌之間作選擇，線軌的特點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)平滑，可靠，持久性好，不易磨損，容易保證裝配精度[1]，但其致命的缺點(diǎn)是可能平穩(wěn)性存在問題，在磨削過程中工件可能出現(xiàn)振紋，影響工件的表面質(zhì)量和工件的平面度?；墑t剛剛彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷，但滑軌的持久性不好，容易磨損，切難保證裝配精度。

（7）磨頭的選擇，磨頭有兩種選擇，第一是采用傳統(tǒng)的磨頭，用電機(jī)帶動(dòng)，即磨頭和電機(jī)是分開的，并通過皮帶聯(lián)接；第二是采用最新的技術(shù)，即采用磨削電主軸。它們的特點(diǎn)是：第一種技術(shù)比較成熟，對設(shè)計(jì)來說比較有把握，缺點(diǎn)是因?yàn)殡姍C(jī)和磨頭是分開并通過皮帶聯(lián)接的，所以出現(xiàn)振動(dòng)的可能性比較大，可能會(huì)影響零件的表面加工質(zhì)量；第二種是采用電主軸，所以振動(dòng)的可能性比較小，表面質(zhì)量比較容易保證，但缺點(diǎn)就是該技術(shù)屬于比較新型的技術(shù)，可靠性和技術(shù)成熟性還有待實(shí)驗(yàn)和考證。

（8）砂輪的選擇，傳統(tǒng)的砂輪大多采用的是白剛玉和綠碳化硅，棕剛玉等材料，這些材料的砂輪的特點(diǎn)是：砂輪采購成本點(diǎn)，生產(chǎn)技術(shù)成熟，加工性能可靠，容易修整，切削進(jìn)給量大等，但是加工精度不高，并容易磨損，且線速度普遍不高[2]；新型的立方氮化硼砂輪的特點(diǎn)是：加工精度高，不容易磨損，且有很高線速度，這剛好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)砂輪的缺陷，但因?yàn)槭切滦彤a(chǎn)品，其技術(shù)的成熟度不夠，切因?yàn)樘膊蝗菀仔拚?，切削進(jìn)給量也相對較小，這就導(dǎo)致零件容易燒傷，所以在砂輪的選擇上也需要做一個(gè)權(quán)衡。

1.2 數(shù)控精密磨床參數(shù)

工作臺面積：200×900 mm；

磨頭縱向行程：X1、X2為 120 mm；

磨頭橫向行程：Y1為300 mm、Y2為120 mm；

磨頭功率和轉(zhuǎn)速：M1為 3 kW，8 000 rpm；M2為1.5 kW，3 000 rpm；

磨頭快速移動(dòng)速度：6 m/min；磨頭最大進(jìn)給速度：4 m/min；位置精度（DIS）：定位精度 0.005 mm，重復(fù)定位精度0.003 mm；

加工精度：粗糙度Ra 0.1，平面度0.003 mm，平行度0.006 mm.

2 機(jī)床設(shè)計(jì)過程

2.1 數(shù)控精密卡規(guī)磨床結(jié)構(gòu)的確定

（1）整體結(jié)構(gòu)的確定。該磨床要求同時(shí)磨削卡尺的大小量面，必須配備兩個(gè)磨頭，磨頭的進(jìn)給方向?yàn)閯e為Y1和Y2方向。同時(shí)根據(jù)零件的加工要求，磨頭還要實(shí)現(xiàn)與Y1和Y2方向相垂直的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，分別為X1和X2，同時(shí)X1和X2方向還可以實(shí)現(xiàn)砂輪的修整和砂輪磨損的補(bǔ)償。組成該機(jī)床的主要零件為：底座、工作臺、滑鞍、托板、磨頭座等。

（2）線軌的排布。根據(jù)磨頭的進(jìn)給方向我們可以確定，我們要在 X1、X2、Y1、Y2等四個(gè)方向排布線軌，并根據(jù)工件的加工要求和裝配的需要，可以確定線軌的長度分別為：X1為 500 mm，X2為 500 mm，Y1為 500 mm，Y2為640 mm.四個(gè)方向的移動(dòng)行程分別為：X1為150 mm；X2為 150 mm；Y1為 150 mm；Y2為 300 mm.四個(gè)方向的兩條線軌間的跨距分別為：X1為203 mm；X2為 203 mm；Y1為 230 mm；Y2為 230 mm.

（3）傳動(dòng)絲桿的選擇與排布，絲桿通過電機(jī)座、絲桿螺母座、軸承座固定聯(lián)接，并實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。絲桿的長度為：X1為 477 mm，X2為 477 mm，Y1為 477 mm，Y2為627 mm.

2.2 磨床主要零件設(shè)計(jì)

（1）底座的設(shè)計(jì)：底座的設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上來說不僅要合理的排布好線軌的位置和絲桿的位置，還要考慮操作者地位置，是否便于加工操作，工件是否便于裝夾，高度是否合適，強(qiáng)度是否滿足磨床的加工使用要求[3]，還要考慮冷卻液的排放和流向，潤滑油的收集和排放，防護(hù)罩殼的安裝等。

（2）滑鞍的設(shè)計(jì)：滑鞍是一個(gè)關(guān)鍵的零件，該零件不僅要做Y向的切削運(yùn)動(dòng)，還要承載X向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所以不僅要考慮該零件的結(jié)構(gòu)合理性[4]，同時(shí)還要考慮零件的加工工藝性，是否便于機(jī)械加工，是否便于鉗工的裝配，線軌的排布，絲桿位置的擺放，潤滑油的回收，防護(hù)罩殼的安裝，光柵尺的安裝與防護(hù)等一系列的問題。

（3）工作臺的設(shè)計(jì)：工作臺可以與底座做成一體的，也可以單獨(dú)做成一個(gè)零件，考慮到零件的加工工藝，決定將工作臺做成單獨(dú)的零件，最后通過螺釘聯(lián)接，并用圓柱銷定位。

（4）電主軸座的設(shè)計(jì)：該零件的設(shè)計(jì)碰到一個(gè)很大的難題，因?yàn)榭ǔ弑旧淼慕Y(jié)構(gòu)，決定了主軸座結(jié)構(gòu)不能太大，而且只能采用懸臂結(jié)構(gòu)，所以該零件的安裝位置和方式也有相應(yīng)的妥協(xié)和變化。

2.3 線軌的選用

針對磨床線軌的使用特點(diǎn)，以及國內(nèi)外的使用案例，最后選擇了日本THK的線軌產(chǎn)品。選擇的原因如下：

（1）THK為國際知名品牌，產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命比較容易得到保障；

（2）THK的產(chǎn)品有用戶使用過類似磨床上的先例；

（3）THK的工程師可以針對要求提出解決方案；

（4）THK的產(chǎn)品可選擇的種類比較齊全，有很大的選擇余地；

（5）磨床對零件加工的表面質(zhì)量要求比較高，所以必須保證磨床在加工過程中無振動(dòng)現(xiàn)象，THK的導(dǎo)軌產(chǎn)品就有專門針對磨床產(chǎn)品的規(guī)格型號，經(jīng)過反復(fù)比對和研究，最后選用THK的SNS25R2DDC0的線軌，該線軌的特點(diǎn)是：線軌的結(jié)構(gòu)為矮寬型，承重大，預(yù)緊力大，運(yùn)行平穩(wěn)等。

2.4 絲桿的選擇

與線軌的考慮相同，出于加工精度和加工質(zhì)量的考慮，絲桿同樣選擇日本THK的產(chǎn)品，特別是在絲桿的定位精度和重復(fù)定位精度上要求更高，同時(shí)還兼顧了產(chǎn)品的可靠性和耐用性等方面，并考慮到該設(shè)備加工方式具有重復(fù)往返的特殊性，在絲桿的熱處理方式和潤滑方式的選擇上，有專門的要求。

2.5 電主軸的設(shè)計(jì)和選擇

根據(jù)卡尺尺身和尺寬的大小量面的尺寸和精度要求的不同，電主軸的技術(shù)參數(shù)如下：

（1）小量面電主軸功率為：1.5 kW；

（2）電主軸最高轉(zhuǎn)速為：3 000 r/min；

（3）大量面電主軸功率為：2.5 kW；

（4）電主軸最高轉(zhuǎn)速為：5 000 r/min；

（5）電主軸工作時(shí)間：16 h/天。

（6）電主軸軸承品牌：SKF品牌。

綜上，該數(shù)控精密磨床屬于針對量具行業(yè)的特定產(chǎn)品研制的專用磨床，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，磨削精度高，操作性能好，加工穩(wěn)定性好，整體布局合理等，具體的機(jī)床布局及特征如圖1所示。

圖1 磨床結(jié)構(gòu)布局圖

3 結(jié)束語

本產(chǎn)品數(shù)控精密磨床的設(shè)計(jì)，從具體的零件加工要求和工藝特點(diǎn)出發(fā)，完成了對數(shù)控精密磨床結(jié)構(gòu)布局、功能部件設(shè)計(jì)與選擇等多個(gè)方面的內(nèi)容，并在理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相關(guān)的測試工作，得到了如下的結(jié)論：

（1）數(shù)控精密磨床的專用化設(shè)計(jì)，提高了零件的加工效率和加工精度。

（2）數(shù)控精密磨床的現(xiàn)場適應(yīng)性能和加工穩(wěn)定性能，超過了企業(yè)對加工設(shè)備的預(yù)期，并取得了良好的效果。

（3）數(shù)控精密磨床在人機(jī)交互和結(jié)構(gòu)布局上都較以前的通用機(jī)床有很大的改善，得到了用戶的好評。

綜上，數(shù)控精密磨床的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目的，效果理想。同時(shí)該類型的磨床在量具行業(yè)也有非常重要的推廣意義和現(xiàn)實(shí)意義，也起到了成功的加工工藝改革的示范作用。

[1]孟憲鐸.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[2]張世昌.機(jī)械制造工藝機(jī)床[M].天津：天津大學(xué)出版社，1996.

[3]吳宗澤，羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：77-78.

Design and Research of NC Precision Grinding Machine

JIANG Gui-ping
（Guilin Guanglu Measuring Instrument Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541004，China）

This paper present a design proposal of NC precision grinding machine based on measuring and processing industry.And according to the analysis and research of the characteristics of processing part.Present a feasible proposal from the structure layout and the design of the function parts of the grinder.It provides a reliable theoretical guidance for the development of the equipment.

NC；precision；grinding；motorized spindle

TG584

A

1672-545X（2017）09-0145-03

2017-06-12

蔣桂平（1981-），男，廣西桂林灌陽縣人，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：數(shù)控機(jī)床。