數控可轉位刀片周邊磨床的研發和應用

陜西漢江機床有限公司 譚曉慶 王飛 姚博世廈門大學 姚 斌

一、概述

隨著高速切削技術的深入發展，航空航天、汽車制造、大飛機、高鐵制造等國家重點領域和民用加工制造行業精密數控刀片市場需求不斷增長，硬質合金、陶瓷和CBN材料可轉位刀片加工制造業快速壯大。國產精密可轉位刀片加工制造裝備發展起步較晚，經過多年的潛心研究，國產精密可轉位刀片周邊磨床整機設計制造水平有了大幅提升，機床性能和技術水平趕超國外同類先進設備。

陜西漢江機床有限公司聯合廈門大學，一直致力于精密可轉位刀片加工制造裝備的研發與制造。陜西漢江機床有限公司憑借在精密工具磨床、精密螺紋磨床領域雄厚的技術實力，以國家科技重大專項實施為契機，先后完成了2MZK7150、2MK7130、2MK7130A系列可轉位刀片周邊磨床產品的研發制造和產品定型。

二、產品性能介紹

2MK7130A數控可轉位刀片周邊磨床采用FAGOR 8070數控系統實現多軸聯動插補，機床配置上下料機械手，通過機械手一次裝夾即可完成刀片周邊輪廓、倒角、倒圓、雙面倒棱、開槽等加工操作，也可用于非標刀片的周邊曲線加工，適用于批量生產。機床配置機械手自動上下料，具有自動化程度高，加工刀片種類范圍廣，加工效率高，工藝適應性好、節能環保、性價比高等特點，針對國內用戶，還具有人機交互界面宜人、售后服務方便迅捷等優勢。

機床主要技術參數如下：

圖1 2MK7130A數控可轉位刀片周邊磨床

圖2 加工的用戶試磨件

其中，以2MK7130A為代表的數控可轉位刀片周邊磨床, 產品各項性能指標和機床工作精度，達到國外同類先進設備水平，打破了國外高端裝備長期壟斷我國精密可轉位刀片加工裝備市場的局面，產品已在國內多家用戶得到示范應用。

加工范圍（內切圓直徑） φ5～φ 32mm砂輪直徑 400 mm砂輪線速度（最大） 31 m/s加緊行程 25 mm精度數控軸 分辨率 行程范圍 工作速度X軸 0.0001mm 150mm 130mm/s Y軸 0.0001mm 600mm 500mm/s往復頻率：0～2Hz B軸 0.0001° 任意角度 1°～60°/s,C軸 0.0001° -90°～90° 1°～90°/s

機床主要技術指標與國內外同類先進產品對比如下：

主要指標 國 外 2MK7130A 2MK7130 2MZK7150加工范圍（內切圓直徑） φ4～φ50 φ5～φ32 φ5～φ32 φ5～φ50砂輪直徑 400mm 400mm 400mm 400mm砂輪線速度max 63m/s 31m/s 31m/s 120m/s行程范圍X軸 160mm 150mm 150mm 160mm Y軸 539mm 600mm 170mm 590mm A軸 -22°～28°-22°～67° — — -25°～40°-25°～202°B軸 任意 任意 任意 任意C軸 -100°～110° -90°～90° -90°～90° -100°～100°

三、新技術應用情況

2MK7130A數控刀片周邊磨床在設計開發時，借鑒了2MZK7150、2MK1730機床成熟的結構和工藝，結合計算機三維仿真技術、結構分析與優化、熱力耦合等多種先進設計手段，特別是一些關鍵技術應用，對提升機床整機的性能和機床工作精度具有促進作用。

1.高剛性精密機床結構設計與制造技術

（1）概要

數控可轉為刀片周邊磨床主要由床身、兩坐標工作臺、回轉工作臺、頭尾架、砂輪主軸、砂輪修整器、砂輪清洗裝置、工件自動測量與自動定位裝置、上下料機械手，輔以計算機控制系統、液壓系統、潤滑系統、氣動系統、恒溫冷卻系統、油霧分離系統、安全防護裝置等組成。

（2）創新點

根據整機結構布局和刀片加工工藝要求，建立整機數字模型，借助仿真分析技術對關鍵部件進行結構優化和熱力耦合與分析，提高整機動靜態特性和熱特性，降低零部件熱變形對刀片加工精度的影響，提高整機結構剛性、可靠性和精度保持性。

圖3 床身位移云圖、溫度場分布、總變形云圖

（3）技術特點

針對床身受環境溫度變化和各種溫度變化產生的原因，研究運動發熱、切削發熱及其熱變形對床身幾何精度、床身穩定性的影響，制定熱平衡及熱變形補償技術策略。

經過床身結構優化，在機床載荷集中位置采用三角式或田格式加強筋增加床身剛性，采用自然時效處理方式，人工精密刮研，確保床身的幾何精度穩定可靠。

圖4 床身的時效處理和精密刮研

2.兩坐標工作臺設計與制造技術

（1）概要

安裝在床身上兩坐標工作臺主要是為磨頭提供X、Y向驅動力。刀片加工時，需要磨頭縱向進給（X軸）、工件主軸回轉（B軸）與回轉工作臺（C軸）三軸聯動插補。有雙面倒棱工藝要求的刀片，還需磨頭磨頭橫向進給插補（Y軸）。

（2）創新點

兩坐標工作臺采用高精度滾珠絲杠驅動，精密絲杠專用軸承支撐，安裝時合理預緊絲杠，提高系統剛性以及定位精度和重復精度。

工作臺雙向導向支撐可選用平V導軌、貼塑導軌和直線導軌等方式。鑒于工件材質均為難加工材料，且系統要求參與插補各軸運動靈敏，選用精密直線導軌作導向支撐，通過導軌和滑塊間的油膜起到減震阻尼作用，降低振動對加工精度和工件表面質量的影響。

圖5 兩坐標工作臺模型圖

（3）技術特點

精密直線導軌具有精度高、運動靈活、互換性好、安調和維護方便等特點，裝配時需對導軌接合面，絲杠軸承座安裝基面進行精密刮研。為了滿足插補軸較高的定位精度要求，還需配置直線光柵尺作為位置反饋元件，實現全閉環控制。由于機床工作時，磨削液中含有大量的高硬度粉末，需對兩個方向的精密直線導軌、高精度滾珠絲杠副增加防塵、防噴濺等防護裝置。

3.精密回轉和分度定位技術

（1）概要

機床在加工帶后角的多邊形可轉位刀片時，需要頭架驅動刀片回轉和刀片后角加工兩個運動，都需要精密回轉和分度定位技術，采用直驅技術或蝸輪蝸桿傳動實現。

（2）創新點

直驅技術傳動便捷，但生產成本和加工成本較高，而且結構復雜，還會引入因電機發熱和密封對機床溫控帶來的不利影響。因此，選用一種高精度雙節蝸桿-蝸輪副驅動技術，通過調節兩節蝸桿間的間隙，達到消除蝸輪-蝸桿副反向間隙的目的，實現回轉軸的精密分度。

圖6 雙節蝸桿-蝸輪副嚙合檢查

（3）技術特點

機床在加工這類刀片時，回轉工作臺和頭架主軸都有精密分度和可靠定位的要求，采用雙節蝸桿-蝸輪副傳動可實現較大的扭矩傳遞，且傳動過程中滑動嚙合產生的噪音和振動小，借助其自身的反向自鎖性，在液壓鎖緊輔助下，能可靠實現精密定位要求，通過精密位置檢測元件，實現全閉環控制。該技術已取得實用新型發明專利。

4.精密砂輪主軸的設計與制造技術

（1）概要

砂輪主軸是刀片周邊磨床的關鍵部件之一，主軸的熱伸長、振動、軸端跳動等誤差都會直接反映在工件上，主軸精度直接影響磨削工件尺寸精度和表面質量。

（2）創新點

根據周邊磨床砂輪主軸三維模型的仿真分析，對砂輪主軸結構和支撐方式進行優化，配備平衡塊或精密在線動平衡裝置，并綜合運用精密回轉主軸抑振技術、強制冷卻和恒溫控制技術，降低主軸不平衡、震動和主軸熱伸長對工件尺寸精度的影響。

圖7 砂輪主軸模型圖

圖8 砂輪主軸溫度云圖

（3）技術特點

精密砂輪主軸采用滾動軸承支撐，靈活合理的軸承配置形式能將大部分的磨削抗力有效地傳遞給機床床身，并限制主軸受熱后向不影響工件尺寸精度的方向伸長。軸承采用強制油氣潤滑方式，在軸承潤滑同時，高速氣流將摩擦熱量帶出，可有效控制主軸熱伸長引起的加工誤差，防止連續加工時，超硬磨屑因冷卻液噴濺對精密軸承造成損壞。

5.工件自動測量與自動定位技術

（1）概要

單件可轉位刀片周邊加工耗時較短，為適應批量生產模式，應該盡量減少人為干預機床正常工作，配備了柔性機械手實現工件自動上下料。由于同種規格刀片毛坯尺寸誤差較大，為節約輔助時間，提高加工效率和合格率，機床配備有工件自動測量與自動定位裝置。

（2）創新點

刀片加工前，預先設置好自動定位裝置毛坯裝夾位置。機床工作時，機械手將完工零件取下后，換上待加工刀片毛坯。工件自動夾緊后，自動定位裝置返回初始位置。數控系統控制自動測量裝置檢測毛坯余量和裝夾偏差數據，數據經后臺程序運算后，系統自動分配各聯動軸進給量，實現誤差自動補償。工件加工完工后，數控系統根據預先設定的尺寸公差對完工零件尺寸進行抽檢，以判斷工件是否合格和確定砂輪修整補償量，實現砂輪自動修整和誤差修正補償。

對有雙面倒棱工藝要求的刀片來說，機床還選配有刀片厚度自動測量裝置。

圖9 機床自動檢測系統結構圖

（3）技術特點

刀片檢測、定位均在機床上完成，由數控系統程序控制自動完成，避免因多次定位、裝夾帶來的重復誤差，減少機床輔助時間，提高機床加工效率，可通過系統程序參數設置，對測量裝置進行誤差補償。

圖10 測頭誤差補償界面

6.砂輪在線清洗技術

（1）概要

可轉位刀片磨屑呈細粉狀，機床連續加工時，磨屑在冷卻液作用下粘附在砂輪端面而來不及去除，造成砂輪鈍化。機床配置有砂輪修整器，砂輪在加工一定數量刀片后，可根據系統設定自動完成砂輪修銳。

由于陶瓷、CBN材料刀片硬度大，為保證加工效率和加工質量，要求金剛石砂輪磨削時，時刻保持磨粒銳度。根據加工刀片材質，機床選配砂輪在線清洗裝置，可滿足金剛石砂輪實時修銳要求。

（2）創新點

加工陶瓷、CBN材質刀片時，金剛石砂輪快速鈍化，造成機床加工效率和工件表面質量下降，甚至因砂輪堵塞導致冷卻液無法進去磨削區，造成工件燒傷報廢。

砂輪清洗裝置的作用在于，清洗因砂輪磨粒空隙堵塞和對鈍化磨粒修銳，確保砂輪銳度，提高加工效率和加工質量。通過數控系統程序控制，實現金剛石砂輪在線清洗。

圖11 虛擬金剛石砂輪三維視圖

圖12 砂輪在線清洗裝置

（3）技術特點

砂輪清洗裝置工作時，清洗砂輪端面與金剛石砂輪端面實時接觸，金剛石砂輪參與工件磨削加工后即進入砂輪清洗區，數控系統控制砂輪清洗裝置微量進給，確保清洗砂輪與金剛石砂輪實時接觸，實現對金剛石砂輪的清洗和修銳。

該裝置在結構布局上，有效利用砂輪周邊空間位置，確保金剛石砂輪工作的同時清洗砂輪實時對砂輪金剛石磨粒清洗和修銳。通過數控系統參數設定和程序控制，實現清洗砂輪轉速調節和進給誤差的自動補償，控制系統后臺將補償量分配給各插補軸，提高工件加工精度。

四、成果應用及推廣情況

2018年4月，陜西漢江機床有限公司參展的2MK7130A數控可轉位刀片周邊磨床榮獲第十屆中國數控機床展覽會（CCMT2018） 春燕獎，陜西漢江機床有限公司2MZK7150全自動可轉位刀片周邊磨床榮獲CCMT2012春燕獎以來，在精密數控工具磨床領域的再次獲獎，表明陜西漢江機床有限公司數控可轉位刀片周邊磨床系列產品結構和性能指標，得到了中國機床工具協會的一致認可，機床經過國內多家用戶生產驗證，技術水平和自動化程度滿足國內刀片生產企業的要求，具備替代進口設備的能力。

圖13 2MK7130A數控可轉位刀片周邊磨床獲獎證書

經過陜西漢江機床有限公司多年來在精密數控工具磨床領域的潛心研究和技術積累，2MK7130、2MK7130A系列數控可轉位刀片周邊磨床結構日趨完善，機床配置經濟合理，滿足國內數控精密刀片制造市場需求。公司憑借在國內精密磨削領域的雄厚的技術實力和業界良好的信譽口碑，以及專業的技術支持和迅捷的售后服務體系，該系列產品已在浙江、深圳、江蘇、成都、河北等多家用戶成功應用示范。 □