刀片周邊數控磨床關鍵部件研發
——B 軸+C 軸及相關部件

朱祝生， 楊 甫， 王 維， 徐 勇， 羅慶豐

（1.中國機械總院集團云南分院有限公司，云南 昆明 650031；2.云南省機電一體化應用技術重點實驗室，云南 昆明 650031）

0 引言

2021 年8 月19 日，國資委召開擴大會議，會議強調：要把科技創新擺在更加突出的位置，針對工業母機、高端芯片、新材料、新能源汽車等領域加強核心技術攻關[1]，會議中將工業母機位于首位。切削加工仍是機械加工的主導方式，其總份額的機械制造90%以上，刀具及切削刀片的投入占整個系統投入的10%甚至更多，新型刀具制造技術的先進材料的發展極大的推動了刀具行業的發展[2]。可轉位刀片刀具的推廣應用是金屬切削行業的重要發展方向之一，隨著我國制造業規模的不斷發展，可轉位刀具在使用過程中的優勢會愈加明顯[3]。 作為刀片生產的重要裝備， 數控刀片磨床的技術水平對刀片的制造精度好質量有著及其重要的影響。 近年來通過技改投入，引進先進技術和設備， 刀具行業的技術及產能都取得了較大的提升。 但是高性能的數控刀片磨床與國外相比仍有較大的差距。 就此，通過對國內外生產廠家進行對比及市場分析后，確定研制MDPK40 型數控刀片磨機床。 論文就機床及其主要關鍵部件B 軸+C 軸刀片組合運動及刀片定位、夾持及位置檢測等功能實現與結構設計進行闡述。

1 MDPK40 型數控刀片磨機床結構設計

數控刀片磨機床由： 支撐整個機床各移動部件的床身，提供刀片磨削運動主軸部件，金剛石砂輪的在線修整機構，提供主軸移動的X、Z 軸進給機構及相關構建，滿足刀片周邊、刃口及各斜角磨削的B+C 軸進給機構、刀片夾持機構，輔助上料機器人、料架、內外防護，機床相關的液壓、氣動、冷卻設備、滅火設備、除霧裝置、控制系統等組成，布局見圖1。

圖1 刀片磨床整體布局圖

2 數控刀片磨床B 軸C 軸的結構設計

為滿足刀片加工需求，B 軸與C 軸的參數設置為B軸快移速度360°/S，定位精度為3″，重復定位精度1.5″； C軸行程-30°～30°，快移速度360°/S，定位精度3″，重復定位精度1.5″。 機床B 軸安裝在C 軸之上，C 軸安裝在機床所設定的位置見圖1。B 軸主要組成見圖2，按旋轉功能B軸分為主動機構和從動機構兩部分， 從動機構后部設置有輔助夾緊裝置， 當主動夾緊機構伸出推動刀片夾緊機構前移，將機械手傳遞過來的刀片夾緊時，輔助夾緊機構同時伸出將刀片初步夾緊。與此同時，升降式定位機構在氣缸作用下上移， 推動定位機構至刀片位置對刀片的位置精度進行確認調整。升降式定位機構在移動過程中，為了防止切削液及磨削污染導推桿， 在外圍安裝有伸縮式防護。 B 軸底盤旋轉通過C 軸電機進行驅動實現行程范圍內的擺動，B 軸中心軸線與C 軸回轉軸線空間重合。

圖2 B 軸整體外形結構與布局

2.1 B 軸結構設計

針對機床B 軸的功能特點， 對其內部結構布局設置見圖3， 其中B 軸旋轉驅動裝置主要功能是在刀片加持成功后， 在磨削過程中提供360°旋轉以完成磨削過程中刀片旋轉軸線上的運動， 從動機構會在刀片傳遞驅動力的情況下同步轉動。推出夾緊裝置在外部設置有進氣口，當機械手將刀片送至制定位置后，數控系統提供指令，后端腔體進氣推動活塞桿前移至刀片位置， 隨動裝置同時將刀片夾持器推出初步夾緊后， 如前述定位裝置上移進行刀片初定位。位置檢測桿信號到位后，系統提示測頭安裝盒內測頭可以進行刀片周邊形狀及位置進行檢測。 刀片測頭選擇日本基恩士型號為GT2-A32 接觸式數字傳感器帶安裝支架OP-84327， 測頭附帶氣缸和DP-77679平板式接觸件，測頭可實現刀片磨削前尺寸檢測，并將數據反饋至系統后確定磨削量； 在磨削結束后對刀片尺寸進行測量， 系統根據測定數據判定刀片磨削加工是否達到要求以及下一工序進行內容。

圖3 B 軸總體機構布局圖

根據上述B 軸的外形及功能描述， 在主動部分機構中，具體布局見圖4。為了確保在磨削加工過程中，B 軸能為磨削時提供了回轉運動的同時，會在一定程度上承受磨削力，為了與金剛石砂輪的磨削速度匹配，B 軸快移速度為360°/S，選擇通過力矩電機驅動B 軸旋轉機構，在力矩電機后部安裝有圓光柵進行回轉位置檢測， 光柵尺位設計有防護性能優異的防護罩。 B 軸旋轉軸支撐軸承選擇角接觸球軸承，整個軸系在刀片夾緊過程中夾緊力較大，使用要求為夾緊力2000～10000N，所以軸承數量選擇為前三后三的布局形式。前三列軸承外圈通過軸承壓蓋壓緊，內圈使用鎖緊螺母將其并緊在旋轉軸上。 旋轉軸內設計有腔體，腔體內安裝有活塞，在刀片輸送到位后通過進氣推動活塞前移，推動前端的刀片夾頭伸出定位夾緊刀片。

圖4 B 軸主動機構結構設計布局

從動機構包含兩個部分組成， 一為在B 軸力矩電機驅動作用下，通過刀片傳遞，跟隨主動機構一起旋轉的運動，二為刀片定位夾緊動作，其結構見圖5。 心部軸通過軸承支撐在套筒內，在油缸伸出壓緊刀片時，軸承承受載荷較大，前端軸承選擇RB3510 型號的交叉滾子軸承，交叉滾子軸承載荷中，軸承的軸向動載荷為Fa，徑向動載荷Fr 和動載傾覆力矩Mk 參數， 具體計算選型參考軸承廠家樣本，滿足整套軸系中的軸向徑向載荷要求。后部軸承為B71907--T-P4S 型號的角接觸球軸承進行軸的定心。軸承通過前端的壓蓋和后端的鎖緊螺母壓緊軸承，軸承安裝工藝及跑合嚴格按照軸承廠家裝配跑合要求進行。 在基座上這只有進油口和回油口，軸承使用油潤滑，整套機構安裝有密封性能優良的密封圈。 套筒安裝于基座內，除支撐從動軸旋轉外，后端設置有相關位置安裝壓緊機構， 壓緊機構動作推動套筒及整套機構前后移動實現刀片的夾緊和松開工作。

圖5 B 軸從動機構結構布局圖

如圖5 所示中的夾緊機構，其結構布局與位置檢測機構見圖6，機構驅動原件為高壓油缸，油缸前端液壓控制閥組選用電液比例閥對輸出壓力進行精準控制， 該控制目的在于在刀片預定位及位置確認后加大液壓壓力實現刀片的磨削夾緊功能，液壓活塞桿與壓桿通過圓柱銷進行連接。壓桿上設置有三個銷或軸的安裝孔，中間位置孔安裝有定心軸，另一端與通過銷軸與隨動裝置連接，當活塞推出或回縮時，壓桿在液壓力作用下，以定心軸為中心進行擺動，便可拖動隨動機構在B 軸基座的導向筒內前后移動實現刀片的松夾功能。在隨動機構后部安裝有隨動板，隨動板上安裝有檢測桿。 檢測桿選用日本基恩士GT2-P12K接觸式數字傳感器，帶安裝支架OP-76874 及DP-77678標準型接觸件，檢測桿在隨動板的帶動下前后移動，并將位置準確提供至數控系統確定夾緊位置及動作是否準確。

圖6 夾緊機構布局圖

2.2 C 軸的機構設計及選型

C 軸支撐著B 軸并驅動B 軸在C 軸行程范圍內進行擺動運動，C 軸的結構布局見圖7。 C 軸整體為中空結構布局，中間位置安裝有頂料器，頂料器通過氣缸推動實現上下移動。刀片被B 軸上安裝的刀片夾頭初步加持后，頂料器上移至刀片位置，對刀片位置準確度進行修正，修正完成后氣缸回縮至原位置，在移動行程內，設置有伸縮式防護機構。 C 軸通過轉臺軸承支承定位，為提高其回轉精度，在下端設置有兩列調心軸承進行輔助定位。回轉運動通過力矩電機驅動，定子安裝在電機安裝座內，轉子與芯軸聯接， 在力矩電機下部設置有圓光柵對回轉精度進行檢測。轉臺軸承內圈與轉臺通過相關尺寸定位，用螺釘聯接，B 軸基座安裝于轉臺之上。 C 軸力矩電機選用雅科貝思ADR180-PL-065-S-KB-N-030N-Z169，電機額定轉矩為69.7Nm，峰值轉矩為167Nm，電機最高轉速500rpm。電機定子配置有恒溫水冷。

圖7 C 軸機構布局圖

由于C 軸在驅動B 軸回轉的過程中，B 軸結構形式相對于回轉中心而言，屬于具有一定的偏心機構，對回轉部件質量進行測量得總重為220kg，如圖2 所示，回轉部件形狀復雜，質量分布不均勻、外形復雜的零件不能用公式轉動慣量， 只能通過試驗的方法來精確測定或通過軟件來分析得出[4]。 具體操作方式：用三維軟件建完裝配模型并對部件所有零件材料和性能進行定義后， 由于裝配體的顯示坐標與旋轉中心不統一， 通過軟件質量屬性功能里所顯示的慣性張量（①由重心決定，并對其輸出坐標系；②由輸出坐標系決定選項）均不能準確反映實際旋轉體慣量。 此時，需新建一裝配體，將模型導入新的裝配體中，選擇裝配關系為浮動，在裝配基準面中選擇兩平面，新建基準軸（方向與X 向相同），調整裝配關系，使旋轉軸與該新建基準（X）軸重合，此時顯示的慣性張量中以輸出坐標系決定中Ixx=8463127.1055（kg·mm2）值為該裝配體相對于回轉中心的慣量，結果見圖8。根據上述分析結果，對其進行單位統一換算，即Jm=8.46313kg·m2此時為對于回轉軸，T=Jα，其中：T 為驅動回轉運動所需的轉矩，J 為負載的轉動慣量，α 為角加速度。 J=Jm+Jr，電機樣本顯示轉動慣量為Jr=0.0049kg·m2，得J=Jm+Jr=8.46803kg·m2，

圖8 B 軸慣量分析計算

則角加速度

α=T×安全系數/J=167Nm×0.7/8.46803≈13.8rad/s2，此時可以看出， 該電機的旋轉為C 軸提供了很好的加速能力以更好的匹配機床的運行，具體計算按電機樣本進行。

3 總結

機床B 軸與C 軸機構的功能可分為兩個部分， 第一如論文所述的相關機構對刀片進行準確的定位夾緊。定位動作由刀片輸送至系統指定位置后，夾具通過油氣壓力推動夾具伸出進行處后進行初定位，位于夾具下部的輔助定位裝置上移進行刀片位置修正，油缸二次施加加緊力對刀片進行夾緊， 通過上部設置的測頭裝置對刀片輪廓進行檢測確定磨削加工余量及磨削完成后的刀片尺寸檢定，（夾緊是否準確到位則有位置檢測開關進行監測）； 第二部分為B 軸與C 軸的旋轉運動，B 軸的旋轉運動為刀片提供以夾頭中心線為中心的旋轉運動，C 軸為刀片提供以C 軸回轉中心的回轉運動。 為提供性能可匹配直線電機驅動直線進給軸運動， 機床B 軸與C 軸選用力矩電機驅動，圓光柵位置檢測，實現無背隙、全閉環、高響應的回轉軸進給傳動系統。

4 結束語

刀片磨床的B 軸與C 軸聯動匹配控制， 配合機床其余各軸及相關功能集成為刀片周邊磨削加工提供性能優異的加工質量及加工效率。 根據不同的刀片形式配置相應的夾頭，選用可深度二次開發的控制系統，功能強大監測系統可實現可視化操作。 機床性能定位與開發滿足市場需求，同時具有較高的提升空間，配合機器人送料裝置等可組配柔性加工單元或柔性線。 較為優良的參數配置確保機床在未來刀片加工行業占有廣闊的市場前景。