刀片周邊數控磨床關鍵部件研發
——直線進給軸及主軸及相關部件

郭祥福， 尹作升， 李效民， 徐 敏

（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

我國已成為世界上裝備制造大國， 也是刀具消耗大國。 目前國內高檔數控可轉位刀片周邊磨床主要依賴進口[1]。 隨著航天航空行業的高速發展，特種材料的加工及使用越來越廣泛， 大量的難加工材料的使用對數控機床使用刀具的質量和數量都有較高的需求，被稱為“工業的牙齒” 的刀片是數控機床在切削過程中主要工作的直接承擔者，在切削過程中直接與工件發生關系。其質量和性能直接影響數控加工設備的使用性能和加工質量的穩定性。就此硬質合金、金屬陶瓷、CBN、PCD 等各種新材料的出世以滿足加工對刀片加性能的需求。 可轉位刀片作為現代切削刀具中一種先進的刀具，具有耐用度高、可快換以及良好的斷屑能力、 制造成本低等特點在現代切削加工中被廣泛的應用[2]。 使用方法主要是鑲嵌或安裝在各種規格尺寸的刀柄之上， 以滿足準確可靠的加工及加工使用壽命的同時， 刀具在加工過程中可快速準確更換刀片以提高生產效率。 其形狀有詳細的國家標準，主要以三角形、四方形、正方形、長菱形、多邊形及圓形等為主，相關標準GB/T2078—2007 （帶圓角圓孔硬質合金可轉位刀片）、GB/T2079—2007 （無 孔 可 轉 位 刀 片）、GB/T2080—2007（帶圓角沉孔硬質合金可轉位刀片）。 同時針對特殊形狀刀片的磨削加工， 可通過特定夾具的加持進行周邊磨削以滿足其使用要求。 數控刀片磨床擁有一機多用，通過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]。 除國外如瑞士阿格頓公司、德國瓦爾特、澳大利亞ANCA 等以外，國內陜西漢江機床有限公司、濟南博特威精密機械有限公司、 天通吉成機器技術有限公司均有刀片磨機床生產。 針對目前國內外生產廠家技術參數與機床價格，以及國內刀片磨市場進行調研分析后，研制一款高性能、高效率、高自動化的數控刀片磨機床，確保其性能及精度達到國際一流水平的設備， 以滿足國內市場的需求的同時在未來的市場競爭中擁有較好的技術及經濟競爭優勢。

1 刀片磨機床形式及參數確定

優質刀片必須具有良好的刀片材料屬性， 同時要具有合理的幾何結構以滿足切削的要求， 同樣要求母機具有較高加工精度和合理的機床結構布局。 論文所述數控刀片磨機床定義為MDPK40 刀片磨床， 其中磨輪旋轉運動為主運動， 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。 在數控刀片磨床進給軸布局中，Z軸為垂直于被加工表面的進給， 拖動主軸系統橫向移動為X 軸，工件回轉軸為B 軸，驅動B 軸擺動運動坐標為C軸，機床整體布局如圖1 所示。 機床主要包括床身、主軸部件、在線修整機構、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、拖動主軸砂輪前后移動的Z 軸進給機構及左右移動的X 軸進給機構、 側置砂輪修整器以及輔助上料機器人、料架、內外防護等組成。

圖1 刀片磨床整體布局圖

機床主要參數為：砂輪直徑400mm，主電機功率9kW，主軸最高轉速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″；X 軸行程為800mm，快移速度10m/min，定位精度3μm，重復定位精度1.5μm；Z 軸行程200mm，快移速度10m/min，定位精度3μm，重復定位精度1.5μm；U 軸行程為50mm，快移速度5m/min，定位精度8μm， 重復定位精度為5μm。 配置有機器人輔助上下料裝置，機器人手臂可抓5kg 工件。

1.1 主軸部分結構設計

如圖2 所示， 主軸機構為砂輪通過螺釘固定在主軸上，主軸前端有軸及臺階定位。主軸軸系同過高精度主軸軸承安裝支撐與冷卻套內。 主軸軸承布局形式選用常規的4 列背對背串聯安裝形式， 滿足磨床主軸在運行及磨削過程中承受的各向力及快速旋轉的要求。 軸承通過外圈壓蓋、 內圈鎖緊螺母的形式準確可靠的安裝在主軸和冷卻套之間。 為防止高速運行過程軸承摩擦發熱導致軸系熱變形， 在冷卻套上冷卻槽內通入恒溫冷卻油對主軸系統的溫度進行先導控制。 主軸軸系與主電機通過聯軸器進行直聯， 該機構擁有較好的傳動剛性和較低的傳動間隙。根據磨削過程中，砂輪旋轉偏心力對機床磨削加工質量有較大的影響， 機床主軸在裝配過程中嚴格按磨床動平衡質量G0.4 要求進行不平衡質量的修正（按精密磨床的傳動軸、砂輪和電樞陀螺儀等平衡等級要求）[7]。主軸基座下部設置有孔通過定位銷及螺釘與Z 向托板進行連接。 上部設計有安裝支座用來安裝U 軸（在線修整輪）進給裝置。

圖2 機床主軸結構設計布局圖

1.2 修整輪機構設計

在磨削過程中，尤其是高硬度刀片材料的高速磨削，金剛石砂輪在磨削過程中存在鈍化和積削瘤粘接現象，使得磨削力增大，磨削溫度會急劇升高，從而嚴重影響工件的磨削表面質量，甚至出現燒傷。不能正常工作的磨削會導致磨床整機受力不均、過載引起的振動等現象，為了確保砂輪的正常運行， 需在加工過程中對金剛石砂輪進行實時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單便于實現的特點，本機床設計時選擇該修整方法進行修整。修整過程分為整形和修銳兩步進行， 修整輪的磨削帶與金剛石砂輪完全交錯貼合，并以一定的轉速旋轉，通過U 軸進給運動確定金剛石砂輪與修整輪之間的相對位置關系后進行修整，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。 修整輪機構設計布局見圖3。

圖3 修整輪機構安裝布局圖

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， 整體機構可分為U 軸進給運動和修整輪旋轉運動兩個部分組成。 在主軸箱上部設置有U 軸進給機構安裝臺階， 臺階上安裝或基座用于安裝U 軸運動導向的直線導軌，進給的絲杠螺母機構，進給絲杠與U 軸進給電機通過聯軸器直聯， 并設置有位置檢測的光柵尺實現進給軸的全閉環控制。修整輪安裝座上與絲杠螺母座連接，通過螺釘連接，U 軸電機驅動絲杠螺母運行以拖動其前后移動。

修整輪機構結構設置見圖4， 安裝座與絲杠螺母座連接，安裝座內安裝有冷卻套，冷卻套通有恒溫冷卻油對修整輪機構在運行過程中的發熱進行預先控制， 確保其具有較高的運行精度和使用壽命， 冷卻套內安裝有緊密主軸軸承支撐主軸，主軸前端安裝修整輪，機構配置有可靠性較高的定位裝置鎖緊裝置。

圖4 修整輪機構結構圖

金剛石砂輪在磨削過程中，尤其是磨斜面時，側面也參與磨削加工。 而圖4 所示的修整輪僅能實現砂輪前端面的修整功能， 所以在加工到一定時間或砂輪側面需要進行修整時，需將主軸（金剛石砂輪）通過Z 軸和X 軸的移動將其拖動至側向修整輪處對砂輪進行外圓面修整處理，側向修整輪機構見圖5。

圖5 側向修整輪機構

側向修整輪機構安裝于床身指定位置處 （位于機床床身右前方之上），整套軸系安裝于基座之上，基座安裝于床身設定位置之上。修整輪軸系安裝于安裝套內，由冷卻套、 支撐用主軸軸承 （主軸軸承為4 列背對背串聯布局），主軸于前端修整輪定位連接。 主軸于主電機通過聯軸器進行聯接， 冷卻套內通有恒溫冷卻油對軸承在運行過程中的發熱進行溫度控制對熱變形進行抑制， 主軸軸承外圈有壓蓋壓緊， 內圈通過鎖緊螺母機構將其鎖緊在主軸之上。 兩套修整輪主軸軸系機構相同。

2 直線進給機構設計選型

磨床在運行過程中， 砂輪在磨削加工過程中對傳動系統的誤差的諧振具有明顯的復制性， 傳動系統的平穩度直接影響到磨削工件的表面質量。 常見的短行程直線軸進給在機床行業使用絲杠傳動較多， 但考慮到高的動態響應性能和平穩性， 該機床設計時各直線軸 （除U 軸外）均選用直線電機進行驅動。直線電機的使用可以解決絲杠傳動進給存在的傳統誤差的同時，采用磁懸浮設計，由于機械接觸較少， 通過電能直接轉化為直線運動避免傳統系統的中間轉換誤差，并擁有響應性能敏捷、精確程度高、加減速度大及高長期穩定性等優點[8]。

其中X 軸、Z 軸傳動結構組成為：直線電機驅動移動部件，直線導軌導向，相關位置安裝有光柵尺進行全閉環控制以提高機床進給精度及其運行的可靠性。

2.1 磨床X 軸與床身結構設計

X 軸的進給機構及床身布局見圖6。

圖6 X 軸進給機構及床身布局圖

如圖6 所示，床身上部按磨床相應的功能進行布局，在左前部分布置有C 軸的安裝位置， 右前方設置有側向修整磨頭安裝凸臺， 床身前部分結構設計為大斜坡結構形式，方便切削冷卻油通過設定管道回流至相應的位置。床身左側設計有凸臺用于安裝機器人， 上部與機床重心相對應得四個吊環點（機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定子，定子兩側安裝有導向用的直線導軌， 后部導軌內側安裝有光柵尺進行運行位置檢測與反饋。

由于X 軸行程為800mm， 拖動部件質量為1500kg，選擇新加坡雅科貝思直線電機，定子為型號為：AKH130-TL270-E，數量為5 個。電機選型計算按照產品樣本要求：推力=總質量×加速度+摩擦力+外界應力， 根據直線導軌的摩擦系數0.05， 摩擦力為μ.mg=0.05×1500×9.8=735N，加速度選擇為0.4G， 此時計算的推力=μ.mg+f+ma=735+20+1500×0.4×9.8=6635N。 其余還需計算持續推力等相關參數，但根據樣本計算選型說明，根據最大推力和持續推力選擇一個電機，用戶應將安全系數設為20%～30%，以便摩擦力和外界應力抵消為0， 其余具體計算在此不再進行詳細論證。 AKH130-TL270-E 電機定子參數中，TL 為磁軌長度， 該電機在配置水冷的條件下， 最大推力可達7150N。 所選直線電機滿足設計使用要求。

2.2 磨床Z 軸及其布局設計

磨床X 軸移動拖動托板與主軸左右移動， 其上布局的Z 軸拖動主軸在托板上前后移動， 兩直線軸的配合移動， 拖動砂輪至指定位置進行磨削加工或到側向修整輪位置處進行砂輪的修整工作。 托板上的進給機構布局見圖7。

圖7 托板及其進給機構布局

如圖7 所示，托板在參與X 向移動的同時，還承擔主軸箱等部件的支撐功能，其下部安裝有直線電機動子，動子兩側安裝有線軌滑塊。托板上部安裝有線軌，兩線軌中間設置有直線電機定子線軌外側的托板上安裝有光柵尺讀數頭支架用于Z 軸的進給及檢測。此外，線軌直線度設置有線軌直線度調整的內錐孔壓塊， 主軸箱精度調整用的調整墊板， 防止運行過程中過沖的硬限位等原件的設置也是必不可少的。

3 總結

論文介紹了數控刀片磨床的主要參數及設計關鍵技術，設計過程中對主軸機構（金剛石砂輪）、（X、Z、U）軸的直線進給機構、 側置砂輪修整機構及頂置砂輪修整機構的結構設計選型等內容。 數控刀片磨床配合其余的B 軸于C 軸的聯動， 機器人自動上下料機構可實現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的液壓、氣動、冷卻、數字控制系統等以滿足機床相應的功能要求。外圍設備則包含油霧收集器、機床滅火裝置、防護、料架等。數控刀片磨床作為自動化程度高，穩定性好的精密加工設備， 根據用戶需求還配置有組線生產的結口與功能。

4 結束語

論文介紹的數控刀片磨床選用先進的進給拖動技術和控制技術， 配合各性能優異的各組件設計制造與裝配工藝。研發過程中使用先進的設計技術與優化分析技術，為機床質量和性能提供了良好的保障。 該機床參數及技術成熟程度可與國外先進產品進行媲美， 同時通過控制技術的優化和提升，可為用戶提供優良的使用體驗。