摘要： 刀具特別是硬質(zhì)合金刀具，是復(fù)雜的三維空間多角度的加工工具。高精度刀具的加工成型的關(guān)鍵設(shè)備之一就是數(shù)控工具磨床。為了優(yōu)化刀具加工質(zhì)量及過程的各種合理性因素，主要是對五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床進行研究分析。在研究過程中，在充分考慮刀具磨削加工技術(shù)的要點和要求的基礎(chǔ)上，對常見的五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床的系統(tǒng)布局進行分析，并且通過對不同的工作臺的布置形式進行比較，對原本的數(shù)控工具磨床的工作臺結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，能夠完成對各工作臺零件的部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

銑刀外徑跳動測量儀

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機床；工具磨床；機床工作臺；五軸聯(lián)動數(shù)控

1 、五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床的工作臺運動方案分析

由于刀具的復(fù)雜性，在刀具生產(chǎn)過程中，數(shù)控工具磨床的砂輪和工件之間的相對位置是隨時變化的。常見的數(shù)控工具磨床的砂輪與工作臺的布局有以下兩種：

①砂輪平動、工件轉(zhuǎn)動；②砂輪轉(zhuǎn)動、工件平動。根據(jù)數(shù)控工具磨床的發(fā)展歷史，依據(jù)磨床的結(jié)構(gòu)和加工特性，常見的工作臺結(jié)構(gòu)方案有以下幾種：

1.1 搖臂式工具磨床工作臺結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的工作臺機構(gòu)，結(jié)構(gòu)型式比較復(fù)雜，磨頭能進行水平和垂直擺動，這種結(jié)構(gòu)型式的磨頭轉(zhuǎn)動主要是利用兩個齒輪傳動鏈進行加工的。將工件直接安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上就能夠完成大角度擺動，從而滿足工具磨床的多種加工要求。這種結(jié)構(gòu)型式不僅結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，傳動系統(tǒng)存在間隙，精準(zhǔn)度較低，不能滿足高精度刀具的加工要求。

1.2 立式工作臺結(jié)構(gòu)方案

這種工作臺結(jié)構(gòu)型式采用的同樣是工作臺回轉(zhuǎn)，但不同的是立式工作臺結(jié)構(gòu)中的工件回轉(zhuǎn)的支撐臺是外置的，這樣可以方便后期對工件回轉(zhuǎn)臺進行維護和檢修，也為安裝過程提供了很大便利。立式工作臺結(jié)構(gòu)方案如圖 1 所示。立式工作臺結(jié)構(gòu)型式中 X 軸的主要作用是對砂輪進行定位，工件軸不僅能夠繞著自己的軸線進行回轉(zhuǎn)運動，還可以做直線運動。更重要的是可以幫助工件支撐臺作回轉(zhuǎn)運動，防止磨頭擺動，能夠有效保證主軸的剛性。而這種結(jié)構(gòu)型式的磨頭一般安裝在 Z 軸導(dǎo)軌上。這種結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)相對簡單，缺點是在進行大進給深磨削的過程中，因為磨削力過大會在一定程度上影響磨削精度。

1.3 砂輪平動、工件轉(zhuǎn)動的工作臺結(jié)構(gòu)方案

砂輪平動、工件轉(zhuǎn)動的工具磨床工作臺的結(jié)構(gòu)型式，也是采用的是工作臺回轉(zhuǎn)的型式，不同的是工件回轉(zhuǎn)的支撐臺是內(nèi)置式，即增加工作支撐跨度，工作臺只負責(zé)回轉(zhuǎn)，工作臺移動由下部單獨數(shù)控軸完成，極大地增加了工作臺的剛性。砂輪平動、工件轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)方案的操作過程比較簡單，但這種工作臺的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，由于工作臺較短，只適用于磨削不能太長的工件，并且這種結(jié)構(gòu)增大了機床外罩的空間，使工件與操作員的距離增大，不利于操作者操作及觀察，為了消除這種缺點，該類機床外罩通常是回轉(zhuǎn)式，典型應(yīng)用的五軸數(shù)控工具磨床是德國 WALTEI。

1.4 砂輪轉(zhuǎn)動、工件平動的工作臺結(jié)構(gòu)方案

砂輪平動、工件轉(zhuǎn)動的工具磨床工作臺的結(jié)構(gòu)型式，工作臺只作直線移動，工作臺具有極高的剛性，工作臺長度可以較長，這對于加工長工件極為有利，特別是針對長度長達 1m 以上的深孔鉆時，只能用該類型磨床加工。這種型式的機床，操作者的操作視野距與磨削點的距離較近，便于隨時觀察與調(diào)整。但該類機床砂輪的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，降低了砂輪的磨削剛性，需增加剎車機構(gòu)來提高磨削剛性。典型應(yīng)用的五軸數(shù)控工具磨床是澳大利亞 ANCA，德國SCHUTTE、SAACKE 等。

2、 數(shù)控工具磨床工作臺的設(shè)計方案

2.1 工作臺進給系統(tǒng)設(shè)計

工作臺進給系統(tǒng)運行的精度和靈敏度會對工件的尺寸精度和輪廓精度產(chǎn)生一些影響，因此，在刀具磨削加工過程中要特別注意對工作臺進給系統(tǒng)的設(shè)計。一般來說，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)要滿足以下要求：穩(wěn)定的系統(tǒng)、較高的動精度、較小的摩擦阻力以及較小的運動部件慣量等。而對傳動元件則有以下要求：必須保證傳動間隙在一定范圍內(nèi)，確保傳動元件的高靈敏度和低摩擦阻力，同時還要保證傳動元件較大的剛度。在對工作臺的進給系統(tǒng)進行設(shè)計時，可以使用獨立的伺服電機作為直接驅(qū)動絲杠螺母的傳動方式，這樣可以將進給系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動。同時，借助數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€軸之間的工作進行協(xié)調(diào)聯(lián)動，節(jié)省皮帶以及齒輪傳動的成本，并且能夠減少傳動過程中的誤差，大大提高了傳動的精準(zhǔn)度。除此之外，在設(shè)計過程中還要保證數(shù)控機床導(dǎo)軌的摩擦阻力在一定范圍內(nèi)，要盡量控制在較小范圍內(nèi)，還有具有較強的耐磨性，延長機床導(dǎo)軌的使用壽命。通常情況下，可以采用滾動式導(dǎo)軌進行設(shè)計。

近年，直線電機作為一種**的進給系統(tǒng)，高精度，高響應(yīng)，無傳動系統(tǒng)磨損，將使磨床的使用壽命及精度得到了極大的提升，對于加工高精度高附加值刀具尤為明顯，有極為廣闊的前景。

2.2 工作臺元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床的主要功能是集粗加工和精加工于一體的加工系統(tǒng)，在數(shù)控工具磨床運行過程中對三坐標(biāo)工作臺的要求較高，不僅要能夠承受粗加工時的大吃刀與大走刀的巨大削切力，還要能夠滿足精加工中的高精準(zhǔn)度需求。所以，在對工作臺的元件進行設(shè)計時，一定要保證元件的強度、剛度和抗振性，與此同時，還要控制熱變形和內(nèi)應(yīng)力符合相關(guān)的要求標(biāo)準(zhǔn)。在制作數(shù)控工具磨床的工作臺機體元件時，最關(guān)鍵的一步是選擇元件材料，一般來說，最常用的是強度較高的灰鑄鐵，鑄件的表面是半封閉式的，還要對內(nèi)部的隔板和肋條進行合理布置，同時要加寬機床的導(dǎo)軌面，保證整體的穩(wěn)定性和剛度。

近年來，大理石作為**材質(zhì)得到了極大普及。大理石形態(tài)極為穩(wěn)定，極耐磨損、耐酸、耐堿，有很高的耐熱及耐腐蝕性，精度保持性佳，永遠不會生銹，將作為工作臺作為今后發(fā)展的方向。

3 、結(jié)語

綜上所述，在充分考慮五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床的特點的基礎(chǔ)上，對磨床工作臺的運動方案進行改進設(shè)計，并且在對磨床的相關(guān)零件進行具體**的了解后，對設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性有重要保證，同時也為數(shù)控工具磨床的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考，對數(shù)控機床的發(fā)展有一定的促進意義。

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