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五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究
2018-8-9 來源：北平機(jī)床有限公司 作者： 陳寶華
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(dòng)數(shù)控工具磨床進(jìn)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(diǎn)和要求的基礎(chǔ)上，對常見的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的系統(tǒng)布局進(jìn)行分析，并且通過對不同的工作臺(tái)的布置形式進(jìn)行比較，對原本的數(shù)控工具磨床的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠完成對各工作臺(tái)零件的部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床；工具磨床；機(jī)床工作臺(tái)；五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控
1 、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(shí)變化的。常見的數(shù)控工具磨床的砂輪與工作臺(tái)的布局有以下兩種：
①砂輪平動(dòng)、工件轉(zhuǎn)動(dòng)；②砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)、工件平動(dòng)。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(tái)結(jié)構(gòu)方案有以下幾種：
1.1 搖臂式萬能工具磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的工作臺(tái)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)型式比較復(fù)雜，磨頭能進(jìn)行水平和垂直擺動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)型式的磨頭轉(zhuǎn)動(dòng)主要是利用兩個(gè)齒輪傳動(dòng)鏈進(jìn)行加工的。將工件直接安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上就能夠完成大角度擺動(dòng)，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(dòng)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(tái)結(jié)構(gòu)方案
這種工作臺(tái)結(jié)構(gòu)型式采用的同樣是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)，但不同的是立式工作臺(tái)結(jié)構(gòu)中的工件回轉(zhuǎn)的支撐臺(tái)是外置的，這樣可以方便后期對工件回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行維護(hù)和檢修，也為安裝過程提供了很大便利。立式工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方案如圖 1 所示。立式工作臺(tái)結(jié)構(gòu)型式中 X 軸的主要作用是對砂輪進(jìn)行定位，工件軸不僅能夠繞著自己的軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還可以做直線運(yùn)動(dòng)。更重要的是可以幫助工件支撐臺(tái)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，防止磨頭擺動(dòng)，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)方案的最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)相對簡單，缺點(diǎn)是在進(jìn)行大進(jìn)給深磨削的過程中，因?yàn)槟ハ髁^大會(huì)在一定程度上影響磨削精度。
1.3 砂輪平動(dòng)、工件轉(zhuǎn)動(dòng)的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方案
砂輪平動(dòng)、工件轉(zhuǎn)動(dòng)的工具磨床工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式，也是采用的是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的型式，不同的是工件回轉(zhuǎn)的支撐臺(tái)是內(nèi)置式，即增加工作支撐跨度，工作臺(tái)只負(fù)責(zé)回轉(zhuǎn)，工作臺(tái)移動(dòng)由下部單獨(dú)數(shù)控軸完成，極大地增加了工作臺(tái)的剛性。砂輪平動(dòng)、工件轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)方案的操作過程比較簡單，但這種工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，由于工作臺(tái)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(jī)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(diǎn)，該類機(jī)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(dòng)、工件平動(dòng)的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方案
砂輪平動(dòng)、工件轉(zhuǎn)動(dòng)的工具磨床工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式，工作臺(tái)只作直線移動(dòng)，工作臺(tái)具有極高的剛性，工作臺(tái)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(dá) 1m 以上的深孔鉆時(shí)，只能用該類型磨床加工。這種型式的機(jī)床，操作者的操作視野距與磨削點(diǎn)的距離較近，便于隨時(shí)觀察與調(diào)整。但該類機(jī)床砂輪的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，降低了砂輪的磨削剛性，需增加剎車機(jī)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(tái)的設(shè)計(jì)方案
2.1 工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)行的精度和靈敏度會(huì)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(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一般來說，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要滿足以下要求：穩(wěn)定的系統(tǒng)、較高的動(dòng)精度、較小的摩擦阻力以及較小的運(yùn)動(dòng)部件慣量等。而對傳動(dòng)元件則有以下要求：必須保證傳動(dòng)間隙在一定范圍內(nèi)，確保傳動(dòng)元件的高靈敏度和低摩擦阻力，同時(shí)還要保證傳動(dòng)元件較大的剛度。在對工作臺(tái)的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用獨(dú)立的伺服電機(jī)作為直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母的傳動(dòng)方式，這樣可以將進(jìn)給系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，借助數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€(gè)軸之間的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，節(jié)省皮帶以及齒輪傳動(dòng)的成本，并且能夠最大程度地減少傳動(dòng)過程中的誤差，大大提高了傳動(dòng)的精準(zhǔn)度。除此之外，在設(shè)計(jì)過程中還要保證數(shù)控機(jī)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(qiáng)的耐磨性，延長機(jī)床導(dǎo)軌的使用壽命。通常情況下，可以采用滾動(dòng)式導(dǎo)軌進(jìn)行設(shè)計(jì)。
近年，直線電機(jī)作為一種新型的進(jìn)給系統(tǒng)，高精度，高響應(yīng)，無傳動(dòng)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(tái)元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
五軸聯(lián)動(dòng)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(yùn)行過程中對三坐標(biāo)工作臺(tái)的要求較高，不僅要能夠承受粗加工時(shí)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(tái)的元件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要保證元件的強(qiáng)度、剛度和抗振性，與此同時(shí)，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(tái)機(jī)體元件時(shí)，最關(guān)鍵的一步是選擇元件材料，一般來說，最常用的是強(qiáng)度較高的優(yōu)質(zhì)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(jìn)行合理布置，同時(shí)要加寬機(jī)床的導(dǎo)軌面，保證整體的穩(wěn)定性和剛度。
近年來，大理石作為新型材質(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(yuǎn)不會(huì)生銹，將作為工作臺(tái)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(dòng)數(shù)控工具磨床的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對磨床工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并且在對磨床的相關(guān)零件進(jìn)行具體全面的了解后，對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性有重要保證，同時(shí)也為數(shù)控工具磨床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考，對數(shù)控機(jī)床的發(fā)展有一定的促進(jìn)意義.
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