重慶派斯克刀具制造股份有限公司 （401336）蔡 進(jìn)

雙刃刀片是機(jī)械電刨機(jī)的組件，刀片側(cè)視外形如圖1所示。該刀片是異型薄長(zhǎng)件，使用時(shí)以圓弧凹槽定位?，F(xiàn)有木工雙刃刀片刃磨，僅限于單工藝加工或采用專用仿形工具磨床實(shí)現(xiàn)單工序刃磨，只能對(duì)木工刀具單個(gè)表面進(jìn)行離散加工。在多工藝系統(tǒng)的集成方面，國(guó)內(nèi)的加工技術(shù)和工藝水平尚不成熟，還沒有將多工藝過(guò)程集成為單工藝連續(xù)生產(chǎn)的專用系統(tǒng)及裝備。

雙刃刀片的毛坯由硬質(zhì)合金或高速鋼經(jīng)過(guò)模壓成形，毛坯到成品需要進(jìn)行以下的磨削加工：磨削兩處前刀面，形成兩個(gè)前角γ；磨削兩處后刀面，形成兩個(gè)第二后角α1；磨削兩處刃帶，形成兩個(gè)第一后角α。磨削還必須保證寬度尺寸L和對(duì)稱度要求，被磨削面的表面粗糙度值Ra≤0.2μm。

圖1 雙刃刀片

此前，雙刃刀片的加工主要采用逐個(gè)工序磨削。六道磨削工序需要進(jìn)行六次裝夾定位、人工操作誤差及裝夾誤差等，直接導(dǎo)致工件的加工精度不高，且在每道工序加工后，需要對(duì)幾何尺寸進(jìn)行檢測(cè)可能擦傷或者破壞刀具刃口，導(dǎo)致刀具質(zhì)量下降。下道工序的重新定位裝夾使精度難以保證，產(chǎn)品表面粗糙度也難以達(dá)到要求。而且傳統(tǒng)方法生產(chǎn)過(guò)程中，搬運(yùn)時(shí)間與檢測(cè)時(shí)間占總加工時(shí)間的30%～40%。這種勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)方式，自動(dòng)化程度比較低，對(duì)工人的操作能力與勞動(dòng)量的要求很高；同時(shí)傳統(tǒng)加工工藝一般針對(duì)單一型號(hào)、較難滿足市場(chǎng)對(duì)雙刃刀片長(zhǎng)度的特殊要求，不利于提高產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)性。

1.存在的問題

傳統(tǒng)磨削方式存在以下問題：加工精度低、加工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法對(duì)長(zhǎng)度在1.5m以上的大尺寸雙刃刀片進(jìn)行高精度磨削加工。

顯然，科技含量、加工精度及生產(chǎn)效率需進(jìn)一步地提高。為了提高產(chǎn)品的科技含量、加工精度及生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)成本，迫切需探索一種能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾、多工序集中、連續(xù)生產(chǎn)等功能的新工藝、新方法，以滿足市場(chǎng)及行業(yè)發(fā)展的需求，適應(yīng)快節(jié)奏的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。

2.設(shè)計(jì)要求

能夠?qū)崿F(xiàn)多工位集成、用連續(xù)加工方法代替離散工藝，一次裝夾連續(xù)加工“材料進(jìn)去，產(chǎn)品出來(lái)”，效率高、精度高，能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度的高速專用磨床。

3.技術(shù)方案

（1）針對(duì)目前雙刃刀片磨削加工過(guò)程中存在的工序分散、加工精度低、效率低、材料利用率低等問題，結(jié)合新的磨削技術(shù)及磨削裝備的發(fā)展，如新的磨料磨具的出現(xiàn)、砂輪制造技術(shù)發(fā)展、高速磨削技術(shù)及其控制技術(shù)的應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)、支撐技術(shù)等，開發(fā)出一種六軸多面多工位、多工序集中、連續(xù)同步磨削系統(tǒng)及多磨頭連續(xù)生產(chǎn)等功能的加工工藝及磨削方法。該裝備主要包括多個(gè)磨頭、伺服機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu)等，是機(jī)、電一體技術(shù)及控制技術(shù)的高精度、高技術(shù)集成裝備系統(tǒng)。

裝備系統(tǒng)技術(shù)原理主要是利用6個(gè)由伺服電動(dòng)機(jī)控制的可無(wú)級(jí)調(diào)速的高速磨頭，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙刃刀片6個(gè)被加工面的同步磨削加工，實(shí)現(xiàn)了多工序磨削工藝技術(shù)的集成。磨頭的橫向進(jìn)給由伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，保證了雙刃刀片的寬度尺寸和對(duì)稱度要求；送料機(jī)構(gòu)由三組相同線速度的滾輪帶動(dòng)，通過(guò)可無(wú)級(jí)調(diào)速的伺服電動(dòng)機(jī)控制滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用滾輪凸筋和雙刃刨刀凹槽間的滾動(dòng)摩擦，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙刃刀片的縱向連續(xù)送料，以保證雙刃刀片的連續(xù)磨削加工。同時(shí)，在雙刃刀片的垂直位置，加上沿縱向平行的三個(gè)高精度定位板，依靠每個(gè)高精度定位板下表面的凸筋與雙刃刀片凹槽配合，限制雙刃刀片的兩個(gè)自由度；同時(shí)校正雙刃刀片在磨削過(guò)程中由于磨削力而引起的彎曲撓度，通過(guò)調(diào)節(jié)施加在高精度定位板上的壓緊力，配合與雙刃刀片下表面接觸的支撐板，可實(shí)現(xiàn)雙刃刀片的精確定位與夾緊，從而滿足雙刃刀片的幾何尺寸與加工精度要求。

由于高速磨削砂輪轉(zhuǎn)速極高，刀片又是異形薄片，故對(duì)機(jī)床功能、振動(dòng)、平衡、安全防護(hù)和磨削液注入等工藝措施提出了較高要求。

（2）高速、高精度主軸單元技術(shù) 本磨床的高速、高精度主軸單元主要包括：驅(qū)動(dòng)源、主軸、軸承等幾個(gè)部分，它影響著加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及可靠性，其動(dòng)力學(xué)性能及穩(wěn)定性對(duì)高速、高效、精密磨削起著關(guān)鍵的作用。提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速。因而，適應(yīng)于高精度、高速磨床的主軸單元是本項(xiàng)目的關(guān)鍵部件。而對(duì)于高速高精度主軸單元應(yīng)是剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫升小、穩(wěn)定性好、可靠性好、功耗低及壽命長(zhǎng)等。要滿足這些要求，主軸的制造及動(dòng)平衡，主軸的支撐 （軸承），主軸單元的潤(rùn)滑和冷卻，系統(tǒng)的剛性等是很重要的。

（3）精密、高速進(jìn)給單元技術(shù) 本磨床進(jìn)給單元包括伺服驅(qū)動(dòng)部件、滾動(dòng)單元、位置監(jiān)測(cè)單元等。進(jìn)給單元是使砂輪保持正常工作的必要條件，也是評(píng)價(jià)高速、高效磨床性能的重要指標(biāo)之一，因此，要求進(jìn)給單元運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，分辨率高，定位精度高，沒有爬行，有較大的移動(dòng)范圍（既要適合空行程時(shí)的快進(jìn)給，又要適應(yīng)加工時(shí)的小進(jìn)給或者微進(jìn)給），既要有較大的加速度，又要有足夠大的推力，剛性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，定位精度好。目前，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)普遍采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（交直流伺服電動(dòng)機(jī)）與滾動(dòng)絲杠組合的軸向進(jìn)給方案。本精密、高速磨床包含以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)原理：①高速、精密交流伺服系統(tǒng)及電動(dòng)機(jī)原理。②高速、精密滾珠絲杠副原理。③高精度導(dǎo)軌、新型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌原理。

設(shè)計(jì)時(shí)采用高速主軸，加大電動(dòng)機(jī)功率，保證主軸在高速狀態(tài)下有足夠的轉(zhuǎn)矩用于磨削。

（4）機(jī)床支承技術(shù)及輔助單元技術(shù) 機(jī)床支承技術(shù)主要是指機(jī)床的支承構(gòu)件的設(shè)計(jì)及制造。輔助單元技術(shù)包括工件自動(dòng)裝夾、機(jī)床安全裝置、切屑處理及工件清潔等。

磨床支承構(gòu)件是機(jī)座、送料機(jī)構(gòu)及主軸支架等部件。要求它們有良好的靜剛度、動(dòng)剛度及熱剛度。對(duì)于一些精密、超高速磨床，機(jī)座常見的采用技術(shù)方式有：聚合物混凝土（人造花崗巖）來(lái)制造床身和立柱；鑄鐵整體鑄造；將阻尼材料填充其內(nèi)腔的鋼板焊接件等。本磨床采用的機(jī)床支承和輔助單元技術(shù)主要為：鑄鐵整體鑄造和自動(dòng)裝夾。為防止產(chǎn)生磨削振紋，設(shè)計(jì)高速磨床時(shí)特別增強(qiáng)了磨削加工系統(tǒng)的剛度。

考慮刀片是異形薄長(zhǎng)件，剛性差、散熱差、磨削時(shí)容易產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，設(shè)計(jì)用滾輪送料，磨削定位基準(zhǔn)與刀片工作定位基準(zhǔn)一致，并用一種特別的彈性?shī)A緊裝置。刀片磨削余量小，在保證加工精度前提下，采用較大的工件縱向進(jìn)給量。

為了使磨床在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，都處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低高速時(shí)由于砂輪不平衡引起的振動(dòng)，使用動(dòng)平衡儀監(jiān)控砂輪動(dòng)平衡。

在安全防護(hù)方面，采取加厚砂輪防護(hù)罩，減小防護(hù)罩開口角度和磨床工作區(qū)域全部用防護(hù)罩罩住的措施，確保操作人員的安全。

（5）高效冷卻潤(rùn)滑過(guò)濾技術(shù) 磨削過(guò)程中，冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)要完成冷卻、潤(rùn)滑、將磨削熱從工件表面帶走、沖刷掉磨削時(shí)留在工件和砂輪表面上的切屑的任務(wù)。磨削屬于高精度的切削技術(shù)，主軸良好的潤(rùn)滑與工件磨削時(shí)的良好的冷卻對(duì)加工質(zhì)量影響很大，另外磨削時(shí)脫落的砂輪磨粒將直接進(jìn)入磨削液中，在磨削液的循環(huán)中，再次進(jìn)入加工過(guò)程，對(duì)工件表面產(chǎn)生二次影響。同時(shí)，磨削液對(duì)環(huán)境污染也有負(fù)面影響。本磨床的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)主要包含以下技術(shù)原理：①高速主軸及其支承部件的潤(rùn)滑技術(shù)。②高速磨削下的磨削液的循環(huán)利用技術(shù)。③磨削液的精密過(guò)濾與清潔技術(shù)。

為降低磨削熱分布不均造成工件熱變形影響工件精度，液壓池與床身分離，減少磨床的熱變形；選用傳熱系數(shù)較大的冷卻潤(rùn)滑液，提高冷卻率，降低磨削區(qū)域的溫度；磨削液流量充足，并有一定的壓力，保證磨削液沖入磨削區(qū)域并能有效沖走磨屑和沖洗掉砂輪碎裂脫落的磨粒；采用過(guò)濾性好的專門過(guò)濾設(shè)備清潔磨削液，從而有效減小被加工表面粗糙度值。

為防止高速磨削時(shí)砂輪圓周表面強(qiáng)氣流造成的磨削液飛濺和霧狀使磨削液不易進(jìn)入磨削區(qū)以及對(duì)環(huán)境的影響，采用專門設(shè)計(jì)的磨削液噴嘴，較好地解決了這一問題。

對(duì)磨削液從冷卻、潤(rùn)滑、清洗、防銹、防腐性、穩(wěn)定性、耐壓性、環(huán)保性做了綜合考慮。

（6）砂輪選擇 選用砂輪時(shí)，考慮砂輪基體必須滿足砂輪線速度在60～120m/s高速磨削時(shí)強(qiáng)度和剛度要求，連接處應(yīng)力較低，具有通用性；磨粒要求突出高度大，鋒利、容屑好；砂輪磨料適應(yīng)工件材料，從而減小磨削力和磨削熱。

4.解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）多工位同步刃磨、連續(xù)送料加工 應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和機(jī)械原理的理論與方法，根據(jù)雙刃刀片的結(jié)構(gòu)特征，合理設(shè)計(jì)定位壓緊單元，以確保雙刃刨刀的精確定位。利用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的機(jī)床設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)雙刃刀片多工位同步連續(xù)加工的設(shè)計(jì)要求，且保證定位壓緊單元與砂輪之間不產(chǎn)生干涉。

（2）系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 利用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合機(jī)械原理及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)六軸多位刀具復(fù)合刃磨系統(tǒng)的各單元進(jìn)行合理設(shè)計(jì)及布局，其中包括：可無(wú)級(jí)調(diào)速的磨頭設(shè)計(jì)、精密、高速進(jìn)給單元設(shè)計(jì)、伺服驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)、機(jī)床支承單元及輔助單元的設(shè)計(jì)等。再將各個(gè)單元合理集成，以實(shí)現(xiàn)雙刃刀片的多工位同步連續(xù)加工。

5.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)多工位復(fù)合刃磨、多工藝集成 將雙刃刀片加工的六道離散工序集成為一道工序，將多臺(tái)加工機(jī)床和工藝特點(diǎn)集成到一個(gè)復(fù)合刃磨系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)雙刃刀片的6個(gè)表面復(fù)合刃磨，可大幅度提高加工效率及加工精度，并降低生產(chǎn)成本。

（2）多磨頭同步連續(xù)加工技術(shù) 在多磨頭對(duì)雙刃刀片進(jìn)行同步加工前提下，設(shè)計(jì)了專用定位壓緊單元、送料單元及其伺服機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)雙刃刀片的連續(xù)生產(chǎn)，經(jīng)一次性裝夾定位到產(chǎn)品成形，以確保產(chǎn)品的加工質(zhì)量與幾何精度，可大幅度提高加工效率，同時(shí)可降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。

（3）產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)、裝備的拓展性高 多工位刀具刃磨集成系統(tǒng)為木工刀具生產(chǎn)的專用設(shè)備，但可通過(guò)調(diào)整高速磨頭的位置、定位壓緊單位的結(jié)構(gòu)等，使加工不同材質(zhì)、不同異形端面及不同長(zhǎng)度的刀具成為可能，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及裝備技術(shù)的提高，提供了技術(shù)保障和堅(jiān)實(shí)的裝備基礎(chǔ)。

6.磨削實(shí)施

（1）雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床設(shè)計(jì)示意如圖2所示。

圖2 六軸多工位集成專用磨床

（2）磨削過(guò)程 雙刃刀片毛坯由第一滾輪組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)19驅(qū)動(dòng)的第一滾輪組9夾緊并連續(xù)不斷地送入，滾輪上設(shè)置的凸筋14與刀片圓弧凹槽相配合，提高足夠大的摩擦力和足夠高的定位精度，使雙刃刀片毛坯沿刀片支撐臺(tái)1向前滑動(dòng)；首先經(jīng)過(guò)上磨頭組10，上磨頭組變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)7和上磨頭組進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)8驅(qū)動(dòng)上磨頭組10磨削出刀片的兩個(gè)前刀面；然后，刀片再繼續(xù)向前滑動(dòng)經(jīng)過(guò)第二后角磨頭組11，刀片被刀片支撐臺(tái)1、第一定位板6以及凸筋14精確定位，第二后角磨頭組變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)12和第二后角磨頭組進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)18驅(qū)動(dòng)第二后角磨頭組11磨削出刀片的兩個(gè)第二后角；之后刀片會(huì)經(jīng)過(guò)由第二滾輪組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)17帶動(dòng)的第二滾輪組5，補(bǔ)償?shù)镀膭?dòng)能損失，提高刀片沿刀片支撐臺(tái)1的滑動(dòng)能力；之后，刀片再經(jīng)過(guò)第一后角磨頭組13，刀片被刀片支撐臺(tái)1、第二定位板4以及凸筋14精確定位，第一后角磨頭組變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)3和第一后角磨頭組進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)16帶動(dòng)第一后角磨頭組13加工出刀片的兩個(gè)第一后角；最后刀片經(jīng)過(guò)由第三滾輪組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)15帶動(dòng)的第三滾輪組2，增大滑動(dòng)力后從雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床中滑出，完成全部的磨削加工。

（3）多用性 由雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床的結(jié)構(gòu)可知，其同樣適用于單刃刀片的加工。

7.結(jié)語(yǔ)

雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床采用了多工位集中方式，兩處前刀面、兩處第二后角、兩處第一后角，一次裝夾連續(xù)加工成型，避免了傳統(tǒng)方法六處磨削，分六個(gè)工序逐個(gè)完成的缺陷；避免了多次裝夾的誤差；避免了多次測(cè)量和裝夾對(duì)刃口的損傷；該磨床采用高速磨削，磨削面表面粗糙度值Ra達(dá)到0.2μm。實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率、大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到“材料進(jìn)去，產(chǎn)品出來(lái)”的設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)度在1.5m以上的大尺寸雙刃刀片的高精度磨削，取得了良好的效果和效益。雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和世界先進(jìn)水平，同時(shí)具有新穎性、獨(dú)創(chuàng)性和實(shí)用性，2012年獲得國(guó)家發(fā)明專利。