漢江機床有限公司 譚曉慶 姚博世

廈門大學 姚 濱

五軸聯(lián)動高速、精密可轉位刀片周邊和雙端面刃磨數(shù)控工具磨床的研發(fā)和應用

漢江機床有限公司 譚曉慶 姚博世

廈門大學 姚 濱

一、概述

伴隨切削加工技術的發(fā)展和近年航空航天、汽車制造、大飛機等一批關系國計民生的重大項目實施，加工制造行業(yè)對高精度、高性能可轉位刀片質量要求越來越高。由于可轉位刀具幾何形狀和成形原理的多樣性和復雜性，我國可轉位刀具及其制造刀具的機床總體水平落后，加之國外長期技術封鎖，國產超硬材料刀片刃磨設備檔次低，與國外同類產品相比，差距較大，制約了可轉位刀片行業(yè)的發(fā)展。

近年來，國內市場對精密數(shù)控刀片加工設備需求在200臺/年，我國五軸聯(lián)動高速、精密可轉位刀片周邊刃磨數(shù)控工具磨床幾乎全部依賴進口，以瑞士AGATHON公司、德國JUNKER、WENDT公司、日本WAIDA公司、瑞士EWAG公司的四軸或五軸工具磨床等為代表，在高端刀片磨削制造裝備領域占有絕對壟斷地位，威脅到我國制造業(yè)的安全，精密數(shù)控機床上使用的精密可轉位刀具大部分被國外產品所壟斷。我國在航空航天、軍工電子、汽車制造、火電風電設備、軋鋼設備、深海石油鉆探設備、船舶高鐵制造、工程機械、礦山機械、精密工具制造及機械加工等行業(yè)急需的高精度、高效、高速可轉位刀片受制于人，許多先進設備和先進技術難以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，同時制約國產高檔數(shù)控工具機床裝備業(yè)的發(fā)展壯大。

漢江機床有限公司聯(lián)合廈門大學長期致力于對國外同類先進設備的深入研究，并結合大量國內用戶使用經驗，對五軸聯(lián)動高速、精密可轉位刀片周邊和雙端面刃磨數(shù)控工具磨床整機結構動、靜剛度及優(yōu)化設計技術、熱變形研究及其補償技術、機床可靠性技術和機床模塊化和可重構性技術等機床設計制造基礎理論持續(xù)深入研究，掌握了機床整機結構及關鍵部件的設計制造技術，基于對可轉位刀片加工工藝和刀尖及刃口結構優(yōu)化研究及高速磨削機理與方法的試驗研究，解決了復雜型面加工數(shù)學模型建立與自動編程軟件的開發(fā)和超硬材料刀片刃磨工藝專家系統(tǒng)的建立。針對難加工材料，在磨削時采用砂輪磨削力自適應控制技術、砂輪在線自動平衡技術、砂輪自動修整和誤差補償?shù)燃夹g等，確保機床加工精度。

2MZK7150全自動可轉位刀片周邊磨床（見圖1）集機床制造技術、復雜型面加工數(shù)學模型與磨削力自適應控制技術、視覺識別技術、自動編程技術、模塊化和可重構技術、伺服控制技術、數(shù)控技術、可靠性技術等關鍵技術為一體，機床適用于加工符合國標規(guī)定的硬質合金、陶瓷和CBN材料典型可轉位刀片周邊輪廓、負倒角及刃口鈍化工等，通過機械手一次裝夾，實現(xiàn)可轉位刀片的的全數(shù)控精密加工，適用于大批量生產。

圖1 2MZK715全自動可轉位刀片周邊磨床外觀

2012年4月參展CCMT2012的2MZK7150全自動可轉位刀片周邊磨床，榮獲中國機床工具工業(yè)協(xié)會頒發(fā)的數(shù)控工具磨床類唯一“春燕獎”，成功加工出多家用戶典型可轉位刀片（見圖2），表明了該新產品在自主創(chuàng)新、技術水平以及適應市場需求等方面的優(yōu)勢，是公司多年來在繼數(shù)控螺紋磨床、數(shù)控蝸桿磨床、數(shù)控螺桿轉子磨床之后的再次獲獎。

圖2 加工的典型可轉位刀片

二、產品性能介紹

2MZK7150全自動可轉位刀片周邊磨床采用FAGOR高檔數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)五軸聯(lián)動。機床集成有機械傳動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、恒溫冷卻系統(tǒng)、吸霧分離系統(tǒng)等，機床配備自動料庫，輔以工業(yè)機器人實現(xiàn)工件自動上、下料；具有視覺識別、工件自動調資定位、自動測量、自動夾緊、自動清洗和成品自動檢測等功能，可實現(xiàn)自動編程、砂輪磨削力自適應控制、砂輪在線自動平衡、砂輪自動修整和誤差補償?shù)炔僮鳌?/p>

2MZK7150全自動可轉位刀片周邊磨床與國外先進水平相比雖有一定差距，但該機床在借鑒國外同類產品成熟經驗基礎上，應用多項專用技術提高機床精度，針對國內用戶操作習慣開發(fā)的人機交互界面方便快捷，同時還具有自動化程度高，加工刀片種類范圍廣，加工效率高，工藝適應性好、節(jié)能環(huán)保、性價比高、售后服務反應快速等優(yōu)勢。

該產品主要技術參數(shù)如下：

主要技術指標與國內外同類先進產品對比如下：

該產品在采用創(chuàng)新專利技術的同時，還進行了多項專用新技術設計，使其具有以下特點：

（1）獨有發(fā)明專利技術的可轉位刀片周邊磨床工件夾緊和傳動裝置，實現(xiàn)工件快速夾緊和運動傳動。

（2）獨有發(fā)明專利技術的高精度蝸輪蝸桿副分度定位裝置，提高機械傳動精度和工作定位精度。

（3）基于可轉位刀片幾何參數(shù)數(shù)據(jù)庫和加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，建成可轉位刀片刃磨工藝專家系統(tǒng)，實現(xiàn)快速自動編程。

（4）獨有磨削力自適應控制技術降低工件因磨削力不均引起的加工誤差，提高了工件表面加工質量。

（5）用于五軸刀片磨床視覺識別與專用背光料盤技術大大降低了環(huán)境光源對工件識別誤差影響，提高了識別的精準度。

（6）以機床主要運動部件為標準單元，搭建模塊化和可重構技術應用平臺，縮短產品研發(fā)周期，以快速響應市場需求。

三、新技術應用情況

1.全自動可轉位刀片周邊磨床整機設計制造技術

（1）概要

全自動可轉位刀片周邊磨床主要由主機和自動上料裝置組成，主機由床身、兩坐標工作臺、臥式轉臺、立式轉臺、砂輪主軸、頭尾架、砂輪修整器，輔以計算機控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、恒溫冷卻系統(tǒng)、吸霧分離系統(tǒng)。

（2）創(chuàng)新點

① 利用ANSYS對機床整機及關鍵部件結構進行分析優(yōu)化，結合Deform環(huán)境下對關鍵部件進行熱力耦合和分析，優(yōu)化關鍵部件結構和受力分布，降低零部件熱變形對工件加工精度的影響，從而提高機床精度保持性和可靠性。

② 方案設計初期利用ANSYS對機床整機及關鍵部件結構進行分析優(yōu)化，結合Deform環(huán)境下對關鍵部件進行熱力耦合和分析（見圖3），優(yōu)化關鍵部件結構和受力分布，降低零部件熱變形對工件加工精度的影響，從而提高機床精度保持性和可靠性。

圖3 整機及關鍵部件結構優(yōu)化分析

③按照工具磨床運動和功能特性，對機床進行模塊化劃分，構建機床單元模塊庫（見圖4），根據(jù)用戶對工具磨床配置需求的差異，將模塊化和可重構性設計理念貫穿產品設計生命全周期，得到數(shù)控工具磨床最優(yōu)方案，旨在提高關鍵零部件的模塊性，適應加工制造領域的整體搬運思路，縮短新產品開發(fā)周期，達到快速響應市場的目的。

圖4 模塊化系統(tǒng)運行圖

④自動上下料裝置是由工業(yè)機器人和自動料庫組成，由主機數(shù)控系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)協(xié)同控制，自動完成料盤出庫、工件抓取、調姿、檢測、裝夾定位等上料過程，和自動完工檢測、抓取、更換工件、清洗、干燥、分裝及料盤入庫的過程。該裝置大大降低了輔助加工耗時，提高機床加工效率，降低了人工重復性勞動強度。

（3）技術特點

①將仿真設計與數(shù)字設計相結合，極大地提高了設計質量，縮短了工程設計周期。通過仿真設計，對機床整機及關鍵部件結構進行優(yōu)化，提高了整機動靜態(tài)特性和熱特性，并通過機械結構優(yōu)化或加裝恒溫控制來提高關鍵部位熱穩(wěn)定性，提高整機各項精度指標。

利用有限元模型分析和三維仿真分析技術對整機和關鍵部件熱特性預測分析，如床身、砂輪主軸受環(huán)境溫度變化以及各種溫度變化產生的原因，研究運動發(fā)熱、切削熱及其它熱變形對五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床工藝系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的影響，制定熱平衡及熱變形補償技術策略。綜合運用控制環(huán)境溫度、隔離熱源、恒溫控制、強力工件冷卻、循環(huán)冷卻等熱平衡技術創(chuàng)新設計，保證機床精度。

圖5 床身環(huán)境溫升、導軌摩擦、熱力耦合

②通過研究高速、高精度回轉軸設計制造技術、高速磨具高精度保持技術及抑振技術，主軸冷卻、主軸平衡和主軸熱伸長、受力變形的測量與補償技術，對磨削主軸進行熱力學和動力學分析優(yōu)化設計。對比靜壓主軸、滾動主軸的優(yōu)缺點，選擇合理的砂輪主軸支撐結構形式，輔以精密動平衡儀，以滿足砂輪主軸高速高精度回轉要求。

圖6 砂輪主軸溫度云圖、熱變形云圖

③借助有限元模型分析和三維仿真分析技術對整機熱特性預測分析研究，諸如環(huán)境溫度變化以及各種溫度變化產生的原因，研究運動發(fā)熱、切削熱及其它熱變形對五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床工藝系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的影響，制定熱平衡及熱變形補償技術策略。綜合控制環(huán)境溫度、隔離熱源、恒溫控制、強力工件冷卻、循環(huán)冷卻等熱平衡技術創(chuàng)新設計，保證機床精度。

④根據(jù)可轉位刀片加工工藝，要求配置專用于分度定位的精密回轉工作臺。按機床結構布局形式采用臥式和立式結構，工件加工時也必需進行分度定位。分度定位多采用直驅技術、蝸輪蝸桿傳動實現(xiàn)。直驅技術成本高，需配備恒溫系統(tǒng)，加大恒溫處理設備載荷，不利于機床溫控。采用一種高精度雙節(jié)蝸桿-蝸輪副驅動技術實現(xiàn)回轉工作臺精密分度，通過調節(jié)雙節(jié)蝸桿之間的間隙來消除蝸輪-蝸桿正、反轉間隙。精密位置檢測反饋元件，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，提高轉臺分度定位精度。發(fā)明專利技術（ZL201220055869.2）高精度蝸輪蝸桿副分度定位裝置在精密回轉工作臺上得到了應用示范。

圖7 雙節(jié)蝸桿-蝸輪副及嚙合檢查

⑤為了實現(xiàn)工件自動裝夾，研發(fā)一種既可快速穩(wěn)定實現(xiàn)工件自動夾緊又能同時實現(xiàn)工件運動傳動的機構，申報發(fā)明專利技術（ZL201220055868.8）可轉位刀片周邊磨床工件夾緊和傳動裝置。

⑥為提高工件抓放位置精度，適應工件隨機放置的幾何角度與調姿定位角度相適應，配備了工件視覺識別功能，創(chuàng)新一種用于五軸刀片磨床視覺系統(tǒng)工件識別與定位背光料盤專利技術（ZL201420126457.2）。

圖8 五軸刀片磨床視覺系統(tǒng)工件識別與定位背光料盤

2.全自動可轉位刀片周邊磨床基礎理論研究

（1）概要

五軸聯(lián)動高速精密可轉位刀片周邊磨床研發(fā)過程中，充分運用各種先進設計理念和設計手段，將理論分析、數(shù)學建模、設計仿真與工程實驗相結合，綜合運用諸如運動部件輕量化設計、重心驅動、在線測量及誤差補償、機床熱溫度控制、可靠性設計等先進設計方法，使機床綜合性能指標和精度保持性和可靠性得以保證。

（2）創(chuàng)新點

①針對五軸工具磨床磨削用金剛石砂輪，根據(jù)砂輪磨粒密度建立虛擬砂輪，并隨機分布等磨粒密度的多顆正六面體磨粒，并隨機分配磨粒的位姿，模擬砂輪的真實形貌。將復雜的磨削過程簡化為單一磨粒的磨削過程，研究難磨削材料的磨削機理。

圖9 虛擬砂輪及單顆磨粒磨削模型

②借助采用三維CAD/CAE工具（UG，ANSYS、Hypermesh等），建立機床虛擬樣機模型及含有結合面動態(tài)參數(shù)的整機虛擬樣機有限元分析模型，并對虛擬樣機模型進行動靜態(tài)特性分析。根據(jù)分析結果和機床基本組成結構的性能，提出基于虛擬整機的結構優(yōu)化方案，指導設計和現(xiàn)場生產，確保機床高剛性動態(tài)設計與復合優(yōu)化技術。

對整機結構及關鍵零部件進行動靜熱態(tài)分析，提出整機結構優(yōu)化方案及熱平衡方案，依據(jù)分析結果指導設計和現(xiàn)場生產。在機床設計過程中，采取縮短傳動鏈、采用消隙結構等方式減少傳動誤差，并采用進口高精度反饋元件，將實時捕捉機床動態(tài)信息反饋給機床控制系統(tǒng)，對關鍵的功能部件、軸承均選用進口，對關鍵零件的選材、熱處理工藝和加工工藝進行改善，以提高整機精度和可靠性。

（3）技術特點

①對砂輪基體材料選擇及處理，基體、磨料層及砂輪結構優(yōu)化設計，高強粘結工藝研究的基礎上，研制高速磨削用砂輪；應用強度校核、數(shù)值計算、回轉強度試驗、實際磨削試驗等手段，結合砂輪的高速使用安全性進行校核和檢驗，使砂輪的綜合磨削性能達到預期設計要求。

圖10 離心力、溫升、磨削力、熱力耦合

②對整機結構及關鍵零部件進行動靜熱態(tài)分析，提出整機結構優(yōu)化方案及熱平衡方案，依據(jù)分析結果指導設計和現(xiàn)場生產。在機床設計過程中，采取縮短傳動鏈、采用消隙結構等方式減少傳動誤差，并采用進口高精度反饋元件，將實時捕捉機床動態(tài)信息反饋給機床控制系統(tǒng)，對關鍵的功能部件、軸承均選用進口，對關鍵零件的選材、熱處理工藝和加工工藝進行改善，以提高整機精度和可靠性。

3.全自動可轉位刀片周邊磨床超硬材料可轉位刀片刃磨工藝專家系統(tǒng)

（1）概要

機床采用FAGOR高檔數(shù)控系統(tǒng)，選用進口高精度位置反饋元件和測量元件，實現(xiàn)五軸全閉環(huán)聯(lián)動控制。開發(fā)了適合本機床加工要求的人機交互界面。

（2）創(chuàng)新點

①可轉位刀片品種多，形狀各異，不同類型刀片的數(shù)學模型描述不同，針對粗精磨削的工藝要求和工件材質不同，基于國標規(guī)定的典型可轉位刀片幾何參數(shù)及精度等級等信息建立刀具參數(shù)數(shù)據(jù)庫，用戶在磨削軟件中根據(jù)圖形顯示輸入刀具幾何參數(shù)信息，合理選擇加工參數(shù)，即可快速生成加工程序（見圖11）。

②采用數(shù)字測力系統(tǒng)研究磨削力與磨削用量、超硬磨料砂輪參數(shù)及其修整狀況、冷卻條件等之間的變化關系規(guī)律，通過測量磨頭主軸電機的電流反饋獲取瞬時磨削力的變化控制方式，控制系統(tǒng)根據(jù)結果使伺服電機產生相應的運動，控制進給速度和吃刀量，從而保證高效、精密磨削加工的順利進行。

圖11 加工程序

（3）技術特點

①從空間復雜型面成形理論入手，圍繞刀刃建立各類刀片刀刃鄰域的空間復雜型面數(shù)學模型，然后沿周邊或端面刀刃線進行幾何角度跟蹤磨削理論的刀位計算，實現(xiàn)刀刃鄰域幾何參數(shù)（前后角）的主動控制（見圖12），從而滿足多種形狀可轉位刀片的周邊高效、高質量數(shù)控磨削。

圖12 等步長插補節(jié)點數(shù)值計算與小平面逼近曲面圖

②通過在計算機虛擬環(huán)境下獲取虛擬加工的刀片產品，通過捕捉刀片關鍵幾何尺寸，實現(xiàn)刀片3D模擬加工（見圖13），檢驗被加工對象與用戶要求的吻合程度，確保加工工藝的行之有效。由于刀片幾何形狀復雜，參數(shù)要求高，因此，在虛擬檢測功能上要直觀顯示虛擬檢測的數(shù)據(jù)。

圖13 刀片3D模擬加工圖

③由刀片定位自動測量系統(tǒng)模塊，虛擬檢測功能模塊，在線檢測功能模塊，刀片周邊柔性數(shù)控加工技術模塊，超細硬質合金材料磨削力自適應控制與自動控制軟件編程等組成可轉位刀片刃磨工藝專家系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)不同類型刀片的幾何特征建立被測刀片的理論模型，規(guī)劃測量路徑，控制測量過程，完成數(shù)據(jù)采集，計算分析測量數(shù)據(jù)，并得出測量結果，輸入至磨削刀片的刀位計算模塊中，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果，進行粗精磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化分配。

④研究陶瓷材料與超細硬質合金材料刀片的刀尖及刃口高速磨削表面質量，探索超高速磨削條件下硬質合金、陶瓷的共性規(guī)律，根據(jù)研究結果對陶瓷材料與超細硬質合金刀片高效磨削工藝與磨削參數(shù)進行優(yōu)化（見圖14），保證高效、精密磨削加工的順利進行。

圖14 工件磨削工藝流程圖

⑤2MZK7150全自動可轉位刀片磨床具有在線測量功能，是整機自動化、智能化關鍵技術之一。該功能節(jié)省了工件拆卸、運送、檢測及重新調整機床等重復性工作，大大提高了工作效率。

四、成果應用及推廣情況

2MZK7150全自動可轉位刀片周邊磨床是國內首臺五軸聯(lián)動高速、精密數(shù)控工具磨床，具有完全自主知識產權。該機床也是國內首次將工件自動上下料系統(tǒng)與五軸數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的集成與整合，主要技術性能指標與國外同類高端產品指標相當，部分指標優(yōu)于國外同類產品，打破了國外長期在高端可轉位刀片周邊精密刃磨裝備領域的壟斷地位，對提升我國高檔數(shù)控機床的制造水平和維護民族品牌產業(yè)具有重要意義。

公司為了滿足市場需求，成功開發(fā)了經濟型配置產品：2MK7130數(shù)控可轉位刀片周邊磨床（見圖15），機床采用進口FAGOR8055 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)四軸三聯(lián)動，配置有自動測量裝置、自動上、下料裝置、砂輪修整裝置，選用高精度位置檢測反饋元件，并集成有液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和高效冷卻分離、吸霧裝置等，機床關鍵的滾動功能部件選用國內外知名品牌，配備電動儲料盤，由簡易機械手，輔以電驅送料裝置協(xié)調機床完成工件自動上料，工件中心調節(jié)方便快捷，效率大幅提高，一次裝夾實現(xiàn)刀片周邊輪廓、倒角、倒圓、單面倒棱的精密加工。

圖15 2MK7130數(shù)控可轉位刀片周邊磨床

機床在國內多家用戶得到成功應用，用戶通過選用我公司國產數(shù)控可轉位刀片周邊磨床設備并獲得滿意的技術支持和售后服務，節(jié)約大量設備采購成本及維修費用，同時可為用戶提高生產效率和產量，帶來良好的經濟效益和社會效益?！?/p>