蔣桂平

（桂林廣陸數(shù)字測控有限公司，廣西 桂林541004）

數(shù)控精密磨床的設計研究

蔣桂平

（桂林廣陸數(shù)字測控有限公司，廣西 桂林541004）

提出了一種基于量具加工行業(yè)的數(shù)控精密磨床設計方案，并通過對加工零件的工藝特點分析與研究，從磨床的結構布局、功能部件的設計等方面提出了可行的方案，為該設備的順利研制提供可靠的理論指導。

數(shù)控；精密；磨削；電主軸

一直以來，在我國傳統(tǒng)的量具生產(chǎn)過程中，卡尺的大小量面都是最后通過人工研磨來保證其最后精度的，這種完全依賴于工人手上技術的加工方式，在制造業(yè)技術高度發(fā)達的今天，已經(jīng)變得很不合時宜，同時也無法保證產(chǎn)品的加工質量和提升工作效率。

量具行業(yè)是國家工業(yè)的一個基礎性行業(yè)，量具行業(yè)的發(fā)展在一定程度上制約著國家基礎工業(yè)的發(fā)展，量具產(chǎn)品的質量也在一定程度上決定了機械加工行業(yè)的產(chǎn)品質量，因為這是一個鑒定機加產(chǎn)品的標準性行業(yè)。針對量具行業(yè)加工方式落后的限制，本文以量具行業(yè)中的卡尺量面為對象，從加工方式和加工設備等方面進行優(yōu)化設計和創(chuàng)新，從而提高卡尺加工的機械化程度，保證產(chǎn)品的加工質量，提高加工效率，降低企業(yè)成本，提升產(chǎn)品的市場競爭力。

優(yōu)化設計的機床已經(jīng)在企業(yè)的加工過程中得到了很好的運用，并在加工質量和加工效率上都得到了企業(yè)的高度認可，具有很大的行業(yè)推廣價值和現(xiàn)實意義。

1 機床設計方案

1.1 機床設計難點

機床設計的難點主要在以下幾方面：

（1）卡尺大量面的平面度，要求在0.002 mm以內，用平晶檢查必須肉眼能看到發(fā)散的彩色光帶。

（2）要實現(xiàn)互換性，必須保證每把卡尺的大小量面之間的距離的誤差在0.005 mm以內，考慮用絕對式光柵來保證。

（3）要保證卡尺尺身與尺寬安裝完畢后大小量面對貼合縫隙在0.005 mm以內，即尺身的大小量面與尺身定位面的垂直度必須在0.002 5 mm以內，同時尺寬的大小量面與尺寬的定位面的垂直度也要保證在0.002 5 mm以內。

（4）卡尺大小量面對粗糙度要求在Ra0.2 mm以內。

（5）機床的外形尺寸不能太大，為了體現(xiàn)現(xiàn)代機械設計的人性化特點，該機床的操作者應以坐姿來操作。

（6）導軌的選擇，主要是在線軌和滑軌之間作選擇，線軌的特點就是運動平滑，可靠，持久性好，不易磨損，容易保證裝配精度[1]，但其致命的缺點是可能平穩(wěn)性存在問題，在磨削過程中工件可能出現(xiàn)振紋，影響工件的表面質量和工件的平面度。滑軌則剛剛彌補了這個缺陷，但滑軌的持久性不好，容易磨損，切難保證裝配精度。

（7）磨頭的選擇，磨頭有兩種選擇，第一是采用傳統(tǒng)的磨頭，用電機帶動，即磨頭和電機是分開的，并通過皮帶聯(lián)接；第二是采用最新的技術，即采用磨削電主軸。它們的特點是：第一種技術比較成熟，對設計來說比較有把握，缺點是因為電機和磨頭是分開并通過皮帶聯(lián)接的，所以出現(xiàn)振動的可能性比較大，可能會影響零件的表面加工質量；第二種是采用電主軸，所以振動的可能性比較小，表面質量比較容易保證，但缺點就是該技術屬于比較新型的技術，可靠性和技術成熟性還有待實驗和考證。

（8）砂輪的選擇，傳統(tǒng)的砂輪大多采用的是白剛玉和綠碳化硅，棕剛玉等材料，這些材料的砂輪的特點是：砂輪采購成本點，生產(chǎn)技術成熟，加工性能可靠，容易修整，切削進給量大等，但是加工精度不高，并容易磨損，且線速度普遍不高[2]；新型的立方氮化硼砂輪的特點是：加工精度高，不容易磨損，且有很高線速度，這剛好彌補了傳統(tǒng)砂輪的缺陷，但因為是新型產(chǎn)品，其技術的成熟度不夠，切因為太硬不容易修整，切削進給量也相對較小，這就導致零件容易燒傷，所以在砂輪的選擇上也需要做一個權衡。

1.2 數(shù)控精密磨床參數(shù)

工作臺面積：200×900 mm；

磨頭縱向行程：X1、X2為 120 mm；

磨頭橫向行程：Y1為300 mm、Y2為120 mm；

磨頭功率和轉速：M1為 3 kW，8 000 rpm；M2為1.5 kW，3 000 rpm；

磨頭快速移動速度：6 m/min；磨頭最大進給速度：4 m/min；位置精度（DIS）：定位精度 0.005 mm，重復定位精度0.003 mm；

加工精度：粗糙度Ra 0.1，平面度0.003 mm，平行度0.006 mm.

2 機床設計過程

2.1 數(shù)控精密卡規(guī)磨床結構的確定

（1）整體結構的確定。該磨床要求同時磨削卡尺的大小量面，必須配備兩個磨頭，磨頭的進給方向為別為Y1和Y2方向。同時根據(jù)零件的加工要求，磨頭還要實現(xiàn)與Y1和Y2方向相垂直的進給運動，分別為X1和X2，同時X1和X2方向還可以實現(xiàn)砂輪的修整和砂輪磨損的補償。組成該機床的主要零件為：底座、工作臺、滑鞍、托板、磨頭座等。

（2）線軌的排布。根據(jù)磨頭的進給方向我們可以確定，我們要在 X1、X2、Y1、Y2等四個方向排布線軌，并根據(jù)工件的加工要求和裝配的需要，可以確定線軌的長度分別為：X1為 500 mm，X2為 500 mm，Y1為 500 mm，Y2為640 mm.四個方向的移動行程分別為：X1為150 mm；X2為 150 mm；Y1為 150 mm；Y2為 300 mm.四個方向的兩條線軌間的跨距分別為：X1為203 mm；X2為 203 mm；Y1為 230 mm；Y2為 230 mm.

（3）傳動絲桿的選擇與排布，絲桿通過電機座、絲桿螺母座、軸承座固定聯(lián)接，并實現(xiàn)傳動。絲桿的長度為：X1為 477 mm，X2為 477 mm，Y1為 477 mm，Y2為627 mm.

2.2 磨床主要零件設計

（1）底座的設計：底座的設計從結構上來說不僅要合理的排布好線軌的位置和絲桿的位置，還要考慮操作者地位置，是否便于加工操作，工件是否便于裝夾，高度是否合適，強度是否滿足磨床的加工使用要求[3]，還要考慮冷卻液的排放和流向，潤滑油的收集和排放，防護罩殼的安裝等。

（2）滑鞍的設計：滑鞍是一個關鍵的零件，該零件不僅要做Y向的切削運動，還要承載X向的進給運動，所以不僅要考慮該零件的結構合理性[4]，同時還要考慮零件的加工工藝性，是否便于機械加工，是否便于鉗工的裝配，線軌的排布，絲桿位置的擺放，潤滑油的回收，防護罩殼的安裝，光柵尺的安裝與防護等一系列的問題。

（3）工作臺的設計：工作臺可以與底座做成一體的，也可以單獨做成一個零件，考慮到零件的加工工藝，決定將工作臺做成單獨的零件，最后通過螺釘聯(lián)接，并用圓柱銷定位。

（4）電主軸座的設計：該零件的設計碰到一個很大的難題，因為卡尺本身的結構，決定了主軸座結構不能太大，而且只能采用懸臂結構，所以該零件的安裝位置和方式也有相應的妥協(xié)和變化。

2.3 線軌的選用

針對磨床線軌的使用特點，以及國內外的使用案例，最后選擇了日本THK的線軌產(chǎn)品。選擇的原因如下：

（1）THK為國際知名品牌，產(chǎn)品的質量和使用壽命比較容易得到保障；

（2）THK的產(chǎn)品有用戶使用過類似磨床上的先例；

（3）THK的工程師可以針對要求提出解決方案；

（4）THK的產(chǎn)品可選擇的種類比較齊全，有很大的選擇余地；

（5）磨床對零件加工的表面質量要求比較高，所以必須保證磨床在加工過程中無振動現(xiàn)象，THK的導軌產(chǎn)品就有專門針對磨床產(chǎn)品的規(guī)格型號，經(jīng)過反復比對和研究，最后選用THK的SNS25R2DDC0的線軌，該線軌的特點是：線軌的結構為矮寬型，承重大，預緊力大，運行平穩(wěn)等。

2.4 絲桿的選擇

與線軌的考慮相同，出于加工精度和加工質量的考慮，絲桿同樣選擇日本THK的產(chǎn)品，特別是在絲桿的定位精度和重復定位精度上要求更高，同時還兼顧了產(chǎn)品的可靠性和耐用性等方面，并考慮到該設備加工方式具有重復往返的特殊性，在絲桿的熱處理方式和潤滑方式的選擇上，有專門的要求。

2.5 電主軸的設計和選擇

根據(jù)卡尺尺身和尺寬的大小量面的尺寸和精度要求的不同，電主軸的技術參數(shù)如下：

（1）小量面電主軸功率為：1.5 kW；

（2）電主軸最高轉速為：3 000 r/min；

（3）大量面電主軸功率為：2.5 kW；

（4）電主軸最高轉速為：5 000 r/min；

（5）電主軸工作時間：16 h/天。

（6）電主軸軸承品牌：SKF品牌。

綜上，該數(shù)控精密磨床屬于針對量具行業(yè)的特定產(chǎn)品研制的專用磨床，其特點是結構設計緊湊，磨削精度高，操作性能好，加工穩(wěn)定性好，整體布局合理等，具體的機床布局及特征如圖1所示。

圖1 磨床結構布局圖

3 結束語

本產(chǎn)品數(shù)控精密磨床的設計，從具體的零件加工要求和工藝特點出發(fā)，完成了對數(shù)控精密磨床結構布局、功能部件設計與選擇等多個方面的內容，并在理論研究的基礎上，進行了相關的測試工作，得到了如下的結論：

（1）數(shù)控精密磨床的專用化設計，提高了零件的加工效率和加工精度。

（2）數(shù)控精密磨床的現(xiàn)場適應性能和加工穩(wěn)定性能，超過了企業(yè)對加工設備的預期，并取得了良好的效果。

（3）數(shù)控精密磨床在人機交互和結構布局上都較以前的通用機床有很大的改善，得到了用戶的好評。

綜上，數(shù)控精密磨床的設計達到了預期的目的，效果理想。同時該類型的磨床在量具行業(yè)也有非常重要的推廣意義和現(xiàn)實意義，也起到了成功的加工工藝改革的示范作用。

[1]孟憲鐸.機械可靠性設計[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[2]張世昌.機械制造工藝機床[M].天津：天津大學出版社，1996.

[3]吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]成大先.機械設計手冊[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社，2008：77-78.

Design and Research of NC Precision Grinding Machine

JIANG Gui-ping
（Guilin Guanglu Measuring Instrument Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541004，China）

This paper present a design proposal of NC precision grinding machine based on measuring and processing industry.And according to the analysis and research of the characteristics of processing part.Present a feasible proposal from the structure layout and the design of the function parts of the grinder.It provides a reliable theoretical guidance for the development of the equipment.

NC；precision；grinding；motorized spindle

TG584

A

1672-545X（2017）09-0145-03

2017-06-12

蔣桂平（1981-），男，廣西桂林灌陽縣人，工學學士，工程師，研究方向：數(shù)控機床。