陜西漢江機(jī)床有限公司 譚曉慶 王飛 姚博世廈門大學(xué) 姚 斌

一、概述

隨著高速切削技術(shù)的深入發(fā)展，航空航天、汽車制造、大飛機(jī)、高鐵制造等國家重點(diǎn)領(lǐng)域和民用加工制造行業(yè)精密數(shù)控刀片市場需求不斷增長，硬質(zhì)合金、陶瓷和CBN材料可轉(zhuǎn)位刀片加工制造業(yè)快速壯大。國產(chǎn)精密可轉(zhuǎn)位刀片加工制造裝備發(fā)展起步較晚，經(jīng)過多年的潛心研究，國產(chǎn)精密可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床整機(jī)設(shè)計制造水平有了大幅提升，機(jī)床性能和技術(shù)水平趕超國外同類先進(jìn)設(shè)備。

陜西漢江機(jī)床有限公司聯(lián)合廈門大學(xué)，一直致力于精密可轉(zhuǎn)位刀片加工制造裝備的研發(fā)與制造。陜西漢江機(jī)床有限公司憑借在精密工具磨床、精密螺紋磨床領(lǐng)域雄厚的技術(shù)實(shí)力，以國家科技重大專項(xiàng)實(shí)施為契機(jī)，先后完成了2MZK7150、2MK7130、2MK7130A系列可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床產(chǎn)品的研發(fā)制造和產(chǎn)品定型。

二、產(chǎn)品性能介紹

2MK7130A數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床采用FAGOR 8070數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動插補(bǔ)，機(jī)床配置上下料機(jī)械手，通過機(jī)械手一次裝夾即可完成刀片周邊輪廓、倒角、倒圓、雙面倒棱、開槽等加工操作，也可用于非標(biāo)刀片的周邊曲線加工，適用于批量生產(chǎn)。機(jī)床配置機(jī)械手自動上下料，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(yīng)性好、節(jié)能環(huán)保、性價比高等特點(diǎn)，針對國內(nèi)用戶，還具有人機(jī)交互界面宜人、售后服務(wù)方便迅捷等優(yōu)勢。

機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如下：

圖1 2MK7130A數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床

圖2 加工的用戶試磨件

其中，以2MK7130A為代表的數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床, 產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)和機(jī)床工作精度，達(dá)到國外同類先進(jìn)設(shè)備水平，打破了國外高端裝備長期壟斷我國精密可轉(zhuǎn)位刀片加工裝備市場的局面，產(chǎn)品已在國內(nèi)多家用戶得到示范應(yīng)用。

加工范圍（內(nèi)切圓直徑） φ5～φ 32mm砂輪直徑 400 mm砂輪線速度（最大） 31 m/s加緊行程 25 mm精度數(shù)控軸 分辨率 行程范圍 工作速度X軸 0.0001mm 150mm 130mm/s Y軸 0.0001mm 600mm 500mm/s往復(fù)頻率：0～2Hz B軸 0.0001° 任意角度 1°～60°/s,C軸 0.0001° -90°～90° 1°～90°/s

機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)與國內(nèi)外同類先進(jìn)產(chǎn)品對比如下：

主要指標(biāo) 國 外 2MK7130A 2MK7130 2MZK7150加工范圍（內(nèi)切圓直徑） φ4～φ50 φ5～φ32 φ5～φ32 φ5～φ50砂輪直徑 400mm 400mm 400mm 400mm砂輪線速度max 63m/s 31m/s 31m/s 120m/s行程范圍X軸 160mm 150mm 150mm 160mm Y軸 539mm 600mm 170mm 590mm A軸 -22°～28°-22°～67° — — -25°～40°-25°～202°B軸 任意 任意 任意 任意C軸 -100°～110° -90°～90° -90°～90° -100°～100°

三、新技術(shù)應(yīng)用情況

2MK7130A數(shù)控刀片周邊磨床在設(shè)計開發(fā)時，借鑒了2MZK7150、2MK1730機(jī)床成熟的結(jié)構(gòu)和工藝，結(jié)合計算機(jī)三維仿真技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、熱力耦合等多種先進(jìn)設(shè)計手段，特別是一些關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，對提升機(jī)床整機(jī)的性能和機(jī)床工作精度具有促進(jìn)作用。

1.高剛性精密機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)

（1）概要

數(shù)控可轉(zhuǎn)為刀片周邊磨床主要由床身、兩坐標(biāo)工作臺、回轉(zhuǎn)工作臺、頭尾架、砂輪主軸、砂輪修整器、砂輪清洗裝置、工件自動測量與自動定位裝置、上下料機(jī)械手，輔以計算機(jī)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)、油霧分離系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等組成。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)布局和刀片加工工藝要求，建立整機(jī)數(shù)字模型，借助仿真分析技術(shù)對關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱力耦合與分析，提高整機(jī)動靜態(tài)特性和熱特性，降低零部件熱變形對刀片加工精度的影響，提高整機(jī)結(jié)構(gòu)剛性、可靠性和精度保持性。

圖3 床身位移云圖、溫度場分布、總變形云圖

（3）技術(shù)特點(diǎn)

針對床身受環(huán)境溫度變化和各種溫度變化產(chǎn)生的原因，研究運(yùn)動發(fā)熱、切削發(fā)熱及其熱變形對床身幾何精度、床身穩(wěn)定性的影響，制定熱平衡及熱變形補(bǔ)償技術(shù)策略。

經(jīng)過床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在機(jī)床載荷集中位置采用三角式或田格式加強(qiáng)筋增加床身剛性，采用自然時效處理方式，人工精密刮研，確保床身的幾何精度穩(wěn)定可靠。

圖4 床身的時效處理和精密刮研

2.兩坐標(biāo)工作臺設(shè)計與制造技術(shù)

（1）概要

安裝在床身上兩坐標(biāo)工作臺主要是為磨頭提供X、Y向驅(qū)動力。刀片加工時，需要磨頭縱向進(jìn)給（X軸）、工件主軸回轉(zhuǎn)（B軸）與回轉(zhuǎn)工作臺（C軸）三軸聯(lián)動插補(bǔ)。有雙面倒棱工藝要求的刀片，還需磨頭磨頭橫向進(jìn)給插補(bǔ)（Y軸）。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

兩坐標(biāo)工作臺采用高精度滾珠絲杠驅(qū)動，精密絲杠專用軸承支撐，安裝時合理預(yù)緊絲杠，提高系統(tǒng)剛性以及定位精度和重復(fù)精度。

工作臺雙向?qū)蛑慰蛇x用平V導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌和直線導(dǎo)軌等方式。鑒于工件材質(zhì)均為難加工材料，且系統(tǒng)要求參與插補(bǔ)各軸運(yùn)動靈敏，選用精密直線導(dǎo)軌作導(dǎo)向支撐，通過導(dǎo)軌和滑塊間的油膜起到減震阻尼作用，降低振動對加工精度和工件表面質(zhì)量的影響。

圖5 兩坐標(biāo)工作臺模型圖

（3）技術(shù)特點(diǎn)

精密直線導(dǎo)軌具有精度高、運(yùn)動靈活、互換性好、安調(diào)和維護(hù)方便等特點(diǎn)，裝配時需對導(dǎo)軌接合面，絲杠軸承座安裝基面進(jìn)行精密刮研。為了滿足插補(bǔ)軸較高的定位精度要求，還需配置直線光柵尺作為位置反饋元件，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。由于機(jī)床工作時，磨削液中含有大量的高硬度粉末，需對兩個方向的精密直線導(dǎo)軌、高精度滾珠絲杠副增加防塵、防噴濺等防護(hù)裝置。

3.精密回轉(zhuǎn)和分度定位技術(shù)

（1）概要

機(jī)床在加工帶后角的多邊形可轉(zhuǎn)位刀片時，需要頭架驅(qū)動刀片回轉(zhuǎn)和刀片后角加工兩個運(yùn)動，都需要精密回轉(zhuǎn)和分度定位技術(shù)，采用直驅(qū)技術(shù)或蝸輪蝸桿傳動實(shí)現(xiàn)。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

直驅(qū)技術(shù)傳動便捷，但生產(chǎn)成本和加工成本較高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還會引入因電機(jī)發(fā)熱和密封對機(jī)床溫控帶來的不利影響。因此，選用一種高精度雙節(jié)蝸桿-蝸輪副驅(qū)動技術(shù)，通過調(diào)節(jié)兩節(jié)蝸桿間的間隙，達(dá)到消除蝸輪-蝸桿副反向間隙的目的，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸的精密分度。

圖6 雙節(jié)蝸桿-蝸輪副嚙合檢查

（3）技術(shù)特點(diǎn)

機(jī)床在加工這類刀片時，回轉(zhuǎn)工作臺和頭架主軸都有精密分度和可靠定位的要求，采用雙節(jié)蝸桿-蝸輪副傳動可實(shí)現(xiàn)較大的扭矩傳遞，且傳動過程中滑動嚙合產(chǎn)生的噪音和振動小，借助其自身的反向自鎖性，在液壓鎖緊輔助下，能可靠實(shí)現(xiàn)精密定位要求，通過精密位置檢測元件，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。該技術(shù)已取得實(shí)用新型發(fā)明專利。

4.精密砂輪主軸的設(shè)計與制造技術(shù)

（1）概要

砂輪主軸是刀片周邊磨床的關(guān)鍵部件之一，主軸的熱伸長、振動、軸端跳動等誤差都會直接反映在工件上，主軸精度直接影響磨削工件尺寸精度和表面質(zhì)量。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

根據(jù)周邊磨床砂輪主軸三維模型的仿真分析，對砂輪主軸結(jié)構(gòu)和支撐方式進(jìn)行優(yōu)化，配備平衡塊或精密在線動平衡裝置，并綜合運(yùn)用精密回轉(zhuǎn)主軸抑振技術(shù)、強(qiáng)制冷卻和恒溫控制技術(shù)，降低主軸不平衡、震動和主軸熱伸長對工件尺寸精度的影響。

圖7 砂輪主軸模型圖

圖8 砂輪主軸溫度云圖

（3）技術(shù)特點(diǎn)

精密砂輪主軸采用滾動軸承支撐，靈活合理的軸承配置形式能將大部分的磨削抗力有效地傳遞給機(jī)床床身，并限制主軸受熱后向不影響工件尺寸精度的方向伸長。軸承采用強(qiáng)制油氣潤滑方式，在軸承潤滑同時，高速氣流將摩擦熱量帶出，可有效控制主軸熱伸長引起的加工誤差，防止連續(xù)加工時，超硬磨屑因冷卻液噴濺對精密軸承造成損壞。

5.工件自動測量與自動定位技術(shù)

（1）概要

單件可轉(zhuǎn)位刀片周邊加工耗時較短，為適應(yīng)批量生產(chǎn)模式，應(yīng)該盡量減少人為干預(yù)機(jī)床正常工作，配備了柔性機(jī)械手實(shí)現(xiàn)工件自動上下料。由于同種規(guī)格刀片毛坯尺寸誤差較大，為節(jié)約輔助時間，提高加工效率和合格率，機(jī)床配備有工件自動測量與自動定位裝置。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

刀片加工前，預(yù)先設(shè)置好自動定位裝置毛坯裝夾位置。機(jī)床工作時，機(jī)械手將完工零件取下后，換上待加工刀片毛坯。工件自動夾緊后，自動定位裝置返回初始位置。數(shù)控系統(tǒng)控制自動測量裝置檢測毛坯余量和裝夾偏差數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)后臺程序運(yùn)算后，系統(tǒng)自動分配各聯(lián)動軸進(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)誤差自動補(bǔ)償。工件加工完工后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的尺寸公差對完工零件尺寸進(jìn)行抽檢，以判斷工件是否合格和確定砂輪修整補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)砂輪自動修整和誤差修正補(bǔ)償。

對有雙面倒棱工藝要求的刀片來說，機(jī)床還選配有刀片厚度自動測量裝置。

圖9 機(jī)床自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）技術(shù)特點(diǎn)

刀片檢測、定位均在機(jī)床上完成，由數(shù)控系統(tǒng)程序控制自動完成，避免因多次定位、裝夾帶來的重復(fù)誤差，減少機(jī)床輔助時間，提高機(jī)床加工效率，可通過系統(tǒng)程序參數(shù)設(shè)置，對測量裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

圖10 測頭誤差補(bǔ)償界面

6.砂輪在線清洗技術(shù)

（1）概要

可轉(zhuǎn)位刀片磨屑呈細(xì)粉狀，機(jī)床連續(xù)加工時，磨屑在冷卻液作用下粘附在砂輪端面而來不及去除，造成砂輪鈍化。機(jī)床配置有砂輪修整器，砂輪在加工一定數(shù)量刀片后，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定自動完成砂輪修銳。

由于陶瓷、CBN材料刀片硬度大，為保證加工效率和加工質(zhì)量，要求金剛石砂輪磨削時，時刻保持磨粒銳度。根據(jù)加工刀片材質(zhì)，機(jī)床選配砂輪在線清洗裝置，可滿足金剛石砂輪實(shí)時修銳要求。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

加工陶瓷、CBN材質(zhì)刀片時，金剛石砂輪快速鈍化，造成機(jī)床加工效率和工件表面質(zhì)量下降，甚至因砂輪堵塞導(dǎo)致冷卻液無法進(jìn)去磨削區(qū)，造成工件燒傷報廢。

砂輪清洗裝置的作用在于，清洗因砂輪磨?？障抖氯蛯︹g化磨粒修銳，確保砂輪銳度，提高加工效率和加工質(zhì)量。通過數(shù)控系統(tǒng)程序控制，實(shí)現(xiàn)金剛石砂輪在線清洗。

圖11 虛擬金剛石砂輪三維視圖

圖12 砂輪在線清洗裝置

（3）技術(shù)特點(diǎn)

砂輪清洗裝置工作時，清洗砂輪端面與金剛石砂輪端面實(shí)時接觸，金剛石砂輪參與工件磨削加工后即進(jìn)入砂輪清洗區(qū)，數(shù)控系統(tǒng)控制砂輪清洗裝置微量進(jìn)給，確保清洗砂輪與金剛石砂輪實(shí)時接觸，實(shí)現(xiàn)對金剛石砂輪的清洗和修銳。

該裝置在結(jié)構(gòu)布局上，有效利用砂輪周邊空間位置，確保金剛石砂輪工作的同時清洗砂輪實(shí)時對砂輪金剛石磨粒清洗和修銳。通過數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和程序控制，實(shí)現(xiàn)清洗砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和進(jìn)給誤差的自動補(bǔ)償，控制系統(tǒng)后臺將補(bǔ)償量分配給各插補(bǔ)軸，提高工件加工精度。

四、成果應(yīng)用及推廣情況

2018年4月，陜西漢江機(jī)床有限公司參展的2MK7130A數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床榮獲第十屆中國數(shù)控機(jī)床展覽會（CCMT2018） 春燕獎，陜西漢江機(jī)床有限公司2MZK7150全自動可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床榮獲CCMT2012春燕獎以來，在精密數(shù)控工具磨床領(lǐng)域的再次獲獎，表明陜西漢江機(jī)床有限公司數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)，得到了中國機(jī)床工具協(xié)會的一致認(rèn)可，機(jī)床經(jīng)過國內(nèi)多家用戶生產(chǎn)驗(yàn)證，技術(shù)水平和自動化程度滿足國內(nèi)刀片生產(chǎn)企業(yè)的要求，具備替代進(jìn)口設(shè)備的能力。

圖13 2MK7130A數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床獲獎證書

經(jīng)過陜西漢江機(jī)床有限公司多年來在精密數(shù)控工具磨床領(lǐng)域的潛心研究和技術(shù)積累，2MK7130、2MK7130A系列數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床結(jié)構(gòu)日趨完善，機(jī)床配置經(jīng)濟(jì)合理，滿足國內(nèi)數(shù)控精密刀片制造市場需求。公司憑借在國內(nèi)精密磨削領(lǐng)域的雄厚的技術(shù)實(shí)力和業(yè)界良好的信譽(yù)口碑，以及專業(yè)的技術(shù)支持和迅捷的售后服務(wù)體系，該系列產(chǎn)品已在浙江、深圳、江蘇、成都、河北等多家用戶成功應(yīng)用示范。 □