浅谈数控工具磨床

张国耀

浅议数控工具磨床

     随着现代制造技术的发展,对高精度异型复杂刀具的需求越来越大,这就意味着普    通工具磨床和传统加工工艺已经无法满足复杂生产的要求.为了解决这些问题,工具磨床也逐步从机械结构的传动配合控制到当今的数控技术的应用,从而抛弃了传统机床上手摇滑台、以及特制的复杂工艺装备附件(如:凸轮靠模、非圆齿轮副等),机械结构大为简化;操作传统机床时由于受机构运动的限制,往往要辅以一定的手工操作才能完成对刀具刃带邻域的磨削,所有这些特殊机构和人为操作实现的特殊运动形式,在数控工具磨床上都可以通过数控系统控制的联动轴之间的柔性协调运动轻松地实现,而且联动轴之间的相对运动几乎可以任意指定,仅有机床运动范围受机械结构尺寸限制.由于机械结构与控制系统之间的显著差异,数控工具磨床的加工原理和数学模型与传统工具磨床很不相同.比较而言,传统工具磨床机械结构复杂,但运动直观形象,成形原理相对简单,容易建立数学模型,此时,影响刀具加工精度的主要因素是工艺装备精度、机床上各个运动副的运动精度和砂轮的几何精度.数控工具磨床尽管总体机械结构简单,各运动部件采用了高精度运动副单元模块,但其成形原理复杂,建立数学模型困难,控制系统的精度和砂轮的几何精度成为刀具加工精度的主要因素.

( K9 h; D: x& Z. Q     工具磨床自1889开始制造以来,一直发展缓慢,直至上世纪70-80年代,为了适应全球制造业的发展,刀具制作和刃磨受到了极大重视,工具磨床进入一个快速发展阶段,数控工具磨床被推到刀具制造的前沿.计算机技术开始应用于工具磨床大约在上世纪70年代中后期,当前工具磨床的数控系统的发展趋势是追求特殊专用化,最早见到的系统是德国西门子8系列数控系统和法那克数控系统,这些数控系统通用性强,而现在国外很多数控工具磨床厂家都自行开发了各种专用数控磨削系统,专用系统可随机床要求的复杂程度和计划完成的负荷灵活变换.由模块化的组件来增减加工功能,以实现万能性和经济性.工具磨床专用系统的数控编程技术结合了各种数学方程表达方式,因而可以实现直线插补、圆弧插补、渐开线插补、指数函数插补、螺旋线插补等插补功能,从而解决了复杂形状刀具的高精度加工. 因为各种刀具的特点各有不同,数控工具磨床衍生出数控滚刀磨床、数控拉刀磨床、数控拉刀磨床和数控微刀磨床等专用的数控磨床,使得加工精度和加工效率大大提高.
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数控工具磨床结构及功能部件
1 P; q8 a7 S& i) o/ {  i5 C/ d, Q    机床新结构和新磨削方法的研究对工具磨床的发展起到了关键的作用,同时机床功能部件的研发对机床的发展也起到了重要的推动作用.比如电主轴的应用,由于电主轴的结构紧凑能实变频调速,有的电主轴装有恒温冷却水套对主轴电动机和轴承进行冷却,通过高压油雾对陶瓷轴承进行润滑,因此得到了广泛应用
    五轴联动数控工具磨床主要对球头立铣刀、圆弧刃立铣刀、直角头立铣刀、锥形立铣刀、铰刀等各种切削刀具进行磨削加工,为了实现刀具复杂曲面的磨削,加工时工件需要在空间完成复杂的运动,这就要求刀具磨床的工作台有多个自由度并能够实现高精度的多轴联动,因此磨床工作台的结构设计对于保证刀具加工质量具有十分重要的意义.
& }1 R: E5 N) F$ b" W7 J* H% o    数控工具磨床作为一种高精密的数控装备,结构复杂,精度要求高.一般由机床的主运动部件(砂轮)、进给运动部件、辅助部件、和机座等组成,其结构形式各不相同,布局形式有转台式、立式、卧式、带砂轮库、带机器人等.机座形式也分为有底座式、立柱式、龙门式等.为了实现砂轮和共建的相对运动,工具磨床可以有多种结构布局形式,对应的工作台也是多种多样.
     工具磨床工作台的结构设计通常要满足以下几点要求:1.刀具磨削往往要求一次装夹完成所有切削面的粗加工,工作台应满足进行多片砂轮加工. 2.刀具主要由各种复杂曲面构成,因此工作台结构应满足多轴联动加工的要求,保证各个运动轴在工作的范围内不产生运动干涉;3.工作台既要能够承受粗磨时产生的巨大磨削力,又要能够保证精加工时的高精度,因此要求机床刚性好、稳定性好、运动精度高同时热变性小.
3 [3 r. v5 A8 k( R! K; p5 P    机床工作台的布局是根据砂轮与机床的相对位置变化而定的,就五轴数控工具磨床而言,机床结构会是千变万化的,抛开复杂的机械结构,五轴数控工具磨床的布局大致可为两种形式:一种是砂轮平动,工件转动;另一种为砂轮转动,工件平动.理论上只要保证数控加工中每个瞬间砂轮相对工件的位置和相对运动与传统机床相同,就可以加工出相同的刀刃曲线和容屑槽曲面.
数控工具磨床工作台的进给运动和旋转运动一般采用单独的伺服电机直接驱动丝杠螺母传动方式,有的也会采用直线电机直接驱动,直线电机的应用使得磨床运动的加速度、精度和运行速度达到了一个新的标准.与传统的驱动方式相比,直线电机驱动不需要机械传动部件,这样就使得磨床精度保持的时间更长久,而且大大简化了维护的过程.数控磨床是通过数控系统来协调控制各州之间联动,不使用皮带或齿轮传动副,最大限度地减少了传动误差.另外机床必须具有较小的摩擦力,耐磨性要高,可采用滚动导轨结构.数控工具磨床既承受很大的切削力,又要能够保证精加工的高精度,因此对机床床身的强度、刚度、抗振性、热变形和内应力等都具有很高的要求.机床床身材料选用高强度优质灰铸铁,铸件有的会采用半封闭截面,合理内部隔板和肋条,并要加宽导轨面,以提高整体刚性.国外机床床身大都采用大理石花岗岩等材料,此材料的热膨胀系数尚不足整体铸铁床身的1/10可以大大提高机床的综合性能.
, d2 v) q  N' u欧美很多的数控工具磨床的都是采用模块化设计,这样可以根据用户提出的各种要求,在功能分析的基础上,划分并设计出一系列具有不同用途、结构,而功能相同的、可互换得功能模块和一些专用独立部件,然后通过模块的选择和组合来组装成不同性能和规格的数控机床.
% F( o* V& f" j  M9 D) X: D目前数控工具磨床已经将高精度磨床制造核心技术与磨削控制软件、机电伺服技术、测量技术、图像处理技术以及网络通讯技术有机地结合起来，开发出先进的数控工具磨床，并且随时根据用户的不同需求，不断开发出给客户带来更高收益的数控磨床产品。现在数控工具磨床已被广泛应用于航空航天、军工企业、汽车行业、刀具加工、木工刀具、医疗器械、模具加工、纺织器械以及手表制造等各个领域。很多高品质的数控工具磨床的功能已经是一个数控磨削中心的概念了,不是只能做一种产品的专用磨床了.一直以来,欧美国家所倡导所谓”模块化设计”的概念将使其功能更加强大.
4 P% I6 L0 A9 ^4 t& @! g数控工具磨床日后发展方向
! w, Z% D7 }/ Q7 A. F. Q    机床制造商不断地推进新产品，来帮助工具制造商和修磨工厂提高工作效率和降低成本。为了提高机床的利用率和降低劳动成本，自动化日益受到重视。同时通过开发软件使机床拓宽操作的功能，并能在生产批量小和交货周期短的情况下，经济地安排生产进度。此外，加大机床功率，使之能适应多样化的需求和拓宽磨制刀具的规格范围。
) U$ g6 s% c/ D  ^  t) U    今后数控工具磨床的发展主要体现在三个方面：
' w+ Y: ?1 K& H: r    一、自动化：工具制造厂生产新刀具时，由于批量大，所以效率高。但刀具修磨厂就没有这种条件，只有通过自动化来解决效率问题。刀具修磨商并不要求机床实现无人操作，但希望一名操作者能够看管多台机床以控制成本。
5 v, Q, h. e' E7 \  e. ^    二、高精度：许多制造商把减少操作时间作为首要目标，但另外一些厂商却把零件质量放在最重要的位置(如高精度刀具和医用零部件制造商)。随着数控刀柄磨床生产技术的改进，新近开发的机床能够保证非常严格的公差和超常的光洁度。
% M+ K+ C  u4 z5 R, L$ Z, i8 C7 s    三、应用软件的开发：现在工厂希望磨削加工的自动化程度越高越好，不管生产批量大小，问题的关键是实现柔性化。
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五轴工具磨床

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