五軸聯動數控工具磨床工作臺運動方案與結構設計探究
2018-8-9 來源：北平機床有限公司 作者： 陳寶華
摘要： 刀具特別是硬質合金刀具，是復雜的三維空間多角度的加工工具。高精度刀具的加工成型的關鍵設備之一就是數控工具磨床。為了優化刀具加工質量及過程的各種合理性因素，主要是對五軸聯動數控工具磨床進行研究分析。在研究過程中，在充分考慮刀具磨削加工技術的要點和要求的基礎上，對常見的五軸聯動數控工具磨床的系統布局進行分析，并且通過對不同的工作臺的布置形式進行比較，對原本的數控工具磨床的工作臺結構進行改進設計，能夠完成對各工作臺零件的部件結構優化設計。
關鍵詞： 數控機床；工具磨床；機床工作臺；五軸聯動數控
1 、五軸聯動數控工具磨床的工作臺運動方案分析
由于刀具的復雜性，在刀具生產過程中，數控工具磨床的砂輪和工件之間的相對位置是隨時變化的。常見的數控工具磨床的砂輪與工作臺的布局有以下兩種：
①砂輪平動、工件轉動；②砂輪轉動、工件平動。根據數控工具磨床的發展歷史，依據磨床的結構和加工特性，常見的工作臺結構方案有以下幾種：
1.1 搖臂式萬能工具磨床工作臺結構
這種結構是傳統的工作臺機構，結構型式比較復雜，磨頭能進行水平和垂直擺動，這種結構型式的磨頭轉動主要是利用兩個齒輪傳動鏈進行加工的。將工件直接安裝在回轉工作臺上就能夠完成大角度擺動，從而滿足工具磨床的多種加工要求。這種結構型式不僅結構龐大復雜，傳動系統存在間隙，精準度較低，不能滿足高精度刀具的加工要求。
1.2 立式工作臺結構方案
這種工作臺結構型式采用的同樣是工作臺回轉，但不同的是立式工作臺結構中的工件回轉的支撐臺是外置的，這樣可以方便后期對工件回轉臺進行維護和檢修，也為安裝過程提供了很大便利。立式工作臺結構方案如圖 1 所示。立式工作臺結構型式中 X 軸的主要作用是對砂輪進行定位，工件軸不僅能夠繞著自己的軸線進行回轉運動，還可以做直線運動。更重要的是可以幫助工件支撐臺作回轉運動，防止磨頭擺動，能夠有效保證主軸的剛性。而這種結構型式的磨頭一般安裝在 Z 軸導軌上。這種結構方案的最大優點就是結構相對簡單，缺點是在進行大進給深磨削的過程中，因為磨削力過大會在一定程度上影響磨削精度。
1.3 砂輪平動、工件轉動的工作臺結構方案
砂輪平動、工件轉動的工具磨床工作臺的結構型式，也是采用的是工作臺回轉的型式，不同的是工件回轉的支撐臺是內置式，即增加工作支撐跨度，工作臺只負責回轉，工作臺移動由下部單獨數控軸完成，極大地增加了工作臺的剛性。砂輪平動、工件轉動的結構方案的操作過程比較簡單，但這種工作臺的回轉結構，由于工作臺較短，只適用于磨削不能太長的工件，并且這種結構增大了機床外罩的空間，使工件與操作員的距離增大，不利于操作者操作及觀察，為了消除這種缺點，該類機床外罩通常是回轉式，典型應用的五軸數控工具磨床是德國 WALTEI。
1.4 砂輪轉動、工件平動的工作臺結構方案
砂輪平動、工件轉動的工具磨床工作臺的結構型式，工作臺只作直線移動，工作臺具有極高的剛性，工作臺長度可以較長，這對于加工長工件極為有利，特別是針對長度長達 1m 以上的深孔鉆時，只能用該類型磨床加工。這種型式的機床，操作者的操作視野距與磨削點的距離較近，便于隨時觀察與調整。但該類機床砂輪的回轉機構，降低了砂輪的磨削剛性，需增加剎車機構來提高磨削剛性。典型應用的五軸數控工具磨床是澳大利亞 ANCA，德國SCHUTTE、SAACKE 等。
2、 數控工具磨床工作臺的設計方案
2.1 工作臺進給系統設計
工作臺進給系統運行的精度和靈敏度會對工件的尺寸精度和輪廓精度產生一些影響，因此，在刀具磨削加工過程中要特別注意對工作臺進給系統的設計。一般來說，數控機床的進給系統要滿足以下要求：穩定的系統、較高的動精度、較小的摩擦阻力以及較小的運動部件慣量等。而對傳動元件則有以下要求：必須保證傳動間隙在一定范圍內，確保傳動元件的高靈敏度和低摩擦阻力，同時還要保證傳動元件較大的剛度。在對工作臺的進給系統進行設計時，可以使用獨立的伺服電機作為直接驅動絲杠螺母的傳動方式，這樣可以將進給系統的旋轉運動變成直線運動。同時，借助數控系統能夠對各個軸之間的工作進行協調聯動，節省皮帶以及齒輪傳動的成本，并且能夠最大程度地減少傳動過程中的誤差，大大提高了傳動的精準度。除此之外，在設計過程中還要保證數控機床導軌的摩擦阻力在一定范圍內，要盡量控制在較小范圍內，還有具有較強的耐磨性，延長機床導軌的使用壽命。通常情況下，可以采用滾動式導軌進行設計。
近年，直線電機作為一種新型的進給系統，高精度，高響應，無傳動系統磨損，將使磨床的使用壽命及精度得到了極大的提升，對于加工高精度高附加值刀具尤為明顯，有極為廣闊的前景。
2.2 工作臺元件的結構設計
五軸聯動數控工具磨床的主要功能是集粗加工和精加工于一體的加工系統，在數控工具磨床運行過程中對三坐標工作臺的要求較高，不僅要能夠承受粗加工時的大吃刀與大走刀的巨大削切力，還要能夠滿足精加工中的高精準度需求。所以，在對工作臺的元件進行設計時，一定要保證元件的強度、剛度和抗振性，與此同時，還要控制熱變形和內應力符合相關的要求標準。在制作數控工具磨床的工作臺機體元件時，最關鍵的一步是選擇元件材料，一般來說，最常用的是強度較高的優質灰鑄鐵，鑄件的表面是半封閉式的，還要對內部的隔板和肋條進行合理布置，同時要加寬機床的導軌面，保證整體的穩定性和剛度。
近年來，大理石作為新型材質得到了極大普及。大理石形態極為穩定，極耐磨損、耐酸、耐堿，有很高的耐熱及耐腐蝕性，精度保持性佳，永遠不會生銹，將作為工作臺作為今后發展的方向。
3 、結語
綜上所述，在充分考慮五軸聯動數控工具磨床的特點的基礎上，對磨床工作臺的運動方案進行改進設計，并且在對磨床的相關零件進行具體全面的了解后，對設計結構的合理性有重要保證，同時也為數控工具磨床的結構設計提供了一定的參考，對數控機床的發展有一定的促進意義.
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