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五軸聯動數控工具磨床（chuáng）工作台（tái）運動方案與結構設計探究

2018-8-9 來源：北平機床有（yǒu）限公司作者（zhě）：陳寶華

摘要：刀具特別是硬質合金刀具，是複雜的三維空間多角（jiǎo）度的加工工具。高精度刀具的加工成型（xíng）的關鍵設備之一就是數控工（gōng）具磨床。為了優化（huà）刀具（jù）加工質量及過程的各種合理性因素，主要（yào）是對五軸（zhóu）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（de）要點（diǎn）和要求的基礎上，對常見的五軸聯動（dòng）數控工具磨床（chuáng）的係統布局進行分析，並（bìng）且通過對不同的工作台的布置形式進行比較，對原本的數控工具磨床的工作（zuò）台結（jié）構進行改進設計，能（néng）夠完成對各工作台零件（jiàn）的（de）部件結構（gòu）優化設計。

關鍵詞：數（shù）控機床；工（gōng）具磨床；機床工作台；五軸（zhóu）聯動數控

1 、五（wǔ）軸聯動數控工具磨床的工作台運動方案分析

由於刀具的複雜（zá）性，在刀具生產過程中，數控工具磨床的砂輪和工件之間（jiān）的相（xiàng）對位置是隨（suí）時變化的。常見的數控工具磨床的砂輪（lún）與工作台的布（bù）局有以下（xià）兩種：

①砂（shā）輪平動（dòng）、工（gōng）件轉動；②砂輪轉動、工件平動。根據數控工具磨床的（de）發展曆史，依據磨床的結構和加工特性，常見的工作台結構方案有以下幾種：

1.1 搖臂式（shì）萬能工具磨床工作（zuò）台結構

這（zhè）種結構是傳統的工作台機構，結構型（xíng）式比較複雜，磨頭能進行水平和垂直擺動，這（zhè）種（zhǒng）結構型式（shì）的磨頭轉動主要是利用兩個（gè）齒（chǐ）輪傳動鏈進行加工（gōng）的。將工件直（zhí）接安裝在回轉工作台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複（fù）雜，傳動係統存在間隙，精準度較低，不能滿足（zú）高精（jīng）度刀具的加工要求。

1.2 立式工作台結構方案（àn）

這種工作台結構型式采用的（de）同樣是工作台回轉，但不同的是立式（shì）工（gōng）作台結（jié）構中的工件（jiàn）回轉的支撐台是外置的，這樣可以方便後期（qī）對工件（jiàn）回轉台進行維（wéi）護和檢（jiǎn）修，也為安裝過程提供了很大便利。立式工作（zuò）台結構方案如圖 1 所示。立式工作台結（jié）構型式（shì）中 X 軸的（de）主（zhǔ）要作用是對砂（shā）輪進行定位（wèi），工件軸不僅能夠繞（rào）著（zhe）自己的（de）軸線進行（háng）回轉運動，還（hái）可以做直線運動。更重要的是可以幫助工件支撐（chēng）台作回轉運動，防止磨（mó）頭擺動（dòng），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（zài） 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（háng）大進給深磨削的過程中（zhōng），因為磨（mó）削力過大會在一定程度上影（yǐng）響磨削精度。

1.3 砂輪平動、工件轉動的工作台結構方案

砂（shā）輪平動、工件轉動的工具磨床工作台的結構型式，也是采用的是工作台回轉的型式，不同的是工件回轉的支撐（chēng）台是內置式，即增加工作（zuò）支撐跨度（dù），工作台隻負責回轉，工作台（tái）移（yí）動由下部單（dān）獨數控軸完（wán）成，極大地增加了工作台的剛性。砂輪平動、工（gōng）件（jiàn）轉（zhuǎn）動的結構方案的操作過程比較簡單，但這種工作台的回轉結構，由於工作台較短，隻適用於磨削不能（néng）太（tài）長的工件，並且這（zhè）種結構增大了機（jī）床外罩的空間，使工件與操作員的距離增大，不利於操作者操作及觀察，為了消除這種缺（quē）點，該類機床（chuáng）外罩通常是回轉式（shì），典型應用的五軸數控工具（jù）磨床是德（dé）國 WALTEI。

1.4 砂輪轉動、工件平（píng）動（dòng）的工作台結構（gòu）方案

砂輪平動、工件轉動的工具磨床工作台的結構型式，工作台（tái）隻作直線移動，工作台具有極高的剛性，工作台長度可以較長，這對（duì）於加工長工件極為有利，特別是（shì）針對長度長達 1m 以上的深孔鑽時，隻能用該類型磨床加（jiā）工（gōng）。這種型式的機床，操作者的操作視野距與磨（mó）削點的距離較近，便於隨時觀察與調整。但該類機床砂輪的回轉機構，降低了砂輪（lún）的磨削剛性，需（xū）增加刹車機構來（lái）提高磨削（xuē）剛性。典型應用的五軸數控工具磨床（chuáng）是澳大利亞 ANCA，德國SCHUTTE、SAACKE 等。

2、數控工具磨床工作台的設計方案

2.1 工作台進給係統設計

工作台進給係統運行的精度和靈敏度會對工件的尺寸精度（dù）和輪廓精度產生一些影響，因（yīn）此，在刀（dāo）具磨（mó）削加工過程中要特別注意對工作（zuò）台（tái）進給係統的設計（jì）。一般來（lái）說，數控機床的進給（gěi）係統要滿（mǎn）足以下要求：穩定的係統、較高（gāo）的動精度、較小的（de）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範圍內，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（dà）的剛度（dù）。在（zài）對工作台（tái）的進給係統進行（háng）設計時（shí），可以使用獨立的伺服電機作為（wéi）直接驅動（dòng）絲杠（gàng）螺母（mǔ）的傳動（dòng）方式，這樣可以將進給係統的旋轉運動變成直線運（yùn）動。同時，借助數控係（xì）統能夠對各個軸之間的工作進（jìn）行協調聯動，節省皮帶以及齒輪傳動的成（chéng）本，並且能夠最大程度地減（jiǎn）少傳動過程中的誤差，大大提高了（le）傳動的（de）精準度。除此之外，在設計過程中還要保證（zhèng）數控機床導（dǎo）軌的摩擦阻力在一定範（fàn）圍內，要盡量控製在較小範圍內，還有具有較強的耐磨性，延長（zhǎng）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係統，高精度，高響（xiǎng）應，無傳動係統磨損，將使磨床（chuáng）的使用（yòng）壽命及（jí）精度得到了極大的提升，對於加工高精度高附加（jiā）值刀具尤為明顯，有（yǒu）極為廣（guǎng）闊的前景。

2.2 工作台元件的結構設計（jì）

五軸聯動數控工具磨床的主要功能是集粗加工和精加（jiā）工於一體的加工係統，在數控工具磨床運行過程中對三坐標工作台的要求較高，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（néng）夠滿足精加工中（zhōng）的高精準度需求。所以，在對工作台的元件進行設計時，一定（dìng）要（yào）保證元件（jiàn）的強度（dù）、剛度和抗振性，與此同時，還要控製熱（rè）變形和內應力符合相關的要求標準。在製作數控工具磨床的（de）工作台機體元件時，最關鍵的一（yī）步是（shì）選擇元件材料（liào），一（yī）般來說，最（zuì）常用的是強度較（jiào）高的優質灰鑄鐵，鑄件的表麵（miàn）是半封閉式的，還要對內部的隔板和肋條進行合理（lǐ）布置（zhì），同時要加寬機床的導軌麵，保證整體的穩定性和剛度。

近年來，大理（lǐ）石作為新型材質得到了極（jí）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（xìng），精度保（bǎo）持性（xìng）佳，永遠不會生鏽，將作為（wéi）工作台作為今後（hòu）發展的方向。

3 、結語

綜上所述，在充（chōng）分考慮五（wǔ）軸聯動數控工具磨床的特點的基礎上，對磨床工作（zuò）台的運動方（fāng）案進行改進設計，並且在對磨床的相關零件進行（háng）具體全麵的了（le）解後，對（duì）設計結構的合理性有重要保證，同時也（yě）為數控工具磨（mó）床（chuáng）的結構（gòu）設計提（tí）供了一定的參考（kǎo），對數控機床的發展有一定的促進意義（yì）.

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