淺議數控工具磨床

  隨著現代制造技術的發展,對高精度異型復雜刀具的需求越來越大,這就意味著普    通工具磨床和傳統加工工藝已經無法滿足復雜生產的要求.為了解決這些問題,工具磨床也逐步從機械結構的傳動配合控制到當今的數控技術的應用,從而拋棄了傳統機床上手搖滑臺、以及特制的復雜工藝裝備附件(如:凸輪靠模、非圓齒輪副等),機械結構大為簡化;操作傳統機床時由于受機構運動的限制,往往要輔以一定的手工操作才能完成對刀具刃帶鄰域的磨削,所有這些特殊機構和人為操作實現的特殊運動形式,在數控工具磨床上都可以通過數控系統控制的聯動軸之間的柔性協調運動輕松地實現,而且聯動軸之間的相對運動幾乎可以任意指定,僅有機床運動范圍受機械結構尺寸限制.由于機械結構與控制系統之間的顯著差異,數控工具磨床的加工原理和數學模型與傳統工具磨床很不相同.比較而言,傳統工具磨床機械結構復雜,但運動直觀形象,成形原理相對簡單,容易建立數學模型,此時,影響刀具加工精度的主要因素是工藝裝備精度、機床上各個運動副的運動精度和砂輪的幾何精度.數控工具磨床盡管總體機械結構簡單,各運動部件采用了高精度運動副單元模塊,但其成形原理復雜,建立數學模型困難,控制系統的精度和砂輪的幾何精度成為刀具加工精度的主要因素.

     工具磨床自1889開始制造以來,一直發展緩慢,直至上世紀70-80年代,為了適應全球制造業的發展,刀具制作和刃磨受到了極大重視,工具磨床進入一個快速發展階段,數控工具磨床被推到刀具制造的前沿.計算機技術開始應用于工具磨床大約在上世紀70年代中后期,當前工具磨床的數控系統的發展趨勢是追求特殊專用化,最早見到的系統是德國西門子8系列數控系統和法那克數控系統,這些數控系統通用性強,而現在國外很多數控工具磨床廠家都自行開發了各種專用數控磨削系統,專用系統可隨機床要求的復雜程度和計劃完成的負荷靈活變換.由模塊化的組件來增減加工功能,以實現萬能性和經濟性.工具磨床專用系統的數控編程技術結合了各種數學方程表達方式,因而可以實現直線插補、圓弧插補、漸開線插補、指數函數插補、螺旋線插補等插補功能,從而解決了復雜形狀刀具的高精度加工. 因為各種刀具的特點各有不同,數控工具磨床衍生出數控滾刀磨床、數控拉刀磨床、數控拉刀磨床和數控微刀磨床等專用的數控磨床,使得加工精度和加工效率大大提高.

數控工具磨床結構及功能部件

    機床新結構和新磨削方法的研究對工具磨床的發展起到了關鍵的作用,同時機床功能部件的研發對機床的發展也起到了重要的推動作用.比如電主軸的應用,由于電主軸的結構緊湊能實變頻調速,有的電主軸裝有恒溫冷卻水套對主軸電動機和軸承進行冷卻,通過高壓油霧對陶瓷軸承進行潤滑,因此得到了廣泛應用

    五軸聯動數控工具磨床主要對球頭立銑刀、圓弧刃立銑刀、直角頭立銑刀、錐形立銑刀、鉸刀等各種切削刀具進行磨削加工,為了實現刀具復雜曲面的磨削,加工時工件需要在空間完成復雜的運動,這就要求刀具磨床的工作臺有多個自由度并能夠實現高精度的多軸聯動,因此磨床工作臺的結構設計對于保證刀具加工質量具有十分重要的意義.

    數控工具磨床作為一種高精密的數控裝備,結構復雜,精度要求高.一般由機床的主運動部件(砂輪)、進給運動部件、輔助部件、和機座等組成,其結構形式各不相同,布局形式有轉臺式、立式、臥式、帶砂輪庫、帶機器人等.機座形式也分為有底座式、立柱式、龍門式等.為了實現砂輪和共建的相對運動,工具磨床可以有多種結構布局形式,對應的工作臺也是多種多樣.

     工具磨床工作臺的結構設計通常要滿足以下幾點要求:1.刀具磨削往往要求一次裝夾完成所有切削面的粗加工,工作臺應滿足進行多片砂輪加工. 2.刀具主要由各種復雜曲面構成,因此工作臺結構應滿足多軸聯動加工的要求,保證各個運動軸在工作的范圍內不產生運動干涉;3.工作臺既要能夠承受粗磨時產生的巨大磨削力,又要能夠保證精加工時的高精度,因此要求機床剛性好、穩定性好、運動精度高同時熱變性小.

    機床工作臺的布局是根據砂輪與機床的相對位置變化而定的,就五軸數控工具磨床而言,機床結構會是千變萬化的,拋開復雜的機械結構,五軸數控工具磨床的布局大致可為兩種形式:一種是砂輪平動,工件轉動;另一種為砂輪轉動,工件平動.理論上只要保證數控加工中每個瞬間砂輪相對工件的位置和相對運動與傳統機床相同,就可以加工出相同的刀刃曲線和容屑槽曲面.

數控工具磨床工作臺的進給運動和旋轉運動一般采用單獨的伺服電機直接驅動絲杠螺母傳動方式,有的也會采用直線電機直接驅動,直線電機的應用使得磨床運動的加速度、精度和運行速度達到了一個新的標準.與傳統的驅動方式相比,直線電機驅動不需要機械傳動部件,這樣就使得磨床精度保持的時間更長久,而且大大簡化了維護的過程.數控磨床是通過數控系統來協調控制各州之間聯動,不使用皮帶或齒輪傳動副,最大限度地減少了傳動誤差.另外機床必須具有較小的摩擦力,耐磨性要高,可采用滾動導軌結構.數控工具磨床既承受很大的切削力,又要能夠保證精加工的高精度,因此對機床床身的強度、剛度、抗振性、熱變形和內應力等都具有很高的要求.機床床身材料選用高強度優質灰鑄鐵,鑄件有的會采用半封閉截面,合理內部隔板和肋條,并要加寬導軌面,以提高整體剛性.國外機床床身大都采用大理石花崗巖等材料,此材料的熱膨脹系數尚不足整體鑄鐵床身的1/10可以大大提高機床的綜合性能.

歐美很多的數控工具磨床的都是采用模塊化設計,這樣可以根據用戶提出的各種要求,在功能分析的基礎上,劃分并設計出一系列具有不同用途、結構,而功能相同的、可互換得功能模塊和一些專用獨立部件,然后通過模塊的選擇和組合來組裝成不同性能和規格的數控機床.

目前數控工具磨床已經將高精度磨床制造核心技術與磨削控制軟件、機電伺服技術、測量技術、圖像處理技術以及網絡通訊技術有機地結合起來，開發出先進的數控工具磨床，并且隨時根據用戶的不同需求，不斷開發出給客戶帶來更高收益的數控磨床產品�，F在數控工具磨床已被廣泛應用于航空航天、軍工企業、汽車行業、刀具加工、木工刀具、醫療器械、模具加工、紡織器械以及手表制造等各個領域。很多高品質的數控工具磨床的功能已經是一個數控磨削中心的概念了,不是只能做一種產品的專用磨床了.一直以來,歐美國家所倡導所謂”模塊化設計”的概念將使其功能更加強大.

數控工具磨床日后發展方向

    機床制造商不斷地推進新產品，來幫助工具制造商和修磨工廠提高工作效率和降低成本。為了提高機床的利用率和降低勞動成本，自動化日益受到重視。同時通過開發軟件使機床拓寬操作的功能，并能在生產批量小和交貨周期短的情況下，經濟地安排生產進度。此外，加大機床功率，使之能適應多樣化的需求和拓寬磨制刀具的規格范圍。

    今后數控工具磨床的發展主要體現在三個方面：

    一、自動化：工具制造廠生產新刀具時，由于批量大，所以效率高。但刀具修磨廠就沒有這種條件，只有通過自動化來解決效率問題。刀具修磨商并不要求機床實現無人操作，但希望一名操作者能夠看管多臺機床以控制成本。

    二、高精度：許多制造商把減少操作時間作為首要目標，但另外一些廠商卻把零件質量放在最重要的位置(如高精度刀具和醫用零部件制造商)。隨著數控刀柄磨床生產技術的改進，新近開發的機床能夠保證非常嚴格的公差和超常的光潔度。

    三、應用軟件的開發：現在工廠希望磨削加工的自動化程度越高越好，不管生產批量大小，問題的關鍵是實現柔性化。