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      摘要: 針對國內生產型數控工具磨床整體剛性差、國外中高檔數控機床價格高和不能磨削非標件等問題，結合龍門式立柱機床的高剛性和工具磨床的運動特點，開發一種龍門式數控工具磨床。該機床整體剛性好，磨削效率高，適用性強，可磨削各種刀具及非標工件。
  
    

     目前，國內數控工具磨床生產廠家都是在手動工具磨床基礎上進行產品的升級換代，實現數控化改造產品。這些數控工具磨床的整體剛性不高，一般只能用于磨削量不大的修磨或生產批量不大的場合。而新開發的數控工具磨床均采用單立柱結構，用于批量生產時，也存在機床整體剛性差的缺點。國外用于生產的中高檔數控機床，技術相對成熟，機床精度高、速度高、剛性高，數控頭架也因工作臺短回轉方便，但這類機床只能磨削標準型的螺旋刀具和球頭刀具，無法磨削非標零件或需要尾架等附件磨削的刀具和零件 。

      1 、龍門式數控工具磨床的開發設計

   
      1. 1 整體結構
 
 
      通過分析對比，自主研發一種立柱采用整體式龍門結構的數控工具磨床，其結構如圖1 所示。該機床由床座7、龍門立柱4、橫梁2、工作臺滑座8、工作臺面6、頭架5、尾架9、磨頭滑座1、磨頭座3、磨頭10、數控系統以及電氣柜等零部件組成，是在經典結構MA6025 手動萬能工具磨床主要參數基礎上開發的，保留了原機床以下功能: (1) 磨頭和頭架的水平面和垂直面回轉運動; (2) 磨削非標準工件。

       
                圖1 龍門式數控工具磨床結構

      龍門式數控工具磨床主要克服了現有生產型工具磨床整體剛性差、磨頭功率小、轉速低、操作空間受立柱限制等諸多缺點，側重于生產型。其主要結構體現在:

      (1) 立柱采用整體式龍門結構。
      (2) 整體式龍門立柱4 用螺釘固定在床座7 上。
      (3) 左右移動的磨頭座1 通過導軌、絲杠與上下移動的橫梁2 相連，橫梁2 通過雙滾珠絲杠和直線滑塊與龍門式立柱4 相連，磨頭滑座1 通過滾珠絲杠和直線滑塊與橫梁2相          連，通過T 型槽安裝在磨頭滑座1的磨頭座3 可在垂直面內回轉，通過軸承、定位及鎖緊機構連接在磨頭座下方磨頭10 可在水平面回轉。
      (4) 工作臺6 通過滾珠絲杠和直線滑塊與工作臺滑座8 相連，并且工作臺的長向與橫梁2 運動方向平行。
      (5) 工作臺臺面尺寸930 mm × 300 mm，工作臺6 上配備有數控頭架5 和尾架9 等機床附件。
      (6) 電氣柜安裝在機床后面。
      (7) 數控系統采用FAGOＲ 或SINUMEＲIK 系統。

      1. 2 功能實現

      該機床目前采用FAGOＲ8055 四軸四聯動的數控系統(根據用戶需要也可以配置其他數控系統)，其中3 個直線(上下、左右、前后方向) 數控軸，1 個回轉(工作臺頭架) 數控軸，還有4 個輔助手動動作，實現不同種類刀具切削刃的前角、后角及溝槽的磨削。

      具體運動方案如下:

     (1) 橫梁2 在龍門立柱4 上采用直線導軌塊，通過雙伺服電機驅動雙滾珠絲杠，在立柱上同步上下運動;
     (2) 磨頭座3 在橫梁經過滾動導軌，由伺服電機帶動滾珠絲杠使磨頭座3 在橫梁2 左右運動及磨頭座3 在水平面和垂直面的調整運動。
     (3) 工作臺6 由伺服電機帶動滾珠絲杠通過直線滑塊在床座7 作前后運動，數控頭架5 通過伺服電機控制其回轉運動。
     (4) 磨頭10 采用高速和大功率的電主軸。
     (5) 工作臺6 經過滾動導軌，由伺服電機帶動滾珠絲杠通過直線滑塊在床座7 上作前后運動。

      1. 3 技術方案

     首先設計四軸四聯動的數控機床，即工作臺的前后運動、橫梁的上下運動、磨頭座的左右運動及工作臺上頭架的回轉運動為伺服控制，磨頭和頭架在水平面和垂直面內的回轉運動為手動調整。在此基礎上，通過配備必要的機床附件( 頭架和尾架)，實現螺旋刀具螺旋刃的前角、后角、溝槽及刀具刃在平面內的直線、圓弧插補磨削等功能，也可以磨
削非標工件。在機床的工作臺或磨頭座上，還可再增加一個回轉數控軸，成為五軸五聯動的數控工具機床，以進一步擴大機床的使用功能。

  
      1. 4 機床性能及優勢

     龍門式立柱與床座固定連接，橫梁與立柱、立柱與磨頭座滑板、工作臺與床座之間通過高強度的直線導軌塊和滾珠絲杠連接，使得機床整體剛性提高; 高精度的直線導軌塊、滾珠絲杠和橫梁雙伺服電機帶動雙滾珠絲杠同步運動，保證了機床高精度的穩定性; 龍門式立柱結構及磨頭座左右運動和上下進給運動布置在機床橫梁上，這些工件進給到磨頭下方時不受立柱的干涉; 工作臺僅一個前后運動，使工作臺簡潔，有效操作空間大; 工作臺臺面的長向與磨頭左右運動的導軌平行布置，把傳統龍門式機床的短向行程變為工具磨床的長向行程，機床結構更加緊湊。以上性能特點顯示了該機床的競爭優勢:

     (1) 與國內現有修磨型數控工具磨床比較，剛性強，精度高，冷卻好，磨削質量好，在批量生產型企業，其最大優點是磨削效率高。
     (2) 與國內現有生產型數控工具磨床比較，功能強大，適應性強，操作方便。
     (3) 與國外同類數控機床比較，價格低，只是國外同類產品價格的1 /3 左右，性價比高。
     (4) 從功能上看，四軸四聯動龍門式數控工具磨床和國外一些先進的五軸或六軸數控工具磨床機床功能相當，且可以磨削非標工件。

     2 、存在問題及改進

    研發成功的一臺龍門式數控工具磨床樣機，目前已銷售到北京航空材料研究所，并在該機床上完成了拉力試件表面的縱向磨削，得到用戶的好評; 經后續生產驗證，機床整體剛性好，精度穩定，操作空間大。但在樣機的制造過程和使用過程中，發現還存在問題，主要有:

     (1) 龍門式整體立柱鑄造工藝性不好，鑄件成品率不高，需要改進試件，重新制作木模。
     (2) 樣機的數控頭架借用半封閉防護的MKA6025 × 3 數控工具磨床的數控頭架，其裝夾工件方式不適合全封閉防護的MKA6032 × 4 龍門式數控工具磨床，需要進行改進設計
     (3) 樣機的防護罩是頂部開口結構，不適合于高壓冷卻工件的MKA6032 × 4 龍門式數控工具磨床，需要重新設計成全封閉防護罩殼。
     (4) 機加零件的關鍵零件必須增加工裝設備。
     (5) 由于該機床的結構是一個全新的結構，廠內裝配工藝不夠成熟，需要進一步完善。

     3 、結論

     龍門式數控工具磨床將龍門式機床的剛性和工具磨床的靈活性結合起來，形成一種整體剛性好，磨頭功率大，磨削精度高，有效操作空間大，通用性強，操作方便，可以磨削金屬切削刀具、木工刀具，又能磨削非標的金屬切削刀具、木工刀具，既能滿足刀具修磨，又能滿足刀具生產的龍門式數控工具磨床。