作者：常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉江

　　2011年在上海的國家重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)裝備”磨削領(lǐng)域技術(shù)研討會(huì)上許多國內(nèi)專家談到提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床競爭力在于提高機(jī)床精度及穩(wěn)定性這個(gè)核心時(shí)，提出了國內(nèi)需要解決高端磨床發(fā)展的深層次技術(shù)問題。如復(fù)合磨削機(jī)床的構(gòu)型技術(shù)、高可靠的砂輪自動(dòng)更換系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多工藝要求下的磨削過程的控制方法等。磨床是數(shù)控機(jī)床中技術(shù)最密集的產(chǎn)品之一，磨削機(jī)理既復(fù)雜又難以控制，而且磨削加工的整個(gè)過程會(huì)直接影響到工件的精度、質(zhì)量、效率與成本，磨削工件質(zhì)量還直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的壽命與可靠性。這就要求數(shù)控磨床具有較高的技術(shù)含量，它的關(guān)鍵技術(shù)和制造工藝是難以復(fù)制的。磨床是近期國家工信部提出關(guān)于加快和培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定中明確重點(diǎn)指出的航空裝備、衛(wèi)星應(yīng)用、軌道交通裝備、海洋工程裝備、智能制造裝備等行業(yè)關(guān)鍵零件實(shí)現(xiàn)高效精密加工的核心裝備。

　　近年來國外磨削技術(shù)發(fā)生了令人矚目的進(jìn)步與發(fā)展。高砂輪線速度、高精進(jìn)給速度、高轉(zhuǎn)速大功率主軸、高剛性床身、工藝與機(jī)床的集成等。例如日本森精機(jī)旗下的太陽工機(jī)生產(chǎn)的CNC立式復(fù)合磨床VERTICAL MATE SERIES系列(見圖1)，就具有高效復(fù)合磨削功能。

　　圖1所示是機(jī)床的工況。該機(jī)床一次裝夾便可加工內(nèi)、外徑、端面以及凸輪面、聯(lián)軸器齒面的復(fù)合磨削，實(shí)現(xiàn)前所未有的工序革新。在工件主軸上裝載DD電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)0.000 1°分度的控制，工件主軸分度后依靠電動(dòng)機(jī)制動(dòng)夾緊來保證加工的精度。

　　圖 1

　　圖2是一種新型的主軸上裝載DD電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與以往機(jī)床等的加工精度的高性價(jià)比機(jī)床。主要功能配置有雙檔和多檔定位磚塔，它可以通過0°定位的內(nèi)、外徑磨削以及22.5°及多點(diǎn)定位。砂輪軸采用HSK-A100的連接方法，最大功率輸出為11.0kW，并且通過4T的夾緊力把砂輪軸與主軸連接實(shí)現(xiàn)了砂輪軸的低振動(dòng)、高剛性來提供磨削的精度。配置了在線測量裝置，可以對(duì)內(nèi)、外徑及平面進(jìn)行測量，關(guān)鍵是它把加工中心刀庫多刀加工的理念引進(jìn)了該磨床，并把配置有6把砂輪軸磨具的ATC刀庫作為標(biāo)準(zhǔn)配置(見圖3)，使之成為有高度通用性和提高工作效率的磨床。

　　圖 2

　　圖3

　　機(jī)床還配磨床最需要的砂輪旋轉(zhuǎn)修整器和單點(diǎn)金剛筆修整器等，同時(shí)為了保證工作環(huán)境還在機(jī)床內(nèi)配置了冷卻液油霧氣體收集器以防止擴(kuò)大污染。在磨削材質(zhì)硬度在40HRC、外徑430mm、內(nèi)徑300mm、高度250mm的零件時(shí)，磨削精度標(biāo)準(zhǔn)：圓度1.0μm、同軸度2μm、圓柱度2μm、直角度2μm、表面粗糙度R a=0.202μm。機(jī)床的精度為定位精度X 軸3.702μm、Z 軸2.822μm;重復(fù)定位精度X 軸2.872μm、Z 軸2.132μm。但是它的實(shí)際測量值更小。該種機(jī)型適合盤類和套筒類零件的加工。

　　在北京第十一屆中國國際機(jī)床工具展覽會(huì)上，陜西秦川格蘭德機(jī)床有限公司展出的GZ118B數(shù)控高速車軸專用磨床，也具備有一些復(fù)合加工的功能(見圖4)。

　　圖 4

　　這種類型的數(shù)控高速車軸專用磨床，主要加工對(duì)象是高速鐵路軌道交通用的安裝車輪和制動(dòng)盤的車軸。在國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家也是屈指可數(shù)。國外具有代表性的西班牙達(dá)諾巴特?cái)?shù)控外圓磨床，型號(hào)HG-91-3000-2A2R(見圖5a)，帶3軸數(shù)控傾角配置雙砂輪頭架，西門子840D控制，穩(wěn)定珠光體鑄鐵制造的床身。鑄鐵結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算機(jī)有限元分析優(yōu)化布置內(nèi)布筋板，保證框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和達(dá)到精度所需剛性外圓砂輪頭架裝有高精度軸承，永久油脂潤滑及安全設(shè)置。主軸內(nèi)置設(shè)有砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)單元。如果發(fā)生突然斷電，砂輪頭架自動(dòng)退回，保護(hù)工件不受損等功能。另一個(gè)是意大利的莫羅拉公司，也是配置雙砂輪頭架來對(duì)工件左右二側(cè)各三檔進(jìn)行磨削(見圖5b)。

　　圖 5

　　這兩家公司的設(shè)備各有特色，在國內(nèi)的鐵路工廠和配套企業(yè)所使用的車軸專用磨床，大部分被該兩家公司所壟斷。作為車軸磨床它主要的功能要適合車軸加工的特點(diǎn)，一般普通外圓磨床對(duì)運(yùn)動(dòng)的Z軸工作臺(tái)有較高的運(yùn)動(dòng)精度和低速無爬行以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有要求，但對(duì)車軸磨床的實(shí)際加工情況來講，保證X 軸砂輪架的運(yùn)動(dòng)精度有著極高的要求：①要求數(shù)控系統(tǒng)有靈敏的響應(yīng)速度和精確的全閉環(huán)位置精度控制，這樣才能保證產(chǎn)品尺寸精度的要求。②要求機(jī)械系統(tǒng)有足夠的剛度、穩(wěn)定性和抗振性，因?yàn)檎麄€(gè)X 軸砂輪架承載著大砂輪和大電動(dòng)機(jī)，并在砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)具有較大的運(yùn)動(dòng)慣量，還要求在低速小進(jìn)給量時(shí)沒有爬行的現(xiàn)象。這就要求X 軸設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要合理和科學(xué)性。在這樣的條件下，機(jī)床才完全符合數(shù)控車軸磨床設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場使用的要求。

　　陜西秦川格蘭德機(jī)床有限公司展出的GZ118B數(shù)控高速車軸專用磨床，除了在機(jī)床加工規(guī)格上、一些主要參數(shù)上基本與國外廠家相一致，滿足了用戶的加工技術(shù)指標(biāo)要求，也配置像X 軸砂輪架的全閉環(huán)位置控制、在線測量裝置、砂輪主軸系統(tǒng)而采用套筒式液體靜動(dòng)壓混合軸承并且?guī)蝗粩嚯娚拜嗩^架自動(dòng)退回保護(hù)等功能。該機(jī)床在設(shè)計(jì)上最大的亮點(diǎn)：①砂輪頭架可以通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)絲桿自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定的角度，方便用于磨削車軸上帶不同方向的錐度的外徑。因?yàn)檐囕S兩端上需要磨削各三擋帶錐度和不帶錐度的外徑，帶錐度端的尺寸精度將決定在輪和軸壓裝時(shí)的噸位參數(shù)，這涉及高速機(jī)車運(yùn)行的安全問題，所以每磨削一根車軸，砂輪頭架就要擺動(dòng)變換角度三次。只要伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)絲桿自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定角度的重復(fù)定位精度穩(wěn)定，該設(shè)計(jì)是符合復(fù)合加工的工藝要求。該形式可以比西班牙達(dá)諾巴特?cái)?shù)控外圓磨床和意大利的莫羅拉公司雙砂輪頭架節(jié)約制造成本，以及比國內(nèi)另一家生產(chǎn)工作臺(tái)擺動(dòng)精度更高更可靠穩(wěn)定。因?yàn)樗男D(zhuǎn)慣量小更可以達(dá)到理論上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。②上架式在線測量裝置如圖6所示。

　　圖 6

　　該上架式在線測量裝置也是采用意大利MARPOS S變徑量儀UNIMAR，連續(xù)變徑范圍25mm，控制儀采用P7ME工件軸向定位儀采用T18。這樣的布局可以使在工作臺(tái)上配置機(jī)床附件少，適宜機(jī)床操作與保養(yǎng)，而其他形式的則要在工作臺(tái)上的二端配置6個(gè)測量儀。

　　在這類鐵路專用數(shù)控磨床設(shè)備上，希望能看到更多的國內(nèi)制造廠參與競爭，開發(fā)適合中國國情的機(jī)床。