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一种陶瓷刀片数控砂带磨床设计方案
  2008年04月25日

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摘要:提出一种基于车铣中心的数控砂带磨床设计方案。该方案利用FANUC-OTC 数控系统的极坐标插补功能和砂带磨削工艺,可实现陶瓷刀片型线的高效率、低成本数控加工。

1 引言

陶瓷刀片具有优良的切削性能,在机械加工领域得到广泛应用。目前国内大多采用仿形磨削工艺对烧结后的陶瓷刀片进行磨削成形加工。该工艺的缺点是加工精度较低,生产柔性不足。笔者根据田新生等所著《陶瓷刀片周边磨削专用数控系统》提出的陶瓷刀片磨削专用数控系统及适用刀片形状,结合国内数控系统技术发展和市场状况,提出在车铣中心的基础上改装数控砂带磨床,利用FANUC-0TC数控系统的极坐标插补功能实现高效率、低成本的陶瓷刀片成形磨削加工。

2 车铣中心与FANUC-OTC数控系统

全功能型数控车床配备了FANUC或SIEMENS等数控系统和多工位转塔刀架,可完成圆柱面、圆锥面、螺纹等多种表面的数控加工。由于轴类零件经常是齿轮等零件的承载体,因此其上往往有键槽、螺旋槽、非圆截面等结构,在车床上难以加工。若在数控系统中增加极坐标插补功能,机床主轴增加C轴控制功能,配备可驱动铣刀的动力刀架,即可将数控车床扩展为车铣中心。由于车铣中心具有良好的加工柔性和经济性,近年来发展很快。笔者曾使用过日本WASINO公司生产的LJ-1OMC车铣中心(配备FANUC-OTC数控系统),此类机床一次装夹工件即可完成轴类零件几乎所有结构的加工,而加工成本并未显著增加。因此,目前许多车床用数控系统实际是为车铣中心开发的,如FANUC-OTC数控系统最多可控制Z、X、C、Y四个轴(Y轴很少使用),最多可联动控制X、C、Z三个轴,其简化型FANUC-OTD是目前国内广泛使用的数控车床用数控系统。

3 砂带磨削工艺特点

砂带磨削具有许多其它磨削加工方式所不具备的优势:①磨削效率高达96%,是所有磨削加工方式中最高的;②磨削比高(比砂轮磨削高10倍以上);③可实现磨削、研磨、抛光等多重加工效果,加工精度高,表面质量好;④磨削力和磨削振动较小,机床、磨头结构及加工工艺简单,加工成本低。使用砂轮进行数控磨削时,需对砂轮进行修整和补偿(与在数控车床上进行“刀补”类似),这就需要在数控机床上设置昂贵的电子对刀测头,对机床精度也提出了更高要求。而采用砂带磨削工艺只需事先精确测定磨头上接触轮的位置,设计好砂带厚度,使用时定期更换砂带即可实现加工。
目前工业发达国家采用砂带磨削已占磨削加工总量的30%左右。所用砂带品种繁多、规格各异,几乎可适用于所有材料的加工。虽然砂带磨削工艺在国内尚未普及,但已形成了一定水平的砂带生产能力;清华大学、重庆大学等高校与一些机床厂合作研制了多种砂带磨削机床,具备了较强的砂带磨头研制能力。由于陶瓷刀片的生产量大面广,因此用砂带磨削工艺取代砂轮磨削工艺加工陶瓷刀片具有良好的经济、技术效益。

4 陶瓷刀片数控砂带磨床设计方案

设计思路:用仿形磨床夹具替代车铣中心所用三爪卡盘,使其与主轴相连并受主轴控制。将车铣中心的转塔刀架更换为砂带磨头,即可实现陶瓷刀片型线的成形磨削加工。

车铣中心X-C轴联动加工示意图
由于陶瓷刀片型线较简单(由直线、圆弧相切组成),利用FANUC-OTC数控系统具有的一个可选功能——启动/关闭极坐标插补功能(G112/G113)即可实现X、C轴联动,并按极坐标方式加工出直线和圆弧两种基本曲线(如右图所示)。FANUC-OTC数控系统的C轴最小分度值为0.001°,机床主轴电机编码盘每转可发出100余万次脉冲,因此其极坐标加工精度完全可满足陶瓷刀片型线的加工要求。数控加工涉及C轴控制,逼近时需在轴线圆周方向上确定一个作为C轴定位基准及加工始点的C轴零点。加工开始前,将陶瓷刀片毛坯装夹在位于C轴零位的夹具上,一旦X、C轴“归零”,即表示毛坯安装到位。加工时,机床主轴电机带动工件转动,X轴伺服电机驱动砂带磨头进给,通过两轴联动依次加工出各段直线和圆弧,最终形成陶瓷刀片型线。
本设计方案具有较高的技术可靠性和相对较低的加工成本,其实现也并不困难。加工所用全功能型数控车床对于国内数控机床厂已属成熟产品;FANUC-OTC是FANUC公司的名牌产品,以高性能、高可靠性著称,在国内应用广泛;G112/G113(启动/关闭极坐标插补)是该系统提供的可选功能,技术可靠性具有充分保证。由于陶瓷刀片型线较简单,加工编程量不大,采用手工编程也可完成。根据陶瓷刀片型线的加工特点,砂带磨头、接触轮等结构设计简单,制造容易。这种数控砂带磨床加工柔性好,只需要改变加工程序而勿需更换砂带磨头和砂带即可适应多种规格陶瓷刀片的加工。当砂带宽度大于陶瓷刀片厚度时,甚至不需要Z轴即可完成加工。除以上优点外,该数控砂带磨床还可用于硬质合金刀片的数控磨削加工。
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