摘要: 针对国内生产型数控工具磨床整体刚性差、国外中高档数控机床价格高和不能磨削非标件等问题，结合龙门式立柱机床的高刚性和工具磨床的运动特点，开发一种龙门式数控工具磨床。该机床整体刚性好，磨削效率高，适用性强，可磨削各种刀具及非标工件。
  
    

     目前，国内数控工具磨床生产厂家都是在手动工具磨床基础上进行产品的升级换代，实现数控化改造产品。这些数控工具磨床的整体刚性不高，一般只能用于磨削量不大的修磨或生产批量不大的场合。而新开发的数控工具磨床均采用单立柱结构，用于批量生产时，也存在机床整体刚性差的缺点。国外用于生产的中高档数控机床，技术相对成熟，机床精度高、速度高、刚性高，数控头架也因工作台短回转方便，但这类机床只能磨削标准型的螺旋刀具和球头刀具，无法磨削非标零件或需要尾架等附件磨削的刀具和零件 。

      1 、龙门式数控工具磨床的开发设计

   
      1. 1 整体结构
 
 
      通过分析对比，自主研发一种立柱采用整体式龙门结构的数控工具磨床，其结构如图1 所示。该机床由床座7、龙门立柱4、横梁2、工作台滑座8、工作台面6、头架5、尾架9、磨头滑座1、磨头座3、磨头10、数控系统以及电气柜等零部件组成，是在经典结构MA6025 手动万能工具磨床主要参数基础上开发的，保留了原机床以下功能: (1) 磨头和头架的水平面和垂直面回转运动; (2) 磨削非标准工件。

       
                图1 龙门式数控工具磨床结构

      龙门式数控工具磨床主要克服了现有生产型工具磨床整体刚性差、磨头功率小、转速低、操作空间受立柱限制等诸多缺点，侧重于生产型。其主要结构体现在:

      (1) 立柱采用整体式龙门结构。
      (2) 整体式龙门立柱4 用螺钉固定在床座7 上。
      (3) 左右移动的磨头座1 通过导轨、丝杠与上下移动的横梁2 相连，横梁2 通过双滚珠丝杠和直线滑块与龙门式立柱4 相连，磨头滑座1 通过滚珠丝杠和直线滑块与横梁2相          连，通过T 型槽安装在磨头滑座1的磨头座3 可在垂直面内回转，通过轴承、定位及锁紧机构连接在磨头座下方磨头10 可在水平面回转。
      (4) 工作台6 通过滚珠丝杠和直线滑块与工作台滑座8 相连，并且工作台的长向与横梁2 运动方向平行。
      (5) 工作台台面尺寸930 mm × 300 mm，工作台6 上配备有数控头架5 和尾架9 等机床附件。
      (6) 电气柜安装在机床后面。
      (7) 数控系统采用FAGOＲ 或SINUMEＲIK 系统。

      1. 2 功能实现

      该机床目前采用FAGOＲ8055 四轴四联动的数控系统(根据用户需要也可以配置其他数控系统)，其中3 个直线(上下、左右、前后方向) 数控轴，1 个回转(工作台头架) 数控轴，还有4 个辅助手动动作，实现不同种类刀具切削刃的前角、后角及沟槽的磨削。

      具体运动方案如下:

     (1) 横梁2 在龙门立柱4 上采用直线导轨块，通过双伺服电机驱动双滚珠丝杠，在立柱上同步上下运动;
     (2) 磨头座3 在横梁经过滚动导轨，由伺服电机带动滚珠丝杠使磨头座3 在横梁2 左右运动及磨头座3 在水平面和垂直面的调整运动。
     (3) 工作台6 由伺服电机带动滚珠丝杠通过直线滑块在床座7 作前后运动，数控头架5 通过伺服电机控制其回转运动。
     (4) 磨头10 采用高速和大功率的电主轴。
     (5) 工作台6 经过滚动导轨，由伺服电机带动滚珠丝杠通过直线滑块在床座7 上作前后运动。

      1. 3 技术方案

     首先设计四轴四联动的数控机床，即工作台的前后运动、横梁的上下运动、磨头座的左右运动及工作台上头架的回转运动为伺服控制，磨头和头架在水平面和垂直面内的回转运动为手动调整。在此基础上，通过配备必要的机床附件( 头架和尾架)，实现螺旋刀具螺旋刃的前角、后角、沟槽及刀具刃在平面内的直线、圆弧插补磨削等功能，也可以磨
削非标工件。在机床的工作台或磨头座上，还可再增加一个回转数控轴，成为五轴五联动的数控工具机床，以进一步扩大机床的使用功能。

  
      1. 4 机床性能及优势

     龙门式立柱与床座固定连接，横梁与立柱、立柱与磨头座滑板、工作台与床座之间通过高强度的直线导轨块和滚珠丝杠连接，使得机床整体刚性提高; 高精度的直线导轨块、滚珠丝杠和横梁双伺服电机带动双滚珠丝杠同步运动，保证了机床高精度的稳定性; 龙门式立柱结构及磨头座左右运动和上下进给运动布置在机床横梁上，这些工件进给到磨头下方时不受立柱的干涉; 工作台仅一个前后运动，使工作台简洁，有效操作空间大; 工作台台面的长向与磨头左右运动的导轨平行布置，把传统龙门式机床的短向行程变为工具磨床的长向行程，机床结构更加紧凑。以上性能特点显示了该机床的竞争优势:

     (1) 与国内现有修磨型数控工具磨床比较，刚性强，精度高，冷却好，磨削质量好，在批量生产型企业，其最大优点是磨削效率高。
     (2) 与国内现有生产型数控工具磨床比较，功能强大，适应性强，操作方便。
     (3) 与国外同类数控机床比较，价格低，只是国外同类产品价格的1 /3 左右，性价比高。
     (4) 从功能上看，四轴四联动龙门式数控工具磨床和国外一些先进的五轴或六轴数控工具磨床机床功能相当，且可以磨削非标工件。

     2 、存在问题及改进

    研发成功的一台龙门式数控工具磨床样机，目前已销售到北京航空材料研究所，并在该机床上完成了拉力试件表面的纵向磨削，得到用户的好评; 经后续生产验证，机床整体刚性好，精度稳定，操作空间大。但在样机的制造过程和使用过程中，发现还存在问题，主要有:

     (1) 龙门式整体立柱铸造工艺性不好，铸件成品率不高，需要改进试件，重新制作木模。
     (2) 样机的数控头架借用半封闭防护的MKA6025 × 3 数控工具磨床的数控头架，其装夹工件方式不适合全封闭防护的MKA6032 × 4 龙门式数控工具磨床，需要进行改进设计
     (3) 样机的防护罩是顶部开口结构，不适合于高压冷却工件的MKA6032 × 4 龙门式数控工具磨床，需要重新设计成全封闭防护罩壳。
     (4) 机加零件的关键零件必须增加工装设备。
     (5) 由于该机床的结构是一个全新的结构，厂内装配工艺不够成熟，需要进一步完善。

     3 、结论

     龙门式数控工具磨床将龙门式机床的刚性和工具磨床的灵活性结合起来，形成一种整体刚性好，磨头功率大，磨削精度高，有效操作空间大，通用性强，操作方便，可以磨削金属切削刀具、木工刀具，又能磨削非标的金属切削刀具、木工刀具，既能满足刀具修磨，又能满足刀具生产的龙门式数控工具磨床。