现代数控加工设备 教学课件 ppt 作者 周兰 常晓俊编 第八章 数控磨床

1、第八章 数控磨床,概 述 MK1320型数控外圆磨床 数控坐标磨床 MK6030数控工具磨床,学习导论,数控磨床用于对工件特别是高硬度材料工件进行精密加工。本章主要介绍数控外圆磨床、数控坐标磨床以及数控工具磨床的主要构成、运动以及典型部件的结构。通过对这部分内容的学习，了解常见数控磨床的结构及工作原理。,概 述,一、数控磨床的工艺用途及分类,数控磨床可用于磨削内、外圆柱面、圆锥面、平面、螺旋面、花键、齿轮、导轨、刀具及各种成形面等。 数控磨床的种类很多，按磨床的工艺用途分有数控外圆磨床、数控内圆磨床、数控平面磨床、数控工具磨床等。此外还有数控坐标磨床、磨削加工中心等。,二、数控磨床的结构特点（1）,数控磨床砂轮主轴部件精度高、刚性好 砂轮的线速度一般为3060m/s，CBN砂轮可高达150200m/s，最高主轴转速达15000r/min。主轴单元是磨床的关键部件，对于高速高精度单元系统应具备刚性好、回转精度高、温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、成本适中的特性。砂轮主轴单元的轴承常采用高精度滚动轴承、液体静压轴承、液体动压轴承、动静压轴承。近年来高速和超高速磨床越来越多采用电主轴单元部件

2、。,二、数控磨床的结构特点（2）,采用低速无爬行的高精密进给单元 进给单元包括伺服驱动部件、滚动部件、位置监测单元等。进给单元是保持砂轮正常工作的必要条件，是评价磨床性能的重要指标之一。要求进给单元运转灵活、分辨率高、定位精度高、动态响应快，既要有较大的加速度，又要有足够大的驱动力。进给单元常用的方案为交、直流伺服电动机与滚动丝杠组合的进给方案或直线伺服电动机直接驱动的方案。两种方案的传动链很短，主要是为了减少机械传动误差。两种方案都是依靠电动机来调速、换向。,二、数控磨床的结构特点（3）,磨床具有高的静刚度、动刚度及热刚度 砂轮架、头架、尾架、工作台、床身、立柱等是磨床的基础构件，其设计制造技术是保证磨床质量的根本。 磨床需要有完善辅助单元 辅助单元包括工件快速装夹装置、高效磨削液供给系统、安全防护装置、主轴及砂轮动平衡系统、切屑处理系统等。,MK1320型数控外圆磨床,一、主要技术参数（1）,磨削直径范围 8200mm 最大磨削长度 500mm 中心高 125mm 最大砂轮线速度 45.35m/s 砂轮架进给速度 0.06600mm/min 砂轮架微进给量 每一脉冲0.001mm

3、工作台进给速度 0.14m/min 工作台微进给量 每一脉冲0.01mm,一、主要技术参数（2）,头架主轴转速（无级变速） 40500r/min 数控定位精度 横向(X)0.01mm 纵向(Z)0.03mm 数控重复定位精度 横向(X)0.002mm 纵向(Z)0.02mm 磨削定尖间试件的精度 圆度0.003mm 圆柱度0.005mm 粗糙度Ra0.32m,二、机床采用的数控系统,本机床采用BS04G数控系统，是北京机床研究所在FANUC3系统机床上二次开发而成的。该系统充分考虑了磨削加工工艺和磨床的特点，功能齐全，操作灵活。,三、机床本体的总体结构及运动（1）,如图所示是上海机床厂有限公司生产的MKA1320型数控外圆磨床外形图，该机床由床身、工件头架、工作台、砂轮架、尾架、砂轮架横向进给机构、工作台纵向进给机构等构成。在床身前部的纵向导轨上装有工作台，台面两端装有安装工件用的头架和尾架。被加工的工件支承在头、尾架的顶尖上，或用头架上的液压卡盘夹持工件。尾架可在工作台上左右移动，以适应装夹不同长度工件的需要。头架可绕工作台上的定位销旋转一定的角度，以便能磨削锥面。砂轮架安装在床身后

4、部的横向导轨上，砂轮架主轴带动砂轮回转实现磨削加工的主运动，同时横向进给机构带动砂轮架实现横向进给运动以及调整位移。,MKA1320数控外圆磨床外形图例,三、机床本体的总体结构及运动（2）,MK1320型数控外圆磨床存在以下运动： 砂轮旋转主运动； 砂轮架的横向进给运动； 工件旋转的圆周进给运动； 工作台带动工件的纵向进给运动。,三、机床本体的总体结构及运动（3）,MK1320型数控外圆磨床存在以下调整运动： 砂轮架的横向调整运动，调整砂轮和工件距离以及快速退刀； 砂轮架旋转一定的角度以便加工带锥度的工件； 头架绕定位销旋转一定角度加工带锥度的工件； 工作台旋转一定的角度加工带锥度的工件； 尾架套筒的伸缩运动。,五、机床的主要部件结构（1）,砂轮架（1） 砂轮架由壳体、砂轮主轴及其轴承、传动装置和滑鞍组成。砂轮主轴及其支承部分的结构将直接影响工件的加工精度和表面粗糙度，是砂轮架部件的关键部分。它应保证砂轮轴具有较高的旋转精度、刚度、抗振性及耐磨性。,五、机床的主要部件结构（2）,砂轮架（2） 如图所示的砂轮架中，砂轮主轴两端以锥体定位，前端通过压盘安装砂轮，后端通过锥体安装带轮。主轴的

5、前后支承均采用“三瓦”动压滑动轴承，每个轴承由均布在圆周上的三块三扇扇形轴瓦1组成，如图所示。每块轴瓦都支承在球头螺钉2的球形端头上，由于球头中心在周向偏离轴瓦对称中心，当主轴高速旋转时，在轴瓦与主轴颈之间形成三个楔形缝隙，于是在三块轴瓦处形成三个压力油楔，砂轮主轴在三个压力油楔压力的作用下，悬浮在轴承中心而呈纯液体摩擦状态。调整球头螺钉的位置，即可调整主轴轴颈与轴瓦之间的间隙，通常间隙应保持在0.010.02之间。调整好以后，用螺套3和锁紧螺钉4锁紧，以防止球头螺钉松动而改变轴承间隙，最后用封口螺钉5密封。,砂轮架图例,“短三瓦”动压滑动轴承结构图例,五、机床的主要部件结构（3）,砂轮架进给系统 砂轮架进给运动是通过直流伺服电动机经弹性联轴器直接带动滚珠丝杠转动，使滑座前后移动。 滚珠丝杠经过预拉伸，预拉伸量相当滚珠丝杠热变形量。滚珠丝杠的螺距误差可由系统作补偿。,五、机床的主要部件结构（4）,头架（1） 头架结构如图所示。头架由壳体、头架主轴及其轴承、传动装置、底座等构成。MK1320数控外圆磨床头架主轴变速采用双速电动机，变频调速，再经塔轮变速，调速范围极为广泛，可达40500r

6、/min。,MK1320头架图例,五、机床的主要部件结构（5）,头架（2） 主轴上带的张紧力分别靠转动偏心套6和移动电动机座实现，调整方便。同时，主轴上的带轮采用卸荷结构，以减小主轴的弯曲变形。 头架主轴前轴承为大锥度滑动轴承，后轴承为一对消除间隙的向心推力球轴承。这二种轴承组合，既有滚动轴承的灵敏及低速时一定的承载能力，又有滑动轴承在高速时高的回转精度及好的平稳性。一滚一滑轴承组合在用卡盘磨削工件时，工件圆度可达到0.5m以下。,数控坐标磨床,简介,数控坐标磨床具有精密坐标定位装置，是一种精密加工设备，主要用于磨削孔距精度很高的圆柱孔、圆锥孔、圆弧内表面和各种成形表面，适合于加工淬硬工件和各种模具（凸模、凹模），是模具制造业、工具制造业和精密机械行业的高精度关键设备。 坐标磨床有立式、卧式；单柱结构、双柱结构；控制方式有手动、数显、程控和数控。立式坐标磨床应用最广泛。,一、数控坐标磨床的主要构成,如图所示，是一台数控立式坐标磨床，主要由以下部件构成： 高速磨头 通过磨头的高速旋转运动实现对工件的磨削加工。 主轴系统 主轴系统是高速磨头的支承部件，同时主轴系统还带动磨头作上下进给运动（

7、沿W垂向进给运动）及绕主轴轴心线的公转运动（绕C轴的旋转运动），实现磨头的圆周进给运动。 工作台 为双层结构，可实现纵向（X方向）和横向（Y方向）进给运动。 基础部件 包括床身、立柱、滑座、主轴箱等主要部件。一般采用稳定性好的高级铸铁制造，并采用高刚度结构设计。如立柱采用双层、热对称结构，以增加强度、刚性同时减少热变形。,数控立式坐标磨床图例,二、数控坐标磨床主要运动（1）,主运动 为砂轮磨头的高速旋转运动，通过微量切削，达到零件所要求的尺寸精度和表面粗糙度要求。 主轴箱的垂直进给运动 主轴箱带动磨头作垂直进给运动。如当凹模型腔底部为曲面时，精磨时需要主轴箱的垂直进给运动。 磨头的周向及径向进给运动 由于待加工件大多为形状不规则曲线及曲面，因此磨头需作周向及径向进给运动。周向运动的实现主要是通过主轴绕自身的轴线旋转带动磨头公转实现；而径向进给只需调整主轴上U形拖板的位置即行星运动砂轮磨头的公转半径即可。,二、数控坐标磨床主要运动（2）,工作台的纵横向进给运动 在伺服电动机的驱动下，工作台可作纵横向进给运动，磨削各种形状的曲线和曲面。 此外，主轴箱、工作台还可作位置调整运动，用以确定工件

8、和磨头之间的相对位置。当磨头上安装插磨附件时，砂轮不作行星运动而只作上下往复运动，可进行类似于插削形式的磨削，例如磨削花键、齿条、侧槽、内齿圈、分度板等。,三、主要技术参数,坐标磨床的主参数为工作台宽度，主要规格有：200，250，280，320，450，800。定位精度、磨孔圆度和磨孔表面粗糙度综合反映坐标磨床的精度。定位精度可达0.0020.005mm，磨孔圆度可达0.0020.006，磨孔表面粗糙度Ra0.20.4m。,四、典型结构（1）,高速磨头（1） 磨头的最高转速是反映坐标磨床磨削小孔能力的标志之一。分为气动磨头和电动磨头。气动磨头（也称空气动力磨头或空气透平磨头）最高转速达250000r/min，通常为120000180000 r/min ，主要用于提高磨小孔能力的坐标磨床。电动磨头采用变频电动机直接驱动，输出功率较大，短时过载能力强，速度特性硬，振动较小，但最高转速较低，主要用于提高磨大孔能力的坐标磨床。,四、典型结构（2）,高速磨头（2） 如图所示为气动磨头的结构图，主要由叶轮2、转轴4、转轴轴承7、砂轮5等构成。砂轮的回转运动是通过压缩空气推动叶轮并带动砂轮回转轴实

9、现的。气动磨头结构简单紧凑，不需要复杂的变频电气控制系统。由于空气的自冷作用，磨头的温升较低，并且从磨头中排出的气体有冷却工件的作用，有利于加工。,气动磨头图例,四、典型结构（3）,主轴系统 主轴系统由主轴、导向套和主轴套组成的主轴部件，主轴往复直线运动机构、主轴回转机构和主轴回转传动机构组成。主轴在导向套内作往复直线运动（由液压或气动驱动），通常采用密珠直线循环导向套。主轴连同导向套和主轴套一起慢速旋转，使磨头除高速自转外同时作行星运动，以实现圆周进给，通常由直流电动机或步进电动机经齿轮或蜗轮传动实现。主轴部件可由气缸平衡其自重。,四、典型结构（4）,工作台 工作台实现纵、横坐标定位移动，其传动由伺服电动机带动滚珠丝杠，导轨常采用滚动导轨，但某些高精度坐标磨床仍有采用两个V形滑动导轨的，其特点是导向精度很高。,五、可控制的轴及联动轴数（1）,数控坐标磨床的数控系统可控制36轴，联动轴数有2轴、轴、3轴等。十字工作台运动为X轴、Y轴，如装设数控回转工作台则有A轴或B轴。我们将主轴的往复冲程运动定义为Z轴，Z轴可以是CNC控制轴，也有的只装数显装置。主轴回转由C轴控制。主轴箱装在W轴拖板上。磨头装在主轴端的U轴拖板上，由U轴控制移动产生偏心，即实现径向进给。主轴回转加上U轴移动使磨头作偏心距可变的行星运动。当CNC系统有C轴同步功能时，在X、Y轴联动作平面曲线插补时，C轴可自动跟踪转动，使U轴与平面轮廓法线平行，如图所示。,U轴与平面轮廓法线平行图例,五、可控制的轴及联动轴数（2）,U轴可控制砂轮轴线与轮廓在法线方向上的距离，以实现进刀。C轴功能有对称控制的特点，当X、Y轴联动按程编轨迹运动时，只要砂轮磨削边与主轴轴线重合，就可用同一数控程序来磨削凹、凸两模，磨出的轮廓就是编程轨迹，而不必考虑砂轮半径补偿，也容易保证凹、凸两模的配合精度和间隙均匀（如图所示）。当只用X、Y轴联动作轮廓加工时，必须锁定C轴和U轴，这时平面插补则须加砂轮半径补偿，通过改变补偿

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