摘 要：在刀剪專用數控單頭磨床的基礎上，為進一步（bù）提高刀剪加工效率，設計了一款刀剪（jiǎn）專（zhuān）用數控雙頭單麵磨床。 磨床采用了雙（shuāng）驅動雙主軸結構，一次裝夾（jiá）完成粗、精加工；開發數控專用指令，加工工（gōng）藝穩定；開發專用工作台、主傳動鏈係統、專用伺服驅動裝置等關鍵技術。 該磨床（chuáng）經（jīng）相關企業使用後，達到了高轉速、高效率、高精度磨削刀剪的目的。
 
      關鍵（jiàn）詞: 數控雙頭（tóu）單麵磨床 雙主軸運動 專用程序 G66 L88 G66 L8

      1 、概述
 
     刀剪（jiǎn）行業是我國曆史悠久的傳統行業，近年來，刀剪五金產品行業有了較（jiào）大的（de）發展， 出口貿易額在逐（zhú）年增加。 刀剪五金產品，包括菜刀、套刀、小刀、陶（táo）瓷刀和工業用（yòng）剪刀、民用剪刀、裁縫剪刀等，名（míng）副其實地呈現“小商品，大市（shì）場”的喜人形勢。 據不完全（quán）統計，我國從事（shì）刀剪生產的企業約有 3 000 家， 刀剪產品年工業（yè）總產值約在（zài） 100 多億元， 年出口創匯超過 4 億美元（yuán）。 這些五金產品刀類， 必須要（yào）有相當高的硬度才能達到其鋒利度和耐用性， 通常是通過磨削來達到剪切麵及刃口的鋒利要求、幾何（hé）尺寸及（jí）外觀要求。
 
      目前（qián），生（shēng）產刀剪的工藝裝備已比（bǐ）較（jiào）成熟，由通用機床到普通專（zhuān）用機床到數控專用機床， 在不（bú）斷進步和更新，如今（jīn），已研製出技術成熟的高精刀剪專用單麵數控（kòng）磨床［1-6］
。
 
      雖然（rán）數控專用（yòng）單麵磨床磨削的精度已達到國（guó）際先進水平，加工精度可以和進口的如德國“雙立人（rén）”、日本“莊山郎”等世（shì）界知名品（pǐn）牌的刀剪產（chǎn）品（pǐn）比美，磨刀效（xiào）果可達到：刀剪的（de）表麵粗糙度 Ra=0.4～0.2 μm，刀刃口厚薄均勻，刀圓弧外表麵美觀，刀紋路細膩，不留刀痕，剪（jiǎn）刀的上下刃口在工作（zuò）長度內始終保持圓弧線相切（qiē）的點接觸，刃口鋒利（lì）耐（nài）用，磨頭（tóu）可在（zài） 2 800～3 200 r/min 高轉速的條件下連續工（gōng）作等， 基本實現了高效高精度磨削。
 
     但是當前刀剪專用（yòng）磨床無論是國產（chǎn）的，還是進（jìn）口的，無論是傳統液壓式的，還是新發展起來的數控式，它們都是單動力頭磨床，其生產工藝基本為：一是在同一台磨床上采用工作台兩次來（lái）回往複移動，實現粗、精磨（mó）削，即用同一砂輪完（wán）成粗、精磨削，其磨削表麵精度自然不高；另一種是采（cǎi）用兩台機（jī）床，安裝不同粒（lì）度的砂輪，通過兩次工件安裝來實現粗（cū）、精磨削，這樣雖然能（néng）提高磨削表（biǎo）麵精度，但由（yóu）於兩次裝夾，難以（yǐ）保證磨削表麵的尺寸精度，而且加工效率低［7-11］。
 
     因此， 在保證精度的前提下， 更新和完善磨刀工藝，更（gèng）進一步提高加工效率，即（jí）磨削工藝由原來（lái）的一次裝夾隻能完成粗加工或（huò）精加（jiā）工一道（dào）工序， 改為一次裝夾完成粗精加工順序磨削兩道工序， 提高磨削效率和降（jiàng）低加工成本［12］，這就需要研發一種具有雙磨頭（tóu）的磨刀設備。因此研發一種高效率、高精度磨削刀剪的數控（kòng）雙頭單麵專用（yòng）磨床顯得十分重要， 是提（tí）高刀剪產品質量的高精、高效磨削設（shè）備。
 
      2 、刀剪專用數控雙頭單麵磨（mó）床總體方案
 
      2.1 設計要求
 
      目的在（zài）於（yú）克服現有的（de）工藝技術局限和不足， 提供一種雙磨頭結構、裝夾快捷、定位（wèi）精度高（gāo）、適用於多（duō）種規格和各種材料的磨削刀剪的數控雙頭單麵專用數控機床（chuáng）。 因此設（shè）計時應滿足（zú）以下幾點。
 
      （1） 主傳動鏈設計。 要求（qiú）雙動力頭頭， 雙傳（chuán）動鏈結（jié）構，傳動效率高（gāo），有足夠的動力和在較大範圍變載荷下有較穩定的高轉速。
      （2） 機床主體的基（jī）礎件床身及底座的設（shè）計要比一般機床的（de）剛度要高。在滿足支承雙磨（mó）頭結構（gòu）的情況下（xià），保證在（zài）任何負載條件下不允許出現振動現象。
      （3） 雙主軸設計。 在滿足轉矩（jǔ）要求的條件下，應保證主軸徑向、軸向的跳動精度；保證長期（qī）在高（gāo）壓水霧（wù）工作環境下（xià）具有足夠的密封效果；選用主軸副形式，應配專用的調（diào）隙（xì）機構。
      （4） 數控係統的（de）設計選用。 數（shù）控（kòng）係統應（yīng）保證定位精度和重複定位精度滿足磨削刀具要求， 能完成三軸聯動的輪（lún）廓控製。
      （5） 伺服驅動係統設計。 采用半閉環控製，可實現監控雙磨頭動（dòng）作。
 
      2.2 設計參數
 
     主軸轉速最大值為 4 000 r/min； 主軸徑（jìng）向跳動≤0.01 mm；主軸軸向跳（tiào）動≤0.005 mm。機床定（dìng）位精度（dù）為 0.002 mm；機（jī）床重複定位精度（dù）為0.004 mm。
 
     導軌縱向直線度≤0.02/1 000 mm；導軌（guǐ）橫向平（píng）行度≤0.04/1 000 mm。每件（jiàn）磨削時間（jiān）為 40～50 s。 磨削效果：表麵粗糙度要求 Ra=0.4～3.2 μm，刃口、剪切表麵粗糙度要（yào）求 Ra=0.2～0.4 μm。粗磨削深度為（wéi） 3 mm；精磨削深度為 0.5 mm；最大進給（gěi）量為 5 mm/s。專用（yòng）磨削指令：設計專用數控指令和刀剪 PLC 專用程序。
 
     其（qí）它要求（qiú）：低能耗，低噪聲，低（dī）汙染（rǎn）。
 
     2.3 主傳動鏈設計
 
     電機 1—皮帶輪 1—主軸 1； 電機 2—皮帶輪 2—主軸 2。
 
     2.4 整機布局
 
     整 機 由 數 字 控 製 係 統 及 機（jī） 械 本（běn） 體 組
成，其總（zǒng）體（tǐ）布局如（rú）圖 1 所示。
    

                     
  
                     圖 1 刀剪專用數控雙頭單（dān）麵磨床總（zǒng）體布局圖
 
     1. 床身底座 2. 床身 3. 中滑座 4. 上（shàng）滑（huá） 座 5. 工 作 台 6. 旋 轉 消 隙 機 構7. 刀 架 機 構（gòu） 8. 砂（shā） 輪 頭 架 9. 砂 輪 頭架座 10. 雙主軸驅動組件 11. 數控係統控製麵板（bǎn） 12. 被（bèi）動皮帶輪 13. 主動（dòng）皮 帶 輪 14. 主（zhǔ） 電 機（jī） 15. 主 電 機 16. Z向伺服驅動裝置 17. 底板 18. X 向伺服驅動裝置 19. 工作台（tái）伺服驅動裝置20. 砂 輪 頭（tóu） 架 21. 電 機 底 板 22. 數 控係 統 23. 雙主軸驅動部件支承架24. 雙主軸驅動組件 25. 電機底板
 

     3 、工作原理及（jí）關鍵（jiàn）技術
 
     3.1 工作（zuò）原理
 
     電機通過帶輪（lún），將動力傳輸到主軸副，主軸帶動砂輪安裝盤旋轉，實現主（zhǔ）運動。 進給運動由進給伺（sì）服係（xì）統控製， 伺服電機帶動滾珠絲杆副旋轉，實現縱、橫向進給。 同
時，伺服電（diàn）機驅（qū）動絲杆螺母（mǔ）副旋轉，帶動齒條齒輪齧合，完成刀座旋轉運動，通過（guò）數控係統控製而使數控磨床能完成三軸聯動切（qiē）運（yùn）動。
 

      圖（tú） 1 所示為磨削刀剪的數控雙頭單麵專用磨床， 機架一側沿 X 軸方向（xiàng）安裝（zhuāng）有雙主軸組件， 每套（tào）主軸組件前端安裝砂輪（lún）頭架， 後端接有由電機通過皮帶驅動的皮帶輪； 機（jī）架（jià）上表麵安裝可沿（yán） X 軸移動的下滑座（zuò）， 下滑（huá）座上麵安裝了可沿 Z 軸移動的中滑座， 中滑座的上表麵安裝可沿 X 軸移動的上滑座（zuò），在上滑座上麵安裝工作台，工作台上安裝刀架機構（gòu）， 刀架機（jī）構上安裝有刀座，刀（dāo）座上安裝（zhuāng）有刀座夾板，其中，主（zhǔ）軸（zhóu）組件安（ān）裝在主軸組件支座（zuò）上，電機安（ān）裝在（zài）電機支座上。
 
     刀架機構是可調的，一（yī）端通過（guò）鉸（jiǎo）軸與工作台鉸接，另一端通過鎖（suǒ）銷安裝在工作台上的滑槽（cáo）內， 並安裝有鎖銷的（de）鬆（sōng）緊手柄，鬆開鬆緊手（shǒu）柄，刀架機構可繞水平麵擺動，從而可調節磨削角度，同時刀座固定在旋轉消隙（xì）機構上（shàng），隨旋轉軸轉動，旋（xuán）轉（zhuǎn）軸通過消隙傳動機構與伺服（fú）電機連接， 通過伺服係統（tǒng）控製實現刀架繞刀架軸轉動。雙主軸組（zǔ）件的軸（zhóu）心位於同一水平麵上（shàng），等高平行放置，兩個砂輪頭架上分別安裝粗、精加工砂輪。
 
     下滑座、中滑座、上滑座分別由各自的伺服電機驅動裝置控製，可分別控（kòng）製其直線移動。
  
     磨削時刀具安裝於刀座上， 由中滑座（zuò）的（de） Z 軸移動實現（xiàn）磨削深度的（de）進給控製，由上滑座的（de） X 軸（zhóu）移動實現磨削（xuē）主進給移動， 由刀座的擺動和旋轉軸的轉動實現刀具麵的（de）曲麵控（kòng）製磨削， 由下滑座的快速移動實現刀（dāo）具從一個砂輪的磨削轉移到（dào）另一個砂輪的磨（mó）削， 達到了在同一（yī）台機床上實現刀具（jù）的粗精磨削加工工藝。
 
     數（shù） 控 係 統 選 用 廣 州（zhōu） 數 控 設 備 有 限 公 司 生 產 的980T 數控係統，實現機床（chuáng）的數字控製功能。
 
     3.2 關鍵技術
 
     設計刀剪專用數控雙頭單麵磨床的主要目的是在具備高精度的前提下（xià），能更好地提高加（jiā）工（gōng）效率，因而（ér）在主運動係統、 工作（zuò）台的驅動係統及專用加工指令等關鍵技術（shù）方麵的設計顯得（dé）非常（cháng）重要。
  

     3.2.1 工（gōng）作台的驅動係統設計
   
     刀剪專用數控雙頭單麵磨床的最關鍵（jiàn）結構（gòu）是雙主運動雙主（zhǔ）軸結構（gòu），如圖 2 所示（shì），因而相應（yīng）的工（gōng）作台驅動裝置需與之相應設計，並應具有的特（tè）點是：一次裝夾實現粗、精（jīng）加工的順序進行（háng），選擇的導軌結構需滿足（zú）使用要求，且要具有反向間隙自動（dòng）調整結構。

                             圖 2 刀剪專用數控雙頭單麵磨床工作台布局圖
     
     工作台（tái）由底座及上拖板兩部分組成， 其上安（ān）裝了回轉刀架部件［13-14］，配合縱、橫向兩軸移動，磨床可完成三軸聯（lián）動（dòng）磨削。回（huí）轉刀架設計的消隙機（jī）構（gòu），可消除（chú）刀架回（huí）轉時的反向間隙，保證磨（mó）削精度，同時刀架機構是可（kě）調的，一端通過（guò）鉸軸與工作台鉸接，另一端通過鎖銷安裝在工作台上的滑槽內，並安裝有（yǒu）鎖銷的鬆緊手柄，可根據（jù）刀剪幾何形（xíng）狀（zhuàng）的不（bú）同，調整不同擺角安裝刀剪；工作（zuò）台底座（zuò）和（hé）上拖板的配（pèi）合（hé）麵選用雙線（xiàn）性導軌機構（gòu），因線性導軌精度高，一方麵可保證運（yùn）動精度，另一方（fāng）麵（miàn）雙導軌更能滿足工作台高剛性及高穩定性的要求。 橫向驅動由伺服電機帶動滾珠絲杆運動， 線性導（dǎo）軌及滾珠絲杆（gǎn）兩者配合工作（zuò）， 是（shì）保障機床的（de）定位精度及重複定（dìng）位精度的雙重結構。
 
     3.2.2 主運動的驅（qū）動係統設計
 
     主運動的驅動係統是機床的主要關（guān）鍵部分， 因為設計的是雙磨頭，所以需兩條主運動路線，其結構布局如（rú）圖 3 所示。
  

     
  
              圖 3 刀剪專用數控（kòng）雙頭單麵磨床工作台布局圖
    
      兩套主軸組件采用主軸（zhóu）副［4，12-13］，在兩（liǎng）台電機的驅動（dòng）下，由皮帶輪帶（dài）動主軸旋轉，實現主運（yùn）動，安裝時需保（bǎo）證兩主軸的軸心位於同一水平麵上，等高平行放置，兩個砂輪頭架上分別安裝粗、精加工砂輪。
 
      3.2.3 專用程序設計［5］
 
      為了（le）更好地發揮雙磨頭高效切削的功（gōng）能， 在設計時， 根據磨刀工藝（yì）， 對所選用的數控係統進行二次（cì）開發，如圖 4 所示（shì），開發專用（yòng）加工程序（xù） G66L8，運行本機床時，可直接調用該程序運行，不用重編程序，當然，不同的加工刀具及加（jiā）工（gōng）材料，可以靈活修改（gǎi）加（jiā）工（gōng）參數。其格式如下。
  
    

      
  
                                           圖 4 專用程序指令示（shì）意圖
     
 
       G66 L88、G66 L8 為三軸磨刀專用指令，該指令是根據刀具表（biǎo）麵的曲麵形狀要求而設置的， 其運行軌跡是：通（tōng）過參數賦值（zhí）後，由數控係（xì）統發出指令，通過伺服係統驅動，磨床刀架作 X、Z 向聯動的同時刀架可繞 X軸（zhóu）旋轉，其運動軌跡與刀（dāo）背麵的形狀一致，因此用（yòng）此指令編製的程序其磨削軌跡與刀麵形成原理一致， 從而保證加工質量。 該指令的格式及涵義如下：
  
      
  
      4 、專用數控磨床的應用
 
      現以廣東銀鷹實業集團有限公司使用該刀剪專用數（shù）控雙頭（tóu）單麵磨床為例， 分析說明本專用磨床的具（jù）體使用情況。 該公司使（shǐ）用專用數控磨床磨（mó）削家用小刀及剪刀的圓弧曲麵。
  
     家用小刀（dāo）及剪刀的加工工序是: 先加工（gōng）好基準平麵，以基（jī）準平麵（miàn）定位，利用專用（yòng）夾具裝夾好，安放於磨削刀剪的（de）數控雙頭單麵專用磨（mó）床的工作（zuò）台上。啟動機床，機床作原（yuán）點複（fù）位，對刀，建立零件加工原點，調用專用程序，調整加工（gōng）參數。加工工件過程為：

     先粗（cū）磨圓弧曲麵，由數控係統發出執行指令，伺服係統驅動（dòng）進給執行機構直線移動；Z 軸進（jìn）給伺服驅動機構使中（zhōng）滑（huá）座起作用，使刀具作縱向直線移動；X 軸（zhóu）進給伺服驅動（dòng）機構使（shǐ）上滑座起作用， 使（shǐ）刀具作 X 向移動；兩機構及旋轉消隙機構和刀架機構同時作用， 達到磨削圓弧曲（qǔ）麵切削。粗加工（gōng）完成後，由下滑座的快速移動實現刀具從粗加工砂輪的（de）磨（mó）削（xuē）轉移到精加工砂輪的磨削加工，即在同一台機床上實現刀具的粗、精磨削。加工效果（guǒ）為： 內圓弧麵（miàn）的表麵（miàn）粗糙度值可達 Ra=0.2～0.4 μm，表麵光滑，無任何（hé）刀痕。 每件刀剪完成（chéng）加工時間為 40～50 s，達到高效高精度的（de）設計目的（de）。
 
     5 、結束語
   
     高精刀剪專用數控雙（shuāng）頭單麵磨床的特點如下。（1） 實現一次（cì）裝（zhuāng）夾完成刀剪圓弧曲麵的粗、 精加工，提高加工（gōng）效率，解決了刀剪加工效率低、成本（běn）高、表（biǎo）麵加工精度低等問題，有效縮短了加工時間，降低勞動強度和勞（láo）動成本，提高了（le）工作效率和經（jīng）濟（jì）效益。（2） 在主軸轉速 4 000 r/min、 磨削深度 0.5 mm、定位精度 0.002 mm、 每把（bǎ）刀剪加工時間 40～50 s 的參數下，達到了（le）高效、高精度磨削（xuē）刀（dāo）剪（jiǎn）的目的。

      來源：
 
      1. 廣東石（shí）油化工學院 機電工程學院  2. 廣（guǎng）東省茂名市永順機械有限（xiàn）公司  3. 廣東省茂名（míng）市技工學校