數(shù)控直線導(dǎo)軌專用磨床精密磨削工藝優(yōu)化

蔣莉莉 傅正勇 李志斌 何 亮

（浙江杭機(jī)股份有限公司 杭州311305）

數(shù)控直線導(dǎo)軌專用磨床的試制與攻關(guān)過程中，著重研究了如下內(nèi)容：

(1)研究直線導(dǎo)軌磨削機(jī)理，分析加工工藝中影響精度的因素，明確磨削燒傷和振紋的成因，為工藝安排提供理論支持。

(2)制訂精密直線滾動(dòng)導(dǎo)軌自動(dòng)磨削工藝流程。

(3)磨削直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，從用戶角度反饋導(dǎo)軌磨床工藝設(shè)計(jì)的合理性問題。

(4)磨削效率的提升。

(5)人性化的操作。

目前，這些問題都已經(jīng)得到解決，從而使我國的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌制造水平得到較大的提升，縮短了與國外先進(jìn)水平的差距。機(jī)床外觀如圖1所示。

圖1 數(shù)控直線導(dǎo)軌專用磨床外形

1 數(shù)控直線導(dǎo)軌專用磨床磨削概述

數(shù)控直線導(dǎo)軌專用磨床（HZ-090CNC系列）針對普通導(dǎo)軌及滾柱導(dǎo)軌產(chǎn)品的精密磨削加工而設(shè)計(jì)制造，可以磨削15～65mm規(guī)格的精密直線導(dǎo)軌。

1.1 導(dǎo)軌磨削對設(shè)備的要求

導(dǎo)軌的精度主要包括軌道成形面精度；各軌道與基準(zhǔn)面的位置精度；軌道粗糙度；導(dǎo)軌的直線度及尺寸精度等。要實(shí)現(xiàn)上述精度要求，必須配備CNC專用磨削設(shè)備，而且相關(guān)磨削設(shè)備需要滿足如下要求：

(1)確保在一次安裝狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)三磨頭磨削，提高工件精度。

(2)要求每一個(gè)磨頭進(jìn)給的重復(fù)定位精度能達(dá)到±0.001mm，精磨定型時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)熱平衡下能實(shí)現(xiàn)每次磨削設(shè)定0.001mm的進(jìn)給量。

(3)兩立式磨頭采用同一金剛石滾輪修整器依次修整，可以保證兩側(cè)面滾道尺寸的一致性。

(4)西門子828D，配有海德漢光柵，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，并加載人性化的操作界面，一鍵啟動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌三面高效、高精磨削。

(5)操作人性化，減輕操作人員的工作量。

1.2 導(dǎo)軌磨削對磨具的要求

導(dǎo)軌精磨后，要求滾道粗糙度達(dá)到Ra0.4μm以上，同時(shí)，滾道及其成型面的幾何精度也應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。磨削時(shí)采用往復(fù)式成形磨削，因而切除率高，負(fù)荷大，發(fā)熱量也大。

上述要求決定所用砂輪應(yīng)具有粒度細(xì)、磨粒硬度高、成型精度保持性好的特性，還要有一定的自銳性，并且要有較大的容屑空間。

1.3 導(dǎo)軌磨削對成形砂輪修整的要求

導(dǎo)軌磨削中成形砂輪的修整是用金剛石滾輪進(jìn)行的。金剛石滾輪良好的幾何精度和剛性足夠的驅(qū)動(dòng)裝置是獲得滿意修整效果的前提。

1.4 導(dǎo)軌磨削對冷卻與沖洗的要求

成形大負(fù)荷磨削產(chǎn)生的熱量除了影響加工精度外，還會(huì)因熱應(yīng)力的變化產(chǎn)生振動(dòng)；磨削熱使磨料急劇鈍化；磨屑、磨料及結(jié)合劑的脫落使容屑空間堵塞，這些都會(huì)使磨削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。因此磨削中對砂輪和工件進(jìn)行大流量冷卻和高壓沖洗顯得至關(guān)重要。為使冷卻液有效地進(jìn)入磨削區(qū)，必須使磨削液以一定的壓力和流量進(jìn)到砂輪和工件表面。

1.5 導(dǎo)軌磨削工藝參數(shù)的選用

首先，粗磨質(zhì)量應(yīng)達(dá)到一定要求，振紋不能過大。其次，合理分配精磨留量。在切削進(jìn)給量，工作臺往復(fù)速度和砂輪線速度三要素中，切削進(jìn)給量對振紋的影響最敏感。所以，一般在精磨結(jié)束后，保持 3～ 5個(gè)往復(fù)的無火花磨削對改善粗糙度，消除振紋有明顯作用。通過上述工藝措施，能有效消除或減少振紋的產(chǎn)生。

2 導(dǎo)軌磨削燒傷成因及解決方法

2.1 燒傷機(jī)理分析

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由滑塊和直線導(dǎo)軌兩大關(guān)鍵零件組成，具有摩擦系數(shù)小、傳動(dòng)效率高、使用壽命較長的滾動(dòng)功能部件。該產(chǎn)品的關(guān)鍵組件直線導(dǎo)軌的精加工即精磨4-R軌道及基準(zhǔn)側(cè)面采用成形磨削技術(shù)。在直線導(dǎo)軌精磨滾道加工中，其磨削型面的展開長度較長、磨削接觸面積較大、在磨削的瞬間產(chǎn)生較大的磨削熱量、造成直線導(dǎo)軌溫度較高。

2.2 防磨削燒傷的措施

2.1.1 砂輪的選擇

(1)在直線導(dǎo)軌精磨削過程中，砂輪的硬度、粒度及材料對磨削的影響較大。砂輪的硬度與砂輪成分中粘結(jié)劑的含量成正比；砂輪的硬度越高，粘結(jié)劑的含量越大，砂輪的多孔性越差。采用中軟2大大減小了工件磨削燒傷的幾率，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)由于直線導(dǎo)軌的材料特點(diǎn)和淬火性能、砂輪粒度對磨削溫度的控制也有較大影響。砂輪粒度越高單位面積的磨粒數(shù)量越多，磨粒間的間隔越小。在精磨加工中，粒度大的砂輪比粒度小的砂輪易堵塞，切削力和切削熱量較高。一般選用80粒度的砂輪。

(3) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用鉻剛玉砂輪，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量又提高了加工效率。

2.1.2 磨削余量的選擇

直線導(dǎo)軌的4-R滾道在圓弧底部磨削液難以進(jìn)入磨削區(qū)，各部分冷卻條件不均勻，極易造成磨削燒傷。為此，我們改善導(dǎo)軌余量分布，根據(jù)長度和精度放合理的終磨余量，把滾道余量三角區(qū)調(diào)整為圓弧均勻區(qū)，使磨削條件大大改善。

2.1.3 磨削用量的選擇

在磨削加工中，進(jìn)給速度和磨削深度的變化，往往會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)金屬去除率的變化，從而導(dǎo)致磨削力和磨削溫度的變化，這種變化往往伴隨著滾道磨削燒傷。在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)合理調(diào)整切削參數(shù)。

2.1.4 冷卻液和冷卻方式的選擇

在磨削過程中，冷卻液可以有效地降低磨削區(qū)的溫度，減小工件表面的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減小變形和工件表面的粗糙度值。沖洗砂輪表面，減少砂輪磨損量，提高其耐用度和使用壽命。一般采用H-1高精度磨削液。為使冷卻液有效地進(jìn)入磨削區(qū)必須使磨削液以一定的壓力和流量射到砂輪和工件表面。

3 導(dǎo)軌磨削振紋成因及解決方法

3.1 振紋產(chǎn)生的機(jī)理分析

(1)嚴(yán)重超差；

(2)機(jī)床以及夾具、金剛石滾輪驅(qū)動(dòng)裝置剛性、砂輪主軸和金剛石滾輪主軸動(dòng)剛性較差；

(3)金剛石滾輪的動(dòng)平衡不好，幾何精度超差；

(4)工作臺爬行，由于驅(qū)動(dòng)力、傳動(dòng)、潤滑等造成的驅(qū)動(dòng)剛性不足；

(5)砂輪選擇不當(dāng)，造成砂輪易堵塞、鈍化；

(6)砂輪修整不當(dāng)，使得砂輪的切削能力和耐用度降低；

(7)冷卻不當(dāng)致使砂輪鈍化和堵塞；

(8)工藝參數(shù)選擇不當(dāng)。

3.2 消除振紋的措施

3.2.1 砂輪正確選擇

導(dǎo)軌的材質(zhì)是軸承鋼，兩側(cè)表面經(jīng)感應(yīng)淬火達(dá)到 58～63 HRC。精磨后，要求滾道粗糙度達(dá)到Ra0.4μm以上，同時(shí)，滾道及其余成型面的幾何精度也應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。磨削時(shí)采用往復(fù)式成型磨削以提高生產(chǎn)率，因而切除率高，負(fù)荷大，發(fā)熱量也大。上述要求決定所用砂輪應(yīng)具有粒度細(xì)、磨粒硬度高、成型精度保持性好的特性，還要有一定的自銳性，并且要有較大的容屑空間。

3.2.2 砂輪的平衡控制

砂輪的不平衡引起磨頭的激振。砂輪的不平衡量分為靜不平衡和動(dòng)不平衡量兩類。在磨削大規(guī)格導(dǎo)軌選用較厚的砂輪時(shí)，動(dòng)不平衡量的影響顯得較為突出。除了砂輪自身的平衡不好，砂輪卡盤與主軸的錐度接觸性差，砂輪、砂輪卡盤與主軸安裝后的綜合不平衡量都是造成不平衡振動(dòng)的原因。使用前砂輪裝在砂輪卡盤上應(yīng)進(jìn)行良好的靜平衡。如電機(jī)為裝入式時(shí)，主軸應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡。

3.2.3 砂輪的修整

導(dǎo)軌磨削中成形砂輪的修整是用金剛石滾輪進(jìn)行的。天然金剛石采用內(nèi)鍍法制造而成的金剛石滾輪，其成型精度高，不需修整，因而能保持鋒利。用金剛石滾輪修整裝置修整砂輪時(shí)，砂輪的輪廓精度不僅決定于金剛石滾輪的輪廓精度，而且還決定于修整裝置在機(jī)床上的定位精度，金剛石滾輪良好的幾何精度和剛性足夠的驅(qū)動(dòng)裝置是獲得滿意修整效果的前提。合理的修整參數(shù)和磨削用量對磨削導(dǎo)軌的粗糙度、振紋有一定的關(guān)系。一般滾輪與砂輪的線速比 i取 0.4～0.7，精修時(shí)吃深要少，進(jìn)刀要慢，每次修整量為0.1～0.2mm，修整速度為0.4～0.6mm／min。由于金剛石在高溫時(shí)易氧化，故充分的冷卻有助于提高滾輪的壽命，延緩鈍化。在修整時(shí)，冷卻液的流動(dòng)方向與滾輪和砂輪接觸處砂輪的線速方向一致，便于使冷卻液輸送至修整接觸處。

3.2.4 保證主軸的幾何精度和動(dòng)剛度

磨頭主軸的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)超差，不僅會(huì)產(chǎn)生振紋，還會(huì)破環(huán)截形。主軸旋轉(zhuǎn)中的動(dòng)剛度不足，也會(huì)使振幅增大。

3.2.5 工藝參數(shù)的選用原則

首先，粗磨質(zhì)量應(yīng)達(dá)到一定要求，振紋不能過大。其次，合理分配精磨留量。留量過多易使砂輪鈍化；過少則難以消除粗磨殘留缺陷。在切削進(jìn)給量，工作臺往復(fù)速度和砂輪線速度三要素中，切削進(jìn)給量對振紋的影響最敏感。合理的工藝參數(shù)對減少振紋有一定的作用。一般在精磨結(jié)束后，保持1～3個(gè)往復(fù)的無火花磨削對改善粗糙度，消除振紋有明顯作用。通過上述工藝措施，能有效消除或減少振紋的產(chǎn)生。

4 導(dǎo)軌磨削成形工藝

直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副由滑塊和直線導(dǎo)軌兩大關(guān)鍵零件組成，從導(dǎo)軌體的精度而言，主要包括滾道成形面精度，各滾道之間及各滾道與基準(zhǔn)面的位置精度，表面粗糙度，導(dǎo)軌體的直線度，滾道與基準(zhǔn)面的平行度等。目前行業(yè)內(nèi)直線導(dǎo)軌精加工基本采用成形磨削方式，即用成形金剛滾輪將砂輪修整成形來磨削導(dǎo)軌型面。其精加工指的是精磨4-R軌道及基準(zhǔn)側(cè)面，主要工藝包括：

4.1 基于電永磁吸盤的導(dǎo)軌固定技術(shù)

常規(guī)的導(dǎo)軌磨削時(shí)導(dǎo)軌的固定方式如下：導(dǎo)軌以底面為基準(zhǔn)，安裝在夾具上采用螺栓固定，校正定位后，金剛石滾輪修整出所需截形的成形砂輪，兩磨頭的成形砂輪同時(shí)分別磨出導(dǎo)軌的兩側(cè)對稱型面。此方式安裝磨削可較側(cè)面安裝磨削提高精度等級。本項(xiàng)目擬采用電永磁吸盤方式固定導(dǎo)軌，并配專用定位塊，固定線軌，校正定位后，用兩立式磨頭的成形砂輪和臥式磨頭對兩側(cè)滾道面和導(dǎo)軌的安裝基準(zhǔn)面同時(shí)進(jìn)行磨削。該技術(shù)具有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：一是可提高磨削效率，二是關(guān)鍵能提高導(dǎo)軌磨削的精度。

4.2 精密直線滾動(dòng)導(dǎo)軌自動(dòng)磨削工藝方案

整個(gè)磨削流程為：砂輪修整—粗磨—砂輪修整—半精磨—砂輪修整—精磨—光磨。工藝參數(shù)的選用需要遵循二個(gè)原則：首先，粗磨質(zhì)量應(yīng)達(dá)到一定要求，振紋不能過大。其次，合理分配精磨留量。在切削進(jìn)給量，工作臺往復(fù)速度和砂輪線速度三要素中，切削進(jìn)給量對振紋的影響最敏感。合理的工藝參數(shù)對減少振紋有一定的作用。實(shí)驗(yàn)表明：精磨結(jié)束后，保持3～5個(gè)往復(fù)的無火花磨削對改善粗糙度，消除振紋有明顯作用。

5 結(jié)語

數(shù)控直線導(dǎo)軌專用磨床磨削效率提高，人性化的操作，減輕操作人員的工作量，預(yù)定的各項(xiàng)技術(shù)目標(biāo)均以達(dá)到，所磨削的導(dǎo)軌質(zhì)量穩(wěn)定，精度高，實(shí)現(xiàn)了大型精密數(shù)控直線滾動(dòng)導(dǎo)軌磨床的國產(chǎn)化。