數(shù)控直線導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

（浙江杭機股份有限公司 杭州311305）

數(shù)控直線導軌專用磨床的試制與攻關過程中，著重研究了如下內容：

(1)研究直線導軌磨削機理，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)制訂精密直線滾動導軌自動磨削工藝流程。

(3)磨削直線滾動導軌，從用戶角度反饋導軌磨床工藝設計的合理性問題。

(4)磨削效率的提升。

(5)人性化的操作。

目前，這些問題都已經得到解決，從而使我國的直線滾動導軌制造水平得到較大的提升，縮短了與國外先進水平的差距。機床外觀如圖1所示。

圖1 數(shù)控直線導軌專用磨床外形

1 數(shù)控直線導軌專用磨床磨削概述

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

1.1 導軌磨削對設備的要求

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

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

(2)要求每一個磨頭進給的重復定位精度能達到±0.001mm，精磨定型時在標準熱平衡下能實現(xiàn)每次磨削設定0.001mm的進給量。

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

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

(5)操作人性化，減輕操作人員的工作量。

1.2 導軌磨削對磨具的要求

導軌精磨后，要求滾道粗糙度達到Ra0.4μm以上，同時，滾道及其成型面的幾何精度也應滿足設計要求。磨削時采用往復式成形磨削，因而切除率高，負荷大，發(fā)熱量也大。

上述要求決定所用砂輪應具有粒度細、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 導軌磨削對成形砂輪修整的要求

導軌磨削中成形砂輪的修整是用金剛石滾輪進行的。金剛石滾輪良好的幾何精度和剛性足夠的驅動裝置是獲得滿意修整效果的前提。

1.4 導軌磨削對冷卻與沖洗的要求

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

1.5 導軌磨削工藝參數(shù)的選用

首先，粗磨質量應達到一定要求，振紋不能過大。其次，合理分配精磨留量。在切削進給量，工作臺往復速度和砂輪線速度三要素中，切削進給量對振紋的影響最敏感。所以，一般在精磨結束后，保持 3～ 5個往復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生。

2 導軌磨削燒傷成因及解決方法

2.1 燒傷機理分析

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

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劑的含量成正比；砂輪的硬度越高，粘結劑的含量越大，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，有效地保證了產品質量。

(2)由于直線導軌的材料特點和淬火性能、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)經驗采用鉻剛玉砂輪，既保證了產品質量又提高了加工效率。

2.1.2 磨削余量的選擇

直線導軌的4-R滾道在圓弧底部磨削液難以進入磨削區(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，進給速度和磨削深度的變化，往往會導致單位時間內金屬去除率的變化，從而導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。在生產實踐中，應合理調整切削參數(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，減小工件表面的內應力，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 導軌磨削振紋成因及解決方法

3.1 振紋產生的機理分析

(1)嚴重超差；

(2)機床以及夾具、金剛石滾輪驅動裝置剛性、砂輪主軸和金剛石滾輪主軸動剛性較差；

(3)金剛石滾輪的動平衡不好，幾何精度超差；

(4)工作臺爬行，由于驅動力、傳動、潤滑等造成的驅動剛性不足；

(5)砂輪選擇不當，造成砂輪易堵塞、鈍化；

(6)砂輪修整不當，使得砂輪的切削能力和耐用度降低；

(7)冷卻不當致使砂輪鈍化和堵塞；

(8)工藝參數(shù)選擇不當。

3.2 消除振紋的措施

3.2.1 砂輪正確選擇

導軌的材質是軸承鋼，兩側表面經感應淬火達到 58～63 HRC。精磨后，要求滾道粗糙度達到Ra0.4μm以上，同時，滾道及其余成型面的幾何精度也應滿足設計要求。磨削時采用往復式成型磨削以提高生產率，因而切除率高，負荷大，發(fā)熱量也大。上述要求決定所用砂輪應具有粒度細、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不平衡量兩類。在磨削大規(guī)格導軌選用較厚的砂輪時，動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的原因。使用前砂輪裝在砂輪卡盤上應進行良好的靜平衡。如電機為裝入式時，主軸應進行動平衡。

3.2.3 砂輪的修整

導軌磨削中成形砂輪的修整是用金剛石滾輪進行的。天然金剛石采用內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，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動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軌的粗糙度、振紋有一定的關系。一般滾輪與砂輪的線速比 i取 0.4～0.7，精修時吃深要少，進刀要慢，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，冷卻液的流動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剛度

磨頭主軸的徑向跳動和軸向竄動超差，不僅會產生振紋，還會破環(huán)截形。主軸旋轉中的動剛度不足，也會使振幅增大。

3.2.5 工藝參數(shù)的選用原則

首先，粗磨質量應達到一定要求，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。在切削進給量，工作臺往復速度和砂輪線速度三要素中，切削進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。一般在精磨結束后，保持1～3個往復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生。

4 導軌磨削成形工藝

直線滾動導軌副由滑塊和直線導軌兩大關鍵零件組成，從導軌體的精度而言，主要包括滾道成形面精度，各滾道之間及各滾道與基準面的位置精度，表面粗糙度，導軌體的直線度，滾道與基準面的平行度等。目前行業(yè)內直線導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軌型面。其精加工指的是精磨4-R軌道及基準側面，主要工藝包括：

4.1 基于電永磁吸盤的導軌固定技術

常規(guī)的導軌磨削時導軌的固定方式如下：導軌以底面為基準，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分別磨出導軌的兩側對稱型面。此方式安裝磨削可較側面安裝磨削提高精度等級。本項目擬采用電永磁吸盤方式固定導軌，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滾道面和導軌的安裝基準面同時進行磨削。該技術具有兩個顯著優(yōu)點：一是可提高磨削效率，二是關鍵能提高導軌磨削的精度。

4.2 精密直線滾動導軌自動磨削工藝方案

整個磨削流程為：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原則：首先，粗磨質量應達到一定要求，振紋不能過大。其次，合理分配精磨留量。在切削進給量，工作臺往復速度和砂輪線速度三要素中，切削進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。實驗表明：精磨結束后，保持3～5個往復的無火花磨削對改善粗糙度，消除振紋有明顯作用。

5 結語

數(shù)控直線導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，預定的各項技術目標均以達到，所磨削的導軌質量穩(wěn)定，精度高，實現(xiàn)了大型精密數(shù)控直線滾動導軌磨床的國產化。