数控直线导轨专用磨床精密磨削工艺优化

蒋莉莉 傅正勇 李志斌 何 亮

（浙江杭机股份有限公司 杭州311305）

数控直线导轨专用磨床的试制与攻关过程中，着重研究了如下内容：

(1)研究直线导轨磨削机理，分析加工工艺中影响精度的因素，明确磨削烧伤和振纹的成因，为工艺安排提供理论支持。

(2)制订精密直线滚动导轨自动磨削工艺流程。

(3)磨削直线滚动导轨，从用户角度反馈导轨磨床工艺设计的合理性问题。

(4)磨削效率的提升。

(5)人性化的操作。

目前，这些问题都已经得到解决，从而使我国的直线滚动导轨制造水平得到较大的提升，缩短了与国外先进水平的差距。机床外观如图1所示。

图1 数控直线导轨专用磨床外形

1 数控直线导轨专用磨床磨削概述

数控直线导轨专用磨床（HZ-090CNC系列）针对普通导轨及滚柱导轨产品的精密磨削加工而设计制造，可以磨削15～65mm规格的精密直线导轨。

1.1 导轨磨削对设备的要求

导轨的精度主要包括轨道成形面精度；各轨道与基准面的位置精度；轨道粗糙度；导轨的直线度及尺寸精度等。要实现上述精度要求，必须配备CNC专用磨削设备，而且相关磨削设备需要满足如下要求：

(1)确保在一次安装状态下，实现三磨头磨削，提高工件精度。

(2)要求每一个磨头进给的重复定位精度能达到±0.001mm，精磨定型时在标准热平衡下能实现每次磨削设定0.001mm的进给量。

(3)两立式磨头采用同一金刚石滚轮修整器依次修整，可以保证两侧面滚道尺寸的一致性。

(4)西门子828D，配有海德汉光栅，实现全闭环控制，并加载人性化的操作界面，一键启动可以实现导轨三面高效、高精磨削。

(5)操作人性化，减轻操作人员的工作量。

1.2 导轨磨削对磨具的要求

导轨精磨后，要求滚道粗糙度达到Ra0.4μm以上，同时，滚道及其成型面的几何精度也应满足设计要求。磨削时采用往复式成形磨削，因而切除率高，负荷大，发热量也大。

上述要求决定所用砂轮应具有粒度细、磨粒硬度高、成型精度保持性好的特性，还要有一定的自锐性，并且要有较大的容屑空间。

1.3 导轨磨削对成形砂轮修整的要求

导轨磨削中成形砂轮的修整是用金刚石滚轮进行的。金刚石滚轮良好的几何精度和刚性足够的驱动装置是获得满意修整效果的前提。

1.4 导轨磨削对冷却与冲洗的要求

成形大负荷磨削产生的热量除了影响加工精度外，还会因热应力的变化产生振动；磨削热使磨料急剧钝化；磨屑、磨料及结合剂的脱落使容屑空间堵塞，这些都会使磨削时产生振动。因此磨削中对砂轮和工件进行大流量冷却和高压冲洗显得至关重要。为使冷却液有效地进入磨削区，必须使磨削液以一定的压力和流量进到砂轮和工件表面。

1.5 导轨磨削工艺参数的选用

首先，粗磨质量应达到一定要求，振纹不能过大。其次，合理分配精磨留量。在切削进给量，工作台往复速度和砂轮线速度三要素中，切削进给量对振纹的影响最敏感。所以，一般在精磨结束后，保持 3～ 5个往复的无火花磨削对改善粗糙度，消除振纹有明显作用。通过上述工艺措施，能有效消除或减少振纹的产生。

2 导轨磨削烧伤成因及解决方法

2.1 烧伤机理分析

滚动直线导轨副是由滑块和直线导轨两大关键零件组成，具有摩擦系数小、传动效率高、使用寿命较长的滚动功能部件。该产品的关键组件直线导轨的精加工即精磨4-R轨道及基准侧面采用成形磨削技术。在直线导轨精磨滚道加工中，其磨削型面的展开长度较长、磨削接触面积较大、在磨削的瞬间产生较大的磨削热量、造成直线导轨温度较高。

2.2 防磨削烧伤的措施

2.1.1 砂轮的选择

(1)在直线导轨精磨削过程中，砂轮的硬度、粒度及材料对磨削的影响较大。砂轮的硬度与砂轮成分中粘结剂的含量成正比；砂轮的硬度越高，粘结剂的含量越大，砂轮的多孔性越差。采用中软2大大减小了工件磨削烧伤的几率，有效地保证了产品质量。

(2)由于直线导轨的材料特点和淬火性能、砂轮粒度对磨削温度的控制也有较大影响。砂轮粒度越高单位面积的磨粒数量越多，磨粒间的间隔越小。在精磨加工中，粒度大的砂轮比粒度小的砂轮易堵塞，切削力和切削热量较高。一般选用80粒度的砂轮。

(3) 根据经验采用铬刚玉砂轮，既保证了产品质量又提高了加工效率。

2.1.2 磨削余量的选择

直线导轨的4-R滚道在圆弧底部磨削液难以进入磨削区，各部分冷却条件不均匀，极易造成磨削烧伤。为此，我们改善导轨余量分布，根据长度和精度放合理的终磨余量，把滚道余量三角区调整为圆弧均匀区，使磨削条件大大改善。

2.1.3 磨削用量的选择

在磨削加工中，进给速度和磨削深度的变化，往往会导致单位时间内金属去除率的变化，从而导致磨削力和磨削温度的变化，这种变化往往伴随着滚道磨削烧伤。在生产实践中，应合理调整切削参数。

2.1.4 冷却液和冷却方式的选择

在磨削过程中，冷却液可以有效地降低磨削区的温度，减小工件表面的内应力，稳定尺寸，减小变形和工件表面的粗糙度值。冲洗砂轮表面，减少砂轮磨损量，提高其耐用度和使用寿命。一般采用H-1高精度磨削液。为使冷却液有效地进入磨削区必须使磨削液以一定的压力和流量射到砂轮和工件表面。

3 导轨磨削振纹成因及解决方法

3.1 振纹产生的机理分析

(1)严重超差；

(2)机床以及夹具、金刚石滚轮驱动装置刚性、砂轮主轴和金刚石滚轮主轴动刚性较差；

(3)金刚石滚轮的动平衡不好，几何精度超差；

(4)工作台爬行，由于驱动力、传动、润滑等造成的驱动刚性不足；

(5)砂轮选择不当，造成砂轮易堵塞、钝化；

(6)砂轮修整不当，使得砂轮的切削能力和耐用度降低；

(7)冷却不当致使砂轮钝化和堵塞；

(8)工艺参数选择不当。

3.2 消除振纹的措施

3.2.1 砂轮正确选择

导轨的材质是轴承钢，两侧表面经感应淬火达到 58～63 HRC。精磨后，要求滚道粗糙度达到Ra0.4μm以上，同时，滚道及其余成型面的几何精度也应满足设计要求。磨削时采用往复式成型磨削以提高生产率，因而切除率高，负荷大，发热量也大。上述要求决定所用砂轮应具有粒度细、磨粒硬度高、成型精度保持性好的特性，还要有一定的自锐性，并且要有较大的容屑空间。

3.2.2 砂轮的平衡控制

砂轮的不平衡引起磨头的激振。砂轮的不平衡量分为静不平衡和动不平衡量两类。在磨削大规格导轨选用较厚的砂轮时，动不平衡量的影响显得较为突出。除了砂轮自身的平衡不好，砂轮卡盘与主轴的锥度接触性差，砂轮、砂轮卡盘与主轴安装后的综合不平衡量都是造成不平衡振动的原因。使用前砂轮装在砂轮卡盘上应进行良好的静平衡。如电机为装入式时，主轴应进行动平衡。

3.2.3 砂轮的修整

导轨磨削中成形砂轮的修整是用金刚石滚轮进行的。天然金刚石采用内镀法制造而成的金刚石滚轮，其成型精度高，不需修整，因而能保持锋利。用金刚石滚轮修整装置修整砂轮时，砂轮的轮廓精度不仅决定于金刚石滚轮的轮廓精度，而且还决定于修整装置在机床上的定位精度，金刚石滚轮良好的几何精度和刚性足够的驱动装置是获得满意修整效果的前提。合理的修整参数和磨削用量对磨削导轨的粗糙度、振纹有一定的关系。一般滚轮与砂轮的线速比 i取 0.4～0.7，精修时吃深要少，进刀要慢，每次修整量为0.1～0.2mm，修整速度为0.4～0.6mm／min。由于金刚石在高温时易氧化，故充分的冷却有助于提高滚轮的寿命，延缓钝化。在修整时，冷却液的流动方向与滚轮和砂轮接触处砂轮的线速方向一致，便于使冷却液输送至修整接触处。

3.2.4 保证主轴的几何精度和动刚度

磨头主轴的径向跳动和轴向窜动超差，不仅会产生振纹，还会破环截形。主轴旋转中的动刚度不足，也会使振幅增大。

3.2.5 工艺参数的选用原则

首先，粗磨质量应达到一定要求，振纹不能过大。其次，合理分配精磨留量。留量过多易使砂轮钝化；过少则难以消除粗磨残留缺陷。在切削进给量，工作台往复速度和砂轮线速度三要素中，切削进给量对振纹的影响最敏感。合理的工艺参数对减少振纹有一定的作用。一般在精磨结束后，保持1～3个往复的无火花磨削对改善粗糙度，消除振纹有明显作用。通过上述工艺措施，能有效消除或减少振纹的产生。

4 导轨磨削成形工艺

直线滚动导轨副由滑块和直线导轨两大关键零件组成，从导轨体的精度而言，主要包括滚道成形面精度，各滚道之间及各滚道与基准面的位置精度，表面粗糙度，导轨体的直线度，滚道与基准面的平行度等。目前行业内直线导轨精加工基本采用成形磨削方式，即用成形金刚滚轮将砂轮修整成形来磨削导轨型面。其精加工指的是精磨4-R轨道及基准侧面，主要工艺包括：

4.1 基于电永磁吸盘的导轨固定技术

常规的导轨磨削时导轨的固定方式如下：导轨以底面为基准，安装在夹具上采用螺栓固定，校正定位后，金刚石滚轮修整出所需截形的成形砂轮，两磨头的成形砂轮同时分别磨出导轨的两侧对称型面。此方式安装磨削可较侧面安装磨削提高精度等级。本项目拟采用电永磁吸盘方式固定导轨，并配专用定位块，固定线轨，校正定位后，用两立式磨头的成形砂轮和卧式磨头对两侧滚道面和导轨的安装基准面同时进行磨削。该技术具有两个显著优点：一是可提高磨削效率，二是关键能提高导轨磨削的精度。

4.2 精密直线滚动导轨自动磨削工艺方案

整个磨削流程为：砂轮修整—粗磨—砂轮修整—半精磨—砂轮修整—精磨—光磨。工艺参数的选用需要遵循二个原则：首先，粗磨质量应达到一定要求，振纹不能过大。其次，合理分配精磨留量。在切削进给量，工作台往复速度和砂轮线速度三要素中，切削进给量对振纹的影响最敏感。合理的工艺参数对减少振纹有一定的作用。实验表明：精磨结束后，保持3～5个往复的无火花磨削对改善粗糙度，消除振纹有明显作用。

5 结语

数控直线导轨专用磨床磨削效率提高，人性化的操作，减轻操作人员的工作量，预定的各项技术目标均以达到，所磨削的导轨质量稳定，精度高，实现了大型精密数控直线滚动导轨磨床的国产化。