国外数控工具磨床发展状况

２００８年第３期（总第１７５期）

国外数控工具磨床发展状况

陶杰１徐增豪１胡剑峰２符国建２

上海理工大学１（２０００９３）上海工具厂有限公司２（２０００９３）

摘要分析了国外数控工具磨床的发展现状和技术水平，提出在引进国外数控工具磨床先进技术，借鉴国外数

控工具磨床的研发经验的同时，应依靠产学研合作攻关数控技术的尖端产品。浅析了我国今后数控技术的发展方

向和研究重点。

关键词数控工具磨床发展状况工具磨床的数控系统

随着现代制造技术的发展，对高精度特型刀具

的品种和数量的需求越来越大，刀具的刃形也越来

越复杂。由于这类刀具刃形复杂，采用普通工具磨

床和传统工艺方法来制造很难实现【ｌＪ。为了适应这

些复杂的生产要求，工具磨床从机械结构的传动配

合控制到当今的ＣＮＣ技术的应用，从烦琐的刃形手

工修磨到当今的五轴联动数控磨削。

工具磨床自１８８９年美国辛辛那提公司开始制造

以来，发展一直比较缓慢【２Ｊ。直至上世纪７０一－．８０年

代，为了适应刀具、模具及切削加工的要求，以及

全球制造业的发展，刀具刃磨才受到极大重视，工

具磨床进入一个快速发展阶段。进入２１世纪后，刀

具的要求不仅在需求量上急剧上升，而且刃形复杂、

精密度高的刃具要求也日益增多。高精度合金刀具

的出现和广泛应用，将数控工具磨床推到刀具制造

的最前沿，也改变了传统的磨削工艺过程。

１国内外工具磨床的发展现状

１．１机床的模块化设计

从最早的德国在１９３０年首先提出的“模块化构

造”的设计方法到本世纪５０年代欧美一些国家正式

提出所谓“模块化设计”的概念，机床的模块化设计

愈来愈受到重视【３】。并己形成较成熟的模块化系统，

取得了很好的经济效益，因而采用模块化设计在世

界各地得到了迅速发展。

采用模块化设计产品有下列优点：

（１）产品更新换代快；

（２）可以缩短设计和制造周期；（３）可以降低成本；

（４）维修方便；

（５）产品性能可靠。

机床的模块化设计是一种根据广大用户提出的

各种要求，在功能分析的基础上，划分并设计出一

系列具有不同用途（或性能）、结构，而功能相同的、

可互换的功能模块（包括组件、部件、装置或系统等）

和一些专用独立部件，然后通过模块的选择和组合

来组装成不同性能和规格的普通的或数控的单台机

床、专用机床、柔性加工单元（或系统等）以满足市

场不同需求的一种设计方法，这种方法可以提高机

床设计的柔性和可变性。１．２新型砂轮材料的应用带来磨削技术的变革

刀具磨削加工是高速、高精度的成形磨削，这

也是生产中的关键问题。成形磨削有两个难题：一

是砂轮质量，主要是砂轮必须同时具有良好的自砺

性和形廓保持性，而这两者往往是有矛盾的；二是

砂轮修整技术，即高效、经济的获得所要求的砂轮

形廓和锐度，国外现已采用高精度金刚石滚轮来修

整砂轮，并开发了连续修整成形磨削新工艺，效果

较好。

磨削加工最基本的特点之一，是磨料粒度很小，

由于磨料的内聚性，使用普通的方法，难以制造出

均匀一致的细粒度砂轮。应用电泳沉积１０－－一２０ｎｍ

超细粒度磨料形成磨料粒，是值得注意的新技术。

近年来低压化学气相沉积（ＣＶＤ）金刚石膜，发展速度迅速。为了生产出质量更高的砂轮，各国都在积

极改进传统的粘结剂，以便生产出适合不同要求的

　《精密制造与自动化》

ＣＢＮ砂轮［４１。

１．３ＣＮＣ工具磨床数控系统的发展

计算机技术是现代工具磨床发展的重要基础。

计算机技术开始应用于工具磨床大约在上世纪７０

年代中后期。在各类磨床中处于领先地位，这是由

于刀具磨削运动轨迹的复杂性，决定了ＣＮＣ技术

对工具磨床比车、铣床具有更多的优越性。

通过这几届的ＣＩＭＴ刀具、刃具磨床展，可以

看到当前工具磨床的数控系统的发展趋势是追求特

殊专用化，最早见到的系统是德国西门子８系列数

控系统和日本ＦＡＮＵＣ数控系统，这一类控制系统

通用性强【２】。而现在国外大的工具磨床厂家都自行

开发了各种专用数控磨削系统，如ＡＮＣＡ公司的

ＡＮＣＡ系统，ＷＡＬＴＥＲ公司的ＷＡＬＴＥＲＨＭＣ５００和ＨＭＣｌ５００／２００系统，阿格顿公司的ＡＧ棚ＯＮ

系统，温特尔公司的ＷＥＮＤＴ系统，斯特劳扎克公

司的ＩＢＨｍｉｃｒｏＭＯＤＵＳ系统１２一’６Ｊ。

这一趋势表明，专用系统可随机床要求的复杂

程度和计划完成的负荷灵活变换，由模块化的组件

来增减加工功能，以实现它的万能性和经济性，工

具磨床专用系统的ＣＮＣ编程技术结合了各种数学

方程表达式，因而可实现广泛范围的插补，有直线

插补、圆弧插补、渐开线插补、指数函数插补、螺

旋线插补、样条函数插补等插补功能，因而能解决

复杂形状刀具的高精度Ｎ－ｒ［２｜。

１．４机床功能部件的发展

机床新结构、新磨削方法的研究对工具磨床的

发展起到了关键的作用，同时机床功能部件的研发

对机床发展也起到重要推动作用。由于电主轴结构

紧凑能实现变频调速，因此得到了广泛应用。动平

衡量是磨床上电主轴需严格控制的技术指标，现在

主要有离线调整和在线调整Ｈ｛ｊ。

在数控工具磨床上使用的刀柄要求安装后径向

跳动小，夹紧力大，动不平衡量小，刚性好。传统

的７：２４实心长锥定位结构的刀柄已不再符合要求，

在上世纪９０年代德国阿亨工业大学机床研究所开

发了ＨＳＫ刀柄，这是一种双面夹紧刀柄，它是双

面夹紧刀柄中最具代表性的。由于其刚度和重复定

位精度较７：２４锥度刀柄提高了几倍乃至几十倍，因

此在机械制造业得到了广泛的认同和采用。ＫＭ刀

柄是美国肯纳公司与德国维迪亚公司于１９８７年联

合开发的，于ＨＳＫ刀柄并存的１：１０短锥空心柄，

２它也是端面与锥面双面定位。ＢＩＧ．ＰＬＵＳ刀柄是日

本ＢＩＧＤＡＩＳＨＯＷＡＳＥＩＫＩ公司研制，它同样也是

双面定位，但它足靠主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙的ｐＪ。

采用整体防震铸铁结构设计的机床，将冷却油

供给和过滤系统设置在床身内，可以利用冷却油的

吸震作用增加机床的稳定性，还可使机床床身在恒

温油下工作，减小热不均匀对床身热变形的影响

【１０】。而采用人造大理石或高树脂混凝土设计的床

身，由于本身的抗震性能和热稳定性好，可以减少

床身内部复杂结构的设计。

２典型数控工具磨床分析２．１澳大利亚ＡＮＣＡ公司ＴＸ７＋ＣＮＣ型工具磨床

ＡＮＣＡＴＸ７＋ＣＮＣ型五轴联动数控工具磨床是

澳大利亚ＡＮＣＡ公司开发的生产型产品，采用可变

的用户程序，可磨削复杂工件，采用人机对话方式，

对异形刀具可直接编程。五根数控轴为工件回转彳

轴、工作台移动Ｘ、ｌｒ、Ｚ三轴和主轴体的回转Ｃ轴。

机床床身采用该公司开发的高树脂混凝土，其优良

的减震性能相当于铸铁床身的９倍，且热膨胀系数

尚不足整体铸铁床身的１／１０。根据三维ＣＡＤ设计

的机床空间宽大，主轴前端接近Ｃ轴旋转的机械中

心位置。机床立柱采用整体浇注的封闭龙门框架结

构，刚度大，保证机床高速强力切削时的稳定性。

自动砂轮转换器可以在４Ｓ内同时转换冷却管和砂

轮，最多可以一次装夹设置８个砂轮，实现复杂刀

具一次装夹完成全部加工。砂轮夹紧系统采用大昭和精工机械公司的专利产品——ＢｉｇＰｌｕｓ砂轮夹紧

系统，由于锥面和端面面接触，从而保证了高精度

和高刚度。

该机床电主轴带有在线动平衡测试软件模块，

在砂轮杆安装后运行该模块屏幕上会提示砂轮杆的

动不平衡量及其相位角，人工添加配重螺钉即可完

成动平衡修正，电主轴的冷却采用通用的外壳循环

油冷却。该机床各数控轴具有微米级分辨率，两个

旋转轴分辨率为０．０００１０，三个直线轴分辨率为

０．０００ｌｍｍ。这样，可以有效地设置并磨削各种类型

的立铣刀、钻头、扁钻，带有子刃的阶梯钻，阶梯

和成形刀具，标准旋转挫和切铝旋转挫，整形移植

件，锁眼孔冲头，杉树形铣刀和其他特殊的刀具。

２．２德国德克￥２２型五轴数控工具磨削中心

　２００８年第３期（总第１７５期）

德克（ＭＩＣＨＡＥＬＤＥＣＫＥＬ）公司生产的￥２２Ｐ

型工具磨床是一台五轴联动数控工具磨削中心【１１￣

”】，它是基于“立式磨削原理”（德克公司专利技术）

设计的，与普通的卧式结构相比，它没有了因重力

原因引起的综合误差，承载能力强，具有动态性能

好，同心度高，加工行程短，结构紧凑，符合人体工学原理——工件装卸方便等优点。床身是整体式

人造大理石床身，阻尼系数大，热传导因数低，此

床身的热膨胀因数尚不足铸铁床身的１／１０。磨头壳

体采用高强度铝合金制造，有效减轻了磨头重量，

从而保证了高速度和高精度。

￥２２Ｐ型磨削中心采用８轴位全自动砂轮库，最

多可容纳２４（８ｘ３）个砂轮，方便刀具加工所需的

各种形状、大小、粒度和材质的砂轮全自动更换。

电主轴采用独立的水冷系统直接对主轴电机恒温冷

却，不仅保证了主轴寿命，还消除了主轴温升的影

响，可以获得１４８（７ｘ２４）Ｈ，１５ｋＷ的恒定输出。

主轴锥孔设计采用ＨＳＫ５０Ｆ高速、高精度锥柄标准

（ＩＳＯ标准／ＤＩＮ６９８９３）。

机床各数控轴具有微米级分辨率，且速度高（２０

ｍ／ｍｉｎ），直线数控轴最高分辨率达０．０００１ｍｍ，回

转数控轴最高分辨率０．０００１０，因而能进行高精度、

高效率磨削。该机床还配备了基于ＰＣ的控制器，

采用ＡＴ总线设计，具有程序预读功能，程序段的

转换时间极短，伺服信号采用光纤传输。软件平台

采用ＷｉｎｄｏｗｓＸＰＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ操作系统，具有机床

自诊断功能，还可以通过Ｉｎｔｅｍｅｔ网络，接入Ｄｅｃｋｅｌ

的全球远程服务系统（Ｄｅｃｋｅｌ．ＴｅｌｅｓｅｒｖｉｃｅＳｙｓｔｅｍ），实现远程诊断、升级以及维修服务。系统还具有机

床参数自动备份功能，使机床参数永不丢失并能在

故障后快速恢复。机床的图形交互式刀具加工软件

覆盖了几乎所有刀具种类，操作者在全程图形帮助

系统的帮助下，可以轻松完成刀具的编程、加工模

拟及干涉检查工作。

３我国发展数控工具磨床的展望

五轴联动的数控系统是美国等发达国家一直限

制对中国出口的产品，加快研发国产数控系统也就

成了我国发展数控机床行业的技术难关。

数控机床功能部件是另外一个薄弱环节，某种

意义上说，功能部件将构筑２１世纪现代数控机床，

它的性能和价格决定了数控机床的性能和价格。需形成适应市场经济需求的以企业为主体、产

学研相结合的技术创新体系，创造吸引高层次、高

素质人才创新创业的环境，有效整合相关技术、产

业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造

技术创新平台。数控机床产业本身的水平关键要看

创新能力、人员素质和企业素质的提高。应在消化

吸收国内外先进技术的同时，根据国内外市场需求，

寻找企业自身定位，研究开发适合中国国情的数控

工具磨床，首先满足国内刀具行业的生产需振兴我

国的装备制造业。

参考文献

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