| 摘要：针对部分电解工具磨床因功能单一而闲置的现状，提出数控化再制造思路和方案。通过对传动部件的再设计，以及基于PC机的专用数控系统开发，再制造为面向螺旋槽加工的专用数控工具磨床。实际应用表明，再制造后的磨床可以进行各种螺旋槽的磨削加工，加工效率和精度都比普通磨削方式有较大提高，且再制造资源节约效果明显。 |
目前，我国大多数工具制造企业在加工螺旋槽时，一般采用金刚石砂轮在卧式磨床上进行磨别的方法，较少采用专用数控磨床加工硬质合金刀具螺旋槽，不仅加工效率低、精度不高、螺旋槽表面粗糙度差，而且加工成本也较高。 较理想的硬质合金加工方法应为电解磨削。目前，一般工具企业都有一些老旧的电解工具磨床，如上世纪70年代生产的D2625C型普通电解工具磨床，但由于功能单一而长时间闲置，造成资源浪费。若能对这类老旧的电解工具磨床进行数控化功能提升，既可有效解决螺旋槽加工问题，又能有效利用资源，实现电解工具磨床的绿色化再制造。 本文以D2625 C型普通电解工具磨床为例，探讨工具磨床的数控化再制造提升技术。 1 总体方案设计
D2625C型普通电解工具磨床包括如下几个运动部件：工作台的纵向移动机构，工作台的横向移动机构，磨头(砂轮)的升降运动机构，工件的转动和分度运动机构，电解磨削部分。为实现螺旋槽电解磨削加工工艺，再制造系统总体方案如下。 - 机床床身及电解磨削部分等性能较好，予以保留(由于床身为笨重的铸造件，因此，再制造方案的原材料、能源等节约效果明显)。
- 机床再制造为二轴半数控机床，即新增A轴(工件转动和分度)，且A轴与X轴(工作台的纵向移动)联动， Z轴(磨头升降)间歇进给。工作台横向移动机构仍保持原来结构，主要用于手动对刀。
- 设计基于PC的专用数控系统及相应的电控柜，原电控柜用于控制砂轮电动机、电解电动机、冷却泵电动机等，不作改动。
- 重新设计原机床的传动系统，以提高数控系统的控制精度。
- 为能磨别规定直径和规定螺旋角范围的螺旋槽和减小驱动电动机扭矩，在A轴、Z轴增加高精度的减速器。
2 传动部件再设计
2.1 传动部件再设计的主要部分
传动部件的再设计主要包括：X轴传动机构，Z轴传动机构，减速器设计等。
图1改造后的X轴导轨
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X轴方向：原机床上、下工作台之间的移动通过齿轮齿条机构实现，运动间隙大，改造后X轴导轨如图1所示。 Z轴：原为磨头手动升降，手柄经过齿轮带动蜗轮蜗杆副，再传动滚珠丝社，使圆导轨上下移动，从而带动磨头机构上下移动。改造方案中将蜗轮蜗杆副传动改成精密齿轮传动，保留超越离合器，并更换新的滚珠丝社，采用传动比为1的等速齿轮传动来传递动力。 2.2 减速比的确定
根据功能要求，需对A轴减速以实现螺旋运动，对Z轴减速以增大步进电动机的扭矩。下面讨论A轴减速比的确定。图1改造后的X轴导轨首先确定螺旋槽的导程范围。导程的计算公式为： | S=πDcostβ | (1) |
式中：S为螺旋导程；D为工件直径；β为螺旋角。 从式(1)可看出，工件直径越大，螺旋角越小，导程就越大。根据企业实际情况，D为30mm、β取6°时，最大导程 S1=30πcot6°=896.25mm。 同理，D为3mm、β取45°时，最小导程：S2=3πcot45°=9.42mm。 工作台最低移动速度V=22.4mm/min，工件最低转速n=0.05r/min，X轴滚珠丝杠螺距P=4mm。 当导程最大时，工件旋转1转，工作台移动距离为896.25mm， X轴电动机需旋转r1=S1/P=896.25/4=224r，则X轴电动机与A轴电动机的转速比为224。 当导程最小时，工件旋转1转，工作台移动距离为9.42mm，X轴电动机需旋转r2=S2/P=9.42/4=2.355r，则X轴电动机与A轴电动机的转速比约为2.4。 可见，X轴电动机与A轴电动机的转速比范围太大，必须增加减速机构，且减速比不能太小。 最大导程时，工作台以最低速度移动时所需时间为t=S1/V=896.25/22.4=40min。 根据X轴与A轴的联动要求，当工件转速n=0.05r/min ，则A轴电动机转速为na=i×n=0.05i r/ min，式中i为减速比。 根据步进电动机的矩频特性可知，其转速不能取得太小，若取i为40，则A轴电动机的最小转速为2r/ min，能满足实际要求。最终确定A轴的减速比为40。
图2 专用数控系统体系结构图
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图3 程序主要控制流程
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图4磨床数控加工系统加工界面
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3 专用数控系统开发
为使工人操作简便，减少操作失误，根据螺旋槽加工工艺要求，设计专用的数控系统，并将磨头调速、电解泵启停、吸风机启停等动作进行综合控制。 专用数控系统体系结构如图2所示，硬件部分是工业控制机、运动控制卡和I/O卡，系统以基于PC机的Windows系统的数控软件为核心，完成手动面板控制、指令解释、机床状态报告以及运动控制。 3.1主程序设计
数控主程序是整个系统的核心，负责加工动作控制、数据译码等功能，基于VC++语言，采用集成化、模块化的设计思路进行开发。程序主要控制流程如图3所示。实现的主要功能如下。 - 加工代码自动生成：用户在加工参数设置中输入工件的导程、直径、长度、槽数、槽深、加工速度等参数后，系统自动生成一个对应的加工文件。
- 自动加工：将加工文件中的代码逐条翻译成控制指令，并发送给运动控制卡，控制机床各轴的联动。
- 图形仿真：包括在线与离线两种，在线仿真时，可显示工件的当前状态，如加工到第几个槽、砂轮位置等。离线仿真时，可以预先模拟实际的加工顺序以供参考。
- 手动控制：通过机床上的手动按钮来控制各轴的运动，用于对刀等需要调整机床位置的情况。
3.2 人机界面
图4所示是磨床数控系统的人机界面。“导航”功能是系统的一个特色，可根据操作者当前的动作预先判断后续工序，并给出相关提示信息，大大方便操作者的使用。 4 结语
再制造出的数控电解工具磨床已在生产中得到应用，用于各种螺旋结构的钻头、铣刀、铰刀等刀具的开槽加工，并加工出了合格的螺旋槽。生产应用表明： - 工具磨床再制造资源节约效果明显，并盘活了企业存量资产。
- 再制造后的磨床用数控系统加工精度好、效率高，使用简单方便。
- 所述成功经验，可以在其他类机床再制造中应用，特别对于专用机床，效果更为明显。
