坐标磨床加工技术优化

坐标磨床是近代在坐标镗床的加工原理和结构的基础上发展起来的一种高精密加工机床。它按准确的坐标位置对工件进行加工，是精密模具加工的关键设备，广泛用于加工精密级进模、精密塑料模，以及镶拼结构模。

坐标磨床特别适于加工尺寸较大、形状复杂的多型腔整体模具；间隙要求很小的凸、凹模；带有一定斜度要求的冲模；高硬度材料的模具；镶块互换性好的镶拼模具，以及模具中的各类坐标孔。加工精度达5_μm，表面粗糙度R_a可达0.8～0.2μm。

对于精密模具，往往把坐标镗削加工作为孔加工的预加工，终加工则在坐标磨床上进行。主要用于1～200mm的淬火件，高硬度件的孔系或成形表面的磨削加工。

1.坐标磨床分类

坐标磨床有立式和卧式两种，模具加工常用立式坐标磨床。

坐标磨床目前有手动和连续轨迹数控两种。前者以手动操作方式控制工作台的纵向（x向）和横向（y向）移动或旋转工作台的转动（A轴）。后者用计算机控制，有三坐标和四坐标两种类型。三坐标连续轨迹磨床除x、y方向的控制外，还对新的坐标轴C进行控制。C坐标轴的功能是随着被磨削轮廓的变化，不断调整磨轮的磨削点。使其始终垂直于磨削轮廓的切线方向。四坐标连续轨迹磨床除了控制x、y和c轴外，还对旋转工作台（A轴）进行控制，可磨削复杂的立体表面。

如图6-29所示为立式单柱坐标磨床，主轴箱12和砂轮10安装在立柱上，纵、横工作台上装有附带数显装置的精密坐标机构。

坐标磨床与普通立式磨床结构上的区别是：其工作台由一对相互垂直的精密丝杠螺母副驱动，定位精度可达0.001mm，且能数字显示。行星主轴一方面绕自身轴线作高速旋转运动，另一方面绕套筒轴线作周向进给运动；精密磨头（砂轮主轴）除了精度高、刚性好以外，还可以在4000～80000r/min范围内无级调速，并可安装插磨机构加工锥孔。

图6-29 立式单柱坐标磨床

1—离合器拉杆 2—主轴箱定位手轮 3—主轴定位手轮 4—控制箱 5—纵向进给手轮 6—纵、横工作台 7—床身 8—横向进给手轮 9—工作台 10—砂轮 11—磨削轮廓刻度圈 12—主轴箱 13—砂

轮外进给刻度盘

磨削时，工件固定不动，磨削机构能使磨头部分完成磨削过程的四个运动为砂轮高速旋转运动（切削运动）、行星运动（圆周进给运动）、轴向往复直线运动和径向进给运动（图6-30）。

砂轮的自转由高频电动机驱动，转速一般为4000～8000r/min，转速越高，加工的表面越光洁，若要达到更高的转速可用空气发动机驱动，转速可达250000r/min。主轴的行星回转运动由电动机或电动机通过变速机构直接驱动。主轴转速一般为10～300r/min，并使高速磨头随之作行星运动。进给运动由主轴套筒的上下往复运动实现，而这一运动是由液压式或液压—气压式传动完成。其往复运动的次数可达120～190次/min。

2.坐标磨床的加工

坐标磨床的工作台由坐标工作台和回转工作台组成。坐标工作台是一组高精度直角坐标系的导轨系统，导轨的直线性很高，相互垂直度误差一般不大于4μm，并具有高精度的坐标测量系统。坐标工作台位于回转工作台之上，用以调节工件的圆弧中心与回转工作台的中心重合。磨削时，工件放在工作台上，可作z、y坐标移动和回转运动，以便进行成形轮廓和型孔的加工。

利用坐标磨床可磨削内孔、外圆、锥孔、坐标孔、阶梯孔、台阶面、键槽、方孔，以及直线与圆弧组成的曲线等。与坐标镗削加工一样，工件在磨削前必须先定位、找正。找正后，利用工作台的纵横向移动使机床主轴中心与工件圆弧中心重合，然后再进行磨削。

（1）内孔磨削

内孔磨削是坐标磨床最基本的用途。孔径直径范围为3～200mm，表面粗糙度R_a≤0.4μm，圆度误差不超过2μm，直线度误差不超过2μm。

磨削时，工件不动，砂轮作高速旋转运动和行星运动，孔径的调整通过增大行星运动的半径即径向进给运动来实现（图6-31）。

图6-30 砂轮的运动

1—砂轮高速旋转运动 2—轴向往复运动 3—行星运动 4—径向进给运动

图6-31 内孔磨削

磨削内孔时，砂轮直径与磨孔孔径有关系。磨削小孔时，采用金刚石或立方氮化硼喷镀砂轮，砂轮直径取孔径的3/4，为确保砂轮的线速度，砂轮必须高速回转，且直径越小转速应越高。因此，需用高速风动磨头，其转速为150000～200000r/min。孔径小于8mm时砂轮直径适当增大，当孔径大于20mm时砂轮直径应适当减小。砂轮直径约为芯轴的1.5倍。芯轴直径过小，磨削表面会出现磨削波纹。坐标磨床上最小的磨孔直径可达0.8mm。

砂轮的磨削速度与砂轮的磨料、工件材料等有关。普通磨料砂轮磨削碳素工具钢和合金工具钢时磨削速度约为25～35m/s，立方氮化硼砂轮磨削碳素钢和合金钢时磨削速度约为20～30m/s，金刚石砂轮磨削硬质合金时，磨削速度约为16～25m/s。

砂轮的转速可以根据下式计算。

式中 V_m——砂轮的磨削速度（m/min）；

D_m——砂轮的直径（mm）；

n——砂轮的转速（r/min）。

（2）外圆磨削

磨削外圆时，砂轮的运动与内孔磨削基本相同，但外圆直径的调整是通过缩小行星运动的半径来实现的（图6-32）。表面粗糙度R_a≤0.4μm，圆度误差不超过0.4μm。

（3）锥孔磨削

坐标磨床的功能之一是加工锥孔。磨削时，先将砂轮修整成所需的角度，利用磨锥孔的专门机构，使砂轮在轴向进给的同时，连续改变行星运动的半径进行磨削（图6-33），随着砂轮轴向进给，行星运动半径逐渐增大。锥孔的锥角大小取决于两者变化的比值，一般锥角为0°～16°。

图6-32 外圆磨削

图6-33 锥孔磨削

（4）坐标孔磨削(www.xing528.com)

利用坐标磨床磨削坐标孔是最常用的一种加工方法，坐标磨床也由此而得名。此外，还可磨削极坐标孔。磨削坐标孔时，利用坐标工作台的移动，便可加工出各种尺寸大小的坐标孔，其位置精度达2～5μm。因此，坐标磨床特别适于用坐标镗床加工后因淬火而变形的坐标孔的修整加工。磨削极坐标孔时，有两种方法：一是分度法，利用回转工作台进行分度；二是坐标法，利用直角坐标进行计算。当零件的极坐标半径小、分度孔较多时，采用分度法加工精度高、经济、方便；而极坐标半径较大时，由于受旋转精度的影响，采用坐标法可获得较高的加工精度。此外，在坐标磨床上，利用可倾工作台并通过坐标计算还可对零件上的空间平面、空间极坐标孔和各种斜孔进行磨削加工。

（5）阶梯孔磨削

磨削阶梯孔时，应根据所要磨的孔的直径确定行星运动的半径，并使砂轮向下进给，用其底部的棱边进行磨削加工（图6-34）。

将砂轮底部端面修磨成3°左右的凹面，以提高磨削效率和方便排屑。磨削时，调整行星运动至所要求的外径或外形，砂轮作轴向进给运动，以砂轮端面及尖角进行磨削，砂轮直径与孔径的比值不宜过大，否则易形成凸面。磨台肩孔时，砂轮直径约为大孔半径与通孔半径之和；磨盲孔时，砂轮直径约为孔径的一半。

（6）台阶直线磨削

砂轮仅作旋转运动不作行星运动，工件作直线移动（图6-35），适于平面轮廓的精密磨削加工。

图6-34 阶梯孔磨削

图6-35 台阶直线磨削

（7）键槽与方孔磨削

使用专门的磨槽机构和砂轮，可磨削键槽、带直角的型腔及方孔等，还适用于型槽及带清角的内、外型腔的磨削。该磨槽机构由砂轮轴驱动，其原理类似刨削时主运动的产生原理。磨削时，砂轮除作旋转运动外，还作上、下往复直线运动，工件作直线移动（图6-36）。

图6-36 键槽与方孔磨削

（8）曲线磨削

磨削直线与圆弧组成的曲线时，直线与圆弧间的正确位置尺寸，由坐标工作台移动的定位精度来保证。定位后，采用定点加工法磨削圆弧。所谓定点加工法，就是利用x、y坐标的移动使回转工作台中心与工件上的圆弧中心重合，通过改变行星运动的半径控制圆弧半径的尺寸。

将上述几种基本磨削方法综合使用，便可加工出各种形状复杂的型孔。例如：磨削如图6-37所示的凹模型孔，将工件安装在坐标工作台上，经找正和调整机床，使工件上的轴心O₁与转台中心及机床主轴中心相重合，采用内孔磨削法磨出O₁的圆弧段，再用同样的调整方法使O₂与转台中心及机床的主轴中心相重合，磨出O₂的圆弧段，将回转工作台旋转180°，即可磨出O₃的圆弧段。磨削O₄、O₅、O₆、O7圆弧段时，应使各段中心分别与转台中心及主轴中心相重合，采用外圆磨削法逐段进行，并将各段凸、凹圆弧平滑连接起来。

图6-37 磨削凹模型孔

随着模具制造精度和自动化程度的提高，国内外研制了数控坐标磨床和连续轨迹数控坐标磨床。其主要特点是可进行高精度轮廓形状加工，并使凸、凹模间隙均匀。使用一套程序，可把凸模、凹模、卸料板等尺寸相差不大的零件加工出来，适应性好。此外，不受操作者熟练程度的影响，可进行连续地无人化加工。因此，生产率和自动化程度较高。

数控坐标磨床用于加工电子元件的连续模、照相机及手表零件的精冲模、刻痕模和工程塑料模等。例如，开启易拉罐的刻痕模就是利用连续轨迹数控坐标磨床加工出来的。该模的作用是在罐盖上冲压开启口的痕迹，以便拉动拉环时，拉环连同痕迹中间部分薄片一起被拉掉，罐盖沿痕迹开启。它的主要工作型面是一个异形型面，形状复杂（图6-38）。对该模深度和刃口宽度的制造精度要求较高，各曲线间要平滑过渡。为此，将热处理后的刻痕模毛坯利用电火花机床成型加工，以形成符合要求的异形型面。再将其安装在连续轨迹数控坐标磨床上，以直径3.28mm的孔找正，用已编好的程序，采用立方氮化硼砂轮磨削。首先，用成形砂轮磨削异形型面的两个侧面，然后用平砂轮精磨刃口平面，直至其宽度和高度符合图样要求。

3.坐标尺寸换算

（1）换算的目的

一般工件尺寸按设计要求标注，与坐标机床加工要求不相一致，为此加工前要将设计尺寸换算成加工尺寸。

图6-38 易拉罐拉环刻痕模的工作型面

图6-39 坐标尺寸标注

（2）基准选择

1）矩形件粗加工选角侧为基准，精加工选一对精密孔建立孔基准。

2）圆盘件粗精加工均以孔为基准。

（3）尺寸标注

按ISO标准标注，如图6-39所示。

1）尺寸值标在侧面。

2）尺寸大小以坐标值为据。

3）公差范围用小数点个数表达。

设计尺寸公差与坐标公差按以下原则换算：

±0.1→0.0±0.01→0.00±0.001→0.000

如：30±0.1→30.030±0.05→30.0030±0.01→30.00