1.3　导轨磨削与导轨磨床国内外研究现状

近年来随着机床设计制造水平的不断提高，对加工零件的精度、表面质量和表面粗糙度的要求也随之提高。磨削加工作为一种精加工方法，是用砂轮或砂带等去除工件材料，在机器制造等行业的地位越来越重要。按照砂轮线速度的大小一般将磨削划分为线速度小于45m/s的普通磨削，线速度大于45m/s、小于150m/s的高速磨削，线速度大于150m/s的超高速磨削。按磨削精度高低可将磨削分为普通磨削、精密磨削（加工精度为0.1～1μm，表面粗糙度为0.1μm ≤Ra≤0.25μm）和超精密磨削（加工精度<0.1μm，表面粗糙度为0.008μm≤Ra≤0.025μm）。超高速磨削在工业发达国家发展迅速。目前，据可查阅到资料显示，欧盟亚琛工业大学多年前就在进行磨削速度达500m/s的超高速磨削的理论分析和试验工作。针对磨削技术推广和实际应用，日本冈本Okamoto目前实现了250m/s磨削速度的磨床在工业上的应用。随着精加工技术的不断进步，磨床及其磨削技术在加工机床和加工方法中占有越来越大的比重。欧洲机床展览会（EMO）的调查数据表明，磨床占机床的比例为42%，其次是车床、铣床和钻床。我国从1949年起，开发生产的通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，其中龙门导轨磨床是目前磨床性能最高的种类之一，磨床拥有量占金属切削机床总拥有量的13%左右。可见，磨床及磨削技术在机械制造业中具有极其重要的作用。

大型精密机床导轨面的几何精度和位置精度对机床加工精度具有重要影响，因此对机床导轨面提出了严格的加工要求。磨削导轨面是床身加工的终加工工序，切实保证床身导轨磨削加工质量是机床制造企业广为关注的、最为重要的关键技术之一。影响导轨磨削精度的因素很多，除与导轨磨床自身的几何精度以及静、动刚度有关外，也与它的热刚度密切相关，很多导轨磨床由于抵抗环境温度变化的能力较差，只能将其置于恒温车间；否则只有经常对机床导轨的精度进行调整才能保证加工精度。

国内某重型机床厂研究人员通过研究、对比国内外龙门机床的床身刚度后，发现对于重型机床来说，尽管要求精度高，可是受生产条件制约，大部分都不能安装在恒温车间内使用。对于重型机床来讲，不应该过于关注床身的结构刚度，可通过适当增加调整垫铁数量，并充分考虑床身-垫铁-基础间的接触刚度，结合控制温度变化等方法减少热误差，从而保持重型机床的精度及其精度稳定性。

周龙声认为，重型机床床身导轨的精度和它的安装状态关系密切。比如，较长的导轨，它的精度在一定程度上完全可以随意调整，就像工厂师傅的形象比喻：“床身可以像面条一样随意调整。”基础混凝土表面与调整垫铁的接触状态对导轨精度及其精度保持性影响显著。

李承新为实现导轨磨床加工精度的保持性，提出了自然调平法，即仅仅把床身自然地放在垫铁上，这样床身就处于自然状态，仅靠其自身重量，借助调整垫铁调整到所需精度要求。实际应用表明，采用自然调平法的机床床身导轨与强制调平相比，调整方法简单，调整后精度比较稳定。

导轨磨床是一种大型高精度精加工设备，于20世纪50年代由于生产实际需要产生，最早得到应用的是德国阿舍斯勒本（Ascher Sleben）公司和施奈德（Schneider）公司制造的单臂式导轨磨床，但由于精度和效率均不高，结构有待于进一步改进，以此来满足制造业对加工精度和效率的要求。20世纪50年代，德国的瓦德利希·科堡（Waldrich Coburg）公司生产了世界上第一台龙门式导轨磨床，由于其结构完善，加工精度稳定，此后国内外又有十余家机床制造企业生产龙门式导轨磨床。经过数年的连续改造，可用导轨磨床完成凹凸磨削。随着计算机技术的发展，陆续开发了数控龙门导轨磨床。与非龙门式普通导轨磨床相比，数控导轨磨床加工效率可提高50%左右，明显提高了大型零部件导轨面的磨削效率。20世纪50年代中后期，龙门导轨磨削中心陆续出现，磨削中心可实现热误差自动补偿、在线检测等功能，明显提高了设备数控加工的自动化程度。随着计算机技术等新技术在机床制造业的不断应用，大型精密导轨磨床已能实现垂直平面内及水平平面内的凹凸形状的磨削；并且可以实现砂轮的自动自身平衡，机床横梁上、下移动后，导轨的自动调平，加工过程的超负荷保护等功能。要实现恒温磨削，必须对液压系统液压油和冷却系统冷却液进行温度控制。国外比较知名的导轨磨床生产厂家有科堡（德国）、阿舍斯勒本（德国）、住友重机（日本）。国内有代表性的导轨磨床生产厂家有上海重型机床厂、贵州险峰机床厂、长春第一机床厂和吉林省机电设计研究院等。德国科堡公司设计、制造的导轨磨床被认为是国内外一致认可的优质产品，国内很多生产大型机床企业都购买了该企业生产的导轨磨床。表1-2列出了国内外各类导轨磨床的结构特点。

表1-2　国内外各类导轨磨床结构特点对比

由表1-2可知，吉林省机电设计研究院设计的新型自准直导轨磨床，地基稳定，机床基础、床身和工作台的纵向弯曲刚度，比其他企业生产的导轨磨床的机床基础、床身和工作台的纵向弯曲刚度小得多；此外，新型自准直导轨磨床的床身及其附属装置完全无约束地放置在基础上，床身与立柱是完全分离的，它们各自的基础也是相互分离的，由于工作台运动速度变化和换向引起的惯性力的作用位置不仅与床身和立柱分离，而且与机床的基础分离。与其他导轨磨床相比，新型自准直导轨磨床保证机床精度的稳定性，由机床的床身和基础，转移到承担工作台、床身和基础全部重量的地基，即天然土层。图1-17所示为新型自准直导轨磨床的外观。图1-18所示为新型自准直导轨磨床结构示意。

图1-17　新型自准直导轨磨床的外观

图1-18　新型自准直导轨磨床结构示意

新型自准直导轨磨床与其他同类产品的外观结构相似，但设计原理、设计方法截然不同。就目前查阅到的相关资料，改善导轨磨床的加工精度有两种截然不同的设计原理与方法，一种方法是尽量提高床身等基础件和基础等的刚度，以减少机床热变形，但是该方法只能是减小热变形，而无法消除热变形；另一种方法是通过适当降低床身、基础的纵向弯曲刚度，使床身的重力变形能自动补偿环境温度变化引起的热变形，机床加工精度的基准由床身及基础转移到地基上。

自准直导轨磨床采用的自准直设计原理和设计方法作为一种新的设计原理和设计方法，需要在理论、试验及应用几方面进行严格的科学考证。考证的关键有以下两方面。

① 天然土层是否稳定，在机床基础所占面积范围内，一年四季会有多大的相对变形，相对变形的大小能否满足机床加工精度要求。

② 为自动补偿环境温度变化对床身和基础的影响，需适当降低床身和基础的纵向弯曲刚度，但降低了床身和基础的纵向弯曲刚度之后会不会对整机的静力和动力性能产生不利的影响需作进一步考证。