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1多線砂輪自動(dòng)修磨原理

圖1為金剛石滾輪修整砂輪示意圖，金剛石滾輪須同時(shí)修整磨螺尖砂輪和磨螺溝砂輪（簡稱磨尖砂輪和磨溝砂輪）。SK723數(shù)控絲錐螺紋磨床具有多線砂輪復(fù)合自動(dòng)修整裝置，此裝置對磨削砂輪的修型過程見圖2。磨削砂輪由磨溝砂輪和磨尖砂輪組成，對磨溝砂輪和磨尖砂輪的砂輪修整過程分為磨尖砂輪快進(jìn)、磨尖砂輪工進(jìn)、磨溝砂輪快進(jìn)、磨溝砂輪工進(jìn)和快退五個(gè)進(jìn)程，其中磨溝砂輪和磨尖砂輪的中心距為25mm。磨尖快進(jìn)階段，金剛石滾輪沿直線快速進(jìn)給；磨尖工進(jìn)階段，金剛石滾輪沿磨螺尖砂輪外輪廓線以工進(jìn)速度進(jìn)給；磨溝快進(jìn)階段，金剛石滾輪快進(jìn)至磨溝砂輪初始輪廓線位置；磨溝工進(jìn)階段，金剛石滾輪沿磨螺溝砂輪輪廓線以工進(jìn)速度進(jìn)給；快退階段，砂輪磨削向下回退至砂輪零點(diǎn)，金剛石滾輪快速回到初始修整零位，并以此作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一次磨削。

相較于傳統(tǒng)的砂輪修型過程，SK723數(shù)控絲錐螺紋磨床配置精密的兩軸聯(lián)動(dòng)平臺，通過數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機(jī)的控制，編程實(shí)現(xiàn)多線砂輪的輪廓形狀修型，精密高速電主軸驅(qū)動(dòng)金剛石滾輪對砂輪進(jìn)行軌跡修整。由于絲錐規(guī)格不同以及兩支砂輪的磨損量不同，砂輪磨溝、磨尖以及修整的磨削初始位置不同，故砂輪的加工零位不同，砂輪外徑最低點(diǎn)始終位于絲錐外徑2mm處。

圖1 金剛石滾輪修整砂輪

圖2 多線砂輪復(fù)合自動(dòng)修磨裝置修型過程

修整過程中，砂輪修整器處于修整器零位時(shí)，磨削砂輪向上運(yùn)動(dòng)至修整位置，砂輪在完成一支絲錐的磨溝、磨尖以及砂輪修整后回到砂輪零點(diǎn)（砂輪零點(diǎn)是磨削砂輪于機(jī)床X、Y、Z坐標(biāo)系中的零點(diǎn)，且原點(diǎn)位置固定不變），并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一次磨削。隨著砂輪磨削次數(shù)以及砂輪修整器對砂輪修銳次數(shù)的增加，砂輪直徑逐漸變小，此時(shí)必須對砂輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)工件的恒速切削（見圖3）。在磨削過程中，由于兩支砂輪的磨損量不同，砂輪每次向上運(yùn)動(dòng)的距離補(bǔ)償量以兩片砂輪磨損量最大值為準(zhǔn)。在修整過程中，砂輪與修整盤的線速度需要保持一定的比值，取qd=0.4-0.7，防止因相對速度過高而加速金剛石滾輪的磨損，每次修整的實(shí)際修正量δ可調(diào)。

圖3 工件、砂輪、金剛石滾輪修整盤相對位置

2多線砂輪復(fù)合自動(dòng)修磨裝置設(shè)計(jì)

多線砂輪復(fù)合自動(dòng)修磨裝置采用沿砂輪徑向進(jìn)給的初始修整法，砂輪修整器的修整量補(bǔ)償法為定值補(bǔ)償法，在砂輪修整程序中補(bǔ)償量可調(diào)。基于沿砂輪徑向進(jìn)給的修型程序，采用多次修型法完成多支新砂輪初始修型。如圖4所示，修型具體過程如下：將砂輪直徑由Dsj延伸至Djx；開始修型時(shí)，按照母線5完成第一次修型，退回到初始修整位置；沿砂輪徑向進(jìn)給修整定值補(bǔ)償量δ，按照母線4完成第二次修型，退回到初始修整位置；如此類推，直到金剛石滾輪的運(yùn)動(dòng)路徑與砂輪母線1重合，即完成砂輪的初始修型。

圖4 沿砂輪徑向進(jìn)給的初始修型過程

如圖5所示，在磨削砂輪上下方布置相互獨(dú)立的兩個(gè)自動(dòng)修整裝置，以實(shí)現(xiàn)高精度砂輪修整以及精密的誤差補(bǔ)償。配置伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、在工作軸及磨頭配備高分辨率光柵尺，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)砂輪在加工和修整過程中對即時(shí)產(chǎn)生的磨損量進(jìn)行在線補(bǔ)償，提高了產(chǎn)品加工精度與效率。采用CNC數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償量可調(diào)的砂輪徑向修形以及單支砂輪或多支砂輪修磨，極大地降低了人為誤差對修整過程的影響，操作簡單。但在對多線砂輪進(jìn)行修磨時(shí)，必須使用容量、壓力與磨削時(shí)相同的冷卻液進(jìn)行沖洗和冷卻。

圖5 多線砂輪復(fù)合自動(dòng)修磨裝置結(jié)構(gòu)

3精度檢測及表面粗糙度預(yù)測模型檢驗(yàn)

01

磨削精度檢測

試驗(yàn)在SK723數(shù)控絲錐螺紋磨床進(jìn)行，加工對象為M24絲錐。用TR220型粗糙度測量儀獲取螺溝表面粗糙度值，測量過程中控制變量數(shù)量，以測量點(diǎn)的三次測量值的平均值作為最終測量結(jié)果，以保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性。為找出砂輪修整參數(shù)與表面粗糙度之間的具體關(guān)系，運(yùn)用多元回歸方程進(jìn)行分析，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1  砂輪修整參數(shù)及粗糙度測量值

02

 建立表面粗糙度預(yù)測模型器

研究表面粗糙度的試驗(yàn)方法通常有單因素法和多因素法。鑒于砂輪修整過程中修整工藝參數(shù)對表面粗糙度有不同程度的影響，采用多因素法建立表面粗糙度與修整工藝參數(shù)之間的正交回歸試驗(yàn)方程，揭示各修整工藝參數(shù)間的相互影響。研究結(jié)果表明，表面粗糙度與修整工藝參數(shù)之間存在著復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，其通用形式可表示為

(1)

式中，C為決定磨削條件的修整系數(shù)；b1、b2、b3為各修整工藝參數(shù)的指數(shù)。

對式（1）兩邊分別取對數(shù)，得

采用矩陣形式代替式(4)，即

式中，εi(i=1，2，3)為試驗(yàn)隨機(jī)變量誤差。

應(yīng)用最小二乘法，結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，解得表面粗糙度的預(yù)測模型        

01

表面粗糙度預(yù)測模型顯著性檢驗(yàn)器

①回歸方程的顯著性檢驗(yàn)

鑒于建立的砂輪修整粗糙度預(yù)測模型只是一種有試驗(yàn)根據(jù)的假設(shè)，為了判斷模型與實(shí)際加工情況的吻合程度，必須對建立的多元正交線性回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際的檢測結(jié)果完成統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，假設(shè)總偏差平方和Sr由回歸平方和SA與剩余平方和SE兩部分組成，即

采用F檢驗(yàn)法，統(tǒng)計(jì)假設(shè)H0：βi=0(i=1，2，3，4)，則有統(tǒng)計(jì)量比

式中，n為試驗(yàn)組數(shù)；P為變量個(gè)數(shù)，P=4。表面粗糙度預(yù)測模型回歸方程顯著性檢驗(yàn)分析結(jié)果見表2。

表2  表面粗糙度預(yù)測模型回歸方程顯著性檢驗(yàn)分析結(jié)果

顯著性檢測結(jié)果表明，F(xiàn)比>F(4，10)，故所建立的表面粗糙度預(yù)測模型具有高度可信度，與實(shí)際情況擬合得很好。

②回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

經(jīng)驗(yàn)證，表面粗糙度預(yù)測模型高度顯著，但在多元正交線性回歸方程中，并非每個(gè)自變量對因變量的影響都重要，還需考慮每個(gè)自變量對因變量影響程度的顯著性，以便對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制，故對回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

按照砂輪修整參數(shù)的設(shè)定排序，即按照速比、重疊比、徑向砂輪修整量、切入進(jìn)給率的檢驗(yàn)順序進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

統(tǒng)計(jì)假設(shè)H0：βi=0(i=1，2，3，4)，統(tǒng)計(jì)量為

(10)

式中，Cii為相關(guān)矩陣中對角線上第i各元素；n為試驗(yàn)組數(shù)；P為變量個(gè)數(shù)，P=4。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3  表面粗糙度預(yù)測模型回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)分析結(jié)果

顯著性分析結(jié)果表明：βi>5.26，回歸系數(shù)全部為高度顯著。砂輪工藝修整各參數(shù)對表面粗糙度的顯著性排序?yàn)椋簭较蛐拚M(jìn)給量>重疊比>速比>切入進(jìn)給率，即徑向修整進(jìn)給量是影響表面粗糙度的主要因素，其他砂輪修整參數(shù)均次之。

4小結(jié)

在多線砂輪復(fù)合自動(dòng)修整裝置中，采用耐磨損、剛性大的金剛石滾輪代替金剛石筆對多支砂輪進(jìn)行修整，能實(shí)現(xiàn)對絲錐螺紋的多工序磨削加工和砂輪自動(dòng)修磨，提高了生產(chǎn)效率。通過設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的金剛石滾輪修整器，先后對磨頭砂輪進(jìn)行修磨，減小砂輪輪廓誤差，提高零件加工精度。采用CNC數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單支和多支砂輪的修磨以及定值補(bǔ)償量可調(diào)，降低了人為誤差對修整過程的影響。

試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)顯示，具有多線砂輪復(fù)合自動(dòng)修整裝置的SK723數(shù)控絲錐螺紋磨床能實(shí)現(xiàn)高精度的絲錐磨削，生產(chǎn)效率相較人工提高了50%。

通過設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)得到M24絲錐的取樣表面粗糙度數(shù)據(jù)。對表面粗糙度模型建立多元回歸的預(yù)測模型并進(jìn)行顯著性分析可知，徑向修整進(jìn)給量是影響加工表面粗糙度的主要因素，重疊比次之，速比影響最小。