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1多線砂輪自動修磨原理

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、磨尖砂輪工進、磨溝砂輪快進、磨溝砂輪工進和快退五個進程，其中磨溝砂輪和磨尖砂輪的中心距為25mm。磨尖快進階段，金剛石滾輪沿直線快速進給；磨尖工進階段，金剛石滾輪沿磨螺尖砂輪外輪廓線以工進速度進給；磨溝快進階段，金剛石滾輪快進至磨溝砂輪初始輪廓線位置；磨溝工進階段，金剛石滾輪沿磨螺溝砂輪輪廓線以工進速度進給；快退階段，砂輪磨削向下回退至砂輪零點，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)動平臺，通過數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的控制，編程實現(xiàn)多線砂輪的輪廓形狀修型，精密高速電主軸驅(qū)動金剛石滾輪對砂輪進行軌跡修整。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，磨削砂輪向上運動至修整位置，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（砂輪零點是磨削砂輪于機床X、Y、Z坐標系中的零點，且原點位置固定不變），并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行下一次磨削。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，此時必須對砂輪轉(zhuǎn)速進行適當補償，以實現(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，砂輪每次向上運動的距離補償量以兩片砂輪磨損量最大值為準。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)合自動修磨裝置設(shè)計

多線砂輪復(fù)合自動修磨裝置采用沿砂輪徑向進給的初始修整法，砂輪修整器的修整量補償法為定值補償法，在砂輪修整程序中補償量可調(diào)。基于沿砂輪徑向進給的修型程序，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，按照母線5完成第一次修型，退回到初始修整位置；沿砂輪徑向進給修整定值補償量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動路徑與砂輪母線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立的兩個自動修整裝置，以實現(xiàn)高精度砂輪修整以及精密的誤差補償。配置伺服電機及驅(qū)動、在工作軸及磨頭配備高分辨率光柵尺，實現(xiàn)閉環(huán)控制，實現(xiàn)砂輪在加工和修整過程中對即時產(chǎn)生的磨損量進行在線補償，提高了產(chǎn)品加工精度與效率。采用CNC數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)補償量可調(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。但在對多線砂輪進行修磨時，必須使用容量、壓力與磨削時相同的冷卻液進行沖洗和冷卻。

圖5 多線砂輪復(fù)合自動修磨裝置結(jié)構(gòu)

3精度檢測及表面粗糙度預(yù)測模型檢驗

01

磨削精度檢測

試驗在SK723數(shù)控絲錐螺紋磨床進行，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，以測量點的三次測量值的平均值作為最終測量結(jié)果，以保證試驗準確性。為找出砂輪修整參數(shù)與表面粗糙度之間的具體關(guān)系，運用多元回歸方程進行分析，具體試驗數(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)為試驗隨機變量誤差。

應(yīng)用最小二乘法，結(jié)合Matlab軟件進行數(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)測模型顯著性檢驗器

①回歸方程的顯著性檢驗

鑒于建立的砂輪修整粗糙度預(yù)測模型只是一種有試驗根據(jù)的假設(shè)，為了判斷模型與實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行顯著性檢驗。根據(jù)實際的檢測結(jié)果完成統(tǒng)計檢驗，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檢驗法，統(tǒng)計假設(shè)H0：βi=0(i=1，2，3，4)，則有統(tǒng)計量比

式中，n為試驗組數(shù)；P為變量個數(shù)，P=4。表面粗糙度預(yù)測模型回歸方程顯著性檢驗分析結(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，與實際情況擬合得很好。

②回歸系數(shù)的顯著性檢驗

經(jīng)驗證，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，并非每個自變量對因變量的影響都重要，還需考慮每個自變量對因變量影響程度的顯著性，以便對試驗結(jié)果進行預(yù)報和控制，故對回歸系數(shù)進行顯著性檢驗。

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、切入進給率的檢驗順序進行顯著性檢驗。

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

(10)

式中，Cii為相關(guān)矩陣中對角線上第i各元素；n為試驗組數(shù)；P為變量個數(shù)，P=4。計算結(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為：徑向修整進給量>重疊比>速比>切入進給率，即徑向修整進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行修整，能實現(xiàn)對絲錐螺紋的多工序磨削加工和砂輪自動修磨，提高了生產(chǎn)效率。通過設(shè)置兩個獨立的金剛石滾輪修整器，先后對磨頭砂輪進行修磨，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)實現(xiàn)單支和多支砂輪的修磨以及定值補償量可調(diào)，降低了人為誤差對修整過程的影響。

試驗檢測數(shù)據(jù)顯示，具有多線砂輪復(fù)合自動修整裝置的SK723數(shù)控絲錐螺紋磨床能實現(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)計單因素試驗得到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)測模型并進行顯著性分析可知，徑向修整進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。