精密螺紋磨削砂輪修整技術(shù)分析及應(yīng)用*

鄧順賢

（漢江機(jī)床有限公司 陜西漢中 723003）

砂輪修整技術(shù)是螺紋磨床關(guān)鍵核心技術(shù)之一，對(duì)提高磨削加工中的表面粗糙度至關(guān)重要。螺紋磨床砂輪修整器按修整方法分為手動(dòng)砂輪修整器、液壓自動(dòng)砂輪修整器和數(shù)控砂輪修整器三種形式，所使用的修整工具有：?jiǎn)吸c(diǎn)金剛石筆和滾輪兩種，滾輪可采用高速鋼、硬質(zhì)合金和金剛石材料制成。各種修整工具將根據(jù)不同使用要求安裝在相應(yīng)的砂輪修整器上。

1 手動(dòng)砂輪修整器

手動(dòng)修整砂輪原理如圖1所示。螺紋牙型半角由定位塊進(jìn)行調(diào)整，修整頭可以實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。修整尖角形的砂輪時(shí)，金剛筆的位置應(yīng)與修整頭旋轉(zhuǎn)中心對(duì)齊，修整時(shí)金剛筆由尖頂面移向砂輪中心，可以避免砂輪尖頂?shù)膭兟洹?/p>

圖1 手動(dòng)砂輪修整器原理圖

2 液壓自動(dòng)砂輪修整器

如圖2所示，修整桿的運(yùn)動(dòng)是通過液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，經(jīng)齒條、齒輪和端面凸輪（或靠模板）來實(shí)現(xiàn)修整筆的擺動(dòng)，來修整各種三角螺紋和圓弧螺紋。液壓自動(dòng)砂輪修整器有手動(dòng)進(jìn)給、棘輪棘爪液壓自動(dòng)進(jìn)給和數(shù)控進(jìn)給三種結(jié)構(gòu)形式，其中數(shù)控進(jìn)給可實(shí)現(xiàn)修整量的自動(dòng)補(bǔ)償。

液壓自動(dòng)砂輪修整器主要使用單點(diǎn)金剛石筆作為修整工具。

3 數(shù)控砂輪修整器

3.1 國外螺紋磨床制造廠家數(shù)控砂輪修整器應(yīng)用狀況

近十五年來，復(fù)雜異型齒面的螺桿、蝸桿在我國空壓機(jī)、冷凍機(jī)、工業(yè)泵、塑料機(jī)械、減速機(jī)行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。德國 KLINGELINBERG公司HNC35SL、瑞士REISHUAER公司RG2000、英國HOLROYD公司TG150E、日本MITSUI SEIKI KOGYO公司GSE200A、美國DRAKE公司GS：TE等國外著名企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)控螺紋磨床，配備了CNC數(shù)控砂輪修整器，解決了復(fù)雜異型齒面螺紋的成型修整的難題。

3.2 基本工作原理

基于成形砂輪對(duì)工件進(jìn)行磨削加工的機(jī)制，在專用磨床上配備 CNC數(shù)控砂輪修整器，采用數(shù)控成形磨削的方法，建立與成型表面共軛的修整滾輪運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)控裝置，控制砂輪修整器的兩軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，使金剛石滾輪的圓弧中心產(chǎn)生V、W坐標(biāo)方向的移動(dòng)，通過由電主軸驅(qū)動(dòng)的金剛石滾輪把砂輪修成所需的成型表面，如圖 3所示。加工時(shí)砂輪與工件廓形全面接觸，利用專用機(jī)床工作臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng)、精密分度運(yùn)動(dòng)和砂輪的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)控成形磨削，磨削出所需的工件形狀。

圖3 金剛碟輪數(shù)控砂輪修整器

3.3 齒面截型計(jì)算及修型軟件開發(fā)

3.3.1 螺紋型面數(shù)學(xué)模型的建立及計(jì)算方法

通過對(duì)在干涉條件下、變參數(shù)條件下各種螺紋型面軸向或法向截型理論數(shù)學(xué)模型建立及計(jì)算方法的研究，利用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，完成在變參數(shù)條件下砂輪截型的適時(shí)計(jì)算和數(shù)控修整程序的自動(dòng)生成任務(wù)。

3.3.2 修型軟件開發(fā)

在包絡(luò)成型修整原理試驗(yàn)研究及螺紋型面數(shù)學(xué)模型、計(jì)算方法研究基礎(chǔ)上開發(fā)修型軟件，修型軟件功能包括：滾珠絲杠、蝸桿型面及其它一些異型齒面；在磨削蝸桿界面內(nèi)，包括ZA、ZN、ZI、ZK、ZC五種蝸桿類型。軟件在系統(tǒng)管理界面上可方便地生成上述類型的修整程序。

為了保證工件的齒形精度，在程序中設(shè)置了齒形修正功能。在其它因素不變的情況下，可通過調(diào)整參數(shù)來修整砂輪形狀達(dá)到合格的齒形，還可以將左、右齒面兩邊分開進(jìn)行修整。

對(duì)于復(fù)雜截面形狀，根據(jù)用戶的要求，可以將軸向截面形狀轉(zhuǎn)化為法向截面形狀。

圖4所示為用戶給出軸向截面形狀。

圖4 軸向截面形狀

建立參數(shù)方程坐標(biāo)系：

圖5 參數(shù)方程坐標(biāo)系

參數(shù)方程為：

利用數(shù)值方法解出τ后,將式(t, τ)代入螺旋齒面方程：

得到齒面坐標(biāo)點(diǎn)（X,Y,Z）,再利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程得到法向截面方程。

3.4 修整工具應(yīng)用技術(shù)分析

數(shù)控砂輪修整器主要使用滾輪作為修整工具。鋼滾輪和金剛石滾輪是螺紋磨床上一種新型的砂輪修整工具，具有修整砂輪效率高（一般幾秒鐘內(nèi)就可完成），重復(fù)修整精度高，在大批量生產(chǎn)中，修整質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。特別是采用金剛石滾輪能完成其它方法（如單點(diǎn)金剛筆）無法完成的高精度復(fù)雜型面的修整，因此，在磨床上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3.4.1 兩種滾輪在修整砂輪中的應(yīng)用對(duì)比和技術(shù)分析

3.4.1.1 修整方法

兩種滾輪都可以安裝在手動(dòng)進(jìn)給、液壓自動(dòng)進(jìn)給或數(shù)控自動(dòng)進(jìn)給的砂輪修整器上進(jìn)給修整砂輪。在沒有滾壓裝置時(shí)，可把鋼滾輪放在頭、尾架之間，由頭架驅(qū)動(dòng)滾輪（作為主動(dòng)輪）帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)滾壓，實(shí)現(xiàn)砂輪的修整，但滾壓效果差，使用不方便。采用鋼滾輪一般用于多線砂輪修整器，主要用于絲錐和螺紋長(zhǎng)度短的三角螺紋磨削，而且每種螺距和牙型的工件必須配備不同的鋼滾輪。為了保證滾壓多線砂輪的精度，有時(shí)每種螺距還必須備有粗、精兩種鋼滾輪。

采用鋼滾輪修整砂輪是磨床的砂輪電動(dòng)機(jī)通過減速裝置帶動(dòng)砂輪主軸，以72 r/min的低速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，利用摩擦作用帶動(dòng)在修整器上的鋼滾輪旋轉(zhuǎn)，二者旋轉(zhuǎn)方向相反。在滾壓時(shí)通過修整器的進(jìn)給手輪，使?jié)L壓輪與砂輪之間擠壓力加大，當(dāng)此力超過砂輪結(jié)合劑的結(jié)合能力時(shí)，磨粒被碎裂而掉下來。用鋼滾輪連續(xù)不斷地?cái)D壓砂輪，直到砂輪齒形達(dá)到要求為止。

金剛石滾輪一般用于單線或多線磨削時(shí)砂輪的修整，可用于各種螺紋的成形磨削。

金剛石滾輪修整砂輪是通過磨床的砂輪電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)砂輪主軸以正常的工作轉(zhuǎn)速（砂輪線速度一般為35 m/s）旋轉(zhuǎn)，金剛石滾輪由電主軸或電動(dòng)機(jī)通過帶輪帶動(dòng)其高速旋轉(zhuǎn)，二者的旋轉(zhuǎn)方向相反，在一般情況下，通過修整器上的自動(dòng)進(jìn)給裝置實(shí)現(xiàn)砂輪的滾壓修整。

3.4.1.2 修整參數(shù)比較

鋼滾輪修整砂輪時(shí)砂輪轉(zhuǎn)速72 r/min，滾輪自身不轉(zhuǎn)，由砂輪帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。粗修砂輪時(shí)，進(jìn)給量為0.03～0.04 mm；至滾輪齒深2/3處時(shí)改用小進(jìn)給量，為 0 .01～0.02 mm，滾壓到接近全齒深時(shí)，應(yīng)停止粗修。精修時(shí)進(jìn)給量為0.005～0.01 mm，當(dāng)滾壓好全齒深后，為了達(dá)到較高的精度，可停止進(jìn)給，讓砂輪精滾壓數(shù)圈后再停止，并退回鋼滾輪。

金剛石滾輪修整參數(shù)包括：

1)修整數(shù)比q

滾輪與砂輪接觸點(diǎn)的線速度之比。兩者在接觸點(diǎn)線速度方向相同時(shí)，q為正值，稱為順修；反之，q為負(fù)值，稱為逆修。

2)修整進(jìn)給量ar

砂輪每轉(zhuǎn)時(shí)滾輪的徑向進(jìn)給量，單位為μm/r。

3)光修轉(zhuǎn)數(shù)nr：滾輪停止徑向進(jìn)給時(shí)，砂輪轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)，單位為r。

在應(yīng)用金剛石滾輪修整砂輪時(shí)，選用q = 0.7～0.9之間的修整速比，較大的修整進(jìn)給量ar= 20～30 μm/r和光修轉(zhuǎn)速nr= 0的參數(shù)，砂輪能獲得強(qiáng)的磨削能力；選用q = 0.2～0.6之間的修整速比，較小的修整進(jìn)給量是ar= 10～20 μm/r和適當(dāng)?shù)墓庑揶D(zhuǎn)數(shù)，砂輪能磨削出較低的工件表面粗糙度。一般不采用逆修，因?yàn)槟嫘迺r(shí)金剛石滾輪磨損很快，精度也嚴(yán)重受損。

3.4.1.3 滾輪材料和滾輪修整時(shí)間、壽命比較

鋼滾輪一般選用淬硬合金鋼制造。選用的材料有W18Cr4V高速鋼及CrWMn、9Mn2V合金鋼。金剛石滾輪的基體一般選用40Cr材料，輪槽表面為金剛石鍍層。滾輪修整時(shí)間、壽命比較見表1。

表1 兩種滾輪修整時(shí)間、壽命比較

3.4.2 采用滾輪修整時(shí)的注意事項(xiàng)

采用滾輪修整砂輪時(shí)，先將滾輪切入砂輪，然后啟動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)。滾壓完畢后，先停止砂輪，再退回滾輪（注：金剛石滾輪修整時(shí)可以同時(shí)啟動(dòng)砂輪和滾輪）；滾壓時(shí)滾輪的進(jìn)給量不宜過大，避免砂輪梳齒整圈剝落，必須使用大量的冷卻液沖洗砂輪，使修整下來的砂輪磨粒不會(huì)附在滾輪和砂輪的表面上。

4 結(jié)語

國外螺紋磨床制造廠對(duì)螺紋磨削工藝的研究非常深入，特別是對(duì)特殊螺紋的砂輪修整有獨(dú)特的數(shù)控修型軟件。在加工過程中，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到被加工表面存在超差時(shí)，會(huì)自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前砂輪的形狀并控制砂輪修整系統(tǒng)工作。當(dāng)砂輪存在局部破損時(shí)，為了能把破損部位完全修整掉，還配備了超聲檢測(cè)裝置并在修整系統(tǒng)工作過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

砂輪修整器是螺紋磨床的重要部件，砂輪廓形修整的準(zhǔn)確與否將直接關(guān)系到磨削工件的精度及齒形。因此，對(duì)砂輪修整器的研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)。