無心磨床貫通磨削的氣動測量控制

黃文呈（龍巖學(xué)院　機電工程學(xué)院，福建　龍巖　364012）

?

無心磨床貫通磨削的氣動測量控制

黃文呈
（龍巖學(xué)院機電工程學(xué)院，福建龍巖364012）

摘要：在無心磨床上進(jìn)行貫穿磨削時，測量對于砂輪的調(diào)整以及對磨削質(zhì)量的控制起到了關(guān)鍵的作用，采用無接觸和高壓氣動力學(xué)原理來進(jìn)行測量，可以有效的提高測量的精度，保證工件加工質(zhì)量.文章闡述了無心磨床貫穿磨削的氣動測量控制裝置及其測量系統(tǒng)，對提高磨削加工精度和工件質(zhì)量具有較強的現(xiàn)實意義.

關(guān)鍵詞：磨削；測量；無接觸；高壓氣動學(xué)

無心磨床外圓磨削是一種適用于大批量磨削工件外圓的一種加工方法,該磨削的特點是實現(xiàn)了強力、高速和寬砂輪進(jìn)行磨削，磨削加工過程中工件無需中心夾緊，只需要將被加工工件放置在磨削砂輪與導(dǎo)輪之間，依托與托板之上，通過磨削砂輪與導(dǎo)輪高速旋轉(zhuǎn)從而帶動了工件的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了磨削加工.對于小直徑的工件，無心磨床也可以方便的進(jìn)行強力磨削，因為可以把小直徑工件的整體或要磨削的部分放在托板上加工，從而避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力.利用無心磨床的這個特點，采取了其高效經(jīng)濟的優(yōu)點,也非常適合小批量進(jìn)行生產(chǎn).通過簡單快速的調(diào)整磨床來加工不同工件成為無心外圓磨床的一個重要特征.無心外圓磨床從加工方式上可分為貫穿磨削和切入磨,對于磨削直徑大于非磨削直徑的圓柱形工件或者等直徑的圓柱形工件都可以采用貫穿磨削的方式進(jìn)行加工.在貫穿通磨削方式下，工件磨削穩(wěn)定可靠.并且因為可以在磨削時裝卸工件，因此可以極大的提高磨削的效率.

1　無心磨床貫通磨削測量的方法

1.1機械式

機械式，采用了接觸式測量方法原理來實現(xiàn)對工件直徑的直接測量，主要有摩擦輪法、卡規(guī)法和采用專門設(shè)計的測量機構(gòu)等，多數(shù)情況下在車削和磨削中得到采用[1].摩擦輪法中，工件材料、是否有相互的打滑以及工件直徑都是影響測量精度的重要因素，因此其測量精度不高，約為10mm，但其數(shù)據(jù)處理簡單，測量范圍大的優(yōu)點也被廣泛使用；卡規(guī)法中，接觸點的磨損是影響測量精度的最主要因素，并且其安裝較為不便，且需要以標(biāo)準(zhǔn)件為基準(zhǔn)安裝，測量準(zhǔn)確度可達(dá)0.5mm；采用專門設(shè)計的測量機構(gòu)，其頻響低，準(zhǔn)確度低，但其優(yōu)點是對環(huán)境條件的要求不高.

1.2超聲波式

此方法采用了超聲波傳感器的原理，屬于非接觸式測量，測量誤差為4-5mm，在加工中，其測量準(zhǔn)確度幾乎可以不受到切削液的影響，可以有切削液的加工環(huán)境下在線的直接測量工件的直徑，所以也是一種有實用的在線測量方法.用三點法間接測量圓度、工件直徑、圓柱度等多項數(shù)據(jù)效果良好.其存在的問題是穩(wěn)定性較差，有待進(jìn)一步的提高.

1.3電子式

此方法采用用電容傳感器和電感傳感器，也屬于間接式測量方法.測量誤差為微米數(shù)量級，多用于在車削中間接測量工件直徑、圓度、圓柱度.由于該方法結(jié)構(gòu)體積大，再加上在測量過程中不能保證間隙在傳感器測量范圍內(nèi)，應(yīng)用受到很大限制.

1.4氣動式

用氣動傳感器，屬于非接觸測量，由于氣流能吹干凈測量區(qū)的切削液和切屑，可以在有切削液的車削中直接測量工件直徑包括外徑和內(nèi)徑，并且測量小直徑較方便，缺點是測量間隙不能超過0.0254mm，否則測量準(zhǔn)確度受到影響.

在無心磨床上進(jìn)行貫穿磨削，其磨削質(zhì)量的高低取決于磨削砂輪的安裝精確度，而測量是重調(diào)或微調(diào)砂輪的基礎(chǔ).為保證測量的精細(xì)，其先決條件是磨削工件和測量值傳送器盡可能地不振動.要做到這一點就需要把具有氣動機械測量元件、或電子—機械測量元件的控制測量頭、裝在出料口緊靠著砂輪之后，或者裝在有效的測量地點.但如何正確安裝，又取決于測量頭的結(jié)構(gòu)尺寸以及加工材料磨削顆粒和磨削液對其的影響.對磨削質(zhì)量的測量是用機械方法進(jìn)行、用電子的或氣動的方法分辨，信號放大后指示出來，通過電子放大器或氣動放大器的輸出元件傳送到機床的控制元件上.

2　測量值傳送系統(tǒng)的安裝

測量值信號傳送系統(tǒng)有多種裝法；其一：是單個的測量值傳送器以工件的導(dǎo)行槽為測量基準(zhǔn).其二：是單個的測量值傳送器以一硬質(zhì)合金表面為測量基準(zhǔn)，這時傳送器和測量基準(zhǔn)裝在一彎架中，彎架具有彈性支承，能抵消偶而發(fā)生的工件振動.其三：是在環(huán)形支架上裝兩個測量值傳送器（相距180°）或三個測量值傳送器（相距120°），支架也具有彈性支承，以補償工件振動（棒料磨削）；其中的傳送器接到一測試線上，再調(diào)整傳送比和“0”時靠指尖感覺.其四：是在大批生產(chǎn)中應(yīng)用氣動高壓噴嘴測量環(huán)，裝兩個測量噴嘴（相距180°）或三個測量噴嘴（各相距120°），為了防止工件卡住，裝了一個進(jìn)口錐管.噴嘴測量環(huán)的測量范圍達(dá)50—100μm，視所用的測量原理而定，此裝置測量的直徑最小可至5mm左右.缺點是要用大量的測量環(huán)和調(diào)節(jié)桿，因此費用大，并且受氣動測量工具制造廠供應(yīng)時間的限制.

在無心磨削時，應(yīng)盡可能地做到測量時無接觸和用高壓氣動力學(xué)原理工作.上述四種方法中以“噴嘴測量環(huán)”能很好地滿足這些要求，其噴嘴與工件導(dǎo)行件有一定的距離（安全距離），但是它需要昂貴的帶校正裝置的懸掛裝置，附加的進(jìn)口錐管，它與測量環(huán)構(gòu)成一個單元，因此無法應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴測量環(huán).

3　測量控制

3.1砂輪之間測量

如果測量點在砂輪之間，則測量裝置原理如圖1所示.圓棒式測量值傳送器上有開口噴嘴和精調(diào)節(jié)件，利用簡單的支架進(jìn)行軸向、切向和徑向的粗調(diào)節(jié)，橫向調(diào)節(jié)用燕尾導(dǎo)行槽，高度調(diào)節(jié)用螺桿，高度的精調(diào)節(jié)件裝在測量值傳送器上.測量裝置安裝地點視磨床結(jié)構(gòu)而定，如果調(diào)整輪是固定的，就裝在調(diào)整輪的保護(hù)罩上，如果砂輪和調(diào)整輪同時調(diào)節(jié)，就裝在機床前面的支承面上.這種測量方法原則上可以應(yīng)用差壓法或動壓法的圓棒式測量值傳送器.掌握測量值可用氣柱儀或圓刻度儀.如果要控制機床，這些儀器必須裝備電觸點、繼電器板以及控制磨削中斷過程的延時裝置,如圖2所示.

圖1　在無心磨床砂輪之間進(jìn)行氣動測量控制的原理簡圖，測量值傳送器以導(dǎo)行件為測量基準(zhǔn)

圖2　動壓式控制儀測量原理

3.2磨削中斷測量

除了工件的加工表面上有磨削中斷的地方以外，在對一組工件進(jìn)行無心磨削時，各個工件之間還會產(chǎn)生或長或短的磨削中斷過程，因為各工件之間是間隔一定距離通過砂輪的.測量噴嘴在這個間隔中完全放氣，指示儀上就傳出“太小”的命令，使得砂輪往后退，盡管這時工件尺寸是準(zhǔn)確的.為了防止發(fā)出這種錯誤的命令，在控制儀中裝了一個節(jié)流閥，可以無級調(diào)節(jié)延時值，由此測量值的壓力降就延遲了，磨床在一定的時間以后才接到命令，這―定的時間決定于壓力降的速度[2].加工竹節(jié)式的軸或控制活塞時，被測表面之間有一些空檔，也可以用這個方法跳過.

3.3表面粗糙度對測量的影響

用開口噴嘴進(jìn)行氣動測量時，和在用接觸量桿時的掩蔽噴嘴相反，表面粗糙度在大于3μm左右時能一起測出來.測量的不可靠性與表面粗糙度成正比地增大.

圖3　指示精度和粗糙度的關(guān)系

在無心磨削時這種誤差大多可以略而不計，把這種誤差或者算在公差之內(nèi)，或者算在儀器的最大不準(zhǔn)確度之內(nèi)，對測量沒有影響.在粗糙度大的粗磨中，直徑公差在0.1—0.3mm之間，在精磨中要盡量使粗糙度低于3μm，粗糙度在4或5μm時，確定測量精度和粗糙度之間關(guān)系時可將圖3作為參考曲線.測量誤差可以通過零點調(diào)節(jié)來校正[3].

3.4動壓系統(tǒng)

裝壓力—時間延遲裝置的測量控制到目前為止只能在動壓法中實現(xiàn).

3.4.1回壓控制

在動壓法中，沒有從噴嘴噴出去的空氣（回壓）聚集在一個壓力噴嘴中.這個噴嘴充滿空氣，將它的膨脹運動通過一板條機構(gòu)傳給指針的驅(qū)動輪.指針在圓刻度上指出的值相當(dāng)于測量噴嘴和工件之間的距離，其比例可以無級調(diào)節(jié).與這個壓力噴嘴并聯(lián)的其他壓力噴嘴用于信號分析，它們之間用杠桿系統(tǒng)相連，在達(dá)到信號點時，杠桿系統(tǒng)的觸點與可以分別調(diào)節(jié)的小接觸支臂互相接觸.分開的調(diào)節(jié)按鈕可以分別調(diào)節(jié)每一個開關(guān)觸點，可以調(diào)節(jié)的點有2—5個，視結(jié)構(gòu)而定，觸點接通以后，繼電器發(fā)生作用.

控制件的任務(wù)是：①用信號燈掌握極限值；②預(yù)報信號掌握極限值，信號有：“廢品”、“好”，“太大”.在無心磨床上，最佳的解決辦法是用預(yù)報信號進(jìn)行“進(jìn)退控制”，在加工比較簡單的工件時，轉(zhuǎn)換點可以調(diào)節(jié)到刻度的任意位置上.在調(diào)節(jié)時，用一輔助噴嘴將指針調(diào)節(jié)到所要求的開關(guān)位置上，并轉(zhuǎn)換旋鈕一直轉(zhuǎn)到信號燈光變化并發(fā)出開始命令為止.

3.4.2高壓氣動測量

壓縮空氣由廠內(nèi)的輸氣網(wǎng)輸送到一供氣裝置上，可以用5—10kg/cm2的壓力，由一減壓器降低至5±0.5kg/cm2.空氣經(jīng)過過濾后，由一高壓導(dǎo)管通到控制裝置中的空氣穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器中，穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器向控制裝置供應(yīng)的氣壓為1.5kg/cm2±0.3%，利用一個輔助輸出件可在沒有調(diào)節(jié)件的情況下使穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器向兩個控制裝置供氣.

因為測量值傳送器的測量范圍達(dá)到50—500μm，并且采用了比例為600：1—6000：1，可以無級調(diào)節(jié)的測頭噴嘴，所以同一傳送器和控制裝置可適用于無心磨床貫通磨削的各種測量控制任務(wù)，只需調(diào)換刻度盤和調(diào)節(jié)傳送器傳送比.

測量值傳送器可以用于粗磨，也可用于精磨，這種噴嘴的特性可以保證在200μm左右的范圍內(nèi)指示值保持線性，測量不準(zhǔn)確度為2μm.對線性有影響的大多不是由于采用差壓系統(tǒng)或動壓系統(tǒng)，而是由于氣柱儀（高壓）或圓刻度儀（高壓）與氣柱儀指示管相比，圓刻度儀的壓力噴嘴能在較大的范圍內(nèi)保持較小的線性公差.利用非線性的刻度可以達(dá)到更大的測量范圍，500μm，測量不準(zhǔn)確度增大至10μm.

3.5校準(zhǔn)

校準(zhǔn)時用兩個塊規(guī)，它們之間的距離相當(dāng)于整個的刻度值，例如100μm或200μm.將傳送器從支架上取下來，但不拆斷它與指示裝置之間的空氣管道.校準(zhǔn)工作在磨床旁的測試臺上進(jìn)行.

校準(zhǔn)過的傳送器重新裝到機器上去時用一個調(diào)整塊調(diào)節(jié)，這個調(diào)整塊考慮到噴嘴與工件之間的安全距離.工件隨著旋轉(zhuǎn)的砂輪送進(jìn)，使測量狀態(tài)由靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài).在靜態(tài)測量時，氣流是對稱的，當(dāng)工件在傳送器下運行時，氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn).這個作用對于調(diào)節(jié)好的傳送比沒有影響，而調(diào)節(jié)好的規(guī)定尺寸卻與磨削速度成正比地變化，必須根據(jù)檢驗出來的實際尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)[4].冷卻劑的壓力可以略而不計，因為測量值傳送器處于高壓之下，被測表面上不會起泡.

3.6棒料磨削測量

棒料磨削時的測量裝置有兩種：

①如果磨床粗磨結(jié)果良好，以100μm刻度作為極限值范圍就夠了；如果要精磨到h6，刻度范圍應(yīng)為-30/＋70μm或―20/＋80μm，則測量值傳送器可以在同樣的位置（零點調(diào)節(jié)）用于粗磨和精磨，也就是在精磨時無需重新調(diào)整；工件直徑較大時，用200μm的刻度.

②如果磨床性能較差，則必需進(jìn)行重調(diào)，或者用兩套測量范圍不同的控制儀器，并用兩個傳送器分別固定地與—臺控制裝置相連，以免需要在調(diào)換控制裝置時重新校準(zhǔn).

4　結(jié)束語

磨削加工是機械加工的主要方法之一，磨削加工在很多情況下是工件加工的最終―道工序，因此磨削精度對加工工件的最終精度有直接的影響，測量精度的不準(zhǔn)確將導(dǎo)致加工質(zhì)量的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生廢品.無心磨床的加工過程是個復(fù)雜的變化過程，加工精度受到多種因素的影響.采用了無接觸和高壓氣動力學(xué)原理來進(jìn)行的測量，極大的提高了測量的精度，從而保證了工件的加工精度和加工質(zhì)量.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕趙世華.金屬切削機床[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.

〔2〕趙月望.機械制造技術(shù)實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

〔3〕張榮清.模具設(shè)計與制造[M].北京：高等教育出版社，2003.

〔4〕徐慶莘.機械加工工業(yè)基礎(chǔ)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

收稿日期：2015-11-30

中圖分類號：TH-3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0060-03