金屬基圓弧形金剛石砂輪在位精密修整實(shí)驗(yàn)研究*

金國(guó)偉 王 生 趙清亮

（1.上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

隨著科技的進(jìn)步，光學(xué)成像系統(tǒng)朝著高質(zhì)量、高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的方向發(fā)展，光學(xué)自由曲面廣泛應(yīng)用在航空、航天、計(jì)算機(jī)以及數(shù)碼影音等最新的光電產(chǎn)品中，極大改善光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和提高信息傳輸效率[1-2]。超精密制造技術(shù)可直接加工出滿足要求的光學(xué)自由曲面，特別是大尺寸光學(xué)自由曲面，如超環(huán)面、雙錐度系數(shù)曲面、不對(duì)稱(chēng)非球面等采用基于金剛石砂輪的超精密磨削技術(shù)可直接磨削加工到微米級(jí)面形精度和納米級(jí)表面粗糙度[3-4]，這就對(duì)砂輪的在位精密修整提出了更高要求。

由于非回轉(zhuǎn)、非對(duì)稱(chēng)性自由曲面長(zhǎng)時(shí)間、大行程的磨削加工過(guò)程，使得砂輪磨損非常嚴(yán)重，易修整的樹(shù)脂基金剛石砂輪已無(wú)法滿足磨削過(guò)程對(duì)面形精度的要求。金屬基金剛石砂輪具有耐磨性好、結(jié)合強(qiáng)度高、成型性好、使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，但是金屬基砂輪存在修整效率不高、修整后的輪廓精度無(wú)法滿足超精密磨削要求等問(wèn)題，在超精密機(jī)床上更是存在修整工具磨損嚴(yán)重、無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)截面圓弧修整的問(wèn)題。

基于上述分析，本文采用旋轉(zhuǎn)GC磨棒在位精密修整法[5]，首先提出了金屬基圓弧形金剛石砂輪的進(jìn)給補(bǔ)償在位精密修整策略并對(duì)修整路徑進(jìn)行了理論分析，然后通過(guò)在超精密機(jī)床上搭建在位修整系統(tǒng)進(jìn)行修整實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)修整前后砂輪截面圓弧的輪廓精度進(jìn)行在位檢測(cè)，超景深顯微鏡觀察了金剛石磨粒的修整情況，Zygo白光干涉儀觀察了修整后的砂輪截面圓弧修輪廓形貌。

1 金屬基圓弧形金剛石砂輪進(jìn)給補(bǔ)償修整策略

如圖1所示為本文提出的金屬基砂輪截面圓弧標(biāo)準(zhǔn)圓修整的進(jìn)給補(bǔ)償修整路徑的原理示意圖。

圖1 金屬基圓弧形砂輪進(jìn)給補(bǔ)償修整路徑原理示意圖

在YOZ平面內(nèi)的Z軸方向，采用GC磨棒的頂點(diǎn)P和金屬基砂輪的頂點(diǎn)C進(jìn)行對(duì)刀，圓弧插補(bǔ)的初始軌跡半徑R0為：

其中，R為GC磨棒的初始半徑，Sz為Z向?qū)Φ栋簿嚯x（塞尺獲得），r為金屬基砂輪截面圓弧理論修整半徑。

通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)床坐標(biāo)軸系統(tǒng)使得GC磨棒沿Y軸的正向移動(dòng)R0，砂輪沿Z軸的負(fù)向移動(dòng)R0，磨棒到達(dá)初始圓弧插補(bǔ)路徑的起點(diǎn)A處，B為終點(diǎn)，因此圓弧插補(bǔ)路徑的初始Y向位移量Dy0為：

GC磨棒的圓度誤差和砂輪截面圓弧的輪廓誤差使得圓弧插補(bǔ)初始路徑起始位置的安全距離Sy和對(duì)刀位置的安全距離Sz不相等，需用塞尺再次測(cè)量A點(diǎn)處安全距離Sy大小并與Sz比較，根據(jù)較小值來(lái)確定Y向的初次進(jìn)給量，由此可計(jì)算GC磨棒和砂輪能夠相互接觸所需的進(jìn)給次數(shù)。Y向不進(jìn)給，運(yùn)行程序來(lái)檢驗(yàn)初始圓弧插補(bǔ)路徑，當(dāng)GC磨棒再次回到起始位置(A)時(shí)，對(duì)機(jī)床圓弧插補(bǔ)程序進(jìn)行修改，包括設(shè)置進(jìn)給量深度、修改圓弧插補(bǔ)半徑和圓弧插補(bǔ)軌跡的Y向位移量。圓弧插補(bǔ)半徑和Y向位移量分別如式（3）和式（4）所示：

其中，i為進(jìn)給次數(shù)，αp為進(jìn)給深度，Ri第i次進(jìn)給的圓弧插補(bǔ)半徑，Dyi第i次進(jìn)給的圓弧插補(bǔ)Y向位移量。圓弧插補(bǔ)半徑（Ri）和Y向位移量（Dyi）始終保持2倍關(guān)系，因此進(jìn)給補(bǔ)償修整路徑可實(shí)現(xiàn)砂輪截面圓弧的標(biāo)準(zhǔn)半圓修整；機(jī)床程序的Y向進(jìn)給疊加自動(dòng)補(bǔ)償了GC棒的磨損，無(wú)需實(shí)時(shí)測(cè)量磨棒半徑，避免了測(cè)量誤差引導(dǎo)致的軌跡誤差，砂輪截面圓弧修整的輪廓精度高；修整次數(shù)和進(jìn)給量可根據(jù)修整情況合理設(shè)置，修整效率高。

需要指出的是，初次修改完機(jī)床程序的圓弧插補(bǔ)半徑和Y向位移量后，在執(zhí)行程序之前需要根據(jù)Sz和Sy大小決定是否執(zhí)行Z向進(jìn)給補(bǔ)償，規(guī)則如式(5)所示：

其中，αpz為Z向進(jìn)給深度，i0為Y向安全距離所需要的進(jìn)給次數(shù)，i0=Sy/αp。

0＜Sy≤Sz時(shí)，砂輪截面圓弧頂點(diǎn)處的輪廓高于插補(bǔ)路徑的起始位置，因此截面圓弧的頂點(diǎn)處首先被修整到。隨著Y向的進(jìn)給疊加可實(shí)現(xiàn)整個(gè)砂輪截面圓弧的標(biāo)準(zhǔn)圓修整，因此不需要Z向進(jìn)給。

Sz=Sy=0 時(shí)，砂輪截面圓弧頂點(diǎn)處的輪廓低于圓弧插補(bǔ)路徑的初始位置，對(duì)刀位置的安全距離大于初始插補(bǔ)路徑起始位置的安全距離，隨著機(jī)床程序的Y向進(jìn)給疊加，插補(bǔ)路徑起始位置的砂輪區(qū)域首先被修整到。但圓弧插補(bǔ)路徑起始位置 GC棒和砂輪在X方向具有較大的接觸面，因此實(shí)現(xiàn)砂輪截面圓弧的全部修整需要較長(zhǎng)時(shí)間，并且GC磨棒的磨損嚴(yán)重，需頻繁修改程序進(jìn)行Y向進(jìn)給補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)路徑起始位置和砂輪截面圓弧頂點(diǎn)區(qū)域的同時(shí)修整，按照公式（5）所示規(guī)則，計(jì)算進(jìn)給Y向安全距離Sy所需的進(jìn)給次數(shù)i0，并以此計(jì)算Z向進(jìn)給量αpz。初次修改完圓弧插補(bǔ)半徑和Y向位移量后，在每次執(zhí)行程序之前給機(jī)床一個(gè)Z向進(jìn)給量αpz，i0次操作之后，安全距離Sy和Sz均變?yōu)榱恪?/p>

當(dāng)Sz=Sy=0 后，從第i=(i0+1)次進(jìn)給開(kāi)始，Z方向的進(jìn)給深度和Y方向進(jìn)給深度相等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Z向進(jìn)給也補(bǔ)償了GC磨棒的磨損，可提高砂輪的修整的輪廓精度和效率。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 金屬基圓弧形金剛石砂輪在位修整

如圖 2所示為在超精密機(jī)床上搭建的工件在位砂輪修整系統(tǒng)，通過(guò)超精密機(jī)床的多軸聯(lián)動(dòng)使GC磨棒的外緣輪廓始終沿著砂輪截面圓弧輪廓執(zhí)行圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)金屬基圓弧形金剛石砂輪的在位修整。

圖2 金屬基圓弧形砂輪在位修整系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)金屬基砂輪進(jìn)行修整實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本文提出的進(jìn)給補(bǔ)償修整路徑的正確性，其修整條件如表1所示。

表1 修整條件

2.2 金屬基圓弧形金剛石砂輪在位測(cè)量

如圖3所示，激光測(cè)微儀（Keyence LK-G5000）沿Y方向移動(dòng)砂輪厚度來(lái)直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)中的砂輪截面圓弧輪半徑。激光測(cè)微儀的采樣頻率 1kHz，濾波器模式的移動(dòng)平均數(shù)為 1，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量 1200萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，機(jī)床Y向的進(jìn)給速度為6 mm/min。通過(guò)擬合和分析測(cè)量數(shù)據(jù)，獲得砂輪的截面圓弧輪廓和截面圓弧半徑。金屬基砂輪表面金剛石磨粒的修整情況采用超景深顯微鏡觀察，并用Zygo白光干涉儀觀察修整后的砂輪截面圓弧修輪廓形貌。

圖3 金屬基圓弧形砂輪在位測(cè)量系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 金屬基砂輪修整效果

圖4顯示了金屬基D46金剛石砂輪的修整效果。如圖4（a）所示，修整前取樣值不規(guī)律的分布在擬合圓弧的兩側(cè)，并且部分取樣值呈現(xiàn)鋸齒狀排布或局部區(qū)域存在凸起，修整后取樣值分布情況的均一性以及與擬合圓弧的吻合程度明顯提高，如圖4（b）所示。如圖4（c）和（d）所示，輪廓誤差從修整前的34 μm下降到修整后的18 μm。修整后的砂輪輪廓精度得到明顯提高。

圖4 D46金屬基圓弧形金剛石砂輪修整效果

3.2 金屬基砂輪表面修整形貌

圖5為超景深顯微鏡下D46金屬基砂輪整形后的金剛石磨粒。如圖5（a）所示，利用本文提出的進(jìn)給補(bǔ)償修整路徑并通過(guò)設(shè)置合理的修整工藝參數(shù)，D46金屬基砂輪表面凸起過(guò)高的金剛石磨粒被修平，這有助于砂輪輪廓精度的提高，并且被修平的金剛石磨粒邊緣呈現(xiàn)出鋒利的切削刃，少數(shù)被修平的金剛石磨粒頂部和邊緣存在裂紋，但這并不會(huì)降低砂輪的磨削性能，反而有助于磨削表面質(zhì)量的提高。然而，進(jìn)給補(bǔ)償和進(jìn)給速度過(guò)大容易造成金屬基砂輪表面金剛石磨粒的大量脫落和宏觀斷裂，只有少數(shù)金剛石磨粒被修平，金屬結(jié)合劑存在被修整的明顯痕跡，如圖5（b）所示。因此，修整工藝參數(shù)的合理設(shè)置是通過(guò)進(jìn)給補(bǔ)償修整路徑實(shí)現(xiàn)金屬基砂輪精密修整的關(guān)鍵。

圖5 D46金屬基砂輪表面修整形貌

如圖6所示為D46金屬基弧形金剛石砂輪修整后的表面輪廓形貌。如圖6（a）所示，修整后的砂輪表面形貌無(wú)大的高低起伏，地勢(shì)平坦，金剛石磨粒的出露高度一致性好，凸起較高的金剛石磨粒已被修平，當(dāng)然也可觀察到磨粒脫落現(xiàn)象。同時(shí)，圖6（b）顯示表面輪廓波動(dòng)誤差為18 μm，與數(shù)據(jù)擬合結(jié)果吻合，說(shuō)明修整后的 D46金屬基圓弧形砂輪的輪廓精度和磨削性能得到明顯提高。驗(yàn)證了本文提出的金屬基圓弧形金剛石砂輪進(jìn)給補(bǔ)償修整策略的正確性和可操作性。

圖6 弧形金剛石砂輪表面輪廓形貌

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于旋轉(zhuǎn)GC磨棒在位精密修整法，提出了金屬圓弧形砂輪進(jìn)給補(bǔ)償修整策略，實(shí)現(xiàn)了金屬基砂輪的在位精密修整。進(jìn)給疊加自動(dòng)補(bǔ)償了GC棒的磨損，無(wú)需實(shí)時(shí)測(cè)量磨棒半徑，避免了測(cè)量誤差導(dǎo)致的軌跡誤差，砂輪截面圓弧輪廓的修整精度高，同時(shí)修整次數(shù)和進(jìn)給量可根據(jù)修整情況合理設(shè)置，修整效率高。通過(guò)在超精密機(jī)床上搭建在位修整系統(tǒng)，并對(duì)D46金屬砂輪進(jìn)行修整實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的金屬基圓弧形金剛石砂輪進(jìn)給補(bǔ)償修整策略的正確性和可操作性。特別的，本文提出的圓弧形砂輪進(jìn)給補(bǔ)償修整策略不僅限于金屬基砂輪，同樣也可適用于樹(shù)脂基、混合基圓弧形砂輪的在位精密修整，以此來(lái)提高修整效率、修整精度和簡(jiǎn)化修整過(guò)程。