圆弧形金刚石砂轮的数控对磨成形修整试验00

Abstract：Due to the operation difficulty and equipment complexity of precision form truing of arc-shaped diamond grinding wheel, a new NC mutual-wear form truing was proposed. In this form truing, wheel is driven along arc interpolation path to grind GC stone and then arc-shaped wheel profile is gradually formed. It is used for curve grinding of super-hard materials. On the base of establishing control mode of formation radius of arc-shaped diamond grinding wheel, effect of wheel position error relative to GC stone was analyzed on form error of trued arc-shaped profile of grinding wheel. In addition, evaluation indexes of truing accuracy and truing ratio were intruded, and then truing accuracy and truing ratio were investigated by L9(34) orthogonal test with reference to wheel rotate speed, moving speed and depth of cut. Analytical results of NC form truing show that the profile radius of arc-shaped grinding wheel may be regulated by changing arc interpolation radii in NC mutual-wear form truing, which can suit for curve form grinding of different curvature, and form error is not larger than 5 µm/10 mm when position error between grinding wheel and GC stone is less than 0.1 mm. Experimental results of form truing show that wheel speed and wheel moving speed mainly influence truing accuracy and truing ratio respectively. Otherwise, truing accuracy and truing ratio may be simultaneously improved with increasing wheel speed, but truing ratio is enhanced and truing accuracy may be destroyed with increasing wheel moving speed. When optimal truing conditions are selected, form error of 25.1 µm / 8 mm and truing ratio of 7.31×10–3 mm3/mm3 may be obtained respectively, enhancing truing accuracy by 2~3 times and truing ratio by about 7 times respectively. Key words：Diamond grinding wheel Form truing Arc interpolation Form error Truing ratio
期 2007 年 2 月
谢 晋等：圆弧形金刚石砂轮的数控对磨成形修整试验
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以及维持稳定的磨削性能[2-7]。但是，圆弧形金刚石 砂轮精密修整困难是亟待解决的难题[3,8]。
砂轮的圆弧形轮廓通常采用金刚石修整笔修 整，但仅限于硬度较低的白刚玉砂轮和碳化硅砂轮。 因此，国外学者研究出往复式圆弧旋转的杯石修整 法 [2-3] 和 在 线 电 解 修 整 法 (Electrolytic in-process dressing，ELID)[4]。这两种方法可以对金刚石砂轮 进行圆弧形轮廓的精密修整，用于超硬材料的曲面 精密加工。但是，前者需要附加往复式圆弧转动的 控制装置，后者需要复杂的数控装置和有污染的电 解液控制砂轮与电极间的电化学作用。这些会带来 技术性高和维护成本高的问题，而且只能修整固定 的砂轮圆弧形轮廓半径，加工灵活性较差，所以限 制了应用范围。
其圆心分别为 O1 和 O2，其半径分别为 r1 和 r2。根
据式(3)，r1 和 r2 为
r1
=
B
+
B B0 −
2 pe
R0
(4)
r2
=
B
+
B B0 +
2 pe
R0
(5)
因此，在修整试验中，需要精确确定砂轮与磨 石的相对位置。在数控对磨成形修整前，首先将 GC 磨石的侧面与砂轮侧面接触，并使其相互平行，然 后采用游标卡尺检测磨石的实际宽度，最后根据砂 轮宽度和磨石宽度计算出砂轮与磨石的相对位置。
此外，当采用 GC 磨石修整超硬的金刚石砂轮 时，会消耗大量的磨石，导致修整效率非常低，而 且修整精度很难控制。如何提高金刚石砂轮的成形 修整效率和修整精度是实现产业应用的关键。作者 对金刚石砂轮圆弧形轮廓的数控对磨成形修整进行 理论分析和试验研究。首先，建立成形修整的数控 模式，其次，分析定位误差与修整精度的关系，然 后，建立修整精度和修整效率的评价指标，即形状 误差和修整率，最后，通过正交试验系统分析砂轮 转速、行走速度和进给深度对修整精度和修整率的 影响，确定适宜的修整工艺及参数。
1 数控对磨成形修整原理分析
1.1 砂轮圆弧形轮廓半径 图 1 为金刚石砂轮与 GC 磨石对磨修整的示意
图。在 CNC 系统中驱动转速为 N 的金刚石砂轮沿 砂轮轴向的圆弧插补行走轨迹进行往复运动，且逐 渐沿垂直方向进给。当以一定的切深切入 GC 磨石 时，砂轮与磨石间发生相互磨耗，金刚石砂轮逐渐 被修整成圆弧形轮廓。
Experiment on CNC Arc Truing of Diamond Grinding Wheel by Mutual Wear
XIE Jin DANG Ximin
(School of Mechanical Engineering,hnology, Guangzhou 510640)
在实际修整中，砂轮的宽度和磨石的宽度的检 测误差可以控制在 0.1 mm 以内，因此，从图 4 的结 果可知道，造成砂轮圆弧形轮廓的最大形状偏差小 于 5 µm / 10 mm。
2 数控对磨成形修整试验
2.1 试验设备和试验条件 图 5 为成形修整用的三坐标 CNC 磨床。在修
整中，采用#180 GC 磨石与#180 金刚石砂轮对磨， 行走轨迹为圆弧插补运动。修整条件如表 1 所示。
0 前言
陶瓷、光学玻璃、硬质合金等超硬材料的曲面
∗ 国家自然科学重点基金(50436010)、教育部留学回国人员科研启动基金 和广东省自然科学基金(05300140)资助项目。20070310 收到初稿， 20070927 收到修改稿
成形精密及超精密加工依赖于金刚石砂轮的磨削技 术。传统的数控磨削方法是利用 V 形砂轮的固定顶 点在数控行走轨迹下对工件进行加工[1]。但是，在 单一的磨削点处容易发生磨粒磨钝、堵塞和脱落， 很难保证大尺寸曲面的加工精度和表面质量。因此， 开始利用圆弧形砂轮断面上磨削点逐个参与磨削， 这样可以减小砂轮磨耗，保证加工曲面的形状精度
偏离一定距离 pe，即砂轮相对于磨石存在定位误差 pe。因为砂轮与磨石相互对磨的位置发生变化，所 以砂轮修整后圆弧形轮廓与理论的形状产生偏差。
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机械工程学报
第 44 卷第 2 期期
图 3 显示了砂轮定位误差与形状偏差的几何关
系。因为砂轮与磨石间存在定位误差，所以实际砂
轮圆弧形轮廓以砂轮中心线为界被分成两段圆弧，
r
=
B
B + B0
R0
(3)
式中 B ——金刚石砂轮的轴向宽度
B0 ——GC 磨石的宽度 从式(3)中可以看到，砂轮和磨石的宽度为事先
设定的常数值，因此，只需要改变圆弧插补运动半
径 R0，就能够修整出不同半径的砂轮圆弧形轮廓， 适用于多种曲率的曲面成形磨削加工。
1.2 定位误差和修整形状偏差
在修整过程中，假如砂轮中心线与磨石中心线
第 44 卷第 2 期 2008 年 2 月
机械工程学报
CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vo l . 4 4 N o . 2
Feb.
2008
圆弧形金刚石砂轮的数控对磨成形修整试验*
谢 晋 党希敏
(华南理工大学机械工程学院 广州 510640)
摘要：针对圆弧形金刚石砂轮精密修整的操作困难和装置复杂的问题，提出一种新的数控对磨成形修整方法。在该成形修整 中，金刚石砂轮被驱动沿着圆弧插补运动轨迹与 GC 磨石对磨，逐渐形成砂轮的圆弧形轮廓，用于超硬材料的曲面磨削。在 建立砂轮圆弧形轮廓的数控修整模式的基础上，分析定位误差与修整形状偏差的关系。此外，建立修整精度和修整率的评价 指标，进行正交试验，研究修整工艺参数，即砂轮转速、行走速率和进给深度，对修整精度和修整率的影响。对该数控修整 模式分析表明，在该数控对磨成形修整中不同半径的砂轮圆弧形轮廓能够被修整成形，可用于不同曲率的曲面磨削。同时， 当定位误差在 0.1 mm 以内时，最大的修整形状偏差不超过 5 µm/10 mm。成形修整试验结果显示，影响修整精度和修整率的 主要修整工艺参数分别为砂轮转速和行走速率。增加砂轮转速可以同时改善修整精度和修整率；增加行走速率会提高修整率， 但会降低修整精度。此外，采用适宜的修整工艺，目标形状误差和目标修整率可以分别达到 25.1 µm/8 mm 和 7.31×10–3 mm3/mm3，分别提高修整精度 2～3 倍和修整率约 7 倍。 关键词：金刚石砂轮 成形修整 圆弧插补 形状误差 修整率 中图分类号：TG580.6