成形砂轮高精度修整技术研究

２０１１年９月　机床与液压　ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｓｅｐ．２０１１　第３９卷第１７期　Ｖ０１．３９　Ｎｏ．１７　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１１．１７．０１２　成形砂轮高精度修整技术研究　张兆祥　，王金淦　张四弟　，左键民　，　（１．南京工程学院，江苏南京２１１１６７；２．　江苏技术师范学院，江苏常州２１３００１）　摘要：介绍成形磨齿的原理与现状。分析数控插补修正砂轮中金刚石工具自身形状误差对砂轮修整精度的影响；并提　出相应的解决措施，即在修整过程中，通过工具的旋转，以保持工具与砂轮间实际修整作用点不变，从而消除工具误差对　砂轮修整精度的影响。并设计出具体修整装置。实践表明：采用该方法不仅可以保持高的工作精度，而且可以延长工具的　使用寿命。　关键词：数控成形磨齿；砂轮修整；法向修形；精度　中图分类号：ＴＨ１６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１１）１７—０３９—３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ－ａｃｃｕｒａｃｙ　Ｄｒｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｆｏｒｍ　Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　Ｗｈｅｅｌ　ＺＨＡＮＧ　Ｓｉｄｉ　，ＺＵＯ　Ｊｉａｎｍｉｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈａｏｘｉａｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇａｎ　（１．Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１　ｌ　１６７，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２　１　３００　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍ　ｇｅａｒ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｗｈｅｅｌ　ｄｒｅｓｓｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｔｏｏｌ　ｏｎｅｓｅｌｆ　ｓｈａｐｅ　ｅｒｒｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｔｅｒｐｏ－　ｌａｔｉｏｎ　ｄｒｅｓｓｉｎｇ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｗｈｅｅ１．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ—ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｌｕｅｎｃｅ，ｔｆｎｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｓｃｈｅｍｅ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｆａｃｔ　ｄｒｅｓｓｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ａｎｄ　ｗｈｅｅｌ　ｗａｓ　ｉｎｖａｒｉａｂｌｅ，ｂｙ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｏｆ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｒｏｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅ—　ｓｕｈｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｌｉｆｅ　ｉｓ　ｐｒｏｌｏｎｇｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＮＣ　ｆｏｒｍ　ｇｅａｒ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ；Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｗｈｅｅｌ　ｄｒｅｓｓｉｎｇ；Ｎｏｒｍａｌ　ｓｈａｐｅ　ｄｒｅｓｓｉｎｇ；Ａｃｃｕｒａｃｙ　随着科技进步和生产的发展，作为重要工业基础　目前在成形磨齿　砂轮旋转主运动　零件的齿轮向着高速、高性能、低噪声、高可靠性发　展，几乎所有的高速齿轮都要求高精度、硬齿面，并　且齿廓和齿向修形。磨齿技术可以加工硬齿面齿轮，　并且可以全面纠正齿轮磨削前的各种误差，最终获得　高的加工精度，因此近年来得以迅速发展。成形磨齿　不仅机床结构简单，而且具有良好的适应性，磨削精　度、效率高，稳定性好，尤其对大模数、少齿、修缘　类齿轮的精加工具有十分明显的优势。而实现高精度　成形磨齿的关键技术之一就是成形磨具的精度。　中采用的磨具主要有　两类：　一类为不可修整　电镀ＣＢＮ砂轮，以精　密磨制的淬火钢为基　体材料，以镍为结合　剂外镀粒度均匀一致　的ＣＢＮ晶体形成一层　极薄的切削层，砂轮　导热性好，结合强度　１　成形磨齿原理与概况　成形磨齿采用与齿轮齿槽相应形状的成形磨具，　通过单齿分度、径向切入、轴向走刀实现全齿宽的齿　形磨削，机床的主要运动有砂轮的旋转主运动和径向　进给运动、工件的轴向进给和分度运动等，如图１所　示。可见，成形磨齿直接将磨具截面的形状复映到工　件上形成工件齿廓，工件齿廓的精度主要由磨具截面　的精度所决定。　高，在整个寿命期内　图１成形磨齿原理　型线精度保持性好，　高速磨削效率极高，且具有很长的精度寿命，适合于　大批量生产。　另一类为可修整砂轮，如微晶氧化铝ｓＧ诺顿砂　轮和普通优质氧化铝砂轮等，这类砂轮在磨削过程中　自身磨耗大，不但磨削能力下降，而且型线精度也无　收稿日期：２０１０—０８—１５　基金项目：江苏省高校科研成果产业化推进项目（ＪＨ０８—１　１）；江苏省科技支撑计划项目（ＢＥ２００９０４０）；江苏省六大人才高　峰资助项目　作者简介：张四弟（１９６４一），男，研究员级高级工程师，现从事机电自动化装备的开发研究和数控技术应用培训教学等工　作。Ｅ—ｍｍｌ：ｚｈａｆａ８８＠ｓｉｎａ．ｅｏｍ。　．　・４０・　机床与液压　第３９卷　法保持稳定，因此机床必须配套砂轮修整装置，以　便及时进行砂轮在线修整以保证磨齿精度，适合于各　种批量的生产。　２砂轮修整技术与精度分析　以可修整砂轮为磨具，可以通过与机床配套的砂　轮修整装置对砂轮进行在线修整，方便灵活地满足生　产要求，成为成形磨齿的主流，而砂轮的修整精度也　就成为其核心问题。砂轮修整可以通过控制金刚石笔　或金刚石滚轮对砂轮的修整轨迹，将砂轮修整成与齿　轮齿槽相应的形状。目前数控技术的发展及其在机床　上的应用已经十分成熟，从原理上讲，砂轮截面的修　整只是一个平面运动而已，只需一个两轴插补装置就　可以实现任意线型的修整。　如图２（ａ）所示，当采用两轴数控插补装置对砂　轮截面形状进行修整时，为了消除工具头部圆角半径　的影响，可以引用数控车削加工中的刀尖半径补偿技　术，使得工具头部圆角中心在偏离编程轮廓（设计　修整轮廓）一个工具头部圆角半径的等距线轨迹上　运行，这样实际修整轮廓是由工具头部圆弧在不同位　置包络而成。如果工具头部是理想规则的圆弧，则没　有理论修整误差，实际修整轮廓与设计修整轮廓将完　全吻合，可以较好地满足一般精度修整的要求。　修整　工具头　修整工具头　（ａ）理论情况　（ｂ）实际情况　图２两轴插补砂轮截面修整　从图２（ａ）可以看出，在对曲线修整过程中，　工具在不同位置的有效作用点，即刀切点（图中Ａ、　曰、ｃ）处于修整曲线的法向位置，其在工具上的位　置是变化的。而实际工具头部形状不可能是绝对理想　的圆弧，由于工具制作本身以及使用中的不均匀磨损　消耗等原因，工具头部圆弧实际上将是不规则的，如　图２（ｂ）所示。当这样不规则的工具通过半径补偿技　术进行工作时，由于工具上实际刀切点（图中Ａ、Ｂ、　Ｃ）位置的改变，导致工具实际修整有效作用半径的　改变，结果使得实际修整轮廓偏离设计修整轮廓，造　成修整轮廓误差，而且这一轮廓误差同样是不规则　的，无法通过调整工具补偿数据加以消除。　因此，采用半径补偿技术只能消除工具头部圆弧　半径对修整精度的影响，而并不能消除工具头部圆弧　本身的形状误差对修整精度的影响。在这种情况下进　行砂轮修整，不仅要求工具头部有高的制作精度，而　且还要求保持这种精度，工具在使用过程中的磨损将　直接影响修整精度，工具的使用寿命将由修整精度决　定而受到限制。　为了进一步提高修整精度，延长工具使用寿命，　必须采取相应措施，消除工具头部圆弧形状误差对修　整轮廓精度的影响。　３提高砂轮修整精度措施　上述高精度砂轮修整中，由于修整对象为曲线，　在修整过程中，修整工具与修整轮廓间不仅有相对位　置的变化，还有相对方向的改变，修整工具与修整轮　廓的法线（或切线）间的相对方向是变化的。正是　由于这一相对方向变化，引起了实际刀切点（图中　Ａ、　、ｃ）位置的改变，从而导致工具头部圆弧形状　误差对轮廓修整精度的直接影响。　从原理上讲，如果在上述两轴插补半径补偿修整　过程中，修整工具头部圆角中心在沿偏离设计修整轮　廓一个工具头部圆角半径的等距线轨迹上运行的同　时，工具本身再绕其头部圆角中心旋转，使得其在不　同位置时与相应的轮廓法线（或切线）间的相对角　度保持不变。如图３所示的工具轴线或轴对称面始终　处于轮廓的法线方向，即法向修整。这样实际刀切点　（图中Ａ、Ｂ、Ｃ）在工具上的位置也保持不变，工具　的修整有效作用尺寸保持不变，工具头部圆弧形状误　差对轮廓修整精度的影响也就不复存在。　图３三轴法向砂轮截面修整　４高精度砂轮修整装置　如上所述，为了实现高精度砂轮修整，必须采取　三轴法向修整技术。图４所示为一三轴数控法向修整　装置，主要包括　、Ｙ两个直线运动坐标和一个ｃ轴　回转运动坐标等。　、Ｙ直线运动坐标由两层滑板组成，１４为基座　第１７期　张四弟等：成形砂轮高精度修整技术研究　・４１・　板，既是整个修整器的基础件，又是与配套磨齿装　备的安装连接件。中间的中滑板１７和下面的下滑板　１８可以各自在　、Ｙ两个相互垂直方向运动。　８　９　１０　ｌｌ　１２　１３　１４　Ｙ坐标运动在中滑板１７与下滑板１８间进行，下　滑板１８通过两组直线滚动导轨副１０支承在中滑板１７　上实现Ｙ坐标精确导向，滚珠丝杆１通过轴承和丝杆　支承座２、电机丝杆座２１安装在十字滑板１７上，其　螺母则通过螺母座２２连接到下滑板１８，伺服电机２０　通过联轴器１９直接驱动滚珠丝杆１旋转，从而驱动　下滑板相对中滑板作精确直线运动。　Ｙ两进给轴可以采用带编码器交流伺服电机，　、实现半闭环控制；也可在各自进给方向滑板上直接安　装直线光栅，以对实际坐标运动量进行检测反馈，实　现高精度闭环控制。　ｃ轴回转运动坐标执行装置采用蜗轮蜗杆传动方　案，通过伺服电机直接驱动蜗杆带动蜗轮使主轴８回　转，主轴８两端通过轴承支承在壳体孔中实现精确回　转导向，伺服电机自带编码器，可以实现ｃ轴的半　闭环控制。ｃ轴回转运动坐标输出轴通过圆柱端面接　口安装有工具夹头４，工具夹头４上装有修整工具金　刚笔５。　整个三轴法向修整装置集成在基座板ｌ４上，通　过基座板１４将其作为一个整体安装到所配套的成形　磨齿装备设定位置，通过软件型线计算和数字三轴联　动控制运动，即可对砂轮实现法向精确修整。　１、１１一滚珠丝杆２、９一滚珠丝杆座３、ｌ０一直线滚动导轨副　４一工具夹头５一金刚笔６一蜗轮７一蜗杆８一主轴ｌ２、２２一螺母座　５结束语　ｌ３、２ｌ一电机丝杆座ｌ４一基座板１５、２Ｏ一伺服电机１６、１９一联轴器　当前，成形磨齿正以前所未有的速度迅猛发展，　ｌ７一中滑板１８一下滑板　相信在不久的将来将成为高精度齿形加工的主流。三　图４三轴法向砂轮截面修整装置　轴法向修整技术采用三轴数字控制，改变了传统的人　坐标运动在基座板１４与中滑板１７间进行，中　工操作模式，可以实现在线自动化高效修整。三轴法　滑板１７通过两组直线滚动导轨副３支承在基座１４上　向修整通过对　—Ｙ十字坐标轴的插补控制形成所需任　实现　坐标精确导向，滚珠丝杆ｌ１通过轴承和丝杆　意修整轨迹，通用性强；通过对ｃ轴的附加回摆控制，　支承座９、电机丝杆座１３安装在基座板ｌ４上，其螺　始终保持金刚笔刃口与修整曲线处于法向接触状态，　母则通过螺母座１２连接到中滑板１７，伺服电机ｌ５通　消除金刚笔刃部形状对砂轮修整精度的影响，不仅有　过联轴器１６直接驱动滚珠丝杆１１旋转，从而驱动中　利于保持高的修整精度，同时还可以提高工具使用寿　滑板１７相对基座板１４作精确直线运动。　命，满足高精度、多品种、高效自动化生产的要求。　（上接第３８页）　漏孑Ｌ面积一定时，密封件的容积较大，则充气时间较　３结论　长，检测压力变化率卸较小，需要的总检测时间较　文中首先对差压测漏仪微泄漏时的实际模型进行　长。这样就能确定出实际检测中合理的总检测时间，　了等效转换，再通过数学推导，得出了等效变换的计　为工业生产中的节拍制定提供理论依据。　参考文献：　算公式Ｓ，　ｓ　；然后基于ＡＭＥＳｉｍ仿真软件，建立　ｌ　【１】唐月生，伍先达，李锋，等．一种高精度微量气体泄漏检测　仿真模型进行实验研究；对某种密封件容积为１、３、　仪的设计与研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００２，２３（５）：５９—　５　Ｌ，如果存在实际泄漏孔截面积约为２、１、０．５　ｍｍ。　６２．　的情况进行了实验研究，结论为：密封件容积一定　【２】朱小明．气压检漏仪的工作原理及其适用范围［Ｊ］．流　时，泄漏孔面积较小，则充气时间较短，平衡后检测　体传动与控制，２００６（６）：３３—３７．　【３】薛文宝，刘福萍．泄漏检测仪原理分析［Ｊ］．内燃机，２００９　压力变化率卸较小，而需要的总检测时间较长；当泄　（５）：３５—３６．