超硬砂輪修整機工藝原理

趙 宏, 張 偉, 賀 鳳 寶, 李 明 穎

( 大連工業大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著制造業的飛速發展,對刀具的需求日益增加,因此用于修磨和制造高速鋼刀具和硬質合金刀具的超硬砂輪的修整必然成為人們愈來愈重視的問題。超硬砂輪的表面幾何形狀和表面粗糙度是決定砂輪磨削性能的重要因素。超硬砂輪由超硬磨粒與結合劑組成。砂輪磨削時,其工作表面上的磨粒會逐漸磨鈍而失去鋒銳的磨削刃口；同時,磨粒的不均勻磨損和脫落,砂輪表面將失去正確的幾何形狀。因此對砂輪的修整包括修銳和整形兩方面[1]。修整的目的是使砂輪具有足以保證被磨刀具達到要求的精度和質量,同時又要使修整后的砂輪具有較高的磨削效率和使用壽命[2]。

采用碳化硅砂輪用磨削法修整超硬砂輪,保證了修整后砂輪良好的磨削性及使用壽命[3]。由于使用軟砂輪修整硬砂輪,在整形的同時也可起到修銳的作用,保證了修整的效率,但其無法對修整精度進行準確的控制。所以本文將在線檢測技術應用在超硬砂輪修整上,通過CCD傳感器采集圖像后,利用軟件的在線對比檢測實現對超硬砂輪修整精度的控制。此手段在國內屬于首次嘗試,罕有相關文獻。

1 應用在線檢測技術的修整機構成

1.1 修整機總體布局

如圖1所示,此砂輪修整機共分為五大執行機構:在線檢測部分、工具砂輪部分、除塵部分、電器柜部分以及被修砂輪部分。

1.計算機顯示器; 2.鏡頭支架; 3.CCD及鏡頭組件; 4.鏡頭微調支座; 5.風管; 6.碳化硅砂輪; 7.工具砂輪電機; 8.氣缸; 9.工具砂輪雙向導軌; 10.回轉工作臺; 11.床身; 12.渦輪蝸桿手輪; 13.密閉容器; 14.風機; 15.電器柜; 16.被修砂輪雙向導軌; 17.被修砂輪電機; 18.被修砂輪

圖1 修整機布局圖

Fig.1 General drawing of dresser

1.2 修整機各個組成部分的功用

1.2.1 在線檢測部分及修整機軟件功能

首先由CCD及鏡頭組件采集工具砂輪與被修砂輪接觸區域的圖像,并傳輸到圖像采集卡,再進一步傳輸到顯示器軟件界面的影像區。此軟件為國內某軟件公司開發,圖像分辨率為1 μm,具有圖像的采集、預處理、二值化、邊緣檢測及輪廓提取等功能,軟件界面如圖2所示。

檢測軟件共八大區域,其中檢測區域有繪圖功能、圖形編輯功能、圖形標注檢測功能等。軟件還有局部放大及全局圖瀏覽區域,選擇公制或英制的制式工具區域,顯示影像的區域(該區域顯示的圖像為應用圖像處理手段進行輪廓提取等操作之后的),顯示結果的區域,菜單欄及快捷工具菜單欄。在修整機的調試階段,需做到軟件的十字刻線中心與工具砂輪的回轉中心重合。在此基礎上在不同的放大倍率下標定比例尺,修整機才可正常使用。

圖2 修整機檢測軟件界面

1.2.2 被修砂輪部分及工具砂輪部分功能及其運動

此修整機修磨原理:使用檢測軟件繪制出需要的砂輪形狀的標準曲線后,將采集來的被修砂輪圖像與之相比較,磨去多余的部分。如圖3所示,被修砂輪由可調速電機驅動實現轉動,同時,由X、Y雙向導軌實現被修砂輪的雙向移動,以保證采集的被修砂輪輪廓與繪制的標準曲線的最大化重疊。而工具砂輪部分除了可調速電機帶動主軸(碳化硅砂輪)轉動外,還要通過工具砂輪雙向導軌實現碳化硅砂輪的進給運動(Y′向)和直線往復運動(X′向),其中直線往復運動通過氣缸帶動并控制其速率和往復行程。此外工具砂輪部分還要通過由蝸輪蝸桿帶動的回轉工作臺實現回轉運動,從而實現對角度砂輪及圓弧砂輪的修整。

圖3 修整機主要運動圖

1.2.3 修整機控制系統及除塵部分功能介紹

修整機的控制系統主要從安全及修整效果角度考慮,比如說各個組成部分開機時的啟動順序,按最優的先啟動風機再啟動其他,關機時先關閉其他最后關閉風機。修整機進給依靠手輪手動進給。除塵部分功能的實現是先通過連接密閉容器的離心風機抽風,通過風管風再吹向工具砂輪和被修整砂輪接觸部位,吹動灰塵顆粒通過工作臺中心孔進入密閉容器的灰塵布袋內,從而形成除塵部分的循環。

2 修整砂輪模板的建立

2.1 砂輪的分類

待修整砂輪根據其形狀分類,大致分為:圓柱形砂輪；圓弧形砂輪；角度形砂輪；碗形砂輪。在實際生產中,圓弧砂輪是較難修整的砂輪,根據不同實際應用,會有兩段圓弧、三段圓弧以及多段圓弧的修整需要。下面以三段圓弧砂輪為例,具體介紹怎樣建立應用在線檢測技術砂輪修整機的修整模板。

2.2 圓弧形砂輪修整模板的建立

修整機在修整幾種典型的砂輪時,對于圓弧形砂輪的修整極具代表性。下面就以建立圓弧砂輪的修整模板為例,介紹修整機的使用方法。

對于圓弧砂輪的修整,本修整機是采用擬合切線的方法來實現的。如圖4所示,首先在軟件中繪制理論曲線(圖中粗線部分),三段圓弧分別以1,2,3點為中心R1,R2,R3為半徑。然后通過被修整砂輪的雙向導軌,在X,Y方向上調整使被修砂輪與理論曲線盡量重合,并使軟件的十字刻線中心與半徑最大的圓弧中心重合。再通過工具砂輪的蝸輪蝸桿副調整工具砂輪的起始點調整雙向導軌中的Y′向手輪實現進給,且工具砂輪通過氣缸帶動可實現在X′方向的往復運動。在Y′方向的進給完成后,通過X′向的往復運動與圍繞1點的回轉運動可實現由數條切線形成的圓弧,如圖4中所示磨去多余的部分,直到被修砂輪的外形與理論曲線重合,再修磨下一段圓弧,修圓弧順序按曲率半徑由大到小依次修整。如圖中先修整R1,再修整R2,最后修整R3。

圖4 修整圓弧形砂輪

3 修整機修整精度

目前,對此修整機做了初步的修整精度試驗。對樹脂結合劑、粒度為170#(用篩選法分級,粒度號以磨粒通過的篩網上每英寸長度內的孔眼數來表示)、濃度為100(濃度100的定義是:在1立方英寸體積內有72克拉磨料)的圓柱金剛石砂輪進行修整,工具砂輪為碳化硅砂輪粒度為80#。在修整中工具砂輪與修整砂輪要有一定的速度差,修整后選擇觸針式輪廓儀對砂輪形狀精度進行檢測。當進給為20 μm/次,轉速比為4∶1時形狀精度可達10 μm；當進給10 μm/次,轉速比為5∶1時其形狀精度可達到9 μm,且隨著進給量的減小其精度會不斷提高。此修整機整形精度可達微米級。其他修整設備修整誤差一般都在幾道以上,在精度方面有了進一步的提高。

4 結束語

本文研究介紹了應用在線檢測技術的砂輪修整機的工藝原理及其實際修整圓弧砂輪的修整模板。為超硬砂輪的修磨提供了專用的手段,結合視頻采集技術,實現了在線檢測式修磨,對于砂輪修整精度的掌控提供了有效的手段。其修整精度可達微米級。

[1] 段明揚,王子文,楊玲. 硬質合金刀具刃磨[M]. 北京:機械工業出版社, 1990:66-71.

[2] 陳玉華,任敬心,康仁科. 金剛石砂輪的整形與修銳試驗研究[J]. 機械, 1993, 20(3):12-16.

[3] ZHANG Xiaofu, LU Anxian, WANG Yu. New vitrified bond diamond grinding wheel for grinding the cyli-nder of polycrystalline diamond compacts[J]. Science, 2007, 23(5):672-676.