轉子磨床CNC砂輪修整器的砂輪初始修形方法研究*

趙永強 李志峰 魏偉鋒 侯紅玲 趙甲寶 周 斌

（①陜西理工學院機械工程學院，陜西漢中723003;②陜西漢江機床有限公司，陜西漢中 723003）

砂輪修整器是螺紋磨床中關鍵部件之一，其結構直接影響了螺紋磨床的整體結構和加工能力。螺紋磨床采用CNC砂輪修整器極大地改變了傳統砂輪修整的方法，提高了螺紋磨床的加工精度和加工效率，特別是對于復雜螺旋面工件的磨削成為可能。在工件磨削過程中，由于工件自身結構的差異和隨著砂輪的一次一次被修整其直徑逐漸減小。因此，每次砂輪修形所需的控制軌跡曲線必然存在差異，CNC砂輪修整器對于適應這種軌跡曲線的變化具有突出的優點。

CNC砂輪修整器的開發與使用，拓寬了螺紋磨床的應用范圍，提升了國產螺紋磨床的數控水平，也可以滿足機械加工領域廣大用戶的不同使用要求［1］。雖然CNC砂輪修整器使砂輪的修形實現了數控化，但是也離不開人為的干預，尤其對于新砂輪的初始修整方面，如果修形方法選擇不當，就會造成新砂輪就無法修形，砂輪輪廓截形無法控制和砂輪的浪費，嚴重的會造成修整輪的早期損壞和磨床機體的損傷。本文將以國內螺紋磨床的CNC砂輪修整器為例，分析介紹一種CNC砂輪修整器的結構和砂輪修形過程，提出并分析幾種新砂輪初始修形方法，這對于采用CNC砂輪修整器的螺紋磨床的實際操作和CNC砂輪修整器的初始設計具有積極的指導意義。

1 CNC砂輪修整器的結構及原理

圖1為某螺紋磨床的CNC砂輪修整器傳動結構示意圖。在實際工作中，砂輪由專用的伺服電動機驅動，砂輪修整器的安裝底座8與砂輪頭架為一體。砂輪修整器的金剛盤修整輪由電動機4驅動實現修整輪的主運動，二者裝在與砂輪軸線相垂直的導軌上，在電動機9的驅動下，經絲杠5傳動實現金剛盤修整輪沿砂輪徑向進給。修整輪連同徑向進給驅動裝置（電動機9、絲杠5和豎直運動導軌等）在電動機7的驅動下，經絲杠6傳動，沿著與砂輪軸線平行的導軌實現修整輪沿砂輪寬度方向的進給。通過以上兩個相互垂直的直線進給運動，可以完成砂輪的修形。

2 CNC砂輪修整器工作過程

如上所述的螺紋磨床的CNC砂輪修整器對砂輪的修形路徑如圖2所示。在工件磨削時所需的回轉體砂輪的母線為曲線FEDLM。為了修形方便，將此曲線以近似寬度中心D點為分界點，分為左側母線DEF和右側母線DLM。其中砂輪的左側母線DEF由修整器左側修整輪修整，砂輪的右側面曲線DLM由砂輪修整器右側修整輪進行修整。

對于已經修整成形的砂輪，經過磨削后需要重新修形時，可采用如下的方法:

當砂輪修整器處于零位時，左側修整輪的位置在A點，右側修整輪的位置在H點。開始修形時，先由左側修整輪經A→B→C→D→E→F→G→A的修整路線對砂輪左側進行修整，形成砂輪左側母線DEF段，之后左側修整輪回到其零位;然后由右側修整輪經過H→J→K→D→L→M→N→H的修整路線修整砂輪右側母線DLM段，之后右側修整輪回到其零位;至此完成砂輪的一次修形過程。修形過程中，左側修整輪的有效修形路徑為DEF段，右側修整輪的有效修形路徑為DLM段，其余路徑為輔助修形路徑。

3 砂輪初始修形方法

以上介紹的修形方法是在工件磨削過程中對已經成形的砂輪的修形，其前提是砂輪已經修整成了所需要的截形。但是，通常砂輪在數次修行后必須更換。如圖3所示，更換后新砂輪的軸截形為一矩形，其回轉軸線為OO'，寬度為B，直徑為Dsj。如何將其修整成軸截型為凸邊梯形onmlo'，即其凸邊曲線為nml，可以采用以下幾種方法。

3.1 手工修形

采用手工方式將砂輪的外輪緣進行倒角。修形后的效果如圖4所示，圖中的截面曲線nml為新砂輪修形后得到的理想截形曲線，3段直線段PQ、QR、RS是手工修形后得到的砂輪截形。曲線nml和3段直線段PQ、QR、RS之間形成的封閉區域（即圖中黑色陰影部分）中的砂輪實體必須采用其他的修形方法進行二次修形，而后續的二次修形難度也是非常大，必須進行重新定位、調整等。因此，采用手工方式進行新砂輪的初始修形，可以快速地將矩形截面的新砂輪修成錐形截面，這種初始修形效率高，在很短時間之內讓砂輪截形基本趨向于砂輪的精確廓形。但是，這種修形方法帶有很大的隨機性，反而會增加后續修形難度，降低修形效率。

3.2 沿砂輪徑向進給的初始修形

如圖5所示，砂輪的實際直徑為Dsj，寬度為B。初始修形后的砂輪廓形為n曲線，當砂輪最小直徑達到Dmin時必須重新更換砂輪。由于砂輪修形時單次修整量非常小（一般為0.2 mm左右），因此將修整輪遠離砂輪開始修形。具體操作方法為:將砂輪直徑由原來的Dsj延伸至Djx（實際在直徑Dsj和Djx之間不存在砂輪實體）。修整輪的輪緣實際軌跡從軌跡線1開始，即第一次修整時修整輪輪緣軌跡與砂輪輪緣處交匯;第二次修整時，修整輪沿砂輪徑向進給一次，則修整輪輪緣軌跡為曲線2;依次類推，每次修整輪先沿砂輪徑向進給，進給后修整輪輪緣軌跡沿曲線3，……，一直到曲線n（曲線n是第一次得到完整的砂輪輪廓曲線）。這樣就完成了砂輪的初始修形。以后，磨削數次后按修正后的砂輪輪廓曲線對砂輪進行修整，修整后磨削……直到砂輪最小直徑Dmin接近于砂輪輪轂直徑時再次更換新砂輪。

這種方法的特點是砂輪CNC修整程序具有通用性，無需單獨設計;砂輪初始修形的結束控制很容易實現，有利于提高砂輪的利用率。但是，在初始修形的過程中修整器的空行程較多，修整效率較低。特別是采用這種方法時，修整輪沿砂輪徑向的工作行程加大，這對砂輪修整器的設計提出了更高的要求，此法在按照傳統方式設計的砂輪修整器上無法實現。

3.3 沿砂輪軸向進給初始修形

鑒于沿砂輪徑向進給的初始修形方法的缺點，提出了沿砂輪軸向進給初始修形法。如圖6所示，對于寬度為B，直徑為Dsj的砂輪的初始修形步驟為:第一次修整時，左側修整輪的輪緣軌跡為P→1→1→P，右側修整輪的輪緣軌跡為Q→a→a→Q;第二次修整時，左側修整輪的輪緣軌跡為P→2→2→P，右側修整輪的輪緣軌跡為Q→b→b→Q;依次類推，直到第五次時，左側修整輪的輪緣軌跡經P→4→5→5→P，右側修整輪的輪緣軌跡為Q→4→5→e→Q，以此得到所需的砂輪輪廓截型。

這種砂輪初始修形方法，在提高砂輪修形效率和沿砂輪徑向工作行程受限的修整器而言具有突出的優點。但是，對于每次修整軌跡必須進行精確計算，使得砂輪初始修形的計算量增大。這對于CNC砂輪修整器的控制硬件的要求有所提高。

4 結語

本文針對螺紋磨床用砂輪修整器的結構和工作過程，介紹了CNC砂輪修整的結構和砂輪修形過程，特別是對于新換砂輪的初始修形方法進行詳細的研究，對比了各種初始修形方法的優缺點。這對于普及CNC砂輪修整器的實際操作，提高砂輪修整器的修整效率和砂輪的利用率以及修整器使用壽命具有積極地指導作用。

［1］付玉升，陳欣，孫鳳.螺旋曲面數控成型磨削與砂輪修整控制研究［J］.制造業自動化，2004（7）.

［2］國內首臺套數控螺桿轉子磨床亮相CCMT［J］.機械研究與應用，2010（3）.

［3］侯紅玲，趙永強，白海清.復雜曲面的數控加工試驗研究［J］.機床與液壓.2009，37（8）:27 －29.

［4］趙甲寶.蝸桿磨削用砂輪修形方法研究［J］.機械工程師，2011（7）.

［5］袁周華.曲紋蝸桿螺旋面的精密磨削［J］.機械工藝師，2000（4）:25－26.

［6］吳序堂.齒輪嚙合原理［M］.北京:機械工業出版社，1982.

［7］趙永強，侯紅玲，李志峰，等.恒速磨削的實現方法與機床設計［J］.機床與液壓，2010（6）:7－9.

［8］侯紅玲，趙永強.五坐標數控機床傳動系統設計與研究［J］.機械，2008（8）:44－46.