一種高精度砂輪仿形修整器

周俊榮，賀宇，劉明，周俊瑞

(1．五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020；2．無錫瑞鼎機床有限公司，江蘇 無錫 214191)

對滾動面帶凸度的軸承、軋輥等產品，滾動面的不同凸度形狀和加工精度對工件接觸面兩端的應力集中和疲勞壽命產生直接影響，隨著對產品應用性能要求的提高，對滾動面磨削加工精度的要求也越來越高。國外對于滾動面帶凸度零件的凸度設計和磨超加工等方面的研究已較為成熟[1-2]，國內雖然也取得了一些研究成果[3-4]，但仍存在一定差距。當前國內外主要采用成形砂輪切入式磨削方法加工帶凸度的滾動面，即要求用修整器將砂輪輪廓修整成為對應內凹(或外凸)的工作表面，因此，砂輪凸度修整器的結構和精度尤為重要。

1 常用砂輪凸度修整方法

目前實現砂輪凸度修整的方法主要有以下幾種。

(1)砂輪軸線傾斜修整。使砂輪軸線與金剛筆運動軌跡在垂直面內成一空間夾角，得到的 砂輪輪廓素線為類似對數曲線的呈對稱分布的雙曲線。由于滾道的理論凸度量受砂輪直徑、砂輪寬度、砂輪軸線和金剛筆運動軌跡所成傾角[5]等因素的影響，磨削得到的滾動面凸度和輪廓度精度不高。但實現方法簡單，且成本較低，是目前國內普遍采用的凸度修整方法。

(2)兩軸聯動數控插補修整。修整軌跡由兩軸伺服控制插補實現，理論上能實現任意砂輪輪廓曲線的修整，由于受工件輪廓曲線曲率陡變和金剛筆自身尺寸等因素的影響，對兩軸移動的精度要求非常高，否則將出現修整工具與砂輪產生干涉等問題[6]。對于輪廓度要求高的兩軸數控插補，要求的系統精度也非常高，使得整套設備的價格非常高。因此從經濟性考慮，目前只適合于精度要求很高的場合，但仍是今后發展的方向。

(3)金剛滾輪修整。將金剛滾輪加工成所需的輪廓形狀，經過砂輪修整后，將滾輪輪廓形狀及精度完全“復印”至工件上。這類修整機構具有結構簡單、效率和精度高、穩定性好等特點。但金剛滾輪制造困難，且一種產品需要對應的一種金剛滾輪，成本較高，僅適合單一品種大批量生產中使用。

(4)仿形靠模修整。以預先制成的靠模(仿形板)為依據，修整時在一定壓力作用下，使仿形指與靠模(仿形板)工作表面緊密接觸，并沿其表面移動，使用伺服或液壓系統驅動，使金剛筆作同步仿形動作，將砂輪修整成與仿形板相對應的型面，從而磨削得到所需型面[7]。對于每種規格的工件需配置對應的仿形板，且對仿形板的加工精度要求較高。

此外，電火花、電解法等[8]新型修整技術正在興起，但仍未得到推廣實用，且穩定性差等問題仍有待改善。

2 仿形修整器結構設計

2.1 結構及工作原理

設計的高精度砂輪仿形修整器結構如圖1所示，主要由金剛筆、頂套、頂柱、仿形指、仿形板、滑板、滑座、十字交叉滾子導軌及彈簧片等組成。

1—仿形板；2—仿形指；3—螺塞；4—彈簧；5—過渡體；6—頂柱；7—頂套；8—金剛筆架；9—金剛筆；10—彈簧片；11—底板；12—交叉滾子導軌；13—定位轉軸；14—滑座；15—滑板；16—仿形座圖1 仿形修整器結構示意圖

安裝時必須嚴格控制滑板沿砂輪軸心線方向的平行度。裝上仿形板后，彈簧片向左彎曲變形，與此同時過渡體向左偏移，過渡體內的彈簧受力壓縮變形使頂柱始終能緊壓頂套，由于彈簧片的作用，仿形指與仿形板能夠保持緊密接觸，使仿形板上的微小變化均能穩定地反映到金剛筆的運動軌跡上，從而修整出與仿形板形狀相應的砂輪表面，最終磨削得到與仿形板形狀一致的工作表面。

值得注意的是，仿形指與仿形板之間的接觸力既不能過大也不能過小，接觸力過大會加劇兩者之間的磨損，降低仿形板和仿形指的使用壽命，增加成本；接觸力過小又會使兩者之間的接觸不穩定，導致修整精度下降。可以通過調節螺塞改變彈簧變形量來調整接觸力。

對于要求凸度形狀對稱分布的砂輪，修整時必須保證仿形板凸度中心與砂輪寬度中點在同一平面內，通過仿形座上的調節螺栓調整仿形板與仿形指的相對位置，并通過伺服電動機(或行程可調油缸)控制金剛筆的運動行程，最終實現工件凸度中心、砂輪凸度中心和仿形板凸度中心的位置一致性。通過伺服電動機→滾珠絲杠→精密導軌(或通過行程可調油缸→精密導軌)的帶動，使金剛筆獲得很高的運動精度，保證修整的高精度。

2.2 仿形板設計

由于工件滾動面凸度的形狀精度和凸度量主要取決于砂輪輪廓面的修整精度，而砂輪周面輪廓由“復印”仿形板的仿形面得到，故仿形板的仿形面精度對工件的滾動面精度將產生直接影響。仿形板設計主要通過作圖法和解析法得到各種輪廓面曲線[9]。

以圓錐滾子軸承仿形板的仿形面設計為例說明。國內外研究成果表明，帶凸度的圓錐滾子軸承理想滾道素線為對數曲線[10]，因此，根據要求的對數曲線制作相應的仿形板，當工件凸度形狀為外凸時，仿形板仿形面也為外凸，反之亦然，如圖2所示。

圖2 仿形板仿形面設計原理簡圖

3 實用效果

3.1 磨削凸度滾道

以裝用該砂輪仿形修整器的磨床加工32220型軸承內滾道為例，要求在滾道的有效寬度34 mm內，凸度量為8～10 μm；表面粗糙度Ra≤0.25 μm；滾道素線輪廓度≤0.003 mm；滾道素線直線度≤0.002 mm；滾道素線位置偏差為±0.04 mm。

采用輪廓掃描儀等檢測加工后的套圈滾道，實際測量長度為35.1 mm，修正因測量探頭厚度等因素引起的誤差后，得到有效測量長度為32.934 mm的凸度輪廓形狀(圖3)。測得有效測量長度內最大凸度量為9.393 μm；滾道表面粗糙度Ra為0.2～0.25 μm；滾道素線輪廓度為0.003 mm；滾道素線直線度為0.001 5 mm。滾道素線形狀吻合度與素線位置偏差完全達到了加工精度要求。

圖3 修正后32220內滾道凸度輪廓

3.2 磨削大圓弧滾子

將高精度砂輪仿形修整器用于高精度大圓弧球面滾子磨床的砂輪修整。以加工23226CA球面圓錐滾子(圖4)為例，加工精度指標為：滾子表面粗糙度Ra≤0.25 μm；滾子素線輪廓度≤0.003 mm；滾子素線位置偏差為±0.04 mm；滾子球面曲率變化范圍為±0.40 mm。

圖4 23226CA球面滾子外形簡圖

連續磨削加工500件后，滾子的精度檢測結果為：滾子表面粗糙度穩定達到0.20～0.25 μm；滾子素線輪廓度為0.002 mm；滾子素線位置偏差和球面曲率變化范圍精度完全達到了加工精度的要求。

4 結束語

設計的高精度仿形修整器結構簡單，調整方便，加工得到的滾動面凸度輪廓形狀精度高，能夠廣泛適用于現有同類型機床。