基于雙軸中心定位的小孔磨削快速對刀

楊守鎮，周海波，楊國舉，武魁

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

磨削對刀是確定砂輪加工面與工件待加工面相對位置的過程，具體到內圓磨床，就是確定可用砂輪的外徑面與工件內徑面的相對位置，以設置磨削參數的過程。這個過程分為2步：1）對砂輪進行修整，使砂輪的外徑尺寸和圓度滿足磨削需求；2）將砂輪移動到工件內孔中，使砂輪慢慢靠近工件內徑面直到接觸，確定移動的距離，從而設置相應的磨削參數。因此，磨削對刀是磨削的關鍵步驟，可提高對刀效率、簡化磨床操作，特別是對于內徑3～10 mm的小孔磨削，由于內徑尺寸對砂輪的特殊要求，磨削對刀更具有重要意義。

1 小孔磨削對刀的難點

小孔磨削原理如圖1所示，砂輪尺寸、位置是磨削對刀的關鍵。

圖1 小孔磨削示意圖Fig.1 Diagram of small hole grinding

1.1 砂輪外徑差異的影響

砂輪使用粘接劑粘在砂輪接桿上，造成一定的同軸度誤差，再加上砂輪本身的形狀誤差，導致砂輪外徑軌跡變動較大，必須在磨削前對砂輪進行修整，統一外徑尺寸并改善圓度；修整對刀時必須留有一定的余量，以免碰撞砂輪。

1.2 砂輪尺寸的影響

磨削時砂輪外徑需小于工件內徑，同時受砂輪接桿外徑約束，可利用厚度有限，必須頻繁更換，為了在修整后獲得盡量大的砂輪線速度，一般小孔磨削中砂輪外徑大于工件內徑，這也導致新砂輪無法直接進行磨削對刀［1］。

2 內圓磨削的對刀步驟

2.1 零點、原點和新砂輪位置

砂輪修整補償時，電氣系統自動記憶砂輪的修整量，使磨削完成時金剛筆和砂輪外徑的相對位置不變，此位置為工件拖板的磨削進給始點，稱為零點。

原點是機床拖板的一個參考點，在此點發出電氣信號校準機床拖板的定位位置，保證定位的準確性。原點可以在移動范圍的任何位置。

當砂輪直徑過小時，工件拖板返回砂輪的修整（現有內圓磨床修整器位于工件拖板上）處即砂輪修整前的位置，被稱為新砂輪位置。此處砂輪的修整量清零，更換新砂輪后重新進行修整和磨削，實際應用中，新砂輪位置通常被設置成原點。

2.2 小孔磨削的一般對刀方法

以磨削內徑d1＝8 mm、長L1＝20 mm的軸承鋼材料通孔為例，一般要求砂輪外徑D2＝10 mm，砂輪接桿安裝外徑D3＝4 mm，砂輪的可利用厚度僅1.75 mm（由于成本和工藝問題，文中所用砂輪為氧化鋁或碳化硅砂輪，不涉及CBN、金剛石砂輪）［2］。具體對刀步驟如下：

1）新砂輪進行修整對刀，確定金剛筆到砂輪的快靠量p，砂輪修圓、直徑減小至合適尺寸（能進入工件內孔），并記錄此處砂輪的修小量a。

2）砂輪進入工件內孔，設置工件拖板新砂輪位置；磨削對刀，設定磨削參數。

3）砂輪退出，靠近金剛筆，重新設定修整快靠量p。

4）工件進行磨削，計數修整，到砂輪最小尺寸后返回原點，更換新砂輪。

5）工件拖板后退a，設置新砂輪位置；金剛筆到砂輪的快靠量為p+a；其他參數不變，進行砂輪長期修整及磨削。

顯然上述磨削對刀步驟繁瑣，且要求操作人員具有豐富的經驗，不符合人性化操作的機床設計目的，應加以改進。

3 基于雙軸中心定位的對刀方法

3.1 對中位置的假設及新的對刀方法

顯而易見，在工件轉動中心和砂輪軸對中時設置新砂輪位置能夠在小孔磨削時最大效率的利用砂輪，而小孔磨削時的長修、對刀、設新砂輪位置的過程實質上是找參考點的過程，如果在機床設計時確定了此參考點，無疑將大大節省機床的對刀過程，提高機床效率。

假設機床存在一個工件與砂輪的對中位置，那么小孔磨削的過程為：

1）測量砂輪外徑，加上余量δ，計算修小量a＝D2+δ-d1（δ由砂輪的偏心量和預留磨削間隙確定，偏心量取最大值，磨削間隙滿足冷卻液能夠進入磨削位置即可），從對中位置進行修整對刀，確定p，進行砂輪長修。

2）回對中位置，設磨削參數，磨削工件，計數修整（此處靠近量為p+a），到砂輪最小尺寸后更換砂輪。

此操作流程中，砂輪修整作為一個獨立功能出現，修整結束代表砂輪滿足磨削需要，機床回到對中位置（對中位置可以是原點，即把機床的參考點定位在對中位置，二者不沖突），即可以進行正常磨削。

3.2 中心定位的實現

為了實現工件中心與砂輪中心的精確定位，需要滿足以下2個要求：

1）精密校準的機械定位。用特制的檢具標定工件軸與砂輪軸的中心，使二者重合。如果機床采用電磁無心夾具，還須消除工件與工件軸之間偏心量的影響，務必使工件轉動中心與砂輪轉動中心的同軸度不大于20μm。

2）電氣系統記憶中心位置并能方便地返回。實現方法有多種，文中采用讀取絕對值伺服編碼器軸位置的方法實現，即在兩軸的對中位置讀取工件軸伺服電動機編碼器的位置信息并記錄在PLC中，在返回對中位置時讀取軸位置信息與存儲信息比較，有偏差時校正。

舉例說明：采用三菱PLC和伺服系統時的連線如圖2所示，使用編碼器絕對位置讀取指令如圖 3所示［3］。

圖2 三菱PLC和伺服系統連接示意圖Fig.2 Diagram of connection between mitsubishi PLC and servo system

圖3 編碼器的位置讀取程序Fig.3 Position reading program for encoder

4 結束語

基于雙軸中心定位的磨削對刀方式已在3MB201D縫紉機零件專用磨床上得到良好應用，實際對刀效率大大提高，證明了此對刀方式的可行性和有效性。雙軸中心定位有可能使內圓磨床的對刀實現數據計算，為進一步實現全自動對刀提供了基礎。另外，該定位方案同樣可嘗試應用于外溝道磨床。