兩坐標(biāo)數(shù)控電火花砂輪修整裝置的研制

張哲宇　王海濱　張飛虎　王楓輝

摘?要：以成形砂輪為研究對(duì)象，采用PROE軟件和Protel99se軟件設(shè)計(jì)并研制出兩坐標(biāo)電火花砂輪修整裝置，可對(duì)任意截面形狀的金屬基結(jié)合劑金剛石成形砂輪整形。修整裝置采用回轉(zhuǎn)電極結(jié)構(gòu)修整成形砂輪，采用控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩軸聯(lián)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩坐標(biāo)工作臺(tái)完成修整器的砂輪整形運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)電火花修整極性效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，采用合適的放電參數(shù)：電壓120 V、電流20 A，脈沖占空比50%，利用兩坐標(biāo)電火花砂輪修整裝置修整成形砂輪，以修整后的成形砂輪對(duì)氧化鋁陶瓷工件進(jìn)行切入磨削加工試驗(yàn)，設(shè)定磨床主軸轉(zhuǎn)速2 800 r/min、磨床工作臺(tái)進(jìn)給速度5 m/min、切入磨削深度為4 μm。試驗(yàn)結(jié)果表明，工件圓弧槽整體廓形較理想，圓弧槽誤差小于5 μm。得出兩坐標(biāo)電火花砂輪修整裝置整形后成形砂輪具有一定的整形精度，能夠?qū)ぜM(jìn)行磨削加工。

關(guān)鍵詞：成形砂輪;電火花修整;兩坐標(biāo)砂輪修整裝置;回轉(zhuǎn)電極;整形精度

中圖分類號(hào)：S225.93???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??文章編號(hào)：1006-8023（2019）04-0070-06

Development of Double-coordinate NC Electro-spark

Grinding Wheel Reshaping Device

ZHANG Zheyu1， WANG Haibin1*， ZHANG Feihu2， WANG Fenghui1

（1.College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001）

Abstract：Taking formed grinding wheel as research object， a double-coordinate electro-spark reshaping device is designed and developed with ProE and Protel99se， which can be used to reshape metal-based bonded diamond grinding wheel with arbitrary cross-section. The grinding wheel dresser of reshaping device adopts rotating electrode structure to reshape the formed grinding wheel， two-axis linkage stepping motor driven by control system impels double-coordinate worktable to finish the grinding wheel shaping trail of dresser. According to the polarity effect test results of electro-spark reshaping， appropriate discharge parameters are adopted： voltage is 120 V， current is 20 A， pulse duty cycle is 50%. Double-coordinate electro-spark reshaping device is used to dress metal-based bonded diamond grinding wheel. After being dressed， the grinding wheel is used to grind the alumina ceramic workpiece in the cut-in grinding test， setting the spindle speed of the grinder as 2 800 r/min， the feed speed of the grinder table as 5 m/min and the cut-in grinding depth as 4 μm. Test results show that the ideal overall arc groove profile of the workpiece is achieved， the deviation of the arc groove is less than 5 μm. It comes to conclusion that after being dressed by double-coordinate electro-spark reshaping device， the grinding wheel has certain shaping accuracy and it can be used to grind the workpiece.

Keywords：Formed grinding wheel; electro-spark reshaping; double-coordinate grinding wheel reshaping device; rotary electrode; shaping accuracy

0?引言

當(dāng)今，隨著科技進(jìn)步，在新型高性能、高精度的光學(xué)系統(tǒng)中，以氧化鋁陶瓷和微晶玻璃等硬脆材料為元件制造的光學(xué)器件在林業(yè)遙感信息收集、衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、森林資源調(diào)查，以及高精度、高性能林業(yè)遙感成像儀器研制開(kāi)發(fā)中應(yīng)用廣泛。應(yīng)用非球曲面光學(xué)零件，可以獲得良好的成像效果，矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高圖像鑒別能力[1-3]。

對(duì)于非球面零件的加工，主要根據(jù)零件的材料、精度和尺寸選用不同的加工方法[4]，對(duì)于鎂、銅和鋅等軟質(zhì)材料，可以采用單點(diǎn)切削的方法進(jìn)行加工，對(duì)于光學(xué)玻璃、氧化鋁陶瓷等硬脆材料，我國(guó)目前主要采用手工研磨，機(jī)械拋光的方法加工，因生產(chǎn)效率低下，很難滿足市場(chǎng)的大量需要[5-6]。

近年來(lái)，相關(guān)研究成果表明通過(guò)延性去除的方法可實(shí)現(xiàn)在超精密加工機(jī)床上對(duì)氧化鋁陶瓷等硬脆材料進(jìn)行磨削加工，可以得到高精度的非球曲面，同時(shí)加工效率得到提高。為實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件非球曲面的超精密加工，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）高剛度、高精度的超精密加工機(jī)床[7]。

（2）可對(duì)超細(xì)粒度、超硬磨料砂輪進(jìn)行修整的成形砂輪修整裝置。

目前，超精密加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制出超精密加工機(jī)床，能夠?qū)鈱W(xué)非球曲面零件進(jìn)行磨削加工，但成形砂輪的修整裝置沒(méi)有解決，本文主要研究?jī)勺鴺?biāo)電火花砂輪修整裝置，以滿足超精密磨削加工對(duì)成形砂輪修整的要求[8-10]。

1?兩坐標(biāo)砂輪修整裝置整體方案確定

為實(shí)現(xiàn)對(duì)任意截面形狀的成形砂輪進(jìn)行修整，得到理想的整形效果，滿足對(duì)光學(xué)零件加工的需要，成形砂輪修整裝置是決定砂輪修整質(zhì)量的決定性因素。修整裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡決定修整后砂輪的整體廓形，修整裝置的運(yùn)動(dòng)精度決定修整后砂輪的微觀形貌。為實(shí)現(xiàn)對(duì)任意截面形狀金屬基超硬磨料成形砂輪進(jìn)行修整，所設(shè)計(jì)的成形砂輪修整裝置應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求[11]：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，滿足對(duì)成形砂輪修整的需要。

（2）修整后的成形砂輪具有較高的整形精度，能夠?qū)ぜM(jìn)行磨削加工。

根據(jù)以上兩點(diǎn)要求，確定兩坐標(biāo)電火花成形砂輪修整裝置的整體結(jié)構(gòu)方案（圖1）。修整裝置主要由砂輪修整器、兩坐標(biāo)工作臺(tái)和控制系統(tǒng)組成。將砂輪修整器安裝在兩坐標(biāo)工作臺(tái)上，通過(guò)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)螺母絲杠，帶動(dòng)兩坐標(biāo)工作臺(tái)上的砂輪修整器作平面運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意截面形狀的砂輪進(jìn)行電火花修整。

2?兩坐標(biāo)砂輪修整裝置設(shè)計(jì)

2.1?砂輪修整器設(shè)計(jì)

采用電火花法修整成形砂輪，必須保證工具電極和成形砂輪表面保持一定的放電間隙，因此需要設(shè)計(jì)修整裝置修整方案，設(shè)計(jì)之初，曾考慮過(guò)單點(diǎn)電火花放電修整砂輪的修整方案，采用圖2的裝置，把筆狀修整電極安裝在兩坐標(biāo)工作臺(tái)上，當(dāng)兩坐標(biāo)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，筆狀修整電極便沿著砂輪的表面廓形運(yùn)動(dòng)，對(duì)砂輪進(jìn)行電火花修整。由于電火花修整成形砂輪時(shí)，作為陰極的修整電極因間隙放電也同樣損耗，隨著修整過(guò)程的進(jìn)行，修整電極和成形砂輪不在是單點(diǎn)放電修整，隨著修整面積的擴(kuò)大，很難保證成形砂輪的整形精度。

為保證修整后的砂輪整形精度，采用PROE軟件設(shè)計(jì)砂輪修整器機(jī)械結(jié)構(gòu)，得到圖3的回轉(zhuǎn)電極修整方案，并設(shè)計(jì)了圖4的回轉(zhuǎn)電極修整裝置，工作原理為：軸4的一側(cè)安裝盤式回轉(zhuǎn)電極1，另一側(cè)通過(guò)帶輪緊固螺釘16與小帶輪15相互連接固定，三相異步電動(dòng)機(jī)19通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，使電極1不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)修整砂輪。為避免電極1在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)震顫，用兩個(gè)緊固輪2通過(guò)內(nèi)六角螺栓5將回轉(zhuǎn)電極1緊固，軸4的一端是軸肩，另一端是螺紋，擰緊鎖緊螺母3，使緊固輪2和回轉(zhuǎn)電極1緊固在軸肩和螺母之間，以保證回轉(zhuǎn)電極1和軸4一起回轉(zhuǎn)。為使回轉(zhuǎn)電極1和脈沖電源相連，在回轉(zhuǎn)電極機(jī)座9上焊接電極導(dǎo)向套11，電極導(dǎo)向套11內(nèi)部開(kāi)螺紋孔，將脈沖電源的負(fù)極接在導(dǎo)電螺栓17上，導(dǎo)電螺栓17通過(guò)壓縮彈簧12使石墨電極10和軸4可靠接觸，保證回轉(zhuǎn)電極1在修整過(guò)程中始終帶電。為了絕緣，防止工作臺(tái)和脈沖電源導(dǎo)通而放電傷人，回轉(zhuǎn)電極機(jī)座9采用尼龍加工。

2.2?兩坐標(biāo)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，兩坐標(biāo)工作臺(tái)采用圖5的結(jié)構(gòu)，在工作臺(tái)10表面加工有T形槽，用以安裝成形砂輪修整器。工作臺(tái)10的導(dǎo)向部件采用燕尾槽導(dǎo)軌導(dǎo)向，用壓板鑲條6對(duì)導(dǎo)軌的間隙進(jìn)行調(diào)整。工作臺(tái)10的傳動(dòng)部件為螺母絲杠7，用連軸器17將電機(jī)19輸出軸和絲杠7連接在一起，電機(jī)19通過(guò)絲杠7將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工作臺(tái)10在燕尾槽導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下作直線運(yùn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)10實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)。為補(bǔ)償螺紋的磨損及消除軸向間隙，螺母4采用組合式結(jié)構(gòu)，在滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的螺母4外表面車削出螺紋，將其旋進(jìn)工作臺(tái)10的內(nèi)螺紋孔，調(diào)整好位置后，用鎖緊螺母5擰緊。由于工作臺(tái)10在運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅承受軸向載荷，并且工作臺(tái)10一端固定，一端鉸支，所以在固定端選用兩個(gè)推力球軸承12，以承受雙向推力。為了防止絲杠在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中軸向竄動(dòng)，推力球軸承12的兩端分別用軸肩和軸承端蓋15固定，同時(shí)在兩個(gè)推力軸承12之間安裝滾動(dòng)軸承14以提高工作臺(tái)10的回轉(zhuǎn)精度。為便于密封與維護(hù)，考慮到工作臺(tái)10運(yùn)行速度低，工作臺(tái)的軸承采用脂潤(rùn)滑、非接觸式間隙密封。

此外，為方便控制修整裝置實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，選用步進(jìn)電機(jī)作為修整裝置工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好，無(wú)累積定位誤差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用。不足之處是：步距角大小固定不變，輸出功率小。由于本裝置采用電火花砂輪修整法，為非接觸式加工，無(wú)磨削加工阻力存在，故步進(jìn)電機(jī)的輸出功率滿足設(shè)計(jì)要求。選用的步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)及具體參數(shù)見(jiàn)表1，工作方式為五相十拍制。

3?兩坐標(biāo)電火花砂輪修整裝置整形試驗(yàn)

3.1?條件與方法

為分析兩坐標(biāo)電火花砂輪修整裝置的砂輪修整效果，進(jìn)行砂輪修整試驗(yàn)，試驗(yàn)中所用儀器如下：

（1）FS420平面磨床。

（2）ELID磨削直流脈沖電源：電壓0～120 V連續(xù)可調(diào)，脈寬、脈間均1～99 μs可調(diào)，峰值電流20 A。

（3）自行研制的兩坐標(biāo)數(shù)控電火花砂輪修整器。

（4）外徑千分尺：分辨率0.01 mm。

（5）千分表。

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