（机械制造及其自动化专业论文）新型数控成形砂轮修整器的设计及磨削性能研究.pdf

摘要 摘要 目前在制罐行业，制罐机的速度越来越高，对封罐工具一- 封口轮的 要求也相应提高，封口轮的卷封沟槽属于曲线回转面沟槽，既需要有精 确的形状以减小马口铁的变形阻力，也要有低粗糙度( r a “。= 0 1um ) 的光滑表面以降低摩擦阻力。但目前很难同时使二者达到精度要求。封 口轮的卷封沟槽的精加工采用成形磨削和磁性研磨是一种有效的工艺方 法。于是成形砂轮的修整成为必须解决的问题。 本文针对目前封口轮成形存在的一些问题，分析不同的修整器、不 同的修整参数所产生的封口轮沟槽，寻找适合封口轮沟槽成形的修整器 和修整参数，对修整装置结构进行设计，开发了2 个数控移动功能和1 个 数控转动功能的新型成形砂轮修整装置。并通过实验对磨削过程进行观 察，分析各装配条件及修整参数对沟槽形状精度的影响，从而改进并优化 修整装置，同时优化修整及磨削过程的参数。利用数控加工修整砂轮和磨 削封口轮，对封口轮成形精度产生突破。 针对其低粗糙度要求，我们采用了基本不破坏形状精度的磁性研磨 的工艺。在分析磁性研磨的机理的基础上，通过对磁性磨粒在磁场中的 受力和磨粒刷的刚度的实验研究发现，磁性磨粒的研磨能力与加工间隙、 加工中磁场的磁感应强度、磁性磨料的构成和粒度、磁极形状和工具转 速以及被加工材料的磁导性等参数有密切关系。作者在实验中通过优化 组合各种参数使得工件的表面粗糙度r a 在短时间内达到o 1 微米，并对 于特殊不规则曲面及微小沟槽加工中存在的问题进行了研究分析，找到 了相应的解决方案。 试验研究表明，通过成形磨削和磁性研磨工艺来解决具有复杂曲线 回转面零件的精加工，方法正确，技术可行。在用于封口轮成形沟槽磨 削加工的基础上，还可以用于其他具有复杂曲线回转面零件的磨削，解 决类似零件曲面的精加工的问题。 关键词：成形磨削：精加工；回转曲面；砂轮修整器；磁性研磨 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gs p e e do fm a c h i n e st opr o d u c ec a n s ，t h e r ei sa n i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf ors e a m i n gr o l l s t h eg r o o v e so fs e a m i n gr o l l sa r e t h eo n e sw i t hr e v o l v i n gc ur v e ds u r f a c e s a n da n a c c ur a t e s h a p eo ft h e g r o o v ei sn e c e s s a r ys ot h a tt h er e q u ir e dp r o d u c ts h a p ec a nb eo b t a i n e da n d a tt h es a m et i m ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ec a nb er e d u c e d m e a n w h i l e ，s m o o t h s u r f a c ew i t h1 0 wr o u g h n e s s ( r a 龇= o 1pm ) i sd es ir e ds oa st or e d u c et h e f r i c t i o ni nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c es s h o w e v er ，t h e s er e q u ir e m e n t sc o u l d b em e ta tt h es a m et i m e a ne f f e c t i v et e c h n i q u et oo b t a i ns u c hg r o o v e si st o us e f o r m g r i n d i n g i nt h ef i n i s h i n gm a c h i n i n g t h u s ， t h es h a p e dw h e e l d r e s s i n gb e c o m e so n eo ft h ek e yp o i n t si nt h ef or m g r i n d i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m s i nt h ec o u r s eo fw o r k i n g ，t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tt r u ersa n dd i f f er e n td r e s s i n gp a r a m e t e r so nt h eg r o o v e so fs e a m i n g r o l lsa r ea n a l y z e d ， t h u s ， t h es u i t a b l et r u e ra n dd r e ss i n gp a r a m e t er sa r e s e l e c t e d b e s i d e s ，t h es t u c t u r eo ft r u e ra r ed e s i g n e d ，a n dan e wn cd r e s s e r w i t ht h r e en ca x esi sd e v e i o p e d i nt h ec o u r s eo ft h ee x p e r i m e n t ，w e o b s e r v et h e e x p e r i m e n tp h e n o m e n o n ， a n d a n a l y z e t h ei n f l u e n c eo f as s e m b l i n ge r r o r sa n dd r e s s i n gp a r a m e t e r so nt h ep r o f i l ea c c u r a c y b a s e d o nt h ed i s c u s s i o na b o v e ，w ec a ni m p r o v et h et r u e r w i t ht h eo p t i m i z a t i o no f d r e s s i n ga n dg r i n d i n gp a r a m e t e r s ，t h ep r o f i l ea c c u r a n c yo fs e a m i n gr o l l s c a nb ei m pr o v e dg r e a t l y t om e e tt h er e q u i r e m e n to fi t s1 0 wr o u g h n es s ，an e wpr o c e s s ，m a g n e t i c a b r a s j v eg r i n d i n g ，w h i c hisn o th a f m f u lt ot h epr o f i l ea c c u r a c y ，isa p p l i e d b ya n a l y z i n gt h ef o r c ea n dr i g i d “yo fb r u s ho fm a g n e t i ca b r a s i v e si nt h e m a g n e “cf i e l d ，i t i sf o u n dt h a tt h e r ea r ev a r i o usf a c t o r sw h i c hp l a y i m p o r t a n tp a r ts i nt h ec o u r s eo fp o l i n s h i n g ，s u c ha sw o r k i n gg a p ，m a g n e t i c f l u xd e n s i t yi nt h ew o r k i n ga t e a ，s t r u c t u r ea n dp a n i c l es i z eo fm a g n e t i c a b r a s i v e s ，s h a p eo fm a g n e t i cp o l e ，r o t a t i v ev e l o c i t yo fw or k p i e c e ，m a g n e t o 三查三些查兰三兰至圭兰堡丝圣 ： c o n d u c t i v i t y o f w o r k p i e c e m a t e r i a l s i tiss h o w n t h a tl o w e r r o u g h n e s s 尺口= 0 1 ，删 c a nb eo b t a i n e db yu s i n gw e ta b r a s i v e g r i n d i n ga n d b e t t e rr e s u i tc a nb e g o tb y o p t i m i z i n gt h ev a r i o u sp a r a m e t e r s a n dt h e p r o b l e m si nt h ec o u r s eo fp o l i s h i n gs o m e s p e c i a li r r e g u l a rs u r f a c e sa n d s o m es m a l lg r o o v e sa r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ee x p er i m e n tr es u l t s ，i ti s c i e a rt h a ti ti sah i g he f f i c i e n ta n dr e l i a b l e f i n i s i n gm a c h i n i n gm e t h o dt o p o l i s hs u c hs p e c i a ls u r f a c e sb yu s i n gm a g n e t i ca b r a s i v eg r i n i d i n g w i t ht h epr o c e s s e so ff o r m g r i n d i n ga n dm a g n e t i ca b r as i v eg r i n d i n g ，i t i s p r o v e di nt h ee x p e r i m e n t st h a tt h er e q u i r e m e n t so ff i n i s h i n gm a c h i n i n g f o rs e a m i n gr o l lsc a nb em e t i na d d i t i o nt og r i n d i n gs u c hg r o o v e s ，i tc a nb e u s e di nt h ef i n is h i n gm a c h i n i n go ft h ep a r t sw i t hc o m p l e x r e v o l v i n gc u r v e d s l lr f a c e s k e y w o r d s ： f o r m g r i n d i n g ；f i n i s h i n gm a c h i n i n g ； r e v o l v i n g c u r v e d s u r f a c e s ； w h e e ld r e s s e r ； m a g n e t i ca b r a s i v eg r i n d i n g 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论帚一旱三百下匕 具有以曲线为母线的回转曲面成形沟槽结构的工模具零件在金属制 品加工生产中有广泛应用，如在马口铁制罐中将端盖与罐体压嵌接合时 使用的封口辊轮、在焊接制管过程中将板材成形的辊轮等，图卜l 所示是 一种典型的封口辊轮结构图。马口铁罐在食品保鲜和贮运过程中有广泛 的应用。在制罐过程中，卷封辊轮是将罐盖、罐体部分的材料折边压合 在一起，产生密封作用，封口辊轮沟槽的形状决定马口铁板料的塑性流 动变形过程，封口辊轮沟槽的表面状态决定马口铁与辊轮材料的摩擦状 况，因此其形状精度和表面精度直接影响到食品罐封口后罐口边缘的密 封性，食品的保鲜性等【1 。 a 放大 图卜l 卷封轮及其槽形 f i g 1 - ls e a m i n gr o l l a di t sg r o o v e 沟槽的截面形状产生引导金属板材塑性流动的作用，因此其形状需 要满足所加工金属板材的性能要求符合材料塑性流动规律来减小材料的 广东工业大学：i = 学硕士学位沦文 变形阻力，同时曲面要有低粗糙度( r a = o 1um ) 的光滑表面来降低金 属板材塑性流动过程中的摩擦阻力以保护马口铁表面的镀锡层 2 1 。封口辊 轮沟槽形状决定了最后封罐的质量及罐的密封性能，可以说它是整个封 罐机的核心。但是目前国内生产的封口辊轮寿命约为10 万罐左右，而国 外产品一般超过5o 万罐以上，国内尚未对封口辊轮进行系统的研究，沟 槽的曲线形状以拷贝国外封口辊轮为主。 国内对封口辊轮沟槽的加工工艺主要是采用成形车削和手工抛光的 工艺。在加工过程中，先粗车出沟槽轮廓之后热处理，然后精车出沟槽 形状，所使用的成形车刀采用线切割加工而成，尽管可以保证其形状但 表面粗糙而且表面留有走丝刀痕，对沟槽的形状精度和表面粗糙度均有 影响。而手工抛光一方面是工作劳动强度大、加工效率低，加工质量不 稳定，另一方面是降低了曲面的形状精度，即以降低曲面形状精度为代 价降低表面粗糙度。随着封罐机速度的提高，国产封口辊轮的使用寿命 进一步缩短，作为食品保鲜为主的马口铁罐其季节性非常强，封罐机的 连续高速运转是一个重要特点，因此国产封口辊轮越来越不适应制罐业 发展的需要。 对于封口辊轮热处理后成形沟槽的精加工采用成形磨削在提高其形 状精度的同时降低沟槽曲面的粗糙度是可行的加工工艺方法之一，但是 由于其沟槽宽度小、深度大、形状多变，成形砂轮的修整成为必须解决 的关键技术问题。因此成形砂轮的修整及修整的形状精度和磨粒刃状态 对沟槽加工精度有决定性影响。 封口辊轮的材料一般为c r l2 m o v ，其物理机械性能如表卜1 所示，是 耐热模具钢，具有较好的高温机械性能，其韧性和强度都很高。材料中 有较高的含碳量，以保证其高硬度和高耐磨性，和激活能量大的合金元 素c r 、m n 、s i 、w 、v 等合金元素，其中c r 、m n 、s i 主要是提高钢的淬 透性，s i 还能提高钢的回火稳定性，w 、v 能提高硬度和耐磨性，并防止 加热时过热，保持细小的晶粒【3 】。因此其可磨性差、磨削效率低，属于难 磨材料【4j 。 2 表1 一lc r l2 m o v 基本性能参数 t a b le l 一1c r l2 m o vp r o pe r t ies 基本物理常数 c r l2 m o v 平均含碳量1 6 0 铬l1 7 5 钼o 5 0 钒0 22 8 5 0 。c 淬火后硬度 53 5 h r c 9 8 0 。c 淬火后硬度【5 l 6 4 h r c 线膨胀系数( 2 0 一10 0 。c ) l o 9x10 6 o c 目前，在日本类似成形沟槽结构的零件的加工采用专用机床和专门 的控制软件，来解决修整时三轴联动的计算和控制，其沟槽形状精度较 高，但成本较高，而且需要专门的机床和软件。在台湾，则采用仿形磨 床和砂轮的仿形修整，由于传动机构的增多，形状精度难以保证，而且 每种槽形都要有不同的靠模，不适合单件小批量生产。 因此，如能开发专门实用的成形修整装置和磨削装备，利用数控加 工修整砂轮和磨削封口辊轮，必将大幅度降低其加工的成本，同时解决 类似零件曲面的精加工的问题，为目前高速发展的制罐行业提供高精度、 小批量定制而价格低廉的封口辊轮，促进制罐业的健康发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 成形砂轮磨削技术 成形磨削是把砂轮修整成与工件轮廓相吻合的形状，加工时砂轮和 工件全面接触拷贝出砂轮的廓形，是一种高精度、高效率、低成本的精 加工方法 6j 。随着零件复杂性增加和难加工材料的出现，使得成形磨削得 到了广泛的应用。目前常用的成形磨削工艺方法有： 1 往复式成形磨削加工是目前用的最广泛的成形磨削方法。主要应用于 金属切除量小，工件型面不是很复杂的场合，该加工方式加工质量较 好但效率不高【7j 。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 切入式成形磨削也是目前应用较广泛的磨削加工方法。它是指把砂轮 修成和工件轮廓相吻合的形状，砂轮和工件沿砂轮轴线的位置关系保 持不变，砂轮以匀速径向进给直到工件尺寸磨到位为止。如加工回转 类成形沟槽结构的零件：轴承内外圈磨削及封口轮沟槽等。该成形磨 削方式的加工效率高，但加工质量相对较差。因此成形切入磨削的机 床结构简单，调节环节少，加工稳定性好，容易实现高速磨削和自动 化 8 。 3 缓进给磨削是一种以极低的进给量和大切深的成形磨削技术。它的特 点就是砂轮切入深度非常大，而工件进给速度则十分的低。磨削深度 在0 5 3 0 m m ，工件进给速度在10 3 0 0 m m m i n 范围内变换，它主要应用 在型面磨削技术中。该磨削用的机床刚性要好，但因砂轮和工件接触 面积大，发热量严重，虽经高压大流量的冷却液冲洗，但工件仍易烧 伤。 4 连续修整成形磨削( c o n t i n ued res sing ) 是一种新的高效磨削技术。 修整工具在磨削时始终和砂轮接触，对砂轮进行整形和修整。因而砂 轮在磨削时始终保持锋利，无堵塞，可避免烧伤，金属切除量大而且 加工精度好。但要n c 系统控制来补偿砂轮半径的减小。 目前随着机械制造向着f f s 、c i m s 等高度自动化方向的发展，对磨 削加工也提出了更高的自动化要求。为适应产品的多样化，更新快的市 场环境，各种新型的数控磨床也相继普及，而且磨削中心( g c ) 也相继 研制成功。同时，各种通用和实用的c a d c a m 系统也相继开发成功。 1 2 2 成形砂轮修整技术 成形磨削时，由于砂轮各点处的圆周速度不一样，致使各点处的材 料去除率不同，从而导致砂轮磨损不均匀，特别是在尖角部位容易删碎， 从而产生形状误差。由于零件的成形形状是砂轮形状的拷贝，这必然对 加工精度产生影响，同时磨削余量的不均匀也会招致磨削烧伤等加工缺 陷。因此成形砂轮的修整对成形磨削加工过程具有决定性影响。 根据砂轮磨粒种类的不同可以把砂轮分为普通磨料砂轮和超硬磨料 砂轮。 4 第一章绪论 目前普通磨料成形砂轮的修整大致有以下几种方法，如图卜2 。 成形砂轮修整方法 近似曲线修整法ll正确l f | 线修整法 杆 机 构 逼 近 修 整 法 圆 弧 逼 近 修 整 法 扁 圆 逼 近 修 整 法 椭 圆 逼 近 修 整 法 渐 开 线 逼 近 修 整 法 靠模法 四 杆 机 构 缩 放 液 压 仿 形 法 运 动 口 成 法 基圆法 邕 滚 动 尺 法 双 滚 动 尺 法 成形砂车台| ic n c 法 金 刚 石 滚 轮 法 金 刚 砂 带 压 法 坐 标 修 整 法 三 坐 标 修 整 法 图卜2 普通磨料成形砂轮修整方法【9 】 f i g 1 2d r es s i n gm e t h o d so ff o r m w h e e lw i t ho r d i n a r ya b r as i v e s 【9 1 金刚石笔修整法 用金刚石笔成形修整法类似于车削法，主要是通过微量进给来把磨 粒打碎，从而形成许多等高微刃，同时去除掉多余的结合剂，达到修整 效果。早期的成形砂轮修整装置，笔的轴向运动和径向运动都采用靠模 法实现金刚石笔尖的轨迹控制，这种装置般包括模板，缩放尺等机构， 但传动精度差导致修整精度不高，效率也不高。随着数控技术的应用， 成形砂轮修整过程中金刚石笔尖轨迹的控制改用数控插补运动控制，通 过程序控制成形砂轮的形状。 金刚石经重磨一次可以修整砂轮1 0 0 次左右，一粒金刚石可能重磨 约10 次。此法适用于小批量生产，具有一定的柔性，当砂轮形状改变时， 只要改变数控程序就可以满足要求。但由于金刚石切刃端部长时间和砂 轮磨粒接触，发热严重从而导致金刚石氧化，加速切刃的磨损。而且该 方法的整形效果比滚轮修整法要差，且修整效率也比较低。 2 钢滚轮成形挤压法 广东工业大学工学硕士学位论文 钢滚轮与砂轮在一定压力下相接触并滚动，靠压力使磨粒和结合剂 发生脆性碎裂，形成磨粒切削刃，达到修整砂轮的效果。两个轮一个是 主动，另一个是从动。钢挤压轮通常用高速钢制造，滚轮直径与砂轮直 径比为l 4 1 5 ，其截形与工件截形一致【1 0 。特点是修整速度快，精度 高，但一种滚轮只能用于一种型号产品，对单件小批量生产则经济性差。 3 金刚石滚轮修整法( 磨削法) 金刚石滚轮是由金属基体和外圆是布满金刚石颗粒的圆环带两部分 组成的成形砂轮修整器。修整时金刚石滚轮与砂轮反向旋转，金刚石颗 粒和砂轮磨粒撞击而使磨钝磨粒脱落、碎裂，形成新的磨粒切削刃，来 达到修整目的。而且对于面积较大的砂轮，可以控制滚轮作直线或圆弧 插补运动，可以合成任意平面曲线。前提是只要滚轮的圆弧半径小于欲 成形型面的最小曲率半径的零件均可加工。所以，适应范围大，一轮多 用。但修整速度要比滚轮慢，而且对于适用于磨削微小沟槽的砂轮来说， 金刚石滚轮修整就无能为力了，就不得不才用更小半径的金刚石笔来修 整。金刚石滚轮修整法的特点是修形精度高，修整效率高，但修形后被 修整的砂轮的磨粒破损严重，必须进行修锐才能使用，同时，金刚石滚 轮的价格也比金刚石笔和钢滚轮高。同样，它对于小批量生产经济性也 筹。 图卜3 国内砂轮修整器示意图【“，1 2 】 f i g 1 3s c h e m a t i cd r a w i n go ft h ed o m e s t i cd r e s s e r s 1 1 ，12 随着数控技术的发展，c n c 修整法也得到了广泛的发展。在国外首先 是英国成功地研制出了“d ia f o r m ”数控修整器，把成形磨削加工水平推 6 第一章绪论 进了一大步。一些发达国家的平面磨床制造厂几乎都生产配有数控修整 装置的而具有成形磨削功能。这种数控修整装置存在机械结构和数控系 统复杂、价格昂贵在缺点。 国内在近十年来也是发展迅速，从1 9 9 4 年开始，重庆大学和华南理 工大学以及天津大学，南京理工大学等都相继开发出三坐标联动的数控 砂轮修整器或c a m 软件【1 3 6 1 ，而大大提高修整后的砂轮的形状精度。但 都不同程度的存在不足。他们采用的都是普通金刚石笔，金刚石笔尖部 分未经修整而不规则，当使其轴心线始终位于跟踪砂轮截面曲线的法线 方向时，不规则的金刚石笔和砂轮发生干涉，导致形状误差。而且他们 旋转轴大多采用导轨式，只能适用于简单圆弧或缓变曲线，而不能适应 复杂曲线的修整，如图卜3 所示。 对于超硬磨料砂轮修整主要有以下几种方法。 树脂结合剂金刚石砂轮整形通常采用滚压整形法、磨削整形法、车 削法。滚压整形法所用的整形砂轮为绿色碳化硅与白色氧化铝陶瓷结合 剂砂轮，其粒度根据超硬磨料砂轮的粒度选择。由于依靠剪切力修整，所 以对机床的刚度要求较高，而整形精度不高，容易整形过度。磨削整形法 所用的工具为g c 、w a 修整块或修整砂轮，但这种方法同样整形精度不高。 金属结合剂超硬磨料砂轮的整形除了采用制动式修整器、g c 、w a 修 整块或修整砂轮修整外，由于金属结合剂具有导电的特点，可采用电加工 的方法修整。比如电解法、电火花法等。电解法效率高，精度不高。电火 花法效率比电解法低，精度高。但两种修整法都需专门的设备，操作不易 掌握，而且成形电极不易制造。而电解电火花综合法仅适用于小型复杂 成型砂轮，精度虽高，成本太高。为了改进整形精度不高的问题，日本学者 庄司克雄教授研究出了g c 杯形砂轮研磨修整法，该方法即可整形，也可 同时修锐，效率极高【1 ”。为适应新型材料镜面磨削的需要，日本理化研究 所大森( h o h m o r i ) 教授发明了el i d 在线修整技术( e le c t r o l y t ic i n p r oc es sd r ess i n g ) 8 。近年发展的e l i d 在线修整具有加工精度高，表面 裂纹少，表面质量好等优点，在镜面磨削中取得了突破，但e l i d 修整法只 适用于金属结合剂超硬磨料砂轮，而且需要专门的电源装置，价格较高。 e l i d 磨削技术是对金属结合剂超硬磨料砂轮e l i d 在线修整的复合磨削技 广东工业大学工学硕士学位论文 术，它有剐于电解磨削、电火花磨削，但是在线电解修整法又有其缺点， 如去除氧化膜及修整阴极的设计等都将限制了该方法在成形砂轮修整中 的应用【8 1 。 激光修整作为一种非接触修整技术，避开力的作用，基于热的作用以 熔化、气化形式去除钝化磨粒和结合剂，是一新的修整方法【1 8 】，但还有待 更深入地研究，才能使该项技术成为实用的、能够解决超硬磨料砂轮修整 的行之有效的手段。 成形磨削技术的发展推进了砂轮修整技术的进步发展，尤其是在精 加工中，成形砂轮修整器应该满足： 1 ) 保证砂轮成形表面形状的准确性 2 ) 对工件轮廓变化的适应性、灵活性 3 ) 实现廓形校正的可能性，包括对砂轮直径的误差补偿，修整工具的磨 损补偿以及修整和磨削误差的补偿。 其中在满足修整的精度和柔性、可校正性和自动化要求等方面，c n c 修整法是一种全面和有发展潜力的成形砂轮修整方法【l 。 目前c n c 砂轮修整器的开发与研制在国内才刚刚起步，配数控砂轮 修整器的机床我国基本依赖进口。在c i m t 2 0 0 l 第七届北京国际机床展览 会上( 2 0 0 1 年) ，上海机床厂有限公司在其数控花键轴磨床上展出过一套 c n c 砂轮修整器，汉江机床有限公司的数控螺纹磨床也配备了数控砂轮修 整器，之后再没有相关信息报道，也没有形成批量生产旧】。国内研究的 很多砂轮修整装置虽然也具有了数控功能，但很多都是导轨式的，不能 适应复杂曲线的修整。为此本研究中广东工业大学和汕头轻工机械( 集 团) 公司合作，利用数控磨床本身的2 个数控移动功能增加1 个数控转 动功能开发了易于编程的新型三轴联动数控砂轮修整器。该装置已获得 发明专利和实用新型专利各一项，专利号分别为z l 0 2 1 5 2 114 x 和 z l 0 22 4 9 9 8 9 x 【2 0 ，2 1 1 。 8 第一章绪论 1 2 3 磁性研磨技术 磁性研磨是磁性磨料在磁场作用下，磨料将沿着磁力线方向紧密地 排列起来，构成磁性磨料“磁刷”，以该磁性磨料所构成的“磁刷”为研 抛工具，如图卜4 。“磁刷”将对工件的表面产生一定压力，当“磁刷” 与工件表面相对运动时，磁性磨料将在工件表面产生挤压和微量去除作 用，并且对于工件表面的突点由于磁场分布特性具有更高的去除率，从 而可以高效地降低工件表面粗糙度。利用磁场中磁性磨料所产生的磁性 压力，进行磁性研磨加工的光整加工方法具有柔性好、自适应性强、磨 粒自锐性好及无须工具磨损补偿等优点，在不规则曲面加工方面优势明 显。 图卜4 磁性研磨示意图 f i g1 - 4s c h e m a t i cdr a w i n go fm a g n e t i ca b r a s i v eg r i n d i n g 广东： 业大学工学硕士学位论文 图卜5 日本磁性研磨加工技术的应用实例 2 2 。2 4 】 f i g 1 5a p p l i c a t i o no fm a g n e t i ca b r as i v eg r i n d i n gi nj a p a n 磁力研磨技术( m a g n e t ica b r a s i v ef i n is h i n g ) 泛指利用辅助磁场 的作用，进行精密研磨的一种工艺方法。1 9 3 8 年前苏联工程师k a r 9 0 1 0 w 正式提出m a f 这一概念，随后5 0 年代及6 0 年代这一技术的发展正是因 前苏联b a r o n 和他的同事们的研究和推广应用工作。7 0 年代中期开始保 加利亚m e k e d o n s k i 和他的同事们也不断地发展磁性研磨技术，有关该技 术加工方面的国际会议定期在保加利亚召开。80 年代日本研究人员 t o h o k u 大学的k a t o 教授及同事、t o k y o 大学的n a k a g a w a 及同事、 u ts u n o m iy a 大学的s h i n m u r a 博士及同事开始这方面的研究工作，并逐步 在实际中推广应用，如图卜5 ，包括陶瓷、硬质合金钢等的内外表面研磨 等，后来美国o k l a h o m a 州立大学的k o m a n d m i 等人也开始有关研究工作。 德国已经出版了有关方面的论文，前苏联已出版了有关m a f 技术的专著 和几百篇论文，研究工作主要涉及于加工原理、不同条件下加工特点、 各种各样的应用及相关设备 2 “。 国内从80 年代前期开始了这方面的研究，目前太原理工大学、卜海 交通大学，山东理工大学，沈阳大学、中原：【二学院、大连理工大学和河 南科技学院等大学在磁性研磨的机理和新型磁性磨料以及在实际应用中 做了不少研究，己有几十篇论文在学术杂志上发表。值得一提的是太原 理工大学在新型粘结磨料方面，以及大连理工大学、山东理工大学在自 由曲面方面的研究都有比较大的突破。 1 0 第一章绪论 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题的来源 1 产学研合作项目 本研究中广东工业大学和汕头轻工机械( 集团) 公司合作，利用数 控磨床本身的2 个数控移动功能增加1 个数控转动功能开发了易于编程 的新型三轴联动数控砂轮修整器。可以对成形砂轮进行微细修整，实现 对卷封轮的精密加工，同时也可对具有较复杂及微小的回转面零件进行 精加工。 2 广东省科技计划项目：智能数字化轴对称回转曲面数控磨床开发 ( 2 0 0 5 8 50 10 10 1 2 ) 。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题将针对复杂曲线回转面零件，特别是制罐行业中的关键零件 一封口轮进行精加工，通过开发新型数控成形砂轮修整器对成形砂轮进 行修整，并实验验证其可行性及性能，从而获得准确的相应沟槽形状。 在此基础上，采用磁性研磨的工艺来对沟槽曲面进行均等研抛降低其表 面粗糙度。所以本课题研究的具体内容如下： 1 本研究将在上述成形砂轮修整原理的基础上，分析不同的修整器、不 同的修整参数所产生的封口轮沟槽，寻找适合封口轮沟槽成形的修整 器和修整参数。 2 对修整装置结构进行设计，通过实验对磨削过程进行观察，并检验其 可行性。 3 误差分析以及对影响沟槽形状精度因素的分析，从而改进修整装置， 提高装置的可靠性。 4 选择合适的砂轮和修整参数，并且通过实验验证砂轮耐用度及工件表 面完整性。 5 解决砂轮对刀问题，满足沟槽的位置度要求。 6 优化修整及磨削过程的参数，建立充分发挥其磨削性能的参数体系。 圣些奎兰三兰堡圭兰堡丝圣 7 采用磁性研磨对成形磨削后的沟槽进行研磨抛光，使其满足低粗糙度 要求。 第二章砂轮修整器的设计及改进 2 1 概述 第二章砂轮修整器的设计及改进 成形磨削时砂轮廓形精度直接决定加工后工件的质量，成形砂轮传 统的靠模、仿形修整以及复杂的机械和基圆法修整基本上满足不了高精 度和高效率的砂轮修整要求。国内c n c 砂轮修整器比较少，而且也是针 对专用零件，所修整的曲线仅仅是单个圆弧或缓变曲线，不能适应复杂 曲线的修整。为了适应封口辊轮卷封沟槽成形磨削的需要，和汕头轻工 机械( 集团) 公司合作，利用数控磨床本身的2 个数控移动功能增加1 个数控转动功能开发了易于编程的新型三轴联动数控砂轮修整器。该装 置己获得发明专利和实用新型专利各项，专利号分别为z l 0 2 1 5 2 1 1 4 x 和z l 0 2 2 4 9 9 8 9 x 。该装置具有通用性好，零活性高，修整精度较高，能 针对大部分的曲线回转面沟槽截面实现成形砂轮修整，尤其适用于槽宽 小于2 m m 的微型沟槽成形磨削砂轮。 2 2c n c 成形砂轮修整原理 2 2 1 修整方法的选择 成形砂轮的修整采用金刚石滚轮具有最高的修整效率和较高的形状 精度，但是对于作为金属板材塑性加工用的曲线截面沟槽，由于金属板 材状态的多变性，如目前马口铁的型号繁多，厚度、制造工艺、热处理 状态等都有不同，因此对于性能各异的板材，卷封沟槽的形状需要随之 变化，该类成形沟槽的加工属于典型的多品种小批量生产模式【2 6j 。虽然 采用金刚石滚轮，采用横截面直接进给的切入方式，可以得到较高的形 状精度和修形表面，并且效率也很高，但修形后被修的成形砂轮的磨粒 破损严重，必须进行修锐后才能使用。同时，修整中滚轮的磨损也直接 影响砂轮表面的形状精度【2 ”。最关键的问题是金刚石滚轮修整方法只适 用于大批量的生产方式。对于小批量方式来说，每十j l 个工件就需要 个专门的成形金刚石滚轮，其加工过程是不经济的，生产周期也很长， 难以让一般企业接受。而在满足修整的精度和柔性、可校正性和自动化 要求等方面，c n e 修整法是一种全面和有发展潜力的成形砂轮修整方法。 因此综合以前的分析，我们采用c n c 控制单点金刚石轨迹的方法实现卷 封轮沟槽形状多变、单件小批量加工的模式。此法具有较高的柔性，当 砂轮形状改变时，只要改变数控程序就可以满足要求。 虽然目前国内的数控修整器大多也采用单点金刚石，但基本都采用 的是不规则的修整笔，由于修整工具有一定的厚度或有定的直径，修 整时容易使修整工具和砂轮产生干涉。而且当金刚笔多次修整砂轮后， 金刚笔尖因磨损而变的平坦，再继续修整就会产生很大的形状误差，如 图2 一l 。特别是修整槽宽在2 m m 以下的微型沟槽时，沟槽形状精度基本不 能保证。 宰糕轻疵 图2 1圆锥金刚笔尖磨损后产生的修整形状误差 2 8 f i g 2 1p r o f i l ee r r o ro ft h ec o n i cd i a m o n dp o i n ta f t e rw e ar i n g 【2 8 】 图2 2d i a f o r m 金刚石笔 f i g 2 2d i a m o n dp o i n to fd i a f o r m 1 4 茎三耋丝丝堡兰兰竺堡型：圣墼兰 为此，我们选用已经商业化的d ia f o r m 金刚石笔，其中锥角为6 0 。、 前端圆弧半径为0 2 5 m m ，如图2 2 所示。这样可以实现对适合微型沟槽 的成形砂轮进行精密修整。 2 2 2 成形砂轮修整原理 一般成形砂轮的单点金刚石修整使用数控磨床的2 个数控移动功能 就可以形成需要的形状轮廓，但对于槽深与槽宽尺寸接近并且其截面轮 廓为一条光滑的曲线的成型沟槽，创成成形磨削砂轮轮廓时金刚石修整 器必须摆动才能避免几何干涉，如图2 3 ( a ) 、( b ) 所示。金刚石修整器围 绕垂直于纸面的y 轴方向摆动，使单点金刚石修整器的轴线始终与砂轮 截面曲线的法线方向一致的3 轴联动可以保证有较好形状精度和磨粒刃 状态，但是当轮廓曲线曲率变化剧烈时，因为修整工具有一定的厚度， 也可能出现单点金刚石修整器与砂轮轮廓的干涉，如图2 3 ( c ) 所示。因 此限制金刚石修整器的轴线与x 轴之间的夹角在一4 5 。4 5 。范围内摆 动，消除金刚石工具与砂轮轮廓可能发生的干涉。 图2 3 凸面的修整原理 f i g 2 - 3d r e ss i n gp r i n c i p l eo fc o n v e xp r o f i l e 金刚石修整器摆动的中心位置决定数控编程处理的过程，因为随着 修整器的摆动需要2 个移动轴的补偿运动以保证修整点按照设定轨迹运 动，如图2 4 ( a ) 所示，当单点金刚石工具转过b 角则需要同时移动x 和z 才能保证砂轮修整点位置的不变。考虑成形沟槽的轮廓曲线的光滑 过渡特点和单点金刚石寿命的要求选择金刚石修整器尖端具有过渡圆弧 童三些奎耋三耋堡圭兰篁篁圣 半径为o 25 m m 锥角为6 0 。的d i a f o r m 形单点金刚石修整器，将单点金刚 石修整器的摆动轴心( 运动中心) 设置在过渡圆弧的圆心( 几何中心) ， 则单点金刚石修整器的摆动角度不会影响单点金刚石与砂轮修整点的位 置，砂轮修整时单点金刚石修整器的摆动中心沿砂轮轮廓等距线运动， 简化了金刚石修整器轨迹的数控程序设计，并且利用d i a f o r m 修整器顶 端的圆弧面不同部位参与砂轮修整可以提高其寿命，如图2 4 ( b ) 所示。 图2 4 单点金刚石修整器摆动中心的影响 f i g 2 4i n f l u e n c eo fs w i n gc e n t e ro fs i n g l ed i a m o n dd r e ss e i 该修整器除了可以修整微小回转沟槽，还可以应用于其他类似零件 回转曲面的成形精加工，如图2 5 所示的轧辊及轴承滚道曲面等。其曲 面相对于封口轮的沟槽要大，而且曲面形状也较简单，可阻根据曲面的 不同而更换价格相对便宜的金刚石笔。 圈2 5 轧辊及其曲面 f i g 2 5r o l l e ra n di t ss u r f a c e s 1 6 、匀一 第二章砂轮修整器的设计及改进 2 2 3 新型成形砂轮修整器的结构 基于以上成形砂轮修整原理，设计制作了用于外圆数控磨床的新型 砂轮修整装置，图2 6 中表示出了装置及控制系统的概略图。图2 7 为 修整器的实际外观图。 图2 6 修整器原理图 f i g 2 6s c h e m a t i cd r a w i n go ft h et r u er 图2 7 修整器实际照片 f i g 2 7p i c t u r eo ft h et r u e r 三至三竺奎兰三耋竺圭兰堡篁圭 1 ) 基本运动部分 该修整器的基本运动部分主要有三个轴：x 、z 和b 轴，如图2 8 。 其中前两个轴是改造前精密磨床的两个轴。其中z 轴采用伺服电机带动 精密滚珠丝杠来实现其横向运动。b 轴的摆动采用减速比1 4 3 的蜗杆蜗 轮副传递伺服电机的运动，由于蜗杆蜗轮副的自锁特性，保证了砂轮修 整过程中摆臂的作用力不会传递到伺服电机影响其正常运转。这三个轴 通过数控系统控制，可以实现三轴三联动的运动功能。通过控制金刚石 修整器摆动中心的位置( x ，z ) 和修整器的摆动角度可以实现任意凸面截 面形状成型砂轮的修整。 图2 8 修整器基本运动机构 f i g 2 8s t r u c t u r eo fm o v i n gp a r tso ft h et r u e r 2 ) 金刚石笔装夹装置 为实现金刚石笔的精确定位，使笔尖圆弧部分的圆心处于b 轴回转 中心线上，必须使金刚笔的位置可以调节，为此我们设计了专门的装夹 装置，如图2 9 所示。 1 8 量三兰丝丝竺兰兰墼堡兰垒璧丝 a 图2 9 金刚笔夹头 f i g 2 9h o l d e ro ft h ed i a m o n dp o i n t 图2 1o 金刚石笔夹头组件示意图 夹头联结螺钉2 金刚笔夹紧螺钉3 夹头4 金刚笔5 摇臂 6 压板7 ，伸长螺钉8 移动块9 缩进螺钉 f i 9 2 一loas s e m b l yd r a w i n go ft h eh o l d e ro fd i a m o n dp o i n t 1 9 广东：亡业大学工学硕士学位论文 针对金刚笔的横向定位问题，考虑到装夹金刚笔的圆孔的定位误差 及夹头外圆的制造误差，我们把原来的圆孔设计成类似操场形状的沟槽。 它的厚度与金刚笔的直径相等，横向上把整个圆弧分段，往横向拉长 o 2 5 m m ，由于金刚笔在横向上只是微移动来补偿圆孔的定位误差和外圆 面的制造误差，所以0 2 5 m 的宽度符合要求。通过两个螺钉可以实现其 在横向上的微移动。整个夹头通过两个螺钉在位置a 和后面的移动块联 结，拆卸时，用两个螺钉安装位置b 即可把夹头胀出。 笔的整个纵向移动过程如下：首先把把夹头3 和移动块8 用螺钉l 联结在一起，然后把金刚笔4 通过螺钉2 和侧面两个内置螺钉固定装夹 在夹头上，接下来用两个螺钉把压板6 和摇臂5 联结起来，然后利用伸 长螺钉7 可实现整个移动块和金刚笔夹头的纵向前移，而通过缩进螺钉9 即可实现移动块和夹头的纵向回缩。如图2 一lo 所示。 3 ) 对刀杆和c c d 对刀系统 为使笔尖圆弧部分的网心处于b 轴回转中心线上，我们以前设计了 带有凹槽的对刀杆，如图2 1 1 所示。 图2 一l l 对刀杆示意图 f i g 2 1 1s c h e m a t i cd r a w i go ft h et 0 0 1 一s e t t i n gb a r 兰三耋竺丝竺些兰墼塞望：垒墼兰 修整前先装上对刀杆，只要金刚笔尖顶到凹槽底部，则金刚笔圆弧 的圆心和b 轴中心线在x 向上是重合的。但该对刀杆却无法实现金刚笔 在z 向上的精确对刀。由于该对刀杆的凹槽部分深度大于该杆的半径， 所以加工该凹槽时，对刀杆容易变形，而且放置时间久了也会变形。为 改变以上缺陷，我们设计了专门的c c d 对刀系统，如图2 1 2 所示。 该装置中取消了原来的对刀杆，而且采用显微镜放大原理把金刚笔 的圆弧放大后，通过c c d 采像系统输出到显示器中。整套装置放大4 0 倍 左右。整个操作流程如下：首先在对刀前，在镜筒下安装一个带