（机械制造及其自动化专业论文）立式磨床砂轮修整器及控制装置的研究与开发.pdf

摘要 摘要 本文是基于胍2 8 2 5 0 立式数控磨床而开发的砂轮修整装置及控制系统。 m k 2 8 2 5 0 双磨头立式数控磨床主要用于双圆弧形大型盘式轴承沟道的磨削， 沟道的曲面是通过成型磨削得到的，因此砂轮的修整精度直接复印到沟道上。如 何充分利用磨床选用的西门子8 4 0 d 数控系统的强大功能，设计数控砂轮修整装 置，保证砂轮的修整精度，从原理上避免修整误差的产生是此开发遵循的原则。 砂轮修整器的基本结构由五部分组成：回转机构；y 轴进给系统；数控系统； 液压与气动系统和砂轮防护及冷却等辅助系统。本文详细分析了影响砂轮修整精 度的因素，并根据砂轮修整器的功能要求和工作原理进行了砂轮修整器的总体结 构设计，确定了砂轮圆弧的修整采用气液串联旋转促动器带动回转臂、金刚笔 旋转来实现，而修整时上、下偏心距的调整由磨床的z 轴提供，修整进给量由y 轴进给系统提供。本文对砂轮修整装置的机械结构及液压、气动系统进行了详细 的设计，并对y 轴的传动部件同步带、滚珠丝杠、导轨等进行了选择计算。 眦2 8 2 5 0 数控磨床选用s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统、西门子s i m o d r i v e6 1 1 d 驱动系统和s i 眦t i cs 7 可编程序控制器一起，构成全数字控制系统。本设计利 用磨床数控系统实现对砂轮修整器的控制。根据砂轮修整的内容，本文完成了y 轴进给系统的设计并利用西门子p l c 的s t e p - 7 的编程语言编制了修整装置的控 制程序。本设计针对砂轮修整的不同需求，利用西门子8 4 0 d 系统n c 编程语言r 参数和i f 语句，为磨床编制了三套砂轮修整软件，通过编程实现了砂轮修整的 自动补偿，保证磨削盘式轴承滚道的精度和要求。 本开发项目已应用于用户磨床，经过了二年多的实际运行表明：本修整装置 的设计达到了预期的功能和效果，本项目对在此类磨床中的推广和应用具有一定 的实际价值和意义。 关键词数控立式磨床；双圆弧滚道；砂轮修整；数控系统；盘式轴承 北京工业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t b a s e d 彻m k 2 8 2 5 0c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) g r i n d i n gm a c h i n e a g r i n d i n gw h e e ld r e s s e ra n dc o n 仃o ls y s t e mw e 他d e s i g n e da n dr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t l l i su p t i g h tg r i n d e rt h a th a v ed o u b l eg r m ds p i n d l ei sp r i m a r i l yu s e dt og r i n da d o u b l ea r cr a c e w a yo fr o t a r yb e a r i n g f o rt h er a c e w a yi sg r i n d e db yf o r m e dg r i n d i n g w h e e l ，r a c e w a yd i r e c t l ym a k eac o p yo fg r i n d i n gw h e e lp r e c i s i o n d e s i g n i n gp r i n c i p l e j sh o wt ol 吐et h eb e s tu s eo fc n cf u n c t i o r m l i t yf o r 鲥n d e rp r o v i d e8 4 0 dc n c s y s t e m a n dh o w 幻d e s i g nc n cw h e e ld r e s s e ri no r d e rt oe i l s u r eg r i n d i n gw h e e l a c c u r a c y ，a n dh o w t oa v o i de r r o rf r o md e s i g n i n gp r i n c i p l e c n cg r i n d i n gw h e e ld r e s s e ri n c l u d e sr o t a r ym e c h a n i s m , ya x i sf e e d i n gs y s t e m ， c n cs y s t e ma n ds h e l t e rs y s t e ne t c 1 1 1 i sp a p e ra n a l y s e di nd e t a i lf a c t o rt oa f f e 圮- t g r i n d i n gw h e e lp r e c i s i o n a c c o r d i n gt o t h eo v e r u l lf u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n d p r i n c i p l eo ft h ed r e s s e r s c h e m ei sd e c i d e dp l a nt od r e s sa r cb ym a k i n gu s eo fa i r o i l t a n d e mr o t a r ya c o 1 羽o r d d v i n gd i a m o n d - p e n ，a n da d j u s t i n ga c c e n t r i cd i s t a n c eb yza x i c o fg r i n d e r f e e d i n gm o t i o nb yy a x i cf e e d i n gs y s y e m 1 1 l ep a p e rd e s i g nt h ed r e s s e r m e c h a n i s m ，h y d r a u l i ca n dp n e u m a t i cs y s t e mo fa i r o i lt a n d e mr o t a r ya c t u a t o r a n d s e l e c t t h eya x i cg e a r i n ge o m p o n e t st h a th a v es y n c h r o n o u sb e l t , l a e ds c r e ws l i d er a i le t c t h em k 2 8 2 5 0c n cg r i n d i n gm a c h i n ec o n s i s to ft h es i n u m 【e r j k 8 4 0 dc n c s y s t e m ，s l m o d r i v e6 11d i g i t a ld r i v es y s t e m , t h es i m a t i cs 7p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e rt o g e t h e r ，c n cs y s t e mo fd r e s s e rm a k ef u i lu s eo fc o n t r o l l i n gf u n c t i o no f s i n u m e i u k 8 4 0 do fg r i n d e rt oa c c o m p l i s hd r e s s e rc o n t r o l l i n g a c c o r d i n gt ot h e d r e s s e rc o n t r o l l i n gc o n t e n t s , t h ep a p e rd e s i g ny a x i cc o n u o l l i n gs y s t e ma n dt h i s d r e s s e rc o n t r o lp r o g r a mi sw r i t t e nb y b ys i e m e n sp l cs t e p 一7p r o g r a m m i n g l a n g u a g e a c c o r d i n gt od r e s s e rn e e d s b ym a k i n gu s eo fs i n u m e r i k 8 4 0 ds y s t e m n cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n drp a r a m e t e ra n di fs a t e m e n t t h r e es u i t sd r e s s i n g p r o g r a mu s e dd i f f e r e n ts t a t e a r ed e s i g n e d t h r o u g nc o n t r o l l i n gp r o g r a m m e r ，t h e d r e s s e i n gc o m p e n s a t i o nf o rg r i n d i n gw h e e li sa c h i e v e da n de n s u r et h ep r e c i s i o no f t h e a r cr a c e w a yo fr o t a r yb e a r i n g 1 1 d e s i g n h a sb e e nu s e di i lt h eg r i n d e rf o ro v e rt w oy e a r n er e s u l ti ss h o w n t h a tt h ed r e s s e rh a sg o t t e nt h ee x p e c tf u n c t i o n 1 1 砖s u b j e c tp r o v i d es o m ei m p o r t a n t v a l u e si i is p r e a d i n ga n du s eo f t h i sk i n d so f g r i n d e r k e yw o r d ：c n cu p r i g h tg r m d e r ；d o u b l ea r cr a c e w a y ；g r i n d i n gw h e e ld r e s s c i n g ； c n cs y s t e m ；r o t a r yb e a r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：益遂日期：苎：! 绽兰且塑旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借读；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：章：醯签导师签名：查垦塾日期：乇删 第l 章绪论 第1 章绪论 随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精 度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展。 磨削加工技术是先进制造技术的重要领域，是现代制造业中实现精密加工、超精 密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。 当今，磨削加工技术的发展趋势是向着采用超硬磨料磨具，高速、高效、高 精度磨削新工艺，装备c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 数控磨床的方向 发展。磨床的产品品种众多，资料表明磨削加工量约占机械加工总量3 0 0 4 0 4 0 。随着机械制造业向着f m s ( 柔性制造系统) 、c i m s ( 计算机集成制造系统) 、 i m s ( 智能制造系统) 高度自动化方向发展，对磨削加工提出了自动化的要求， 到2 0 世纪8 0 年代、9 0 年代数控磨床得到迅速发展，己进入普及和实用时期。 1 1 数控磨床的开发与应用 用磨料和磨具( 砂轮、砂带、油石等) 对工件表面进行切削加工的机床称为磨 床。磨床所加工的材料广泛，特别是淬硬钢和各种难加工材料的加工。可以说磨 削是最主要的加工方法，磨床可用于磨削内、外圆柱面和圆锥面、平面、螺旋面、 花键、齿轮、导轨、沟道、刀具及各种成形面等，应用范围非常广泛。 数控磨床是通过数字化操作指令进行控制的机床，主要由磨床主体、数控 装置、伺服驱动装置，主轴驱动装置及控制器等几大部分构成。数控系统的核心 是c n c 装置。c n c 系统框图如图卜1 所示： 图1 - 1c n c 系统框图 f i g i - i f r a m ef i g u r eo f c - 3 q cs y s t e m c n c 系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置( c n c 装置) 、可编 程控制器( p l c ) 、主轴驱动和进给驱动装置等组成。c n c 装置由硬件及软件组成。 硬件由微处理器、存储器、位置控制、输入输出接口、可编程控制器、图形控 制、电源等模块组成。软件则由系统软件和应用软件组成。在系统软件控制下， 北京下业大学t 学硕t 学位论文 c n c 装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令及进给控制信 号。系统软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输 出、系统显示功能和诊断能力。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、 位置控制和速度控制。 可编程控制器主要用于实现对机床辅助功能m 、主轴转速功能s 和换刀功 能t 的控制。伺服系统( 或称驱动系统) 包括伺服控制线路、功率放大线路、伺 服电动机等执行装置，它接收计算机数控装置发来的各种动作命令，驱动受控机 床的运动。数控磨床的驱动系统主要包括进给驱动系统、砂轮架主轴驱动系统。 进给驱动系统包括速度控制、位置控制、伺服电机和机械传动部件。速度控制是 控制磨床各坐标轴的磨削进给运动。位置控制是精确地控制磨床运动部件的坐标 位置，快速而准确地跟踪指令运动。主轴驱动系统是控制磨床主轴的旋转运动。 1 2 国内外盘式轴承沟道加工磨床及砂轮修整装置现状及分析 1 2 1砂轮修整技术的现状及发展趋势 在磨削过程中。砂轮由于磨损而产生钝化或变形时，为了使砂轮保持正确的 形状和露出锐利的切削刀，就要对砂轮进行修整，以便使砂轮产生一个新的有切 削作用的表面。 砂轮修整工具和修整条件对砂轮修整质量有显著影响，不仅影响到砂轮形貌 及磨刃的锐利程度，而且也影响着砂轮的磨损、磨削力、磨削温度及被磨零件的 表面完整性。 砂轮的修整工具和修整方法近年来发展很快。对于普通磨料砂轮的修整，常 用的修整方法主要有以下几种： 车削法：车削修整法是将修整工具视为车刀，被修整砂轮视为工件，对砂轮 表面进行修整。使用的修整工具为单粒金刚石笔和用细颗粒金刚石与硬质合金混 合烧结成形的片状修整器。 滚压法：滚压修整法是将滚轮以一定的压力与砂轮接触，砂轮以其与滚轮接 触面间的摩擦力带动滚轮旋转而进行修整的。此法可分为切入滚压修整法和纵向 滚压修整法。所谓切入滚压修整是指修整工具轴线与砂轮轴线相平行。纵向滚压 修整是指两轴线除平行外，也可以将修整工具相对砂轮轴线倾斜一个角度。 磨削法：磨削法修整是采用磨料圆盘或金刚石滚轮仿效磨削过程来修整砂轮 的。此法亦可分为切入磨削修整法和纵向磨削修整法。 砂轮修整工具很多，目前常用的砂轮修整器基本有以下四种类型：切线砂轮 修整器、样板砂轮修整器、液压砂轮修整器和c n c 砂轮修整器i l j 。 切线砂轮修整器利用枢轴和拖板生成角度或半径，每操作一次必须拼合一次 复杂的形状。这就意味着修整一个简单的廓形就需要8 至1 2 次不同的修整操作， 并耗费几个小时时间，而且用该砂轮磨出的工件精度取决于操作者每次修整调装 以及匹配已磨出的工件几何形状的能力高低，因此这样做需要有很高的操作技 能。 第1 章绪论 样板修整器部分地解决了这一难题。它的基本思路是制作个与砂轮廓形相 吻合而通常尺寸为实际廓形尺寸数倍的样板，籍此提高修整精度，降低砂轮修整 所需时间。采用该手段的难题是制作样板需要相当高的技艺和耗费不少时间。通 常要在昂贵的c n c 线切割机和加工中心上完成样板制作任务。 液压砂轮修整器是利用液压系统控制砂轮的修整，尽管可将砂轮修整纳入磨 床的自动循环，但仍要依靠精密的凸轮配置。 c n c 砂轮修整器是利用数控系统控制砂轮修整的装置，数控砂轮修整方法 能克服上述不足点，且提高现有磨床的生产率及加工柔性。由于刀具轨迹存贮于 计算机程序内且无需机械师手工生成，故与传统的砂轮修整法相比，c n c 砂轮 修整器可根据计算机程序在数分钟内生成相当精确的砂轮廓形，大大减少了修整 时间，比手动修整省时得多。此外，c n c 砂轮修整器可达到的修整精度一般为 0 0 0 2 5 m m 左右，远远高于传统的修整手段。 砂轮修整器是现代数控磨床配置的专用砂轮修整设备，随着现代加工的要 求，越来越多的数控磨床配备了c n c 砂轮修整器，修整技术也趋向于高精度、高 效率及高自动化方向发展。 1 2 2 大型盘式轴承沟道加工磨床及修整装置的国内外现状 大型盘式轴承又称特大型轴承，它是一种能够承受综合载荷的大型轴承，可 以同时承受较大的径向载荷、轴向载荷和倾翻力矩。转盘轴承广泛用于起重运输 机械、港口机械、船舶机具以及其它方面的大型回转装置上。 盘式轴承系列产品在制造过程中其重点和难点是零件的滚道加工。滚道中心 直径、滚道曲率比、滚道接触角、滚道表面硬度及淬硬层深度、热处理及磨削裂 纹等加工误差和质量缺陷，直接关系到盘式轴承的承载能力和使用寿命o 。 盘式轴承的沟道加工工序为滚道车削和滚道磨削。目前滚道磨削采用成形磨 削的方式，由于成形磨削将砂轮的修整精度直接复印到沟道上，因此要保证成形 磨削工件的精度，首先要解决砂轮的修整精度问题。目前国外仅有几家生产盘式 轴承的沟道磨床，主要包括美国的康贝尔公司，意大利的法利图公司，俄罗斯的 克罗姆等公司。所配置的修整装置为数控砂轮修整装置，修整方式是采用单点金 刚笔或金刚石滚轮数控修整，修整精度较高，磨削沟道的表面粗糙度值可达到 0 4 0 2 m ，但磨床的造价很高。 。 目前国内还没有这方面成形的产品。盘式轴承滚道的磨削除个别生产厂家花 大价钱购买进口沟道磨床外，大部分是通过改造的沟道磨床来完成的，因此砂轮 的修整装置通常为简单设计的修整器，修整方式常采用靠模等方法，修整后砂轮 的精度很低，磨削滚道的精度达不到盘式轴承的要求，大大影响了盘式轴承的使 用寿命。国内在数控砂轮修整装置的设计与修整软件的开发方面与国外有较大的 差距。因此，必须加速研究和开发用于大型盘式轴承加工的沟道磨床，设计出结 构合理的沟道磨床专用砂轮修整装置及控制系统，集成到机床上，尽快填补国内 空白，并逐步达到国际先进水平。 基于目前我国大型盘式轴承滚道加工存在的问题，为保证砂轮的修整精度和 北京t 业大学t 学硕十学位论文 表面质量，结合滚道加工的数控磨床的结构特点，本文提出一种机、电、液、气 相集成的数控砂轮修整装置。 1 3 课题的研究内容及研究意义 1 3 1 研究内容 目前国际上盘式轴承滚道截面形状优先采用取圆弧或椭圆。本论文的砂轮修 整器是针对双圆弧滚道的盘式轴承加工专用沟道磨床而提出的。 本论文主要工作： ( 1 ) 论述双圆弧砂轮的形成原理，对影响滚道修整质量的因素进行详细的 分析，为修整装置结构、控制系统的设计和控制软件的开发提供理论依据。 ( 2 ) 砂轮修整器的总体分析。根据修整器设计背景、工作原理和基本功能， 进行修整器的方案确定以及总体机构设计。 ( 3 ) 砂轮修整器的机械结构设计。主要进行修整器回转结构的设计以及迸 给系统的主要传动部件的选择。 ( 4 ) 砂轮修整器的液压、气动系统。主要就回转机构的液压系统以及砂轮 罩的气动系统进行设计。 ( 5 ) 砂轮修整器的控制系统。主要论述西门子8 4 0 d 数控系统的软、硬件系 统，分析其控制内容，对进给系统的控制方式及检测元件的选择进行详细论述， 同时建立进给伺服系统的数学模型，并分析其动、静态特性。最后进行了修整装 置的p l c 硬件系统以及控制程序的设计。 ( 6 ) 论述修整器的安装调试特点针对砂轮修整时的不同要求，利用西门 子8 4 0 d 系统的n c 编程语言的特点以及r 参数和i f 条件语句，为磨床编制了 不同的修整软件。通过编程实现了砂轮修整自动补偿，保证磨削盘式轴承滚道的 精度和要求。 1 3 2 研究意义及结果 砂轮修整装置作为一个相对独立的包含机电技术在内的功能部件，其主要作 用是保证砂轮在锋利高效状态下工作，磨削出高质量、高品质的盘式轴承的双圆 弧滚道，因而在整个数控沟道磨床中具有举足轻重的地位。 本课题提出的机、电、液、气相集成的数控砂轮修整装置，充分利用立式数 控磨床的结构特点和控制系统，采用独特的气液串联旋转促动器带动结构简单 易于实现对刀位置的回转机构、金刚笔摆动修整砂轮，砂轮的损耗补偿通过对砂 轮的主动频繁修整及数控编程实现修整自动补偿，达到了高精度砂轮修整的要 求，属于国内首创，磨削工件的精度达到国外同类产品的水平。 第2 章砂轮修整器的总体分析 第2 章砂轮修整器的总体分析 2 1 砂轮修整器的开发背景 盘式轴承又称回转支承，是用于工程机械，矿山机械、建筑机械以及其它机 械中需要两部分相对回转运动的基础零件。大型盘式轴承的特点是体积大，零件 截面积小，高度低，加工易变形精度要求高，因此对加工机床有严格的要求。 数控立式磨床，因其磨削主轴和工件均竖直安装，便于磨削圆形工件的内 径、外径和表面及其他回转表面，工件和砂轮轴的重力成为有利于磨削的因素， 使得工件需要的夹紧力变小，工件变形小，能够获得更高的加工精度，因此特 别适合于大型盘式轴承的加工。 m k 2 8 2 5 0 为双柱式双磨头立式数控磨床，主要用于对大型盘式轴承内( 外) 滚道、圆柱面及端面的磨削加工，本项目是基于此磨床对滚道加工而开发的砂 轮修整器。 2 1 1m k 2 8 2 5 0 型数控磨床 m 陋8 2 5 0 数控磨床为机、电、气、液一体化产品，其整体结构布置如图2 一l 所示。其主要组成部分为： ( 1 ) 左磨头主要用于轴承端面和直线型母线轴承内、外圈滚道的磨削加 工，由砂轮修整器把砂轮修成相应的形状，进行成形磨削。 砂轮主轴旋转由大功率电机驱动，为工件磨削提供动力，两台伺服电机通 过滚珠丝杠传动，驱动砂轮在水平和垂直两个方向形成磨削形状轨迹。 ( 2 ) 右磨头主要用于双圆弧内、外滚道的磨削。由大功率电机驱动砂轮主 轴旋转，提供磨削动力，由两台伺服电机通过滚珠丝杠传动，驱动砂轮在水平 和垂直两个方向运动，形成磨削工件形状轨迹。 ( 3 ) 工件回转工作台由可变速电机及其驱动装置驱动工作台旋转，工作台 上安装电磁吸力夹盘提供工件夹紧力。 ( 4 ) 横梁作为机床的主要支承部件，提供两磨头在水平方向上移动的导 轨、丝杠固定件。 ( 5 ) 床身立柱控制横梁的安装高度。 ( 6 ) 砂轮修整器( 本课题研究的内容)针对本项目中机床的结构形式及加 工工件的形状特点，在该机床上采用两套修整装置，分别对左、右磨头砂轮进 行修整，实现不同的加工内容。本课题研究右磨头砂轮的修整机构及控制系统 的设计。 ( 7 ) 控制部分主要包括控制站模块、电控柜及强电模块、磨头坐标驱动模 块、转台驱动模块等。 北京工业大学t 学硕t 学位论文 ( 8 ) 辅助装置主要包括液压、冷却液、润滑、气动等系统。 本数控磨床的主要技术指标如下： 回转工作台；尺寸由2 5 0 0 m ，转速0 3 5 r p m ，跳动0 0 0 5 m m ； 磨头主轴：功率2 0 k w ，转速3 0 0 0 r p m ，跳动0 0 0 5 哪； 坐标轴；定位精度o 0 0 5 m m ，重复定位精度0 0 0 2 r a t a 砂轮直径：由2 5 0 由4 0 0 m m ，最小进给量0 0 0 l n u n 。 图2 - 1m k 2 8 2 5 0 数控磨床结构 f i g 2 - l c o n s t r u c t i o no f m k 2 8 2 5 0c n cg r i n d e r 2 1 2 双圆弧砂轮的形成原理 用立式磨床加工盘式轴承滚道通常采用切入式的成形磨削，所谓成形磨削 即将砂轮修整成磨削表面的形状，然后对磨削表面进行磨削的过程。成形磨削 不但保证了加工表面的精度而且有效地提高了生产效率。 目前国际上盘式球轴承滚道的截面形状优先采用双圆弧，国内的生产厂家 也采用双圆弧滚道截面。双圆弧滚道与钢球装配以后可形成四点接触，加大滚 动体与沟道之间的接触面积，同时随着承载力的增大，接触面积逐渐增加，可 减少轴承滚道的磨损，提高盘式轴承的使用寿命。 沟道加工时首先将砂轮修整成双圆弧形，然后在磨床上采用切入式进行成 形磨削。双圆弧砂轮廓形的形成原理0 1 如图2 2 所示，将半径为r 的圆弧a b 以0 点为基点向下平移偏心量e 的距离至0 2 处，形成新弧hd ；再将圆弧b c 以0 为 基点向上平移偏心量e 至o 处，形成新弧d c ，两弧交点为d 点，则圆弧ad 与d c 形成新的几何形状即为四点接触球轴承双圆弧滚道的素线。由形成原理 第2 章砂轮修整器的总体分析 可知，偏心距e 和圆弧半径r 是保证双圆弧砂轮精度的关键所在。 a a cc ， 图2 - 2 双圆弧滚道的形成原理 f i g 2 - 2f o r m i n gp r i n c i p l eo f d o u b l eb cr a c e w a y 2 1 3 磨具及修整工具 磨削加工是利用磨具去除材料的加工方法。对磨床来说，针对不同的加工 工件和加工条件，选择不同的磨具。同时根据不同磨具的特性和加工工件要求 选择不同的修整方式和修整工具。磨具( 砂轮) 修整工具和修整条件对砂轮修 整质量有显著影响。 2 1 3 1 磨具磨具是由许多细小的磨粒用结合剂或粘结剂将其粘成固结或非 固结状态对工件进行切削加工的一种工具。 对绝大多数磨具来说，它是由磨粒、结合剂和气孔三部分组成。磨料是构 成磨具的主要原料，它具有高的硬度和适当的脆性，在磨削过程中对工件起切 削作用。结合剂的作用是将磨粒固结起来，使之成为一定形状和强度的磨具。 气孔是磨具中存在的空隙，磨削时起着容纳磨屑和散逸磨削热的作用，还可以 浸溃某些填充剂和添加剂，以改善磨具的性能，满足某些特殊加工需要。 由于磨具的用途十分广泛，加工对象、加工条件等有很大的不同，加之磨 具本身的特性也有很大的差别，所以磨具的种类也是多种多样。常见的分类见 表2 1 。 北京下业大学t 学硕 学位论文 表2 - 1 磨具分类表 分类方法类别 名称 无机磨具陶瓷结合剂磨具 金属结合剂磨具 根据结合剂类型 菱苦土结合荆磨具 有机磨具树脂结合剂磨具 橡胶结合荆磨具 氧化物系磨具棕刚玉磨具、白刚玉磨具、天然刚玉磨具 根据磨料性能碳化物系磨具黑碳化硅磨具、碳化硼磨具等 超埂磨料磨具金e l l l ；f i 磨具 立方氮化硼磨具 盘式轴承材料多为合金钢和碳素钢，具有较高的抗拉强度，因此选用韧性 较大的刚玉类磨料为宜。由于自剐玉磨料的硬度略高于棕刚玉，硬的磨料容易 切入工件，可以减少工件的变形和磨削热量，因此白刚玉宜用于轴承沟道的精 磨。 盘式轴承加工精度要求较高，表面粗糙度值飚为o 4 o ，2 册，因此选用 磨料的粒度为1 2 旷。陶瓷结合剂在磨削时性能稳定，耐水、耐酸、耐碱、耐油。 且不受天气、温度变化的影响，同时在磨削过程中能较好地保持外形，所以适 合于成型磨削。弧形砂轮用于磨削轴承的沟道。 2 1 3 2 修整工具砂轮的修整工具很多，对普通磨料的修整器来说，有单粒 金刚石修整笔、多粒金刚石片修整器、金刚石滚轮修整器、金刚石块和液压修 整器等。磨削中使用最多的是单粒金刚石修整笔以及金刚石滚轮修整器。 本砂轮的修整采用单粒金刚石修整笔，其主要原因：金刚石属立方晶系， 具有硬度高、强度大、颗粒形状佳、使用中磨损少、尺寸精度保持性好、能长 时间保持磨粒微刃的锋锐性等特性；同时单粒金刚石笔修整砂轮时成本低，比 用金刚石滚轮修整器所需金刚石少许多；金刚石修整笔的修整器只提供砂轮表 面的切入运动和平行于修整轮廓的进给运动。使用方便。 2 1 3 3 修整参数用金刚石笔修整砂轮时影响修整质量的因素很多，诸如金 刚石的刃口形状、金刚石的耐磨性、修整参数( 修整进给量、砂轮修整转数、 修整深度) 、修整装置、砂轮特性( 磨料种类、硬度、粒度、组织、结合剂) 以 及磨削液等。这些因素的影响结果，使被修的砂轮表面的实际廓形和表面粗糙 度不同于理论廓性和表面粗糙度。根据修整时的进给速度和修整深度的大小不 同。砂轮工作面将发生不同的改变。如果以获得低的表面粗糙度为目标，修整 时的修整深度和进给量均应取较小值，这样方可使修整出来的新磨粒刃口精细 她排列在砂轮表面上。不同修整条件下可得到不同砂轮表面情况，在修整深度 较大时修整砂轮，修整进给速度对被修整砂轮磨削所得的j n - t 表面租糙度影响 第2 章砂轮修整器的总体分析 不大；在修整深度较小时，修整进给速度表现出明显的影响。 2 2 砂轮修整器的工作原理 对砂轮修整来说，由双圆弧形成原理可知，双圆弧砂轮修整时由四个运动 组成：砂轮的旋转、金刚笔的摆动，偏心距移动以及修整的进给运动。由m k 2 8 2 5 0 立式磨床的结构可知，右磨头滑座及右磨头砂轮轴构成右磨头部件，砂轮的旋 转由砂轮的主轴提供，转动速度由主轴电机控制，砂轮的垂直方向( z 轴) 的 移动通过砂轮轴沿着磨床的滑座上下移动实现。因此，利用数控磨床z 坐标轴 实现修整时砂轮的上、下偏心距的调整，既易于保证偏心距e 的精度，又简化 了修整装置的结构。当砂轮修整时，首先金刚笔在z 向对刀，对砂轮来说，在 垂直方向的最佳对刀点在砂轮的中心平面( z ：o ) 上。此时保持砂轮修整器金刚 石修整笔的回转中心在z 轴方向固定不动，而将砂轮中心沿z 轴方向往上移动 一个距离e 到0 1 处，此时，相当于金刚笔的回转中心在0 2 处，当金刚笔由上 向下摆动时，修整砂轮的圆弧a d ：同理，将砂轮中心沿z 轴方向往下移动一 个距离e 到0 2 处，此时，相当于金刚笔的回转中心在o 处，金刚笔由下向上 摆动修整砂轮的圆弧d c 。，这样在砂轮的法向截面就形成了由a d 和d c 的 双圆弧廓形，如图2 3 所示。 砂轮修整进给量由另一方向修整器的y 轴伺服系统实现。 上 ：平移 z 强硬 i a 、 、 、0 x 0l r 外7 、4 0 二p ，r 。 。砂轮 钆义 d 图2 - 3 砂轮修整器原理简图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f d r e s s e r 笔 _ _ 递抬 修整过程中需要有冷却液带走砂轮修整时的磨擦热，清理砂轮，冲走切屑， 同时为防止砂轮修整时大量粉尘污染，应设有防护措施。 北京工业大学工学硕t ：学位论文 2 3 影响砂轮修整精度的因素分析 由于成形磨削将砂轮的修整精度直接复印到沟道上，因此分析影响双圆弧 砂轮修整精度的因素是设计砂轮修整器结构和控制系统、保证盘式轴承滚道质 量的主要依据。 2 3 1 影响盘式轴承滚道质量的因素分析 据调查数据显示，盘式轴承的失效形式主要是滚道损坏，占失效总数的9 8 以上“，因此滚道质量是盘式轴承的核心问题。影响盘式轴承滚道质量的因素 较多，滚道的曲率半径和接触角是两个最重要的影响因素，它们决定了盘式轴 承的承载能力和使用寿命。 滚道曲率半径r 是指滚道在垂直剖面内的曲率半径，如图2 - 4 所示，它与 钢球半径r 的比值的大小显著影响着盘式轴承的额定静容量和动容量。一般情 况下，半径比越大，额定静容量越低，使用寿命越短。如不能有效控制该半径 比，盘式轴承的承载能力和使用寿命就达不到标准值。因此滚道曲率半径是影 响盘式轴承性能的重要参数。 慧缓 图2 4 盘式轴承示意图 f i g2 - 4 s k e t c hm a po f r o t a r yb e a r i n g 接触角口是指钢球在滚道上的接触点和钢球球心的连线与盘式轴承径向剖 面( 水平面) 之间的夹角( 见图2 4 ) 。盘式轴承的额定静容量与s i n a 成线性正 比关系。一般原始接触角口取4 5 。所谓原始接触角，是指滚道设计角度。当盘 式轴承轴向和径向间隙为0 时，原始接触角和装配后的实际接触角一致。当盘 式轴承有间隙时，实际接触角大于原始接触角，间隙越大，实际接触角越大。 当实际接触角超过6 0 0 时，随着滚道的磨损，间隙将进一步加大，实际接触角 也将增大，也就是钢球的落点向滚道边缘靠近，从而造成滚道边缘压溃，盘式 轴承失效。因此控制好原始接触角和装配间隙是保证盘式轴承承载能力和使用 寿命的重要因素。 对同一种产品来说，钢球直径是经过严格筛选在一定尺寸范围内的，因此， 装配问隙主要来源于磨削滚道半径r 的误差和上、下半弧偏心距e 的误差。 第2 章砂轮修整器的总体分析 滚道的曲面是通过成型砂轮磨削得到的，成型磨削的工件轮廓精度主要取 决于被修整砂轮的轮廓精度。砂轮修整时主要误差源为：对刀误差、上、下圆 弧偏心距误差”1 。对刀误差是指修整时金刚笔与砂轮之间的相对位置误差，金 刚笔的对刀误差影响着滚道的尺寸精度和形状精度，且它和偏心距误差共同影 响着滚道接触角o r ，因此在下述内容中将具体分析偏心距误差和对刀误差对砂 轮修整精度的影响。 2 3 2 偏心距e 对砂轮轮廓、钢球与滚道接触角口的影响 2 3 2 1 上、下偏心距误差对砂轮轮廓的影响设a 、e 为上、下偏心距，r 。、 r 。为被修整砂轮上、下母线的曲率半径，r 为钢球半径，4 5 。为设计的原始接触 角。设a o b 之间的夹角为口，由图2 3 可知： r 2 = ，2 + 口2 2 r e e o s ( a + 4 5 0 1 ( 2 1 ) 焉2 = ，2 + e 1 2 2 mc o s ( o r + 4 5 0 ) 心2 = ，2 + 吃2 2 他c o s ( a + 4 5 0 ) ( 1 ) 当日= 岛时，即砂轮修整时在z 轴方向上偏心距b 和下偏心距岛相等 时，焉= 马，修整后的砂轮廓形上下对称，滚动体和滚道的接触点也对称，保 证了滚道的受力均匀。 ( 2 ) 当a 岛时，局是，修整后的砂轮上下不对称，引起滚动体和滚道 的接触点不对称，滚道的受力不均匀，降低盘式轴承的寿命。 x 图2 - 3 砂轮修整关系图 f i g 2 - 3 r e l a t i o nf i g u r eo f w h e e l 鲥n d i n g ( 3 ) 只要a = 岛，就可保证焉= 垦，由此降低了在砂轮修整时z 向对对刀 1 1 北京t 业大学t 学硕 学位论文 点0 的要求。 2 3 2 2 偏心距e 对修整砂轮圆弧半径r 的影响 将式( 2 一1 ) 以e 为自变量，r 为因变量微分得： 厂。， a r = a ej 二一二一c o s ( 口+ 4 5 0 ) j ( 2 - 2 ) l 月 胄 j 对盘式轴承来说，滚动体钢球的半径r 与所装配的滚道半径是一定的，所 需修整的砂轮的圆弧半径r 及偏心距e 为定值，因此，由式( 2 - 2 ) 可知，修整 圆弧半径误差a r 与偏心距误差缸成线性关系，随着偏心距误差血的增大，沟 道的曲率半径误差a r 也增大。 2 3 2 3 偏心距e 对钢球与滚道接触角口的影响口是指钢球在滚道上的接 触点和钢球球心的连线与盘式轴承径向剖面( 水平面) 之间的夹角。一般滚道设 计计算的原始接触角口为4 5 。在砂轮修整过程中，修整圆弧半径为r 时偏心距 e 为固定值，当偏心距e 存在误差缸时，砂轮修整后的轮廓存在一定的偏差， 由此钢球与滚道的接触角将产生误差。 将式( 2 1 ) 以e 为自变量，口为因变量微分得： 2 e a e 一2 r c 0 8 ( 窿+ 4 5 0 、呼一2 r e s i n ( a + 4 5 0 ) a a = 0 a c z = 垒! 一竺c 口+ 4 5 。1( 2 3 ) r s i n ( a + 4 5 0 ) 一一e 。t g ( 口+ 。1 【z 一踟 由式( 2 3 ) 可知，当偏心距存在偏差时，钢球与滚道的接触角将受到影响。 当移动偏心距为e + 时砂轮修整后的轮廓将变为在z 轴方向变小，钢球与 滚道的接触角将变小；当移动偏心距为e a e 时，砂轮修整后的轮廓将变为在z 轴方向变大，钢球与滚道的接触角口将变大，当实际接触角超过6 0 0 时，钢球 的落点向滚道边缘靠近，从而造成滚道边缘压溃，盘式轴承失效。为保证盘式 轴承的使用寿命，保证砂轮的尺寸精度，必须控制偏心距误差在百分之一的范 围内，z 轴的移动精度是控制偏心距误差的关键所在。本修整装置采用数控磨 床的坐标轴完成上下偏心距移动，由于数控磨床坐标轴的定位精度0 。0 0 5 m m ， 重复定位精度0 0 0 2 m m ，最小进给量0 0 0 1 m m ，因此有利地保证了偏心距的精 度。 2 3 3 金刚笔的x 向对刀误差对砂轮轮廓及滚道精度的影响 上述分析了上、下半弧偏心距误差对原始接触角的影响，下面分析金刚笔 的位置误差对修整砂轮廓形的影响。在金刚笔与砂轮的相对位置调整中，金刚 笔的摆动平面一定要通过砂轮的回转轴线，同时金刚笔尖一定指向砂轮的回转 轴线。如果不能满足，所修整的砂轮外缘将是一椭圆面而不是圆弧“1 。因此， 为保证砂轮的形状精度，在砂轮修整时必需保证金刚笔尖与砂轮之间的相对位 第2 章砂轮修整嚣的总体分析 置。 假设砂轮修整时金刚笔尖的摆动平面y 0 z7 与砂轮的轴线所在的平面y o z 有一段距离a ，笔尖的回转圆弧为尼笔尖的偏角为口。，如图2 4 所示。 显然，笔尖修磨运行轨迹在x o z 平面内的投影由a m , 胭两段以厅为半径， 分别以毋、仍为圆心的圆弧组成即图中弧j 砑和硒。 在x o z 平面内，衙和硒所在圆的方程分别为： 劢段：( z + 口) 2 + o a c t g e + r ) 2 = r 2 旆段：0 一p ) 2 + o a c t g o + r ) 2 = r 2 将坐标系绕z 轴逆时针转动0 ，得 善= x c o s o - y s i n o y = 石s i n o + y c o s o z = ， 将其代入式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 分别有： ( 一+ p ) 2 + ( x c o s o y s i n o a c t g o + r ) 2 = r 2 ( ，一d 2 + ( d c o s 0 一y s i n 0 一a c t g o + r ) 2 = r 2 式( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 在x 切7 面内的投影方程为： 型生+(x-(asin0)+(rcos0)2：l r 2 f r c o s o ) 2 ( 2 - 彳e 一) 2 十 ( x - ( a s i n 0 ) + = ( 了r c o s 0 ) 一 2 ：l r 2 ( 胄c o s 口) 2 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 可见上述式为一长轴在，轴上的椭圆方程，由于磨削时工件与砂轮的接触 部位可看成由弧e n 和n f 组成，因而这两段椭圆形状就直接复影到工件沟道上 了，如图2 4 所示。 由式( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 可知，上、下椭圆中心坐标分别为： 【a s i n o ) 一( r c o s o ) ，0 ，e 和 a s i n o ) 一( r c o s o ) ，0 ，- e 】，而理想双圆弧的上 下中心位置为【s i n ，0 ，p 1 和【s i n 口) ，0 ，呻1 ，其两种截面形状如图2 - 5 所示。 取砂轮径向深孝处来计算误差大小，如图2 咱所示： 北京工业大学t 学硕士学位论文 x = ( a s i n o ) - 孝 对于椭圆，有( 毛士e ) = 士止漉聂品虿j 丽；对于圆弧，有 ( 乇p ) = 士j 孩歹= 歹。显然误差j 为： 图2 - 4 砂轮修整关系图 f i 吕2 4 r e l a t i o nf i g u r eo f w h e e lg r i n d i n g 理论槽宽 l “ j i i 6 一 实际槽宽 卜一五_ 一 第2 章砂轮修整器的总体分析 图2 - 5 工件沟道形状 f i g 2 - 5r a c e w a ys h a p eo f w o r k p i e 图2 - 6 两种截面形状 f i g 2 - 6 t w ok i n d so f s e c t i o ns h a p e 其中0 。s 护9 0 。，o s 善r 。 ( 2 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可见，当口= o 。或善= 0 时，万= o ；当善满足筘管= o 时， 有最大误差瓦。 实际上，f o ，可知要使误差占减小，只有保证偏角0 越接近0 越有利。 由图2 5 可知，0 = a t s i n ( 2 a d f ) ，只有增大砂轮直径d 。才能保证偏角