1多线砂轮自动修磨原理

图1为金刚石滚轮修整砂轮示意图，金刚石滚轮须同时修整磨螺尖砂轮和磨螺沟砂轮（简称磨尖砂轮和磨沟砂轮）。SK723数控丝锥螺纹磨床具有多线砂轮复合自动修整装置，此装置对磨削砂轮的修型过程见图2。磨削砂轮由磨沟砂轮和磨尖砂轮组成，对磨沟砂轮和磨尖砂轮的砂轮修整过程分为磨尖砂轮快进、磨尖砂轮工进、磨沟砂轮快进、磨沟砂轮工进和快退五个进程，其中磨沟砂轮和磨尖砂轮的中心距为25mm。磨尖快进阶段，金刚石滚轮沿直线快速进给；磨尖工进阶段，金刚石滚轮沿磨螺尖砂轮外轮廓线以工进速度进给；磨沟快进阶段，金刚石滚轮快进至磨沟砂轮初始轮廓线位置；磨沟工进阶段，金刚石滚轮沿磨螺沟砂轮轮廓线以工进速度进给；快退阶段，砂轮磨削向下回退至砂轮零点，金刚石滚轮快速回到初始修整零位，并以此作为基础数据进行下一次磨削。

相较于传统的砂轮修型过程，SK723数控丝锥螺纹磨床配置精密的两轴联动平台，通过数控系统对伺服电机的控制，编程实现多线砂轮的轮廓形状修型，精密高速电主轴驱动金刚石滚轮对砂轮进行轨迹修整。由于丝锥规格不同以及两支砂轮的磨损量不同，砂轮磨沟、磨尖以及修整的磨削初始位置不同，故砂轮的加工零位不同，砂轮外径最低点始终位于丝锥外径2mm处。

图1 金刚石滚轮修整砂轮

图2 多线砂轮复合自动修磨装置修型过程

修整过程中，砂轮修整器处于修整器零位时，磨削砂轮向上运动至修整位置，砂轮在完成一支丝锥的磨沟、磨尖以及砂轮修整后回到砂轮零点（砂轮零点是磨削砂轮于机床X、Y、Z坐标系中的零点，且原点位置固定不变），并以此为基础数据进行下一次磨削。随着砂轮磨削次数以及砂轮修整器对砂轮修锐次数的增加，砂轮直径逐渐变小，此时必须对砂轮转速进行适当补偿，以实现工件的恒速切削（见图3）。在磨削过程中，由于两支砂轮的磨损量不同，砂轮每次向上运动的距离补偿量以两片砂轮磨损量最大值为准。在修整过程中，砂轮与修整盘的线速度需要保持一定的比值，取qd=0.4-0.7，防止因相对速度过高而加速金刚石滚轮的磨损，每次修整的实际修正量δ可调。

图3 工件、砂轮、金刚石滚轮修整盘相对位置

2多线砂轮复合自动修磨装置设计

多线砂轮复合自动修磨装置采用沿砂轮径向进给的初始修整法，砂轮修整器的修整量补偿法为定值补偿法，在砂轮修整程序中补偿量可调。基于沿砂轮径向进给的修型程序，采用多次修型法完成多支新砂轮初始修型。如图4所示，修型具体过程如下：将砂轮直径由Dsj延伸至Djx；开始修型时，按照母线5完成第一次修型，退回到初始修整位置；沿砂轮径向进给修整定值补偿量δ，按照母线4完成第二次修型，退回到初始修整位置；如此类推，直到金刚石滚轮的运动路径与砂轮母线1重合，即完成砂轮的初始修型。

图4 沿砂轮径向进给的初始修型过程

如图5所示，在磨削砂轮上下方布置相互独立的两个自动修整装置，以实现高精度砂轮修整以及精密的误差补偿。配置伺服电机及驱动、在工作轴及磨头配备高分辨率光栅尺，实现闭环控制，实现砂轮在加工和修整过程中对即时产生的磨损量进行在线补偿，提高了产品加工精度与效率。采用CNC数控系统，实现补偿量可调的砂轮径向修形以及单支砂轮或多支砂轮修磨，极大地降低了人为误差对修整过程的影响，操作简单。但在对多线砂轮进行修磨时，必须使用容量、压力与磨削时相同的冷却液进行冲洗和冷却。

图5 多线砂轮复合自动修磨装置结构

3精度检测及表面粗糙度预测模型检验

01

磨削精度检测

试验在SK723数控丝锥螺纹磨床进行，加工对象为M24丝锥。用TR220型粗糙度测量仪获取螺沟表面粗糙度值，测量过程中控制变量数量，以测量点的三次测量值的平均值作为最终测量结果，以保证试验准确性。为找出砂轮修整参数与表面粗糙度之间的具体关系，运用多元回归方程进行分析，具体试验数据如表1所示。

表1  砂轮修整参数及粗糙度测量值

02

 建立表面粗糙度预测模型器

研究表面粗糙度的试验方法通常有单因素法和多因素法。鉴于砂轮修整过程中修整工艺参数对表面粗糙度有不同程度的影响，采用多因素法建立表面粗糙度与修整工艺参数之间的正交回归试验方程，揭示各修整工艺参数间的相互影响。研究结果表明，表面粗糙度与修整工艺参数之间存在着复杂的指数关系，其通用形式可表示为

(1)

式中，C为决定磨削条件的修整系数；b1、b2、b3为各修整工艺参数的指数。

对式（1）两边分别取对数，得

采用矩阵形式代替式(4)，即

式中，εi(i=1，2，3)为试验随机变量误差。

应用最小二乘法，结合Matlab软件进行数据分析，解得表面粗糙度的预测模型        

01

表面粗糙度预测模型显著性检验器

①回归方程的显著性检验

鉴于建立的砂轮修整粗糙度预测模型只是一种有试验根据的假设，为了判断模型与实际加工情况的吻合程度，必须对建立的多元正交线性回归方程进行显著性检验。根据实际的检测结果完成统计检验，假设总偏差平方和Sr由回归平方和SA与剩余平方和SE两部分组成，即

采用F检验法，统计假设H0：βi=0(i=1，2，3，4)，则有统计量比

式中，n为试验组数；P为变量个数，P=4。表面粗糙度预测模型回归方程显著性检验分析结果见表2。

表2  表面粗糙度预测模型回归方程显著性检验分析结果

显著性检测结果表明，F比>F(4，10)，故所建立的表面粗糙度预测模型具有高度可信度，与实际情况拟合得很好。

②回归系数的显著性检验

经验证，表面粗糙度预测模型高度显著，但在多元正交线性回归方程中，并非每个自变量对因变量的影响都重要，还需考虑每个自变量对因变量影响程度的显著性，以便对试验结果进行预报和控制，故对回归系数进行显著性检验。

按照砂轮修整参数的设定排序，即按照速比、重叠比、径向砂轮修整量、切入进给率的检验顺序进行显著性检验。

统计假设H0：βi=0(i=1，2，3，4)，统计量为

(10)

式中，Cii为相关矩阵中对角线上第i各元素；n为试验组数；P为变量个数，P=4。计算结果如表3所示。

表3  表面粗糙度预测模型回归系数显著性检验分析结果

显著性分析结果表明：βi>5.26，回归系数全部为高度显著。砂轮工艺修整各参数对表面粗糙度的显著性排序为：径向修整进给量>重叠比>速比>切入进给率，即径向修整进给量是影响表面粗糙度的主要因素，其他砂轮修整参数均次之。

4小结

在多线砂轮复合自动修整装置中，采用耐磨损、刚性大的金刚石滚轮代替金刚石笔对多支砂轮进行修整，能实现对丝锥螺纹的多工序磨削加工和砂轮自动修磨，提高了生产效率。通过设置两个独立的金刚石滚轮修整器，先后对磨头砂轮进行修磨，减小砂轮轮廓误差，提高零件加工精度。采用CNC数控系统实现单支和多支砂轮的修磨以及定值补偿量可调，降低了人为误差对修整过程的影响。

试验检测数据显示，具有多线砂轮复合自动修整装置的SK723数控丝锥螺纹磨床能实现高精度的丝锥磨削，生产效率相较人工提高了50%。

通过设计单因素试验得到M24丝锥的取样表面粗糙度数据。对表面粗糙度模型建立多元回归的预测模型并进行显著性分析可知，径向修整进给量是影响加工表面粗糙度的主要因素，重叠比次之，速比影响最小。