一種滾刀鏟磨用砂輪離線數控修整器的設計*

□ 陳 沖 □ 陳 草 □ 杜宏洋 □ 李 聰

重慶大學 機械工程學院 重慶 400030

砂輪修整是滾刀鏟磨中的一道重要工序，直接影響滾刀的鏟磨精度。一方面，滾刀鏟磨過程中，會頻繁出現砂輪磨粒鈍化、表面堵塞和截形失真等現象，需要對砂輪進行修銳；另一方面，為保證滾刀的幾何精度，需要通過砂輪修整獲得與滾刀設計曲面相嚙合的砂輪回轉曲面。目前，隨著齒輪加工工藝復合化以及齒輪形狀優化等需求增多，非標滾刀加工應用需求也越來越多。由于非標滾刀對應的砂輪截形往往為自由曲線，采用現有機械式修整器根本無法完成砂輪修整［1］，又因機械式滾刀鏟磨床的結構限制，無法進行改造或放置數控式修整器。為提高機械式滾刀鏟磨床加工非標滾刀的能力，本文提出一種離線式的數控砂輪修整器方案，給出了相應的砂輪快換夾具。

1 砂輪離線數控修整原理

采用蝶形金剛石滾輪進行砂輪修整，滾輪及砂輪的回轉軸線位于同一水平面且相互垂直。砂輪的回轉母線為平面曲線，可通過建立嚙合方程求解［1］，滾輪大體上沿水平面內的砂輪母線曲線運動即可修整出需要的砂輪截形。該修整方式與傳統的金剛筆修整相比，具有精度保持時間長、易于實現數控運動等優點［2］。

修整時，金剛滾輪的軌跡規劃如圖1所示，由1～7個運動段組成：①從截形右端開始沿著右側截形修整，到達砂輪截形中點；②在砂輪截形中點處沿砂輪徑向退刀約 2～3 mm；③平行于砂輪軸線向另一端移動至砂輪左端面位置；④沿砂輪徑向運動，到達砂輪另一端起始點位置；⑤沿著砂輪左側截形進行修整，再次到達砂輪中點處；⑥重復2的運動；⑦退刀。

▲圖1 砂輪成形修整路徑

2 砂輪修整器的總體結構

依據上述砂輪修整原理，設計出如圖2所示的砂輪修整器總體結構。

根據滾輪、砂輪的旋轉運動以及砂輪數控修整運動的不同特點及要求，分別設計相應的動力傳動系統。

▲圖2 砂輪修整器三維結構示意圖

在滿足基本要求的前提下，為節約成本，砂輪旋轉運動采用三相異步電動機通過平皮帶傳動方式。為方便砂輪的裝卸，電動機安裝在滑動導軌上并用螺釘固定，可以根據需要調節帶傳動的中心距，控制帶的張緊和松弛。

為減小修整器體積，金剛滾輪的回轉運動由變頻電主軸直接控制。同時，設計專用鋁制夾具將電主軸固定在工作臺上，以減輕十字工作臺的整體重量。

數控修整運動由兩臺伺服電機通過滾珠絲杠帶動十字工作臺運動來實現，以便提供截形修整所需的精確運動軌跡。為減少因絲杠摩擦生熱引起絲杠伸長變形而產生的運動誤差，滾珠絲杠副遠離伺服電機的一端采用游動安裝精密滾動軸承的形式，另一端采用固定安裝精密推力軸承的形式。同時在十字工作臺導軌上添加導向機構，該導向機構由分別安裝在上拖板、下拖板之間和下拖板、底座之間的預加負載雙滑塊滾動導軌組成，兩根一組，均以滾珠絲杠副為中心線對稱設置，提高運動方向的準確性。

3 控制系統

為兼顧性價比，控制系統選用西門子802C數控系統，并采用全閉環反饋實現高精度控制。在十字工作臺的拖板上安裝光柵傳感器，測出實際位移量或實際所處位置，與指令運行比較求得誤差，確定誤差補償量進而自動調整進給量構成全閉環位置控制。電主軸的變速由程序控制，控制系統工作原理如圖3所示。

▲圖3 砂輪修整器控制系統圖

4 輔助系統

4.1 電主軸冷卻系統

由于砂輪修整過程中變頻電主軸高速旋轉，其內部電機和軸承的摩擦將產生大量熱［3］，故必須對電主軸進行冷卻。采用傳統電主軸冷卻系統的改進方案：由螺旋水槽、定子外殼、水套外殼、進水口和出水口組成，螺旋水槽不在定子外殼上，而是位于水套外殼的內壁上。

4.2 密封防護系統

砂輪修整時，若砂粒進入導軌，易加速導軌磨損，影響滾珠絲杠的精度，因而合理的密封防護設計非常重要。考慮到整體方案的布局和結構的緊湊，選用風琴式伸縮防塵罩作為密封裝置。

4.3 砂輪快換夾具

為保持定位精度，無論是在鏟磨床還是在離線修整器上，砂輪及砂輪軸都作為一個整體進行裝卸。為方便、快速地裝卸，設計了圖4所示的快換夾具，通過擰緊/擰松螺栓來夾緊/松開夾具，實現砂輪軸的整體夾緊定位與取出。

砂輪軸與平皮帶的張緊或松弛，通過絲杠調整電動機位置實現，具體如圖5所示。圖中所示的砂輪裝夾方式與其在滾刀鏟磨床上的安裝類似，可減少不同預緊力引起的重復定位誤差。

▲圖4 砂輪快換夾具

5 結束語

▲圖5 帶傳動松緊機構圖

目前，國外已出現全數控式的滾刀鏟磨床，砂輪采用在機修整方式，但其價格昂貴。總體來看，機械式滾刀鏟磨床還將在我國滾刀制造企業存在相當長一段時間。考慮現有鏟磨床機械結構的限制，離線式砂輪修整器是實現鏟磨砂輪數控修整的新途徑，既可充分利用現有鏟磨床剛度好、精度高的優勢，又可大大提升鏟磨工藝范圍，低成本實現各種非標滾刀的高效、高精度修整。因此，本文所述的離線式砂輪修整器具有一定的應用前景。

［1］ 廖達明.一種磨床多功能數控砂輪修整器的研究 ［D］.重慶：重慶大學，2009.

［2］ 趙文祥，龐思勤，李亞非，等.碟形金剛石砂輪變速修整的磨削力特征和系統穩定性研究［J］.中國機械工程，2005，16(12).

［3］ 溫得英,謝黎明.數控機床電主軸系統結構特性分析［J］.裝備制造技術，2012（2）.

［4］ 劉西京.采用間隙誤差補償與螺距誤差補償改善機床最終數控精度［J］.機械研究與應用，2001，14(3).