兩坐標數(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象，采用PROE軟件和Protel99se軟件設(shè)計并研制出兩坐標電火花砂輪修整裝置，可對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)動兩軸聯(lián)動步進電機帶動兩坐標工作臺完成修整器的砂輪整形運動軌跡。根據(jù)電火花修整極性效應試驗結(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氧化鋁陶瓷工件進行切入磨削加工試驗，設(shè)定磨床主軸轉(zhuǎn)速2 800 r/min、磨床工作臺進給速度5 m/min、切入磨削深度為4 μm。試驗結(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行磨削加工。

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

中圖分類號：S225.93???文獻標識碼：A??文章編號：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

當今，隨著科技進步，在新型高性能、高精度的光學系統(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器件在林業(yè)遙感信息收集、衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測、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發(fā)中應用廣泛。應用非球曲面光學零件，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]，對于鎂、銅和鋅等軟質(zhì)材料，可以采用單點切削的方法進行加工，對于光學玻璃、氧化鋁陶瓷等硬脆材料，我國目前主要采用手工研磨，機械拋光的方法加工，因生產(chǎn)效率低下，很難滿足市場的大量需要[5-6]。

近年來，相關(guān)研究成果表明通過延性去除的方法可實現(xiàn)在超精密加工機床上對氧化鋁陶瓷等硬脆材料進行磨削加工，可以得到高精度的非球曲面，同時加工效率得到提高。為實現(xiàn)光學零件非球曲面的超精密加工，需要解決兩個關(guān)鍵問題：

（1）高剛度、高精度的超精密加工機床[7]。

（2）可對超細粒度、超硬磨料砂輪進行修整的成形砂輪修整裝置。

目前，超精密加工技術(shù)國防重點實驗室已經(jīng)研制出超精密加工機床，能夠?qū)鈱W非球曲面零件進行磨削加工，但成形砂輪的修整裝置沒有解決，本文主要研究兩坐標電火花砂輪修整裝置，以滿足超精密磨削加工對成形砂輪修整的要求[8-10]。

1?兩坐標砂輪修整裝置整體方案確定

為實現(xiàn)對任意截面形狀的成形砂輪進行修整，得到理想的整形效果，滿足對光學零件加工的需要，成形砂輪修整裝置是決定砂輪修整質(zhì)量的決定性因素。修整裝置的運動軌跡決定修整后砂輪的整體廓形，修整裝置的運動精度決定修整后砂輪的微觀形貌。為實現(xiàn)對任意截面形狀金屬基超硬磨料成形砂輪進行修整，所設(shè)計的成形砂輪修整裝置應滿足以下兩點要求[11]：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)平面運動，滿足對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行磨削加工。

根據(jù)以上兩點要求，確定兩坐標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、兩坐標工作臺和控制系統(tǒng)組成。將砂輪修整器安裝在兩坐標工作臺上，通過控制系統(tǒng)，驅(qū)動電動機通過螺母絲杠，帶動兩坐標工作臺上的砂輪修整器作平面運動，實現(xiàn)對任意截面形狀的砂輪進行電火花修整。

2?兩坐標砂輪修整裝置設(shè)計

2.1?砂輪修整器設(shè)計

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)計修整裝置修整方案，設(shè)計之初，曾考慮過單點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工作臺上，當兩坐標工作臺運動時，筆狀修整電極便沿著砂輪的表面廓形運動，對砂輪進行電火花修整。由于電火花修整成形砂輪時，作為陰極的修整電極因間隙放電也同樣損耗，隨著修整過程的進行，修整電極和成形砂輪不在是單點放電修整，隨著修整面積的擴大，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)計砂輪修整器機械結(jié)構(gòu)，得到圖3的回轉(zhuǎn)電極修整方案，并設(shè)計了圖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)通過帶輪緊固螺釘16與小帶輪15相互連接固定，三相異步電動機19通過帶傳動驅(qū)動軸4轉(zhuǎn)動，使電極1不斷地轉(zhuǎn)動修整砂輪。為避免電極1在高速旋轉(zhuǎn)時震顫，用兩個緊固輪2通過內(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)電極機座9上焊接電極導向套11，電極導向套11內(nèi)部開螺紋孔，將脈沖電源的負極接在導電螺栓17上，導電螺栓17通過壓縮彈簧12使石墨電極10和軸4可靠接觸，保證回轉(zhuǎn)電極1在修整過程中始終帶電。為了絕緣，防止工作臺和脈沖電源導通而放電傷人，回轉(zhuǎn)電極機座9采用尼龍加工。

2.2?兩坐標工作臺設(shè)計

在本次設(shè)計中，兩坐標工作臺采用圖5的結(jié)構(gòu)，在工作臺10表面加工有T形槽，用以安裝成形砂輪修整器。工作臺10的導向部件采用燕尾槽導軌導向，用壓板鑲條6對導軌的間隙進行調(diào)整。工作臺10的傳動部件為螺母絲杠7，用連軸器17將電機19輸出軸和絲杠7連接在一起，電機19通過絲杠7將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，帶動工作臺10在燕尾槽導軌的導向作用下作直線運動，從而使工作臺10實現(xiàn)平面運動。為補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)，在滑動螺旋傳動的螺母4外表面車削出螺紋，將其旋進工作臺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10在運動時，僅承受軸向載荷，并且工作臺10一端固定，一端鉸支，所以在固定端選用兩個推力球軸承12，以承受雙向推力。為了防止絲杠在旋轉(zhuǎn)過程中軸向竄動，推力球軸承12的兩端分別用軸肩和軸承端蓋15固定，同時在兩個推力軸承12之間安裝滾動軸承14以提高工作臺10的回轉(zhuǎn)精度。為便于密封與維護，考慮到工作臺10運行速度低，工作臺的軸承采用脂潤滑、非接觸式間隙密封。

此外，為方便控制修整裝置實現(xiàn)兩坐標聯(lián)動，選用步進電機作為修整裝置工作臺的驅(qū)動電機，步進電機的優(yōu)點是控制性能好，無累積定位誤差，結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用。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，無磨削加工阻力存在，故步進電機的輸出功率滿足設(shè)計要求。選用的步進電機的型號及具體參數(shù)見表1，工作方式為五相十拍制。

3?兩坐標電火花砂輪修整裝置整形試驗

3.1?條件與方法

為分析兩坐標電火花砂輪修整裝置的砂輪修整效果，進行砂輪修整試驗，試驗中所用儀器如下：

（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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