一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法与流程

1.本发明属于磨削技术领域，特别涉及一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法。


背景技术：

2.超硬磨料磨具以其优异的磨削性能获得机械加工领域普遍认可，广泛用于各种难加工材料及异形零件的磨削。对于精密模芯、冲头、切片、梳刀、螺纹、微结构等大曲率(小曲率半径)零件微槽关键部位加工，通常是利用小直径d＜100mm、小尺寸形面(尖端宽度＜0.3mm、尖端斜角θ＜100、尖端圆弧半径＜0.1mm)超硬磨料砂轮，进行点磨削。
3.但是，此类砂轮，如图1，结构单薄、横向刚度差，应用易偏载、磨损快、形状精度保持性差等，给其修整成型带来了瓶颈。其一，超硬磨料硬度高、耐磨性强，与普通磨料砂轮修整相比，超硬磨料砂轮修整阻力大、修整时间长、效率低、精度低等特征；其二，小尺寸形面修整难，由于砂轮尖而薄、强度弱，尖端磨粒易脱落，进而呈现崩口、锯齿、毛刺等形态。
4.目前，国内外对超硬磨料砂轮圆弧修整进行了大量的研究，也取得了一定的进步，主要有修整笔插补修整、成形轮滚压修整、杯形砂轮摆动修整、elid电解修整等。但是，修整笔修整，工具磨损快；挤滚压修整，作用力大；杯形砂轮修整，接触面积大；电解修整、电火花修整，需要被修整砂轮导电。采用双圆弧插补对磨(如201610994908.8)，修整阻力大，仅适于修整球头砂轮；采用cg棒对磨插补修整(如201410280620.5)，工具轮磨损不均匀，无法精密修整；采用滚轮与砂轮螺旋修整(如201610120685.2)或插补修整(如201810930250.3)，砂轮受力不合理，不适于修整小尺寸形面砂轮；激光修整(如201910604282.9)，技术尚存不足，如光束特性、能量分布、重熔层、精度等问题，目前尚不能用于工程精密修整；杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法和装置(如202110534615.2)，将三轴联动数控机床和单回转轴砂轮修整器有机结合起来用于杯型圆弧砂轮修整，通过机床数控系统控制机床x直线轴和z直线轴进行圆弧包络插补，可实现杯型砂轮任意包角圆弧的高效高精度在位修整，然而其属于插补修整，采用的是螺旋式连续修整，修整轨迹呈螺旋状，受力不合理，不适于修整小尺寸形面砂轮。
5.总之，现有技术普遍存在修整力大、易形变、精度低、质量差、外观差、实用性不好等缺陷，不适于超硬磨料砂轮小圆弧形面精密修整。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，有利于超硬磨料砂轮小圆弧形面精密修整。
7.为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
8.一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，包括以下步骤：
9.1)选择修整工具
10.根据被修整砂轮特性选择修整工具；
11.2)系统预设调整
12.设备主轴及副轴径向跳动不大于0.005mm；
13.将被修整砂轮安装在设备的主轴上，工具轮安装在副轴上，安装后二者径向跳动不大于0.01mm；
14.确定砂轮预设圆弧半径r、工具轮当下半径r1及长度b；
15.调整工具轮当下往复行程，确保行程两端不接触被修整砂轮；
16.调整ccd系统，便于在线监控修整点接触状态；
17.调整位移传感器，确保可在线监测工具轮半径r1磨损情况；
18.3)对刀与定位
19.在双轮旋转、ccd监控状态下，在被修整砂轮双侧面，完成双轮四点对刀；再通过四点位置，测算出砂轮双面理论交点a及切点b、c以及砂轮预设圆弧中心o位置；
20.4)修整方案
21.(1)砂轮圆弧中心o确定后，在xy平面内以o点为圆弧基点，使工具轮后退两个被修整砂轮磨料粒径d距离，即工具轮后退2d；
22.(2)设置参数：
23.包括砂轮转速、工具轮转速、上下往复速度、插补圆弧半径r2、插补速度、圆周插补量c、径向进给量a；
24.(3)修整过程采取被修整砂轮高速旋转、工具轮低速旋转并上下移动修整；
25.在z轴行程两端间歇，以o点为基点实施xy二轴空载圆弧插补，单次插补量c，完成插补轨迹弧
26.随着工具轮不断往复、插补，逐步减小插补半径r2，直至达到砂轮预设圆弧半径r、弧长
27.5)修整
28.启动修整系统，按照4)修整方案进行砂轮修整；
29.6)检测
30.依据当下砂轮圆弧插补半径r2，实测工具轮当下半径r1，换算出被修整砂轮当下实际圆弧半径r＝r
2-r1，若r达到砂轮预设值r公差范围，则停止修整工作；
31.若当下r达不到砂轮圆弧预设r公差，则进行步骤7)；
32.7)再修整
33.重复步骤4)～6)，继续进行修整，直到砂轮圆弧半径r达到预设值r公差范围为止。
34.步骤1)中，工具轮采用直径d≤100mm，粒度为f230～f2000，硬度为a～n，且砂轮长度为10～30mm的平行砂轮。
35.步骤4)中，每次插补均以o点为基点，逐步减小插补半径r2；
36.起始插补半径r2＝r1+r+2d，
37.第二次插补半径r2＝r1+r+2d-a；
38.…
；
39.随着不断地插补进给，砂轮圆弧径向进给累计达2d距离，最后插补半径r2＝r1+r，理论上达到砂轮预设r要求。
40.所述径向进给量a以及单次插补量c均根据被修整砂轮特性及r要求设置。步骤4)，工具轮往复、插补可采取单程插补或双程插补。
41.步骤3)中，对刀时，需从被修整砂轮的中部对刀。
42.所述工具轮选用低硬度砂轮。
43.所述工具轮粒度不大于被修整砂轮粒度。
44.本发明的有益效果是：
45.(1)本发明公开的超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，采用细粒度普通磨料小砂轮，即d≤100mm，作修整工具，工具轮轴与被修整砂轮轴呈空间交叉垂直布局，被修整砂轮高速旋转、工具轮低速旋转并上下高速往复移动实现修整作业，在移动上下两端间歇实施圆弧插补，随着上下移动修整及不断减小圆弧插补半径，最后集点成圆达到砂轮小圆弧预设需求，可降低修整力、提高修整精度、质量、效率等，可解决现有修整技术不足。
46.(2)工具轮上下往复移动其目的是砂轮修整，而圆弧插补移动只是位置调整而不进行修整作业；也就是说修整不插补，插补不修整，是非连续性轴向移动圆弧插补周期修整技术，随着往复移动、间歇插补、逐渐减小插补半径，最后达到砂轮预设圆弧。
47.(3)选择修整工具，设法减少修整力；工具轮轴与被修整砂轮轴呈空间交叉垂直设置，可减小接触面积；四点对刀，可实现精密定位。
附图说明
48.图1是被修整砂轮的结构示意图；
49.图2是本发明的修整原理示意图；
50.图3是本发明对刀与定位示意图；
51.图4是本发明初始插补示意图。
具体实施方式
52.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
53.请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
54.本发明提供了一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，如图1至图4所示。
55.被修整砂轮如图1，本发明示意如图2。修整系统主要由xyz三相数控轴组成，z轴高速上下往复设置，在砂轮与工具轮接触点上方设置ccd监控屏幕，在工具轮径向外侧设置激光位移传感器，以上五个执行机构统一由计算机控制。其中，被修整砂轮高速旋转为修整提供主运动；工具轮低速旋转，使其圆周参与修整；同时工具轮沿z轴上下往复移动，使其全轴向参与修整；xy二轴联动圆弧插补，实现非接触位置调整；ccd与砂轮架固连，便于在线聚焦
监控修整点二轮接触状态；激光位移传感器，用于在线监测工具轮当下半径。
56.为实现以上技术方案，提出以下具体修整步骤：
57.1)选择修整工具
58.根据被修整砂轮特性选择修整工具；为了获取理想的砂轮圆弧半径r，工具轮选择小直径(d≤30mm)、普通磨料(碳化硅、刚玉)、粒度(f230～f2000)、硬度a～n、砂轮长度(宽度)10～30mm平行砂轮。
59.2)系统预设调整
60.设备主轴及副轴径向跳动不大于0.005mm；主轴用于安装被修整砂轮、副轴安装工具轮，安装后确保二者径向跳动不大于0.01mm；确定砂轮预设圆弧半径r、工具轮当下半径r1及长度b；调整工具轮当下往复行程，确保行程两端不接触被修整砂轮；调整ccd系统，便于在线监控修整点接触状态；调整位移传感器，确保可在线监测工具轮半径r1磨损情况。
61.3)对刀与定位
62.如图3，在双轮旋转、ccd监控状态下，在被修整砂轮双侧面，依据目测、音频完成双轮四点对刀；再通过四点位置，测算出砂轮双面理论交点a及切点b、c以及砂轮预设圆弧中心o位置。对刀时，务必从被修整砂轮的中部对刀，决不能从砂轮尖端对刀。
63.4)修整方案
64.(1)在砂轮圆弧中心o确定后，在xy平面内以o点为圆弧基点，使工具轮后退约两个被修整砂轮磨料粒径d距离，安全且避免毛刺等干扰；
65.(2)设置参数：包括砂轮转速、工具轮转速、上下往复速度、插补圆弧半径r2、插补速度、圆周插补量c、径向进给量a；
66.(3)修整过程采取被修整砂轮高速旋转、工具轮低速旋转并上下移动修整方式；
67.在z轴行程两端间歇，以o点为基点实施xy二轴空载圆弧插补，单次插补量c，完成插补轨迹弧
68.随着工具轮不断往复、插补，逐步较小插补半径r2，直至达到砂轮预设圆弧半径r、弧长
69.其中，在每次插补中，均以o点为基点，逐步减小插补半径r2；起始插补半径r2＝r1+r+2d，第二次插补半径r2＝r1+r+2d-a；
…
；
70.随着不断地插补进给，砂轮圆弧径向进给累计达2d距离，最后插补半径r2＝r1+r，理论上达到砂轮预设r要求。
71.5)修整
72.启动修整系统，按照4)修整方案进行砂轮修整。
73.6)检测
74.为了确保产品质量，在完成以上工作后系统退刀，用千分尺检测工具轮半径r1验证；依据当下砂轮圆弧插补半径r2，实测工具轮当下半径r1，换算出被修整砂轮当下实际圆弧半径r＝r
2-r1，若r达到砂轮预设值r公差范围，则停止修整工作。
75.对于小尺寸、细粒度、小圆弧砂轮形面修整，一般工具轮消耗很小，通过上述修整步骤即可达到预设要求。
76.7)再修整
77.若当下r达不到砂轮圆弧预设r公差，则说明工具轮消耗偏大，依据当下工具轮半径r1，重新设计r2，重复以上4)～6)，继续进行修整，直到砂轮圆弧半径r达到预设值r公差范围为止。
78.需要特别说明的是：在砂轮圆弧修整前，砂轮已完成双侧面修整，本发明仅指砂轮尖端圆弧形面修整。
79.被修整砂轮高速旋转、工具轮低速旋转并往复移动，其目的是砂轮修整；而圆弧插补移动是在往复行程两端之修整间歇作业，实为非接触圆弧插补，不进行修整；也就是说，往复、差补二者为顺序执行、间歇插补、非连续周期修整，修整不插补、插补不修整，即非同时工作。圆弧插补移动是在往复行程两端之修整间歇作业，不涉及修整。
80.往复、插补可以采取单程插补，也可为双程插补，一般依据被修整砂轮修整难度、设备系统刚性而确定。
81.工具轮往复运动，必须确保工具轮上下往复行程两端离开被修整砂轮，避免双轮干涉，使工具轮轴向全外圆面参与修整；同时工具轮粒度不大于被修整砂轮粒度，且粒度越细越有利于提高修整精度；工具轮硬度越软，越有利于小圆弧修整，提高砂轮修整精度；工具轮选用陶瓷结合剂或树脂结合剂、碳化硅或氧化铝中低硬度砂轮，这样有利于减小修整阻力。
82.径向进给量a根据被修整砂轮特性及r要求设置，一般a可先大后小；当圆弧半径r偏小时，务必选较小进刀量，这样有利于减小修整阻力、提高修整精度。单次插补量c根据被修整砂轮特性及r要求设置，一般c可先大后小；当圆弧半径r偏小时，务必选较小插补量，这样有利于减小修整阻力、提高修整精度。
83.更具体的：
84.1)选择修整工具
85.被修砂轮为单斜面金属结合剂金刚石砂轮，直径d80mm，粒度325/400(粒径d约0.04mm)，预设圆弧半径r0.05mm，在本修整前已完成双面修整加工，仅剩砂轮尖端圆弧有待修整。为了获取理想的砂轮圆弧r，工具轮选择直径d15
×
20mm、树脂结合剂、碳化硅平行砂轮，其粒度f400、硬度h。
86.2)系统预设调整
87.设备主轴及副轴径向跳动不大于0.005mm；主轴用于安装被修整砂轮、副轴安装工具轮，安装后确保二者径向跳动不大于0.01mm；确定砂轮预设圆弧半径r0.05
+0.005
mm，测量工具轮当下半径r17.488mm、长度b20mm；调整当下工具轮往复行程30mm，确保其行程两端不接触被修整砂轮；调整ccd系统，便于在线监控修整点接触状态；调整激光位移传感器，确保可在线监测工具轮半径r1磨损情况。
88.3)对刀与定位
89.如图3，在双轮旋转、ccd屏幕监控下，在被修整砂轮双侧面，依据ae及目测完成双轮四点对刀；再通过四点位置，测算出砂轮双面理论交点a及切点b、c以及砂轮预设圆弧中心o位置。
90.对刀时，务必从砂轮的中部对刀，决不可从砂轮尖端对刀。
91.4)修整方案
92.(1)在砂轮圆弧中心o确定后，在xy平面内以o点为圆弧基点，使工具轮后退约2个
被修整砂轮磨料粒径d，即2
×
0.04＝0.08mm，如图4，安全且避免毛刺干扰；
93.(2)设置参数：砂轮转速6000rpm，工具轮转速100rpm，上下往复速度200mm/min，预设圆弧半径r0.05mm，插补速度100mm/min，圆周插补量c0.002mm，径向进给量a0.001～0.01mm；
94.(3)修整过程采取被修整砂轮高速旋转、工具轮低速旋转并上下移动修整方式；在z轴行程两端间歇，以o点为基点实施xy二轴圆弧插补，单次插补量c，完成插补轨迹弧随着工具轮不断往复、插补，逐步较小插补半径r2，直至达到砂轮预设圆弧半径r、弧长
95.具体修整工艺为，以o点为圆弧基点，工具轮上下往复、单程插补，不断减小插补半径r2。
①
被修整砂轮高速旋转(6000rpm)，工具轮低速旋转(100rpm)且沿z轴高速移动(200mm/min)到一端；
②
起始插补半径r2＝r1+r+2d＝7.488+0.05+0.08＝7.618mm，插补量c0.002mm，开始第一轮圆弧插补、往复，直至完成弧
③
工具轮沿z轴移动到另一端，设置插补半径r2(减小a0.01)mm，插补量c0.002mm，开始第二轮插补、往复，按此逐步减小插补半径，完成4轮次插补、往复，全圆弧粗加工；
④
再设定径向进给量a0.005 mm，r2减小a0.005mm，插补量c0.002mm，完成4轮插补、往复，全圆弧中加工；
⑤
再设定a0.002mm，r2减小0.002mm，插补量c0.002mm，完成5轮插补、往复，全圆弧精加工；
⑥
再设定a0.001 mm，r2减小0.001mm，插补量c0.002mm，完成10轮插补、往复，全圆弧细加工。最后，通过粗、中、精、细四个修整阶段，累计实现径向进给0.01
×
4+0.005
×
4+0.002
×
5+0.001
×
10＝0.08mm，砂轮插补半径r2达到预设r1+r＝7.488+0.05＝7.538mm，圆弧
96.5)修整
97.启动修整系统，按照以上修整方案进行砂轮修整，直至完成以上工作。
98.6)检测
99.为了确保质量，在完成以上工作后系统退刀，用千分尺验证。依据当下圆弧插补半径r2＝7.538mm，实测工具轮当下半径r1＝7.486mm，换算出砂轮当下实际圆弧半径r＝r
2-r1＝7.538-7.486＝0.052mm，达到预设公差r0.05
+0.005
mm，停止修整工作。
100.由于小尺寸、细粒度、小圆弧形面修整，待加工余量很小，致使工具轮几乎无消耗，通过一次加工即达到了圆弧预设值r公差范围。
101.本专利中使用了“第一”、“第二”等词语来限定工艺过程语言，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，上述词语并没有特殊的含义。
102.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确地范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应当被视为在本文中具体公开。
103.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同
物界定。
104.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

技术特征：
1.一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选择修整工具根据被修整砂轮特性选择修整工具；2)系统预设调整设备主轴及副轴径向跳动不大于0.005mm；将被修整砂轮安装在设备的主轴上，工具轮安装在副轴上，安装后二者径向跳动不大于0.01mm；确定砂轮预设圆弧半径r、工具轮当下半径r1及长度b；调整工具轮当下往复行程，确保行程两端不接触被修整砂轮；调整ccd系统，便于在线监控修整点接触状态；调整位移传感器，确保可在线监测工具轮半径r1磨损情况；3)对刀与定位在双轮旋转、ccd监控状态下，在被修整砂轮双侧面，完成双轮四点对刀；再通过四点位置，测算出砂轮双面理论交点a及切点b、c以及砂轮预设圆弧中心o位置；4)修整方案(1)砂轮圆弧中心o确定后，在xy平面内以o点为圆弧基点，使工具轮后退两个被修整砂轮磨料粒径d距离，即工具轮后退2d；(2)设置参数：包括砂轮转速、工具轮转速、上下往复速度、插补圆弧半径r2、插补速度、圆周插补量c、径向进给量a；(3)修整过程采取被修整砂轮高速旋转、工具轮低速旋转并上下移动修整；在z轴行程两端间歇，以o点为基点实施xy二轴空载圆弧插补，单次插补量c，完成插补轨迹弧随着工具轮不断往复、插补，逐步减小插补半径r2，直至达到砂轮预设圆弧半径r、弧长5)修整启动修整系统，按照4)修整方案进行砂轮修整；6)检测依据当下砂轮圆弧插补半径r2，实测工具轮当下半径r1，换算出被修整砂轮当下实际圆弧半径r＝r
2-r1，若r达到砂轮预设值r公差范围，则停止修整工作；若当下r达不到砂轮圆弧预设r公差，则进行步骤7)；7)再修整重复步骤4)～6)，继续进行修整，直到砂轮圆弧半径r达到预设值r公差范围为止。2.根据权利要求1所述的一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于：步骤1)中，工具轮采用直径d≤100mm，粒度为f230～f2000，硬度为a～n，且砂轮长度为10～30mm的平行砂轮。3.根据权利要求1所述的一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于：步骤4)中，每次插补均以o点为基点，逐步减小插补半径r2；
起始插补半径r2＝r1+r+2d，第二次插补半径r2＝r1+r+2d-a；
…
；随着不断地插补进给，砂轮圆弧径向进给累计达2d距离，最后插补半径r2＝r1+r，理论上达到砂轮预设r要求。4.根据权利要求1所述的一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于：所述径向进给量a以及单次插补量c均根据被修整砂轮特性及r要求设置。5.根据权利要求1所述的一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于：步骤4)，工具轮往复、插补可采取单程插补或双程插补。6.根据权利要求1所述的一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于：步骤3)中，对刀时，需从被修整砂轮的中部对刀。7.根据权利要求1所述的一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于：所述工具轮选用低硬度砂轮。8.根据权利要求1所述的一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，其特征在于：所述工具轮粒度不大于被修整砂轮粒度。

技术总结
本发明公开了一种超硬磨料砂轮小尺寸形面精密修整方法，采用细粒度普通磨料小砂轮（D≤100mm）作修整工具，工具轮轴与被修整砂轮轴呈空间交叉垂直布局，被修整砂轮高速旋转、工具轮低速旋转并上下高速往复移动实现修整作业，在移动上下两端间歇实施圆弧插补，随着上下移动修整及不断减小圆弧插补半径，最后集点成圆达到砂轮小圆弧预设需求，可降低修整力、提高修整精度、质量、效率等，可解决现有修整技术不足。术不足。术不足。


技术研发人员：冯克明 杜晓旭 王庆伟 王兵 殷珂 赵现超 刘登彪
受保护的技术使用者：郑州磨料磨具磨削研究所有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/21