转子磨床CNC砂轮修整器的砂轮初始修形方法研究*

赵永强 李志峰 魏伟锋 侯红玲 赵甲宝 周 斌

（①陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中723003;②陕西汉江机床有限公司，陕西汉中 723003）

砂轮修整器是螺纹磨床中关键部件之一，其结构直接影响了螺纹磨床的整体结构和加工能力。螺纹磨床采用CNC砂轮修整器极大地改变了传统砂轮修整的方法，提高了螺纹磨床的加工精度和加工效率，特别是对于复杂螺旋面工件的磨削成为可能。在工件磨削过程中，由于工件自身结构的差异和随着砂轮的一次一次被修整其直径逐渐减小。因此，每次砂轮修形所需的控制轨迹曲线必然存在差异，CNC砂轮修整器对于适应这种轨迹曲线的变化具有突出的优点。

CNC砂轮修整器的开发与使用，拓宽了螺纹磨床的应用范围，提升了国产螺纹磨床的数控水平，也可以满足机械加工领域广大用户的不同使用要求［1］。虽然CNC砂轮修整器使砂轮的修形实现了数控化，但是也离不开人为的干预，尤其对于新砂轮的初始修整方面，如果修形方法选择不当，就会造成新砂轮就无法修形，砂轮轮廓截形无法控制和砂轮的浪费，严重的会造成修整轮的早期损坏和磨床机体的损伤。本文将以国内螺纹磨床的CNC砂轮修整器为例，分析介绍一种CNC砂轮修整器的结构和砂轮修形过程，提出并分析几种新砂轮初始修形方法，这对于采用CNC砂轮修整器的螺纹磨床的实际操作和CNC砂轮修整器的初始设计具有积极的指导意义。

1 CNC砂轮修整器的结构及原理

图1为某螺纹磨床的CNC砂轮修整器传动结构示意图。在实际工作中，砂轮由专用的伺服电动机驱动，砂轮修整器的安装底座8与砂轮头架为一体。砂轮修整器的金刚盘修整轮由电动机4驱动实现修整轮的主运动，二者装在与砂轮轴线相垂直的导轨上，在电动机9的驱动下，经丝杠5传动实现金刚盘修整轮沿砂轮径向进给。修整轮连同径向进给驱动装置（电动机9、丝杠5和竖直运动导轨等）在电动机7的驱动下，经丝杠6传动，沿着与砂轮轴线平行的导轨实现修整轮沿砂轮宽度方向的进给。通过以上两个相互垂直的直线进给运动，可以完成砂轮的修形。

2 CNC砂轮修整器工作过程

如上所述的螺纹磨床的CNC砂轮修整器对砂轮的修形路径如图2所示。在工件磨削时所需的回转体砂轮的母线为曲线FEDLM。为了修形方便，将此曲线以近似宽度中心D点为分界点，分为左侧母线DEF和右侧母线DLM。其中砂轮的左侧母线DEF由修整器左侧修整轮修整，砂轮的右侧面曲线DLM由砂轮修整器右侧修整轮进行修整。

对于已经修整成形的砂轮，经过磨削后需要重新修形时，可采用如下的方法:

当砂轮修整器处于零位时，左侧修整轮的位置在A点，右侧修整轮的位置在H点。开始修形时，先由左侧修整轮经A→B→C→D→E→F→G→A的修整路线对砂轮左侧进行修整，形成砂轮左侧母线DEF段，之后左侧修整轮回到其零位;然后由右侧修整轮经过H→J→K→D→L→M→N→H的修整路线修整砂轮右侧母线DLM段，之后右侧修整轮回到其零位;至此完成砂轮的一次修形过程。修形过程中，左侧修整轮的有效修形路径为DEF段，右侧修整轮的有效修形路径为DLM段，其余路径为辅助修形路径。

3 砂轮初始修形方法

以上介绍的修形方法是在工件磨削过程中对已经成形的砂轮的修形，其前提是砂轮已经修整成了所需要的截形。但是，通常砂轮在数次修行后必须更换。如图3所示，更换后新砂轮的轴截形为一矩形，其回转轴线为OO'，宽度为B，直径为Dsj。如何将其修整成轴截型为凸边梯形onmlo'，即其凸边曲线为nml，可以采用以下几种方法。

3.1 手工修形

采用手工方式将砂轮的外轮缘进行倒角。修形后的效果如图4所示，图中的截面曲线nml为新砂轮修形后得到的理想截形曲线，3段直线段PQ、QR、RS是手工修形后得到的砂轮截形。曲线nml和3段直线段PQ、QR、RS之间形成的封闭区域（即图中黑色阴影部分）中的砂轮实体必须采用其他的修形方法进行二次修形，而后续的二次修形难度也是非常大，必须进行重新定位、调整等。因此，采用手工方式进行新砂轮的初始修形，可以快速地将矩形截面的新砂轮修成锥形截面，这种初始修形效率高，在很短时间之内让砂轮截形基本趋向于砂轮的精确廓形。但是，这种修形方法带有很大的随机性，反而会增加后续修形难度，降低修形效率。

3.2 沿砂轮径向进给的初始修形

如图5所示，砂轮的实际直径为Dsj，宽度为B。初始修形后的砂轮廓形为n曲线，当砂轮最小直径达到Dmin时必须重新更换砂轮。由于砂轮修形时单次修整量非常小（一般为0.2 mm左右），因此将修整轮远离砂轮开始修形。具体操作方法为:将砂轮直径由原来的Dsj延伸至Djx（实际在直径Dsj和Djx之间不存在砂轮实体）。修整轮的轮缘实际轨迹从轨迹线1开始，即第一次修整时修整轮轮缘轨迹与砂轮轮缘处交汇;第二次修整时，修整轮沿砂轮径向进给一次，则修整轮轮缘轨迹为曲线2;依次类推，每次修整轮先沿砂轮径向进给，进给后修整轮轮缘轨迹沿曲线3，……，一直到曲线n（曲线n是第一次得到完整的砂轮轮廓曲线）。这样就完成了砂轮的初始修形。以后，磨削数次后按修正后的砂轮轮廓曲线对砂轮进行修整，修整后磨削……直到砂轮最小直径Dmin接近于砂轮轮毂直径时再次更换新砂轮。

这种方法的特点是砂轮CNC修整程序具有通用性，无需单独设计;砂轮初始修形的结束控制很容易实现，有利于提高砂轮的利用率。但是，在初始修形的过程中修整器的空行程较多，修整效率较低。特别是采用这种方法时，修整轮沿砂轮径向的工作行程加大，这对砂轮修整器的设计提出了更高的要求，此法在按照传统方式设计的砂轮修整器上无法实现。

3.3 沿砂轮轴向进给初始修形

鉴于沿砂轮径向进给的初始修形方法的缺点，提出了沿砂轮轴向进给初始修形法。如图6所示，对于宽度为B，直径为Dsj的砂轮的初始修形步骤为:第一次修整时，左侧修整轮的轮缘轨迹为P→1→1→P，右侧修整轮的轮缘轨迹为Q→a→a→Q;第二次修整时，左侧修整轮的轮缘轨迹为P→2→2→P，右侧修整轮的轮缘轨迹为Q→b→b→Q;依次类推，直到第五次时，左侧修整轮的轮缘轨迹经P→4→5→5→P，右侧修整轮的轮缘轨迹为Q→4→5→e→Q，以此得到所需的砂轮轮廓截型。

这种砂轮初始修形方法，在提高砂轮修形效率和沿砂轮径向工作行程受限的修整器而言具有突出的优点。但是，对于每次修整轨迹必须进行精确计算，使得砂轮初始修形的计算量增大。这对于CNC砂轮修整器的控制硬件的要求有所提高。

4 结语

本文针对螺纹磨床用砂轮修整器的结构和工作过程，介绍了CNC砂轮修整的结构和砂轮修形过程，特别是对于新换砂轮的初始修形方法进行详细的研究，对比了各种初始修形方法的优缺点。这对于普及CNC砂轮修整器的实际操作，提高砂轮修整器的修整效率和砂轮的利用率以及修整器使用寿命具有积极地指导作用。

［1］付玉升，陈欣，孙凤.螺旋曲面数控成型磨削与砂轮修整控制研究［J］.制造业自动化，2004（7）.

［2］国内首台套数控螺杆转子磨床亮相CCMT［J］.机械研究与应用，2010（3）.

［3］侯红玲，赵永强，白海清.复杂曲面的数控加工试验研究［J］.机床与液压.2009，37（8）:27 －29.

［4］赵甲宝.蜗杆磨削用砂轮修形方法研究［J］.机械工程师，2011（7）.

［5］袁周华.曲纹蜗杆螺旋面的精密磨削［J］.机械工艺师，2000（4）:25－26.

［6］吴序堂.齿轮啮合原理［M］.北京:机械工业出版社，1982.

［7］赵永强，侯红玲，李志峰，等.恒速磨削的实现方法与机床设计［J］.机床与液压，2010（6）:7－9.

［8］侯红玲，赵永强.五坐标数控机床传动系统设计与研究［J］.机械，2008（8）:44－46.