一种滚刀铲磨用砂轮离线数控修整器的设计*

□ 陈 冲 □ 陈 草 □ 杜宏洋 □ 李 聪

重庆大学 机械工程学院 重庆 400030

砂轮修整是滚刀铲磨中的一道重要工序，直接影响滚刀的铲磨精度。一方面，滚刀铲磨过程中，会频繁出现砂轮磨粒钝化、表面堵塞和截形失真等现象，需要对砂轮进行修锐；另一方面，为保证滚刀的几何精度，需要通过砂轮修整获得与滚刀设计曲面相啮合的砂轮回转曲面。目前，随着齿轮加工工艺复合化以及齿轮形状优化等需求增多，非标滚刀加工应用需求也越来越多。由于非标滚刀对应的砂轮截形往往为自由曲线，采用现有机械式修整器根本无法完成砂轮修整［1］，又因机械式滚刀铲磨床的结构限制，无法进行改造或放置数控式修整器。为提高机械式滚刀铲磨床加工非标滚刀的能力，本文提出一种离线式的数控砂轮修整器方案，给出了相应的砂轮快换夹具。

1 砂轮离线数控修整原理

采用蝶形金刚石滚轮进行砂轮修整，滚轮及砂轮的回转轴线位于同一水平面且相互垂直。砂轮的回转母线为平面曲线，可通过建立啮合方程求解［1］，滚轮大体上沿水平面内的砂轮母线曲线运动即可修整出需要的砂轮截形。该修整方式与传统的金刚笔修整相比，具有精度保持时间长、易于实现数控运动等优点［2］。

修整时，金刚滚轮的轨迹规划如图1所示，由1～7个运动段组成：①从截形右端开始沿着右侧截形修整，到达砂轮截形中点；②在砂轮截形中点处沿砂轮径向退刀约 2～3 mm；③平行于砂轮轴线向另一端移动至砂轮左端面位置；④沿砂轮径向运动，到达砂轮另一端起始点位置；⑤沿着砂轮左侧截形进行修整，再次到达砂轮中点处；⑥重复2的运动；⑦退刀。

▲图1 砂轮成形修整路径

2 砂轮修整器的总体结构

依据上述砂轮修整原理，设计出如图2所示的砂轮修整器总体结构。

根据滚轮、砂轮的旋转运动以及砂轮数控修整运动的不同特点及要求，分别设计相应的动力传动系统。

▲图2 砂轮修整器三维结构示意图

在满足基本要求的前提下，为节约成本，砂轮旋转运动采用三相异步电动机通过平皮带传动方式。为方便砂轮的装卸，电动机安装在滑动导轨上并用螺钉固定，可以根据需要调节带传动的中心距，控制带的张紧和松弛。

为减小修整器体积，金刚滚轮的回转运动由变频电主轴直接控制。同时，设计专用铝制夹具将电主轴固定在工作台上，以减轻十字工作台的整体重量。

数控修整运动由两台伺服电机通过滚珠丝杠带动十字工作台运动来实现，以便提供截形修整所需的精确运动轨迹。为减少因丝杠摩擦生热引起丝杠伸长变形而产生的运动误差，滚珠丝杠副远离伺服电机的一端采用游动安装精密滚动轴承的形式，另一端采用固定安装精密推力轴承的形式。同时在十字工作台导轨上添加导向机构，该导向机构由分别安装在上拖板、下拖板之间和下拖板、底座之间的预加负载双滑块滚动导轨组成，两根一组，均以滚珠丝杠副为中心线对称设置，提高运动方向的准确性。

3 控制系统

为兼顾性价比，控制系统选用西门子802C数控系统，并采用全闭环反馈实现高精度控制。在十字工作台的拖板上安装光栅传感器，测出实际位移量或实际所处位置，与指令运行比较求得误差，确定误差补偿量进而自动调整进给量构成全闭环位置控制。电主轴的变速由程序控制，控制系统工作原理如图3所示。

▲图3 砂轮修整器控制系统图

4 辅助系统

4.1 电主轴冷却系统

由于砂轮修整过程中变频电主轴高速旋转，其内部电机和轴承的摩擦将产生大量热［3］，故必须对电主轴进行冷却。采用传统电主轴冷却系统的改进方案：由螺旋水槽、定子外壳、水套外壳、进水口和出水口组成，螺旋水槽不在定子外壳上，而是位于水套外壳的内壁上。

4.2 密封防护系统

砂轮修整时，若砂粒进入导轨，易加速导轨磨损，影响滚珠丝杠的精度，因而合理的密封防护设计非常重要。考虑到整体方案的布局和结构的紧凑，选用风琴式伸缩防尘罩作为密封装置。

4.3 砂轮快换夹具

为保持定位精度，无论是在铲磨床还是在离线修整器上，砂轮及砂轮轴都作为一个整体进行装卸。为方便、快速地装卸，设计了图4所示的快换夹具，通过拧紧/拧松螺栓来夹紧/松开夹具，实现砂轮轴的整体夹紧定位与取出。

砂轮轴与平皮带的张紧或松弛，通过丝杠调整电动机位置实现，具体如图5所示。图中所示的砂轮装夹方式与其在滚刀铲磨床上的安装类似，可减少不同预紧力引起的重复定位误差。

▲图4 砂轮快换夹具

5 结束语

▲图5 带传动松紧机构图

目前，国外已出现全数控式的滚刀铲磨床，砂轮采用在机修整方式，但其价格昂贵。总体来看，机械式滚刀铲磨床还将在我国滚刀制造企业存在相当长一段时间。考虑现有铲磨床机械结构的限制，离线式砂轮修整器是实现铲磨砂轮数控修整的新途径，既可充分利用现有铲磨床刚度好、精度高的优势，又可大大提升铲磨工艺范围，低成本实现各种非标滚刀的高效、高精度修整。因此，本文所述的离线式砂轮修整器具有一定的应用前景。

［1］ 廖达明.一种磨床多功能数控砂轮修整器的研究 ［D］.重庆：重庆大学，2009.

［2］ 赵文祥，庞思勤，李亚非，等.碟形金刚石砂轮变速修整的磨削力特征和系统稳定性研究［J］.中国机械工程，2005，16(12).

［3］ 温得英,谢黎明.数控机床电主轴系统结构特性分析［J］.装备制造技术，2012（2）.

［4］ 刘西京.采用间隙误差补偿与螺距误差补偿改善机床最终数控精度［J］.机械研究与应用，2001，14(3).