鄭 乾，余忠華，李興林，嚴(yán)思晗，樓洪梁

(1.浙江大學(xué) 現(xiàn)代制造工程研究所，杭州 310027；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022)

滾動(dòng)軸承套圈溝道為軸承工作時(shí)承受載荷的工作表面，溝道加工質(zhì)量的好壞直接影響到軸承使用性能和壽命。反映溝道磨削質(zhì)量的指標(biāo)主要有圓度、表面粗糙度(Ra)以及溝道形狀誤差(wt)等，要獲得高質(zhì)量的軸承，必須嚴(yán)格控制這3項(xiàng)指標(biāo)值。

通過(guò)檢測(cè)磨削區(qū)的聲發(fā)射、功率等信號(hào)[1]，應(yīng)用頻譜分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[2-4]方法對(duì)磨削質(zhì)量進(jìn)行分析控制，這些方法能在一定程度上建立被測(cè)信號(hào)特征參數(shù)與磨削質(zhì)量間的關(guān)系。此外，文獻(xiàn)[5]提出諧波理論以解決圓度誤差問(wèn)題。以上方法從不同角度探討了磨削質(zhì)量的監(jiān)控問(wèn)題，取得了一定的效果。

下面選取磨削砂輪的進(jìn)給位移和磨床主電動(dòng)機(jī)功率作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，采用單片機(jī)自行研發(fā)狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)與分析系統(tǒng)，通過(guò)正交試驗(yàn)方法分析了實(shí)際進(jìn)給狀態(tài)參數(shù)對(duì)軸承套圈溝道磨削質(zhì)量的影響規(guī)律，技術(shù)成熟、成本低廉、方法簡(jiǎn)單有效，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了有益的理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

套圈溝道磨削進(jìn)給狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)與分析系統(tǒng)包括兩個(gè)子系統(tǒng)：檢測(cè)系統(tǒng)和分析系統(tǒng)。前者主要完成信號(hào)的采集功能，后者主要完成數(shù)據(jù)的分析功能，兩者通過(guò)串行通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

檢測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)作為微處理器，配以一定的外圍電路和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能[6]。其硬件組成如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

其中MCU采用W77E516-40型單片機(jī)。軸承套圈溝道磨床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)位移一般不超過(guò)3 mm，系統(tǒng)需要位移量精確到1 μm，且只需獲得數(shù)據(jù)的相對(duì)比較值。因此，本檢測(cè)系統(tǒng)采用DC09型差動(dòng)變壓式位移傳感器，其測(cè)量范圍為±5 mm，線性誤差為±0.5%；功率傳感器為WB3P412P1，其輸出為直流電壓，可以直接與A/D芯片配接。A/D芯片采用AD976A，該芯片具有16位分辨率，最高采樣速度可達(dá)200KSps，本系統(tǒng)采用100Sps為基礎(chǔ)采樣頻率，可變頻率采樣。磨削時(shí)進(jìn)給位移和功率信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后先經(jīng)INA114放大，再接一RC低通濾波器濾除高頻信號(hào)[7]后接入A/D芯片。

分析系統(tǒng)運(yùn)行于上位機(jī)中，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)中隱含的特征值進(jìn)行挖掘和提取，利用數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)等功能分析信號(hào)特征值與溝道磨削質(zhì)量之間的映射關(guān)系。

2 主電動(dòng)機(jī)功率與表面粗糙度及溝形誤差的試驗(yàn)分析

溝道表面粗糙度主要受砂輪形貌(如硬度、粒度、組織、結(jié)合劑等)和磨刃銳利程度的影響，溝道形狀誤差主要受砂輪表面形狀的影響。磨削過(guò)程中隨著砂輪的磨損，砂輪表面形貌和形狀會(huì)發(fā)生改變，直接影響到溝道的表面粗糙度和溝形誤差。

在不同的進(jìn)給階段，由于進(jìn)給速度不同，磨削抗力不同，從而使主電動(dòng)機(jī)功率的大小也有所不同；同時(shí)，砂輪嚴(yán)重磨鈍時(shí)，主電動(dòng)機(jī)功率也會(huì)隨之陡變。因此，通過(guò)主電動(dòng)機(jī)功率可以區(qū)分一個(gè)循環(huán)過(guò)程中的不同進(jìn)給階段，并可以了解砂輪的磨損情況，從而可以進(jìn)一步分析主電動(dòng)機(jī)功率與溝道表面粗糙度和溝形誤差的關(guān)系。

2.1 試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用3MZ143A/1型自動(dòng)球軸承外圈溝道磨床，加工精度等級(jí)E～D級(jí)。采用金剛石筆圓弧砂輪修整器，金剛石筆的回轉(zhuǎn)角度為±70°；工件為空調(diào)用608-2RS球軸承(P4)外圈，材料為GCr15，硬度為60～65 HRC；砂輪尺寸規(guī)格為Φ18 mm×3.5 mm×4 mm，粒度120#，磨料為MA，結(jié)合劑為V，硬度L；磨削液為5號(hào)機(jī)油；表面粗糙度和溝形誤差檢測(cè)采用Taylor Hobson表面輪廓儀；工藝參數(shù)中砂輪轉(zhuǎn)速為48 000 r/min，工件轉(zhuǎn)速為960 r/min，粗磨量為183 μm，精磨量為50 μm；產(chǎn)品檢驗(yàn)要求Ra≤0.16 μm,wt≤1.0 μm;試驗(yàn)前，砂輪經(jīng)過(guò)很好的平衡；其余條件盡量保持穩(wěn)定。

2.1.2 試驗(yàn)方案

(1)在相同的磨削用量下進(jìn)行兩組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)都以砂輪修整后的第一個(gè)工件為首件，連續(xù)加工一個(gè)修整間隔內(nèi)的工件。為了使砂輪進(jìn)入急劇磨損階段，采用較大的砂輪修整間隔。兩組試驗(yàn)間隔為2 h。磨削參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 功率與磨削質(zhì)量關(guān)系試驗(yàn)參數(shù)表

(2)粗磨進(jìn)給速度、精磨進(jìn)給速度和光整時(shí)間是影響表面粗糙度和溝形誤差的主要參數(shù)。試驗(yàn)采用3因素2水平L4(23)正交表，每個(gè)因素考察兩個(gè)水平[8]。表2和表3分別為正交試驗(yàn)的因素水平表和試驗(yàn)表。每組試驗(yàn)都加工一個(gè)修整間隔內(nèi)的工件，取15個(gè)工件質(zhì)量數(shù)據(jù)的平均值作為每組試驗(yàn)的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)表

2.2 功率曲線特征分析

圖2所示是實(shí)測(cè)部分工件(表1中試驗(yàn)1)在磨削過(guò)程中砂輪進(jìn)給位移以及主電動(dòng)機(jī)功率隨時(shí)間變化的曲線。從中可以看出，每一個(gè)砂輪進(jìn)給循環(huán)過(guò)程中，主電動(dòng)機(jī)功率有相似的變化規(guī)律，即砂輪進(jìn)給一段時(shí)間后，主電動(dòng)機(jī)功率開(kāi)始上升，逐漸達(dá)到峰值，在光整階段結(jié)束之前下降至平穩(wěn)狀態(tài)。每一次進(jìn)給過(guò)程中主電動(dòng)機(jī)功率也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，如達(dá)到的峰值不同，曲線上升的陡峭程度不同等。功率特征值取一次進(jìn)給循環(huán)中的功率峰值和均值。圖3、圖4分別為兩組試驗(yàn)過(guò)程中主電動(dòng)機(jī)功率峰值和均值的折線圖。

圖2 隨時(shí)間變化的位移與功率

圖3 表1試驗(yàn)1功率特征值

圖4 表1試驗(yàn)2功率特征值

由圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)修整間隔內(nèi)，溝道表面粗糙度和溝形誤差表現(xiàn)出與主電動(dòng)機(jī)功率峰值和均值相似的變化規(guī)律，即經(jīng)歷了平穩(wěn)波動(dòng)、緩慢增大和陡峭上升的變化過(guò)程。兩次試驗(yàn)過(guò)程中，表面粗糙度Ra值和溝道形狀誤差都在第17個(gè)工件處突然變大，與功率峰值和均值的陡峭上升點(diǎn)一致。

圖5 表1所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)1磨削質(zhì)量

圖6 表1所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)2磨削質(zhì)量

圖7為功率特征值與表面粗糙度、溝形誤差的散點(diǎn)圖和回歸直線，回歸直線方程為：

Pmax=0.000 152Ra-0.039 5

(1)

Pmax=0.001 16wt-0.451

(2)

(3)

(4)

圖7 功率特征值與表面粗糙度及溝形誤差

各回歸方程的相關(guān)系數(shù)和F檢驗(yàn)法(取α為0.01)的方差分析見(jiàn)表4，可以看出回歸方程的擬合程度較高。

表4 回歸直線方差分析表

由上述分析可以看出，主電動(dòng)機(jī)功率的峰值和均值變化規(guī)律較好地反映出了一個(gè)砂輪修整間隔內(nèi)溝道表面粗糙度和溝形誤差的變化規(guī)律。兩次試驗(yàn)結(jié)果顯示：在主電動(dòng)機(jī)功率峰值和均值陡峭上升之前，溝道表面粗糙度Ra值均在0.14 μm以下，溝道形狀誤差wt均在0.8 μm以下，對(duì)應(yīng)的主電動(dòng)機(jī)功率峰值在1 000 W附近，功率均值在950 W附近；在主電動(dòng)機(jī)功率峰值和均值陡增之后，溝道表面粗糙度Ra值超過(guò)了0.16 μm，溝道形狀誤差wt超過(guò)了1.0 μm，對(duì)應(yīng)的主電動(dòng)機(jī)功率峰值在1 200 W以上，功率均值在1 000 W以上?？照{(diào)用608-2RS軸承(P4)外圈溝道要求磨削后達(dá)到Ra≤0.16 μm，wt≤1.0 μm，試驗(yàn)?zāi)ハ鳁l件下，功率峰值和均值陡峭上升的臨界點(diǎn)與其質(zhì)量控制線有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 正交試驗(yàn)分析

如表3所示，根據(jù)每種因素不同水平的指標(biāo)可以看出：粗磨進(jìn)給速度和精磨進(jìn)給速度越小，溝道的表面粗糙度和溝形誤差越好；光整時(shí)間越長(zhǎng)，溝道的表面粗糙度和溝形誤差越好。計(jì)算各因素不同水平間的極差R得：因素A水平間的極差最小，因素C水平間的極差最大，Rc>RB>RA，所以因素對(duì)表面粗糙度和溝形誤差影響的主次順序?yàn)镃>B>A，即光整時(shí)間影響最大，其次是精磨進(jìn)給速度，粗磨進(jìn)給速度的影響最小。

表面粗糙度和溝形誤差的方差分析見(jiàn)表5和表6，表中列出了各因素的偏差平方和與其占總偏差平方和的百分比，其中粗磨進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度和溝形誤差的影響相對(duì)較小，考慮到生產(chǎn)率的因素，可以選用較大的粗磨進(jìn)給速度。因此，選擇最佳組合為A2B2C2(A因素第2水平、B因素第2水平、C因素第2水平)。

表5 表面粗糙度方差分析表

表6 溝形誤差方差分析表

3 結(jié)束語(yǔ)

溝道磨削過(guò)程中，主電動(dòng)機(jī)功率峰值和均值的變化規(guī)律能較好地反映出砂輪的磨損規(guī)律，并且與磨削后溝道表面粗糙度和溝形誤差有很強(qiáng)的相關(guān)性；一個(gè)進(jìn)給循環(huán)過(guò)程中的主電動(dòng)機(jī)功率峰值和均值可以對(duì)砂輪的磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可對(duì)磨削過(guò)程中表面粗糙度和溝形誤差的惡化進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制。通過(guò)一組正交試驗(yàn)，以溝道表面粗糙度和溝形誤差為評(píng)價(jià)目標(biāo)，可對(duì)溝道磨削中的3個(gè)進(jìn)給參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的基礎(chǔ)上，確定光整時(shí)間2 s，精磨進(jìn)給速度32 μm/s，粗磨進(jìn)給速度72 μm/s為最佳的進(jìn)給參數(shù)組合。