劉海寧，李小寧，李光華，于瑞榮

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094;2.南京二機(jī)齒輪機(jī)床有限公司，江蘇南京211103)

磨齒是現(xiàn)有齒輪加工精度最高的一種方法。數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)的加工原理跟滾齒加工相同，相當(dāng)于一對(duì)圓柱螺旋齒輪嚙合。加工過程中，砂輪每轉(zhuǎn)過一周，齒輪轉(zhuǎn)過一齒［1］。

磨削齒輪過程的對(duì)刀相對(duì)于其他加工方法 (車削，銑削，平面磨削)較為復(fù)雜，對(duì)刀過程是齒輪與砂輪的嚙合過程，要避免砂輪的頂牙與齒輪的輪齒發(fā)生碰撞，同時(shí)為了提高加工精度，砂輪與齒槽的兩側(cè)齒面要實(shí)現(xiàn)平衡接觸，避免產(chǎn)生對(duì)齒槽兩側(cè)齒面磨削的不平衡。傳統(tǒng)采用人工對(duì)刀的方法進(jìn)行對(duì)刀調(diào)整，工人通過觀察磨削過程中齒槽兩側(cè)產(chǎn)生火花的情況，判斷是否完成了對(duì)刀，或者采用簡(jiǎn)單的嚙合方法進(jìn)行人工判斷［2］。人工對(duì)刀的方法效率低下，對(duì)刀過程需要4～5次的調(diào)整，每次更換工件后都需要重新對(duì)刀;加工工件的一致性不好，過于依賴工人的經(jīng)驗(yàn)，最重要的是對(duì)刀精度不高，使加工齒輪的精度不高，一般只有7級(jí)精度。針對(duì)上述的問題，作者提出了相應(yīng)的解決方案。產(chǎn)生塑性和彈性變形，而塑性變形產(chǎn)生的塑性功的釋放使磨削過程中能產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。因此，可以采取檢測(cè)AE聲發(fā)射信號(hào)的方法判斷砂輪與工件是否磨削接觸［2－5］。

自動(dòng)精對(duì)刀的整體思路是:數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)尋找工件某個(gè)齒槽兩側(cè)的邊界并記錄位置，最后計(jì)算得出精確中點(diǎn)位置，即進(jìn)給加工起始點(diǎn)。該自動(dòng)精確對(duì)刀方法采用檢測(cè)磨削過程中產(chǎn)生的AE聲發(fā)射信號(hào)作為反饋信號(hào)。當(dāng)砂輪距工件1.5 μm左右時(shí)，可以觀察到聲發(fā)射信號(hào)，當(dāng)砂輪繼續(xù)接近工件時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)幅度不斷增加，直到砂輪與工件接觸，AE信號(hào)幅度增加最大［2，6－8］。磨削加工過程中可以根據(jù) AE 信號(hào)電壓值VAE判斷砂輪與齒輪是否產(chǎn)生接觸。精確對(duì)刀系統(tǒng)的組成如圖1所示。

1 自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)組成

在砂輪磨削工件的過程中，既有摩擦又有磨損，還存在砂輪的磨料顆粒受力后崩落和擠壓現(xiàn)象，金屬

圖1 自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)組成

自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)由5個(gè)部分組成:AE信號(hào)傳感器、電控箱、SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)、輸入輸出及顯示界面和主軸伺服電機(jī)。

AE信號(hào)的檢測(cè)采用AE聲發(fā)射傳感器。AE聲發(fā)射傳感器是一種采用壓電晶體作為換能原件進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)的傳感器，壓電晶體通過與聲波的振動(dòng)耦合將聲波的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

AE聲發(fā)射聲信號(hào)傳感器和電控箱共同組成自動(dòng)對(duì)刀的自平衡調(diào)整模塊，AE聲信號(hào)傳感器負(fù)責(zé)信號(hào)的采集，電控箱對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行濾波和信號(hào)放大后對(duì)信號(hào)做出相應(yīng)的判斷和比較，并將分析結(jié)果輸出給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與停止，使刀具移動(dòng)到正確的位置，最終達(dá)到平衡調(diào)整的目的。AE聲發(fā)射傳感器和電控箱均采用德國MPM公司的產(chǎn)品。

2 自動(dòng)對(duì)刀原理

磨削過程是一個(gè)瞬態(tài)變化的過程，瞬態(tài)摩擦功率表達(dá)式為:

式中:F(t)為摩擦表面間摩擦力瞬時(shí)值;v(t)為摩擦表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度瞬時(shí)值。

信號(hào)的均方根值A(chǔ)rms可以表示為單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)能量的大小，即:

式中:η(t)為轉(zhuǎn)換系數(shù)。Arms(t)可以反映出砂輪與工件表面之間的接觸程度，其值越大，表明接觸越深，因此可以根據(jù)AE聲發(fā)射信號(hào)電壓值的變化判斷接觸以及接觸程度，從而進(jìn)行相應(yīng)的程序執(zhí)行和操作［9］。

該精對(duì)刀方法是在SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)記錄坐標(biāo)功能上實(shí)現(xiàn)的。由自動(dòng)對(duì)刀模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理與判斷，并輸出信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)主軸的控制和坐標(biāo)的記錄。信號(hào)的傳遞過程如圖1所示。

判斷砂輪與齒輪是否接觸是由電控箱完成的，可以通過數(shù)控系統(tǒng)和輸入設(shè)備給電控箱設(shè)置一個(gè)閾值VLimit，作為比較閾值。當(dāng)砂輪與工件接觸產(chǎn)生的磨削信號(hào)電壓值超過了設(shè)定的閾值VLimit，則認(rèn)為砂輪與齒輪已經(jīng)接觸，此時(shí)電控箱的輸出信號(hào)由高電平變成低電平，數(shù)控系統(tǒng)接收到低電平時(shí)，執(zhí)行程序，砂輪主軸停止并記錄坐標(biāo)值。信號(hào)處理時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 電控箱信號(hào)處理時(shí)序圖

當(dāng)Vout=1時(shí)，主軸保持原來設(shè)定的轉(zhuǎn)速和方向轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)Vout=0時(shí)，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)并記錄主軸所處位置的坐標(biāo)值。從反饋信號(hào)的角度來說，要實(shí)現(xiàn)對(duì)齒槽兩側(cè)齒面的磨削平衡，在接觸檢測(cè)的過程中，要滿足同樣的接觸檢測(cè)條件，使兩個(gè)齒面磨削產(chǎn)生相同的電壓，即:

所以在VLimit的設(shè)定過程中，只需要同一個(gè)閾值VLimit便可。

精確對(duì)刀的原理如圖3所示，裝夾工件后，刀架主軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，工件主軸跟隨刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由編程控制刀架主軸沿y軸負(fù)方向移動(dòng)。未產(chǎn)生AE信號(hào)的時(shí)候，數(shù)控系統(tǒng)接收高電平，當(dāng)磨削接觸產(chǎn)生AE信號(hào)VAE＞VLimit時(shí)，電控箱輸出信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑪?shù)控系統(tǒng)接收到24 V低電平的時(shí)候，主軸刪除剩余行程，并記錄此時(shí)刀架主軸的坐標(biāo) (x0，y1)，然后刀架主軸沿y軸正方向移動(dòng);同樣當(dāng)VAE＞VLimit時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)重復(fù)上述步驟記錄坐標(biāo) (x0，y2)，此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)記錄齒槽的兩側(cè)邊界，由此可以確定中點(diǎn)位置［10］。數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算出砂輪進(jìn)給起始點(diǎn)的坐標(biāo)(X0，Y0):

圖3 自動(dòng)對(duì)刀原理圖

3 西門子840D高級(jí)編程實(shí)現(xiàn)

用于信號(hào)處理和分析的電控箱與數(shù)控系統(tǒng)連接，反饋給數(shù)控系統(tǒng)高低電平信號(hào)，最終完成精對(duì)刀過程的是數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)二次開發(fā)編寫的程序，結(jié)合接收到的高低電平信號(hào)進(jìn)行程序的執(zhí)行。根據(jù)精對(duì)刀方法所編寫的程序部分如下:

4 實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)以加工斜齒圓柱齒輪為例，數(shù)控磨齒機(jī)采用德國MPM公司的Series 300電控箱進(jìn)行信號(hào)的處理和判別，并將分析結(jié)果送入數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)和停止的間接控制。磨削斜齒圓柱齒輪的的齒數(shù)Z=34，模數(shù)m=2.5 mm，壓力角 α=20°00'00″，齒輪螺旋角β=20°00'00″，電控箱中電壓閾值VLimit=8 V，即當(dāng)磨削試接觸產(chǎn)生的電壓信號(hào)超過8 V時(shí)，電控箱輸出高電平給數(shù)控系統(tǒng)。磨削試接觸產(chǎn)生的信號(hào)如圖4所示。

圖4 磨削試接觸信號(hào)

加工結(jié)束后，需對(duì)工件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，所用的檢測(cè)工具為KLINGELNBERG P65高自動(dòng)化齒輪檢驗(yàn)測(cè)量中心。所加工斜齒輪的檢測(cè)結(jié)果如表1，2所示。

表1 斜齒輪齒形誤差檢測(cè)參數(shù)及基準(zhǔn)值

表2 斜齒輪齒形誤差檢測(cè)實(shí)際誤差值E及精度等級(jí)Q

由表2可知，加工的斜齒輪的綜合精度等級(jí)達(dá)到4級(jí)。

5 結(jié)束語

采用檢測(cè)磨削接觸AE聲發(fā)射信號(hào)的方法進(jìn)行數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)的自動(dòng)精對(duì)刀，該精確對(duì)刀調(diào)整方法已經(jīng)在西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并且適合蝶形砂輪磨齒和單片錐面砂輪磨齒等加工方法。由于AE信號(hào)對(duì)工件與砂輪是否接觸反應(yīng)敏感，該檢測(cè)方法靈敏度高、反應(yīng)速度快，采用自動(dòng)對(duì)中精確對(duì)刀方法加工的工件精度高，工作效率高，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的精確對(duì)刀過程，解決了磨削齒面不平衡的問題，使磨床加工精度由過去的7級(jí)提高到4級(jí)，個(gè)別工件甚至達(dá)到3級(jí)精度，對(duì)刀時(shí)間由過去的3～4 min減少到1 min，顯著提高了加工精度和效率。

【1】鄭文緯，吳克監(jiān)．機(jī)械原理［M］．北京:高等教育出版社，1997．

【2】穆玉海，張國雄，袁哲俊．高精度磨削加工用聲發(fā)射對(duì)刀儀的研制［J］．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，29(6):981 －986．

【3】徐春廣，王信義，楊大勇，等．磨削過程聲發(fā)射信號(hào)傳播特性研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18(4):415－419．

【4】穆玉海，張國雄，袁哲俊．砂輪與工件接觸的聲發(fā)射檢測(cè)及高精度對(duì)刀儀的開發(fā)［J］．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，29(6):981－986．

【5】袁振明．聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985．

【6】鞏亞東，王宛山．聲發(fā)射磨削接觸檢測(cè)系統(tǒng)的研制［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，18(6):667 －690．

【7】劉貴杰，鞏亞東，王宛山．磨削過程在線檢測(cè)系統(tǒng)［J］．機(jī)床與液壓，2002(4):18－19．

【8】柏航州，王隆太．基于聲發(fā)射技術(shù)的磨削監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)研究［J］．現(xiàn)代制造工程，2008(5):121－125．

【9】BONESS R J．Measurments of Wear and Acoustic Emission From Fuel-wetted［J］．Wear，1993，162/163/164:703 －708．

【10】張國輝，彭寧．AE(聲發(fā)射)技術(shù)在成型砂輪磨齒機(jī)上的應(yīng)用［J］．機(jī)械工程師，2011(10):145－146．