閆如忠，熊學(xué)文

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

1 引言

在現(xiàn)代制造工業(yè)領(lǐng)域，回轉(zhuǎn)類零件是最基礎(chǔ)的零件，無論是在飛機、汽車等應(yīng)用領(lǐng)域，還是在車床、磨床等加工領(lǐng)域，都有十分廣泛的應(yīng)用，如飛機的起落架、汽車發(fā)動機曲軸、機床的主軸等，都是典型的回轉(zhuǎn)類零件，這些零件的性能直接影響到整個機器的性能。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，對各種機械零部件的精度要求也不斷的提高[1]，尤其是在裝配過程中參與配合的軸承內(nèi)外圈的形狀精度以及軸類等回轉(zhuǎn)類零件的加工精度，對裝配精度有很大的影響，在機械裝配過程中該類回轉(zhuǎn)類零件的形位精度直接影響回轉(zhuǎn)體的定位精度，進而使整機回轉(zhuǎn)誤差加大。對回轉(zhuǎn)類零件的研究在提升機器的工作性能、加工精度和提高機器的使用壽命等方面均有很大的幫助，回轉(zhuǎn)類零件正受到越來越廣泛的關(guān)注。

傳統(tǒng)精密回轉(zhuǎn)類零件的制備主要依靠高精度的精密機床制備。由于高精度機床成本高昂，使得工件加工成本居高不下，同時由于技術(shù)限制和技術(shù)壁壘等原因，高精度機床研發(fā)周期長，更新?lián)Q代需要耗費大量的人力物力，尤其對于小批量回轉(zhuǎn)類零件的制備更是如此，因此迫切需要一種能在普通機床上制備高精度回轉(zhuǎn)類零件的方法。

2 精密磨削研究現(xiàn)狀

國外對于精密磨削的研究起步較早，以美國50年代末開發(fā)的單點金剛石切削（SPDT）技術(shù)為標志[2]，精密超精密加工技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。文獻[3]生產(chǎn)的超精密磨床，能夠制備幾何精度0.1μm，表面粗糙度Ra為5nm的工件。日本大森整教授于90年代初提出了砂輪在線修整技術(shù)（ELID），并利用該修整技術(shù)對單晶硅進行磨削，獲得了表面粗糙度值Ra0.329nm的工件表面[4]。

我國對于精密超精密技術(shù)的研究主要集中在高校和科研院所。國防科大研制的非球面加工機床可加工最大口徑為650mm的光學(xué)玻璃，并能夠獲得表面粗糙度達到納米級別工件表面[5]。某研究所研制成功的Nanosys-300曲面加工機床能夠制備表面粗糙度Ra值小于10nm的非球面零件，實現(xiàn)了非球曲面的超精密加工[6]。另外，國內(nèi)重點大學(xué)及科研院所在精密超精密加工領(lǐng)域都進行了一定的研究[7]，并取得了突出的研究成果。

3 微粉磨削機理及去除率分析

3.1 微粉磨削機理研究

磨削過程是許多的磨粒共同作用的結(jié)果，每一顆磨粒都可以看成是一把微小的切削刃，磨削工件表面的形成是參與磨削的各獨立磨粒共同作用的結(jié)果[8]。在實際磨削過程中，根據(jù)切屑形成機理的不同，可將砂輪磨削過程中產(chǎn)生的切屑分為兩類，一類是由于磨粒切削刃與工件表面發(fā)生碰撞從而使工件表面發(fā)生脆性斷裂而產(chǎn)生的切屑，另一類為磨粒的擠壓使工件表層產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生碎裂所產(chǎn)生的切屑。其中碰撞剪切為磨削過程中切屑產(chǎn)生的主要形式。

微粉砂輪的磨削工況按切削進程可分為如下幾個過程。在初始磨削階段，由于磨粒切削邊緣鋒利且工件表面不平整性大，工件表面形貌凸凹明顯，此時磨粒主要以碰撞的形式使工件表面凸起發(fā)生碎裂[9]。而在磨削中后期，由于磨粒發(fā)生磨鈍現(xiàn)象及工件表面趨于平整，磨粒主要通過擠壓，滑擦等作用形式使工件表面產(chǎn)生裂紋并最終形成切屑。在微粉磨削過程中，除了會形成切屑外，由于磨粒切削深度的不同在工件表面還會產(chǎn)生下列現(xiàn)象。

當磨粒剛進入工件表面或者切削深度較小時，工件表面主要以彈塑性變形為主，此時磨削力的切向分力小于磨削力的徑向分力，磨削過程以滑動摩擦為主。當磨粒進入工件表面深度大于工件的臨界切削深度時，切削力的切向分力會快速加大，當該切削力大于工件表面的抗剪強度值時，磨粒會對工件表面進行剪切運動，工件表面金屬會形成切屑從工件表面剝離，同時還會伴有微裂紋產(chǎn)生。在精密加工過程中，選擇適宜的磨削深度能夠很好的將滑擦切削和剪切去除切削相結(jié)合，獲得理想的加工表面。

3.2 材料去除率的計算

磨削工件的材料去除率表征了砂輪及各磨削參數(shù)綜合作用的結(jié)果，是制定磨削相關(guān)參數(shù)的重要指標。1927年P(guān)reston提出了著名的Preston方程[10]，得出了磨削過程中材料去除率與磨削壓力、磨削速度、及磨削時間成正相關(guān)性。在本課題研究過程中計算工件材料去除率時，以工件修整前后的體積差來表征工件的材料去除率?，F(xiàn)取工件的一段微小截面進行計算分析，其示意圖，如圖1所示。圖中陰影部分即為該截面去除區(qū)域，組成陰影部分的兩條曲線即為磨削前后工件的輪廓曲線。

圖1 工件截面微小取樣Fig.1 Tiny Sampling of Workpiece Cross-Section

當圖1中的取樣角度足夠小時，其陰影部分可近似用矩形來代替，其中矩形的長度可由兩曲線的中線圓弧長度來近似由弧長計算公式可得。在圖1中兩段圓弧的中線長度可近似表示為：

式中：R1、R2—磨削修整前后工件上輪廓點到基準圓心的距離。

則該微小區(qū)域的面積表示為：

因此，工件在整個測量截面的材料去除面積可用各小區(qū)域面積之和表示。

式中：h、t—實驗過程中工件的加工寬度及加工時間。

因此，磨削加工過程中的材料去除率可表示為：

4 實驗修整裝置

為了研究在傳統(tǒng)實驗裝置上進行精密加工的可行性，實驗以MG1432A磨床為實驗平臺，并對其進行了一定的改裝，改裝后的磨削修整裝置圖，如圖2所示。該套實驗裝置主要包括砂輪、工件、壓力調(diào)節(jié)裝置、平衡調(diào)節(jié)裝置、撥盤、伺服控制系統(tǒng)等。伺服電機通過撥盤與加工工件相連，在實驗中實現(xiàn)對加工工件的轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)工件的誤差補償。砂輪通過同步帶與變頻電機相連，維持穩(wěn)定的切削速度。磨削壓力則由壓力調(diào)節(jié)塊調(diào)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)塊由許多的鋼珠組成，在實驗過程中可通過增減鋼珠的數(shù)量實現(xiàn)磨削壓力的控制，從而控制實驗過程中的磨削去除量。平衡配重塊也是由鋼珠袋組成，其作用是保證在未添加壓力調(diào)節(jié)塊時磨削砂輪剛好與工件接觸，但未有接觸壓力。

圖2 磨削修整裝置二維示意圖Fig.2 The Grinding Dressing Device 2D Schematic

5 實驗修整原理及實驗結(jié)果

5.1 實驗修整原理

為了制備滿足精度要求的回轉(zhuǎn)類零件，在其制備過程中需要對工件進行多次磨削修整和多次測量，直至其滿足加工要求為止，實驗過程中的磨削修整流程圖，如圖3所示。

為了實現(xiàn)在傳統(tǒng)磨床上獲得高精度回轉(zhuǎn)類零件，在零件磨削過程中采用圓度逼近理論進行磨削修整。在磨削修整前先對工件表面輪廓進行測量，從而獲得工件輪廓上各點的法向殘余誤差，根據(jù)工件上各點的法向誤差值設(shè)定各點的磨削修整速度，將法向誤差補償轉(zhuǎn)化為工件速度補償，從而不斷逼近理論輪廓，使工件的實際輪廓趨于平緩，達到提高工件圓度的目的，其逼近過程，如圖4所示。通過多次逼近修整，使工件法向誤差收斂，從而使其實際輪廓曲線不斷趨近于理論輪廓。

圖3 磨削修整流程圖Fig.3 Grinding Dressing Process Flow Chart

圖4 磨削修整階段試件輪廓線性展開曲線Fig.4 The Workpiece Contour Linear Curve During the Period of Grinding

實驗采用工件速度補償代替法向誤差補償進行圓度逼近。通過給定不同轉(zhuǎn)速實現(xiàn)工件不均勻去除，從而實現(xiàn)工件誤差補償。在法向誤差大的地方，需要進行大的誤差補償，因此需要降低工件轉(zhuǎn)速，提高工件與磨具的接觸時間，從而產(chǎn)生大的工件去除量。在殘余誤差小的地方，需要的誤差補償小，提高工件的轉(zhuǎn)速能夠減小工件與磨具的休整時間，從而減小工件的去除量。為了防止沖擊和振動，在速度控制過程中其變換過程應(yīng)該是連續(xù)的，從而實現(xiàn)平緩過渡。根據(jù)誤差補償原理需要對工件各點進行不均勻去除。加工前所測得的工件表面輪廓曲線，如圖5所示。由圖中可看出工件上1，2，4，6，7處工件徑向誤差較大，需要大的誤差補償，因此在這幾處區(qū)域需要設(shè)置低的工件轉(zhuǎn)速，從而加大該區(qū)域材料去除量。而在工件輪廓3，5，7處誤差較小，需要較高的轉(zhuǎn)速減小去除量，從而實現(xiàn)小的材料去除量。通過對工件進行不均勻去除修整，加快工件徑向誤差收斂。

圖5 工件截面輪廓曲線Fig.5 The Contour Curve of Workpiece Cross-Section

5.2 實驗結(jié)果

由上述修整原理對直徑為125mm的GCr15回轉(zhuǎn)類零件進行磨削實驗，選用W3.5-W10的鉻剛玉微粉作為修整磨具，修整砂輪轉(zhuǎn)速為（300～500）r/m，磨削壓力為（3.5～15）N，經(jīng)過多次磨削修整實驗后使用圓度儀對工件輪廓再次進行測量，其測量裝置圖，如圖6所示。將實驗所測得的工件輪廓曲線進行線性展開，其修整前及磨削修整實驗結(jié)束后的輪廓線性展開曲線，如圖7所示。由測量結(jié)果可以看出，經(jīng)過多次磨削修整后，工件的圓度從10.34μm改善至0.35μm，加工精度得到了很大的改善。通過本實驗結(jié)果可知，工件試樣在經(jīng)過多次磨削修整后其圓度達到了實驗要求，實現(xiàn)了在普通磨床上對精密回轉(zhuǎn)類零件的制備。

圖6 測量裝置圖Fig.6 The Measuring Device

圖7 磨削修整前后工件輪廓線性展開曲線Fig.7 Workpiece Contour Linear Curve Before and After Grinding

6 結(jié)論

（1）回轉(zhuǎn)類工件的徑向誤差可以采用圓度逼近理論進行收斂。通過多次逼近修整可以使工件實際輪廓與理想輪廓的徑向誤差收斂于某一給定值，從而達到希望的精度。（2）工件法向誤差補償可以轉(zhuǎn)化為工件的速度補償。由于速度補償較誤差補償簡便，在誤差補償過程中可用速度補償以獲取不均勻去除量，進而實現(xiàn)工件誤差補償。（3）通過誤差補償及圓度逼近理論，在普通磨床上制備高精度回轉(zhuǎn)類零件是可行的。