金國偉 王 生 趙清亮

（1.上海機床廠有限公司 上海 200093；2.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院 哈爾濱 150001）

隨著科技的進步，光學成像系統(tǒng)朝著高質量、高精度、結構簡單的方向發(fā)展，光學自由曲面廣泛應用在航空、航天、計算機以及數(shù)碼影音等最新的光電產品中，極大改善光學系統(tǒng)的成像質量和提高信息傳輸效率[1-2]。超精密制造技術可直接加工出滿足要求的光學自由曲面，特別是大尺寸光學自由曲面，如超環(huán)面、雙錐度系數(shù)曲面、不對稱非球面等采用基于金剛石砂輪的超精密磨削技術可直接磨削加工到微米級面形精度和納米級表面粗糙度[3-4]，這就對砂輪的在位精密修整提出了更高要求。

由于非回轉、非對稱性自由曲面長時間、大行程的磨削加工過程，使得砂輪磨損非常嚴重，易修整的樹脂基金剛石砂輪已無法滿足磨削過程對面形精度的要求。金屬基金剛石砂輪具有耐磨性好、結合強度高、成型性好、使用壽命長等顯著優(yōu)點，但是金屬基砂輪存在修整效率不高、修整后的輪廓精度無法滿足超精密磨削要求等問題，在超精密機床上更是存在修整工具磨損嚴重、無法實現(xiàn)整個截面圓弧修整的問題。

基于上述分析，本文采用旋轉GC磨棒在位精密修整法[5]，首先提出了金屬基圓弧形金剛石砂輪的進給補償在位精密修整策略并對修整路徑進行了理論分析，然后通過在超精密機床上搭建在位修整系統(tǒng)進行修整實驗，最后對修整前后砂輪截面圓弧的輪廓精度進行在位檢測，超景深顯微鏡觀察了金剛石磨粒的修整情況，Zygo白光干涉儀觀察了修整后的砂輪截面圓弧修輪廓形貌。

1 金屬基圓弧形金剛石砂輪進給補償修整策略

如圖1所示為本文提出的金屬基砂輪截面圓弧標準圓修整的進給補償修整路徑的原理示意圖。

圖1 金屬基圓弧形砂輪進給補償修整路徑原理示意圖

在YOZ平面內的Z軸方向，采用GC磨棒的頂點P和金屬基砂輪的頂點C進行對刀，圓弧插補的初始軌跡半徑R0為：

其中，R為GC磨棒的初始半徑，Sz為Z向對刀安距離（塞尺獲得），r為金屬基砂輪截面圓弧理論修整半徑。

通過調節(jié)機床坐標軸系統(tǒng)使得GC磨棒沿Y軸的正向移動R0，砂輪沿Z軸的負向移動R0，磨棒到達初始圓弧插補路徑的起點A處，B為終點，因此圓弧插補路徑的初始Y向位移量Dy0為：

GC磨棒的圓度誤差和砂輪截面圓弧的輪廓誤差使得圓弧插補初始路徑起始位置的安全距離Sy和對刀位置的安全距離Sz不相等，需用塞尺再次測量A點處安全距離Sy大小并與Sz比較，根據(jù)較小值來確定Y向的初次進給量，由此可計算GC磨棒和砂輪能夠相互接觸所需的進給次數(shù)。Y向不進給，運行程序來檢驗初始圓弧插補路徑，當GC磨棒再次回到起始位置(A)時，對機床圓弧插補程序進行修改，包括設置進給量深度、修改圓弧插補半徑和圓弧插補軌跡的Y向位移量。圓弧插補半徑和Y向位移量分別如式（3）和式（4）所示：

其中，i為進給次數(shù)，αp為進給深度，Ri第i次進給的圓弧插補半徑，Dyi第i次進給的圓弧插補Y向位移量。圓弧插補半徑（Ri）和Y向位移量（Dyi）始終保持2倍關系，因此進給補償修整路徑可實現(xiàn)砂輪截面圓弧的標準半圓修整；機床程序的Y向進給疊加自動補償了GC棒的磨損，無需實時測量磨棒半徑，避免了測量誤差引導致的軌跡誤差，砂輪截面圓弧修整的輪廓精度高；修整次數(shù)和進給量可根據(jù)修整情況合理設置，修整效率高。

需要指出的是，初次修改完機床程序的圓弧插補半徑和Y向位移量后，在執(zhí)行程序之前需要根據(jù)Sz和Sy大小決定是否執(zhí)行Z向進給補償，規(guī)則如式(5)所示：

其中，αpz為Z向進給深度，i0為Y向安全距離所需要的進給次數(shù)，i0=Sy/αp。

0＜Sy≤Sz時，砂輪截面圓弧頂點處的輪廓高于插補路徑的起始位置，因此截面圓弧的頂點處首先被修整到。隨著Y向的進給疊加可實現(xiàn)整個砂輪截面圓弧的標準圓修整，因此不需要Z向進給。

Sz=Sy=0 時，砂輪截面圓弧頂點處的輪廓低于圓弧插補路徑的初始位置，對刀位置的安全距離大于初始插補路徑起始位置的安全距離，隨著機床程序的Y向進給疊加，插補路徑起始位置的砂輪區(qū)域首先被修整到。但圓弧插補路徑起始位置 GC棒和砂輪在X方向具有較大的接觸面，因此實現(xiàn)砂輪截面圓弧的全部修整需要較長時間，并且GC磨棒的磨損嚴重，需頻繁修改程序進行Y向進給補償。為了實現(xiàn)插補路徑起始位置和砂輪截面圓弧頂點區(qū)域的同時修整，按照公式（5）所示規(guī)則，計算進給Y向安全距離Sy所需的進給次數(shù)i0，并以此計算Z向進給量αpz。初次修改完圓弧插補半徑和Y向位移量后，在每次執(zhí)行程序之前給機床一個Z向進給量αpz，i0次操作之后，安全距離Sy和Sz均變?yōu)榱恪?/p>

當Sz=Sy=0 后，從第i=(i0+1)次進給開始，Z方向的進給深度和Y方向進給深度相等。實驗發(fā)現(xiàn)，Z向進給也補償了GC磨棒的磨損，可提高砂輪的修整的輪廓精度和效率。

2 實驗設置

2.1 金屬基圓弧形金剛石砂輪在位修整

如圖 2所示為在超精密機床上搭建的工件在位砂輪修整系統(tǒng)，通過超精密機床的多軸聯(lián)動使GC磨棒的外緣輪廓始終沿著砂輪截面圓弧輪廓執(zhí)行圓弧插補運動，從而實現(xiàn)金屬基圓弧形金剛石砂輪的在位修整。

圖2 金屬基圓弧形砂輪在位修整系統(tǒng)

通過對金屬基砂輪進行修整實驗來驗證本文提出的進給補償修整路徑的正確性，其修整條件如表1所示。

表1 修整條件

2.2 金屬基圓弧形金剛石砂輪在位測量

如圖3所示，激光測微儀（Keyence LK-G5000）沿Y方向移動砂輪厚度來直接測量旋轉中的砂輪截面圓弧輪半徑。激光測微儀的采樣頻率 1kHz，濾波器模式的移動平均數(shù)為 1，數(shù)據(jù)存儲量 1200萬個點，機床Y向的進給速度為6 mm/min。通過擬合和分析測量數(shù)據(jù)，獲得砂輪的截面圓弧輪廓和截面圓弧半徑。金屬基砂輪表面金剛石磨粒的修整情況采用超景深顯微鏡觀察，并用Zygo白光干涉儀觀察修整后的砂輪截面圓弧修輪廓形貌。

圖3 金屬基圓弧形砂輪在位測量系統(tǒng)

3 實驗結果及分析

3.1 金屬基砂輪修整效果

圖4顯示了金屬基D46金剛石砂輪的修整效果。如圖4（a）所示，修整前取樣值不規(guī)律的分布在擬合圓弧的兩側，并且部分取樣值呈現(xiàn)鋸齒狀排布或局部區(qū)域存在凸起，修整后取樣值分布情況的均一性以及與擬合圓弧的吻合程度明顯提高，如圖4（b）所示。如圖4（c）和（d）所示，輪廓誤差從修整前的34 μm下降到修整后的18 μm。修整后的砂輪輪廓精度得到明顯提高。

圖4 D46金屬基圓弧形金剛石砂輪修整效果

3.2 金屬基砂輪表面修整形貌

圖5為超景深顯微鏡下D46金屬基砂輪整形后的金剛石磨粒。如圖5（a）所示，利用本文提出的進給補償修整路徑并通過設置合理的修整工藝參數(shù)，D46金屬基砂輪表面凸起過高的金剛石磨粒被修平，這有助于砂輪輪廓精度的提高，并且被修平的金剛石磨粒邊緣呈現(xiàn)出鋒利的切削刃，少數(shù)被修平的金剛石磨粒頂部和邊緣存在裂紋，但這并不會降低砂輪的磨削性能，反而有助于磨削表面質量的提高。然而，進給補償和進給速度過大容易造成金屬基砂輪表面金剛石磨粒的大量脫落和宏觀斷裂，只有少數(shù)金剛石磨粒被修平，金屬結合劑存在被修整的明顯痕跡，如圖5（b）所示。因此，修整工藝參數(shù)的合理設置是通過進給補償修整路徑實現(xiàn)金屬基砂輪精密修整的關鍵。

圖5 D46金屬基砂輪表面修整形貌

如圖6所示為D46金屬基弧形金剛石砂輪修整后的表面輪廓形貌。如圖6（a）所示，修整后的砂輪表面形貌無大的高低起伏，地勢平坦，金剛石磨粒的出露高度一致性好，凸起較高的金剛石磨粒已被修平，當然也可觀察到磨粒脫落現(xiàn)象。同時，圖6（b）顯示表面輪廓波動誤差為18 μm，與數(shù)據(jù)擬合結果吻合，說明修整后的 D46金屬基圓弧形砂輪的輪廓精度和磨削性能得到明顯提高。驗證了本文提出的金屬基圓弧形金剛石砂輪進給補償修整策略的正確性和可操作性。

圖6 弧形金剛石砂輪表面輪廓形貌

4 結語

本文基于旋轉GC磨棒在位精密修整法，提出了金屬圓弧形砂輪進給補償修整策略，實現(xiàn)了金屬基砂輪的在位精密修整。進給疊加自動補償了GC棒的磨損，無需實時測量磨棒半徑，避免了測量誤差導致的軌跡誤差，砂輪截面圓弧輪廓的修整精度高，同時修整次數(shù)和進給量可根據(jù)修整情況合理設置，修整效率高。通過在超精密機床上搭建在位修整系統(tǒng)，并對D46金屬砂輪進行修整實驗，驗證了本文提出的金屬基圓弧形金剛石砂輪進給補償修整策略的正確性和可操作性。特別的，本文提出的圓弧形砂輪進給補償修整策略不僅限于金屬基砂輪，同樣也可適用于樹脂基、混合基圓弧形砂輪的在位精密修整，以此來提高修整效率、修整精度和簡化修整過程。