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（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國航天第七研究院四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司，成都 611130）

內(nèi)螺紋在航空航天、國防、汽車、機(jī)床裝備、微電子等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，按照用途分類可分為連接內(nèi)螺紋和傳動內(nèi)螺紋。連接內(nèi)螺紋作為一種可拆的固定連接零件，具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點；傳動內(nèi)螺紋作為一種基于螺旋副將主動件的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)閺膭蛹闹本€運動的傳動零件，具有工作連續(xù)、傳動平穩(wěn)、承載能力大、傳動精度高等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于傳動機(jī)構(gòu)中，如滾珠絲杠、滾柱絲杠、蝸輪蝸桿等。

內(nèi)螺紋的廣泛應(yīng)用對其制造提出了巨大加工需求，機(jī)械加工中各種內(nèi)螺紋的加工占到孔加工工作量的50%，并且隨著相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，內(nèi)螺紋的尺寸范圍越來越大，加工精度要求也越來越高，同時因為內(nèi)螺紋的加工空間是半封閉的，這對內(nèi)螺紋的加工提出了更高的要求。目前針對內(nèi)螺紋的主要加工方式有銑削、擠壓、車削、攻絲、磨削、旋風(fēng)切削、擠壓攻絲和振動攻絲等[1–2]。其中對于經(jīng)熱處理后的高硬度螺紋面或硬脆材料螺紋面的高精度加工，磨削是目前唯一行之有效的加工方式。

本文主要針對內(nèi)螺紋的精密磨削加工技術(shù)，從砂輪截形設(shè)計、磨桿研究、砂輪修整以及磨削工藝4 個方面對現(xiàn)有內(nèi)螺紋磨削加工技術(shù)的研究成果進(jìn)行介紹分析。

面向內(nèi)螺紋磨削的砂輪截形設(shè)計研究

內(nèi)螺紋加工屬于成形磨削加工的范疇。內(nèi)螺紋的實際輪廓是由砂輪的形狀和軌跡決定的，因此對于磨削來說，砂輪截形的設(shè)計將直接影響內(nèi)螺紋的加工精度[3–4]。國內(nèi)外各科研單位很早就開展了對于螺紋面加工工具的設(shè)計方法研究。目前針對其截形設(shè)計的方法主要有圖解法、解析法和計算機(jī)輔助設(shè)計法3 種。其中圖解法是通過作圖法來直觀得到工具截形，雖然求解效率較低，但易于實現(xiàn)，適用于螺旋曲面復(fù)雜導(dǎo)致其難以或不能用數(shù)學(xué)方程表示的情況。圖解法的求解精度主要取決于描述理想的螺旋面剖面和初始工具表面的點數(shù)。增加點數(shù)會提高求解精度，但同時也會降低圖解法的應(yīng)用可能性[5]。相對圖解法，解析法是通過求取工具與螺紋面的接觸線來獲得工具的截形，因此具有更高的求解精度[6]。但對于由復(fù)雜曲線段組成的復(fù)雜螺旋面，用解析法求解難度較大。計算機(jī)輔助設(shè)計法由此產(chǎn)生，其基于計算機(jī)技術(shù)以求解工具截形，因此具有更好的適用性。本文將主要介紹后兩種方法。

解析法求解精度高且應(yīng)用最為廣泛。西安交通大學(xué)的林其駿[7]在1979年就提出了在已知螺旋面端面截形來求螺旋面工具截形的計算方式，方便了計算機(jī)程序的編制，并分析了工具截形的曲率問題。1982年，吳序堂[8]提出在計算加工螺旋面工件的銑刀、砂輪截形時，常用的方法為先給出工件螺旋面的方程式，對螺旋面及其加工原理、加工工具和工件之間嚙合原理、工具回轉(zhuǎn)面與工件螺旋面的接觸條件式進(jìn)行分析求解，建立工具與工件螺旋面的相對位置坐標(biāo)系，最后通過坐標(biāo)變換來求取工具截形。這種方法是已知確定的螺旋面截形方程來求解砂輪截形，但是對于復(fù)雜螺旋面截形，能得到的只有一系列離散的點。為解決這個問題，1984年卜嘯華等[9]提出用三次樣條光順函數(shù)擬合由離散點先得到螺旋面截形的方程，由此解決了離散點工件廓形的工具計算問題。具體方法是：已知工件某個截面上一系列離散點的坐標(biāo)，先擬合這些離散點得到曲線，再根據(jù)這個擬合曲線的方程建立螺旋面的方程，最后計算工具的截形。這種方法的缺點就是運算過程太復(fù)雜，計算結(jié)果誤差比較大。1990年，吳序堂等[10]提出了一種系列離散點各點處的導(dǎo)數(shù)求解方法，在不用對離散點進(jìn)行擬合的情況下求出各點處的一階導(dǎo)數(shù)，這種方法不用先通過對離散點擬合曲線求解螺旋面方程式求解工具截形，而是直接計算工具截形，減少了工作量，而且砂輪截形求解精度也顯著提高了；以前提出的對于已知螺紋截面離散點坐標(biāo)來求解砂輪截形的方法，在加工精度要求不高的情況下可以使用，但對于加工精度要求比較高的情況已經(jīng)不適用。張光輝等[11]提出了在已知螺旋面軸向截形或者端面截形的離散點時，推導(dǎo)成形工具與螺旋面的接觸條件式，用累積三次參數(shù)樣條法求解每個離散點處的斜率問題，這一方法不僅簡化了運算過程，也提高了運算精度，并且用累計樣條參數(shù)法和雙圓弧樣條法對求得的砂輪截形數(shù)據(jù)點進(jìn)行了光順處理，光順處理的砂輪三維效果如圖1所示[11]，獲得了可用于數(shù)控加工的CNC 代碼，可用于提高加工精度。

圖1 光順處理效果圖Fig.1 Renderings of smooth treatment

前邊提到的解析法主要是通過工具和螺旋面工件的嚙合原理，推導(dǎo)出工具和螺旋面之間的接觸線，進(jìn)而由接觸線求得工具截形。但是對于工具截形具有奇異點的情況，由于工具表面奇異點的法向量不能確定，這時采用解析法不太適用。對于此問題韓國的Nguyen 等[12]提出了一種采用砂輪表面的相切方程和接觸方程的求解方法，研究了砂輪一般表面和砂輪銳邊在螺旋槽加工過程中發(fā)揮的作用，提出了對工具截形有奇異點情況的精確計算方法。

范東風(fēng)[13]和趙萬鎰[14]等將前邊提到的砂輪截形解析法應(yīng)用在滾珠絲杠螺母滾道的加工中。加工時采用傾角成形磨削加工（使砂輪磨桿與螺母軸線之間的夾角等于螺母的螺旋升角，螺母繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運動，而砂輪沿螺母軸線做直線運動）。由于砂輪軸線與工件軸線之間存在安裝角度時砂輪磨桿容易與磨削滾道面發(fā)生干涉，如圖2所示[15]，使砂輪不能越過這一位置完成整個內(nèi)螺紋的磨削加工，這樣就限制了可以加工螺母的長度，使大長徑比的螺母磨削加工變得非常困難。日本北海道大學(xué)的Kagiwada 等[16]針對長徑內(nèi)螺紋提出了一種基于通用砂輪截形的磨削方法，采用標(biāo)準(zhǔn)砂輪截形，通過對砂輪軸傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化，選擇最優(yōu)的傾斜角度來加工螺紋滾道，最佳傾斜角度只和砂輪廓形和滾道截形的符合。但是其優(yōu)化安裝角度過程中，只考慮了砂輪的截形，沒有考慮螺旋面的截形，不可避免砂輪會對已加工表面過切，使得到的螺紋截形不是目標(biāo)螺紋滾道截形。對此問題，范東風(fēng)[13]、Kagiwada[16]、姜洪奎[17]、和Harada[18]等提出了針對大導(dǎo)程內(nèi)螺紋在改變砂輪安裝角的同時，改變砂輪的截形，對螺母滾道進(jìn)行磨削加工。以螺旋面法向截形為已知條件，根據(jù)齒輪嚙合原理推導(dǎo)砂輪截形公式，并對理論模型進(jìn)行數(shù)值計算，求解砂輪截形。

圖2 螺母滾道干涉示意圖Fig.2 Schematic diagram of nut raceway interference

莫斯科國立工業(yè)大學(xué)的Volkov等[19]提出了一種不傾斜砂輪軸線來加工內(nèi)螺紋的數(shù)學(xué)模型，解決了砂輪截形弧線部分的計算問題，模擬砂輪磨削某一齒廓的過程來確定加工螺紋表面，通過對模擬磨削過程所得到的曲面與所要求曲面進(jìn)行比較，對加工誤差進(jìn)行了評定。大連理工大學(xué)的Gao 等[20]也提出一種平行軸磨削方法，如圖3所示，砂輪軸和工件軸平行，偏心距離為e，砂輪繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，輪的進(jìn)給運動是沿螺旋線進(jìn)行的：一方面砂輪軸繞工件軸作勻速圓周運動；另一方面，砂輪軸沿軸向作勻速直線運動，在硬脆材料上加工了微小內(nèi)螺紋，并建立了一個數(shù)學(xué)模型來預(yù)測螺紋齒形誤差，通過研究砂輪直徑與螺紋中徑的比值和砂輪截形角度與螺紋齒形誤差的變化關(guān)系，提供砂輪參數(shù)的合理范圍，如砂輪截面角度的變化范圍，砂輪直徑與螺紋中徑的比值的變化范圍。對于尺寸為M2 內(nèi)螺紋的加工，采用砂輪參數(shù)為：砂輪直徑1.5mm，砂輪磨桿直徑0.9mm，砂輪截形角度56°，加工的螺紋精度能達(dá)到H4 級，如圖4所示[20]。

圖3 平行軸內(nèi)螺紋磨削示意圖Fig.3 Schematic diagram of parallel axis internal thread grinding

圖4 M2內(nèi)螺紋廓形的測量Fig.4 Measurement of single thread profile of M2 internal thread

由于與螺旋面成形磨削理論相同，成形銑削技術(shù)中銑刀廓形的設(shè)計方法與成形砂輪廓形設(shè)計方法相似，因此銑刀廓形的確定方法也是可以借鑒的。高明明等[21]根據(jù)無瞬心包絡(luò)銑削原理，建立了工具與工件的相對位置及坐標(biāo)系的變換，并基于嚙合位置的接觸點的相對速度與該點的公法線垂直這一嚙合條件建立了嚙合條件方程式。李成松[22]從成形銑削原理展開研究，建立銑刀與工件的相對位置坐標(biāo)系，同成形磨削原理類似，通過建立工具與工件接觸線條件式，并利用數(shù)值分析方法求解條件式，得到銑刀軸向截形。丁偉等[23]也是利用已知的螺旋面方程，由共軛原理計算工具截形，提出了對于端截面、軸截面、偏軸截面、法截面等各種螺旋型面的數(shù)學(xué)模型，為復(fù)雜螺旋面螺桿外、內(nèi)(旋風(fēng))銑削加工提供了工具設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。

以上提到的工具截形計算方法主要是基于嚙合原理求得接觸條件式，并利用數(shù)值分析方法求解得到工具截形。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者進(jìn)行了計算機(jī)輔助工具截形設(shè)計研究。Kang 等[24–25]提出利用微分幾何和運動學(xué)原理，建立了廣義螺旋槽加工模型，并利用CAD 方法對該問題進(jìn)行了分析。Ivanov 等[26]針對解析法的非線性方程不易求解和圖解法工作量大、精度低的問題提出了基于CAD 的通用成形砂輪輪廓建立模型。應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計不僅極大地簡化了運算過程，并且提高了運算精度。但是大部分的計算機(jī)輔助設(shè)計方法只是針對解析法的全部或者計算機(jī)化，后來又有學(xué)者提出和解析法完全不同的計算機(jī)輔助設(shè)計方法。如鄭州大學(xué)的馬田軍等[27]通過研究螺旋面加工機(jī)理，借助于SolidWorks 三維建模軟件，通過應(yīng)用布爾運算方法求取工具截形，用螺旋面工件來反求工具截形。應(yīng)用布爾運算解決截形設(shè)計問題的還有匈牙利的Hegedüs 等[28]也提出應(yīng)用布爾運算方法，用工件表面減去砂輪表面來確定生成的工具輪廓，如圖5所示。

圖5 布爾運算法計算砂輪截形Fig.5 Calculation of wheel truncation by Boolean operation

由于需要進(jìn)行多次體布爾運算，運算量非常大，計算機(jī)運行時間長，占用內(nèi)存大，對設(shè)備的要求非常高，因此在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了薄片法來求工具截形。薄片法主要是將螺旋面工件切成薄片，讓每一薄片繞工具軸線回轉(zhuǎn)包絡(luò)工具毛坯，通過多次面布爾運算和體布爾運算最終求的工具截形面布爾運算相對于體布爾運算量小，薄片法具有精度高、占用內(nèi)存小、運算量小、運算快的特點。為了進(jìn)一步減小運算量又提出了半徑法來求加工螺旋面用成形砂輪截形，該方法只用做一次體與體的布爾運算，利用CAD 的方法獲得多個截面的交線，通過求得交線上到砂輪軸線距離最短的點，求得工具截形。與半徑法類似的有況雨春等[29]提出的基于MATLAB 對砂輪截形進(jìn)行設(shè)計的數(shù)值方法。通過坐標(biāo)變換將砂輪坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系統(tǒng)一，將工件和砂輪離散，找到砂輪和工件相交線上到砂輪軸距離最小的點集，應(yīng)用編程仿真得到更加精確直觀的砂輪截形，如圖6所示[29]，圖中黑線為螺旋面與砂輪接觸線。

圖6 砂輪與螺旋面的接觸狀態(tài)仿真圖Fig.6 Simulation diagram of contact state between grinding wheel and spiral plane

綜上所述，面向內(nèi)螺紋磨削砂輪截形的設(shè)計研究從最開始的圖解法，發(fā)展到后來用數(shù)值法求解砂輪截形，既減小了工作量又提高了設(shè)計精度，后來隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過計算機(jī)輔助方式發(fā)展出了精度更高設(shè)計結(jié)果更直觀的設(shè)計方式，進(jìn)一步應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行砂輪截形輔助設(shè)計是未來的發(fā)展趨勢。

內(nèi)螺紋磨削用砂輪磨桿研究

在進(jìn)行大長徑比內(nèi)螺紋磨削時，砂輪磨桿呈細(xì)長懸臂狀態(tài)，由于磨削時砂輪的轉(zhuǎn)速一般較高，極易發(fā)生由砂輪磨桿弱剛度特性引起的顫振問題。磨桿的振動問題有以下4 個缺點： （1）振動會使加工表面產(chǎn)生振紋，影響加工精度；（2）振動使機(jī)床主軸受交變載荷，降低機(jī)床壽命；（3）振動加劇砂輪磨損；（4）為避免振動可采用的方法是采用小切削深度的方法，但是這會降低加工效率，因此研究砂輪磨桿結(jié)構(gòu)來減小振動對內(nèi)螺紋磨削非常重要。以瑞典、美國、日本為首的加工制造業(yè)比較發(fā)達(dá)國家一直致力于減振砂輪磨桿/刀桿的研制工作，總的來說，減振砂輪磨桿/刀桿的研究和發(fā)展是比較緩慢的。到目前為止，世界上只有少數(shù)幾個國家的廠商可以生產(chǎn)出減振效果較好的磨桿。國內(nèi)外研究者主要是在材料和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行了探索。

一種方法是通過采用特性較好的新型材料來改善磨桿性能。主要通過這些材料的硬度和強度來提高磨桿的靜剛度，并且選擇密度較小的材料來減小刀桿的質(zhì)量，提高刀桿的固有頻率，提高磨桿動剛度。新型材料主要包括Ti 合金、硬質(zhì)合金和新型陶瓷等。實際生產(chǎn)應(yīng)用中有用硬質(zhì)合金代替鋼材來作為磨桿的制作材料，由于硬質(zhì)合金和鋼相比具有彈性模量高的特點，所以由硬質(zhì)合金加工的刀具靜態(tài)剛度比較好，但由于硬質(zhì)合金密度大，導(dǎo)致硬質(zhì)合金制造的磨桿動態(tài)性能不好。因為陶瓷具有彈性模量高、密度低的特點，再配合上金屬又具有高韌性的特點，有學(xué)者提出可以將陶瓷和金屬結(jié)合起來制作磨桿。燕山大學(xué)的王軍等[30–31]提出了一種金屬–陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的磨桿，如圖7所示[31]，這種磨桿的靜剛度較傳統(tǒng)鋼材的磨桿提高了10%~30%，動剛度較傳統(tǒng)磨桿也有了很大提升。此外，國內(nèi)外還有一些研究者提出了應(yīng)用鋁合金材料的磨桿，鋁合金相對于其他工業(yè)金屬具有較小的密度，可以有效地減輕磨桿的整體質(zhì)量，當(dāng)磨桿在進(jìn)行加工時產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力也隨之減小，在高速旋轉(zhuǎn)的刀桿中慣性力較小，可以很好地適應(yīng)高頻振動環(huán)境下的工作。其中比較典型的鋁合金刀桿是瑞典Sandvik 公司生產(chǎn)的Coromant 型銑刀等產(chǎn)品。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的于英華等[32]提出了一種泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)圓磨桿，分析發(fā)現(xiàn)此磨桿靜態(tài)和動態(tài)性能優(yōu)于20MnVB 材料的磨桿。

圖7 金屬–陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)磨桿示意圖Fig.7 Schematic diagram of grinding rod of metal–ceramic composite structure

另一種方法是通過設(shè)計磨桿結(jié)構(gòu)在磨桿中增加阻尼器，阻尼器在運動過程中對磨桿產(chǎn)生阻礙作用，可以有效消耗振動能量，使磨桿振動減小。中北大學(xué)的張恒明[33]采用將銑刀桿前段加工成空心的方法，在空腔中填充上阻尼顆粒，銑刀在轉(zhuǎn)動時，顆粒之間相互碰撞，將銑刀桿的振動吸收，達(dá)到減振的效果。西華大學(xué)的郭佳等[34]、哈爾濱理工大學(xué)的韓東[35]、北京航空航天大學(xué)的楊毅青等[36]都采用類似的方式，通過將銑刀桿加工成中空的結(jié)構(gòu)，在空腔中加入阻尼件來達(dá)到減振的目的。另外還有通過用磁流變材料、壓電材料等來加工鏜桿，通過改變磁場或者電場的方式主動改變刀桿的固有頻率或主動生成振動來抑制鏜桿振動。采用阻尼器的方法進(jìn)行減振的磨桿或者鏜桿可以達(dá)到良好的減振效果，但是其缺點是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，阻尼器多種多樣，并且磨桿直徑比較小，在磨桿中加阻尼器難度較大。

綜上所述，國內(nèi)外有關(guān)旋轉(zhuǎn)式減振工具桿的研究主要集中于鏜桿，而減振砂輪磨桿研究目前還較少，其原因是砂輪磨桿尺寸小而轉(zhuǎn)速高，相對鏜刀桿來說減振設(shè)計難度大，綜合減振措施難以實現(xiàn)。一般對于回轉(zhuǎn)運動的磨桿來說，新型材料的特性往往無法滿足多方要求，通常只能改善動態(tài)或靜態(tài)一方面性能。如果磨桿應(yīng)用材料比較脆硬，那么磨桿具有較高的靜剛度，在高速振動中，其動態(tài)響應(yīng)位移將會很大，動態(tài)性能較差。相反，如果材料具有一定彈性，可以有效地消耗振動產(chǎn)生的能量，其動態(tài)響應(yīng)位移將會減小，但其靜剛度也將會減小，無法滿足低速時的性能要求。因此通過改變磨桿的結(jié)構(gòu)，將不同的材料特性結(jié)合起來，才能使磨桿具有較好的減振效果。

內(nèi)螺紋磨削中砂輪修整方法研究

對于內(nèi)螺紋成形磨削來說，砂輪截形的精度嚴(yán)重影響加工螺紋精度。當(dāng)內(nèi)螺紋的牙形尺寸較小時，成形砂輪特別是影響螺紋內(nèi)角尖端圓弧半徑的砂輪頂角部分在磨削加工過程中極易發(fā)生磨損，使砂輪極易失效，加工精度很難保證。大連理工大學(xué)的Gao 等[20]采用金屬基細(xì)磨粒金剛石砂輪進(jìn)行了長徑比為1.5、行程為3mm 的內(nèi)螺紋磨削加工，結(jié)果表明在加工30mm 螺紋后，內(nèi)螺紋齒形精度已嚴(yán)重喪失，如圖8所示[20]。所以在內(nèi)螺紋加工過程中需要對砂輪進(jìn)行多次重復(fù)修整，加工效率極低，有時甚至無法完成磨削加工，因此內(nèi)螺紋磨削砂輪修整問題需要進(jìn)行研究。

目前，砂輪的修整方式主要有車削修整法、滾壓修整法、磨削修整法、激光修整法、電火花修整法、超聲修整法及復(fù)合修整法等。大部分學(xué)者對不同砂輪的修整都主要集中在平面磨削領(lǐng)域，但是對于微齒內(nèi)螺紋螺旋面磨削用成形砂輪的修整研究比較少。上海工程技術(shù)大學(xué)的朱歡歡等[37]對滾珠絲杠成形砂輪修整工藝原理進(jìn)行研究，采用金剛石滾輪修整砂輪，分析了影響修整效果比較明顯的修整深度、修整速比和光修時間3 個修整工藝參數(shù)對修整效果的影響，用金剛石滾輪與砂輪的干涉角作為綜合修整參數(shù)來分析修整狀況，通過試驗研究了干涉角對修整結(jié)果的影響。但是這一方法需要預(yù)先將修整輪加工成目標(biāo)砂輪截型，由于金剛石滾輪也會磨損，所以這種修整方法過程比較復(fù)雜且修整精度不高。山東大學(xué)的姜洪奎等[17]在大導(dǎo)程滾珠絲杠副螺母加工的研究中通過數(shù)值計算方法得到了螺紋磨削的砂輪截形參數(shù)，并進(jìn)一步得到了靠模板的截形，設(shè)計了砂輪修整器，如圖9所示[17]，通過修整器用金剛石筆來進(jìn)行成形砂輪的修整。但是這種修整器不具備可調(diào)性，并且要受到靠模的廓形精度、安裝精度以及操作條件等的影響。陜西理工學(xué)院的趙永強等[38]提出了對于螺桿加工用成形砂輪精密修整的CNC 系統(tǒng)，首先通過數(shù)值計算得到砂輪截形參數(shù)，再由截形參數(shù)精確控制CNC 系統(tǒng)，如圖10所示[38]，應(yīng)用數(shù)控方法對成形砂輪精密修整，這種修整法修整參數(shù)可調(diào)，工作可靠，修整精度高。航天一院的董超等[39]利用金剛石碟輪對螺紋成形磨削用的陶瓷CBN 成形砂輪進(jìn)行修整，選用砂輪和碟輪的修整速比、砂輪軸向進(jìn)給速度、碟輪修整進(jìn)給量3 個修整參數(shù)進(jìn)行正交試驗設(shè)計，以螺紋環(huán)槽表面質(zhì)量好壞、螺紋齒形角誤差及螺紋形狀輪廓完整性作為評價指標(biāo)確定最優(yōu)修整參數(shù)組合。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Guo 等[40]采用電火花修整方法對V 型砂輪進(jìn)行修整，得到尖角半徑22.5μm，角度為120.03°的V 型砂輪，加工得到的WC 表面V 型微結(jié)構(gòu)底角圓角為55μm。

綜上所述，內(nèi)螺紋磨削用的成形砂輪磨損嚴(yán)重，因此對于螺紋磨削用成形砂輪的修整非常重要，比較常用的修整方法為單點金剛石筆車削修整、滾輪磨削修整等傳統(tǒng)的修整方法，應(yīng)用電火花、激光、超聲及復(fù)合修整方法的研究還比較少，這可能是未來螺紋磨削成形砂輪修整的發(fā)展方向。

內(nèi)螺紋精密磨削加工工藝研究

內(nèi)螺紋在進(jìn)行精密磨削加工之前有一個重要環(huán)節(jié)，即對刀。對刀誤差是影響螺紋加工精度的一個重要因素。內(nèi)螺紋加工對刀不同于外螺紋，因為內(nèi)螺紋的加工是在一個半封閉的環(huán)境中，采用接觸式對刀方式比較困難。國內(nèi)南京理工大學(xué)的張傳劍等[41–42]提出了一種非接觸式自動對刀技術(shù)，對刀重復(fù)精度達(dá)到0.002mm，應(yīng)用這種對刀方式提高了內(nèi)螺紋磨削過程中的對刀精度，減小了對刀誤差，提高了對刀效率。

圖10 CNC修整器示意圖Fig.10 Schematic diagram of CNC dresser

對于內(nèi)螺紋的磨削工藝研究主要關(guān)注砂輪轉(zhuǎn)速、磨削進(jìn)給量以及工件轉(zhuǎn)速或軸向進(jìn)給速度2 個試驗參數(shù)對螺紋加工結(jié)果（齒形誤差和表面質(zhì)量）的影響。Gao 等[20]通過用設(shè)計好的砂輪采用平行軸磨削的方式在SiCp/Al 上加工螺紋直徑為2mm的內(nèi)螺紋，通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速越大，軸向進(jìn)給速度越低時，加工的內(nèi)螺紋表面質(zhì)量越好，并且最終加工精度能達(dá)到H4。董超[43]通過對砂輪線速度、磨削進(jìn)給速度、工件轉(zhuǎn)速3 個試驗參數(shù)進(jìn)行正交試驗設(shè)計和對試驗結(jié)果分析，找到了砂輪的線速度、磨削進(jìn)給速度、工件轉(zhuǎn)速3 個工藝參數(shù)的最優(yōu)值。

除了傳統(tǒng)的磨削加工內(nèi)螺紋試驗，也有學(xué)者進(jìn)行了超聲振動輔助磨削內(nèi)螺紋試驗。河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院的Feng 等[44]提出了用超聲振動輔助加工內(nèi)螺紋，根據(jù)超聲縱扭振動的特點，分析了單粒磨粒在常規(guī)磨削和超聲縱扭振動輔助磨削條件下的運動軌跡，如圖11所示[44]。通過試驗研究了加工參數(shù)對兩種金剛石砂輪磨削力、孔表面質(zhì)量、螺紋輪廓精度和磨損狀況的影響。結(jié)果表明超聲輔助振動可以降低磨削力，而磨削力主要由進(jìn)給率控制，主軸轉(zhuǎn)速和超聲振幅對磨削力的影響較小。采用適當(dāng)振幅的超聲輔助振動磨削可以減小砂輪的磨損，延長其使用壽命，提高螺紋的精度和合格率，這一試驗證明了超聲振動輔助加工內(nèi)螺紋的可行性。

圖11 超聲振動輔助加工內(nèi)螺紋示意圖Fig.11 Schematic diagram of ultrasonic vibration assisted machining of internal thread

磨削力來自于砂輪與工件接觸表面的彈性變形、塑性變形和磨屑去除過程。同時，磨粒及黏結(jié)劑與工件之間的摩擦也會對磨削力產(chǎn)生影響。山東大學(xué)Wang 等[45]在單磨粒磨削模型的基礎(chǔ)上，考慮內(nèi)螺紋磨削過程中磨粒動態(tài)接觸弧長和磨粒幾何特性，建立了動態(tài)數(shù)值磨粒模型，并研究了內(nèi)螺紋磨削過程中磨削力和動態(tài)接觸弧長的變化特性。但模型從均勻磨粒出發(fā)，沒有考慮磨削力的不均勻性和磨粒的重疊問題，并且對于內(nèi)螺紋磨削沒有考慮螺旋角。北京工業(yè)大學(xué)的Fang 等[46]提出了考慮螺紋螺旋角和顆粒重疊效應(yīng)的內(nèi)螺紋磨削力模型，并通過試驗對模型進(jìn)行了驗證，但模型中默認(rèn)磨粒大小是均勻的，忽略了磨粒高度的不均勻性。近年來，雖然眾多研究人員研究了各種工藝的磨削力，并建立了相應(yīng)的磨削力公式，但對于內(nèi)螺紋磨削過程的磨削力研究還有待進(jìn)一步完善。

結(jié)論

（1）在內(nèi)螺紋磨削加工中，目前主要采用解析法和計算機(jī)輔助設(shè)計兩種方法。解析法是由已知的螺旋面截形方程或者復(fù)雜截形的一系列離散點，經(jīng)過坐標(biāo)變換求得工件與砂輪之間的接觸線，進(jìn)而求得砂輪截形。計算機(jī)輔助設(shè)計分兩種，一種是將解析法部分或全部程序化來求解砂輪截形；另一種是應(yīng)用三維仿真軟件，采用布爾算法，直觀地得到砂輪截形。

（2）在進(jìn)行大長徑比內(nèi)螺紋磨削時，砂輪磨桿呈細(xì)長懸臂狀態(tài)，極易發(fā)生由砂輪磨桿弱剛度特性引起的顫振問題，嚴(yán)重影響加工精度和加工效率。相對切削加工過程中的減振工具，對于砂輪磨桿的相關(guān)研究還較少，且研究主要集中在磨桿結(jié)構(gòu)以及新材料利用等方面。

（3）對于內(nèi)螺紋磨削砂輪磨損嚴(yán)重情況，目前內(nèi)螺紋磨削砂輪的修整主要采用磨削修整法和車削修整法兩種方法，結(jié)合CNC 技術(shù)進(jìn)行修整，可以更精確地控制修整參數(shù)，修整精度更高。

（4）國內(nèi)外對與內(nèi)螺紋磨削工藝的研究較少，內(nèi)螺紋磨削工藝主要從內(nèi)螺紋對刀、工藝參數(shù)研究、超聲振動輔助磨削和磨削過程中磨削力預(yù)測模型等方面進(jìn)行了研究，為以后內(nèi)螺紋磨削工藝研究方案擬定提供了參考。