超硬砂輪修整機(jī)工藝原理

趙 宏, 張 偉, 賀 鳳 寶, 李 明 穎

( 大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)刀具的需求日益增加,因此用于修磨和制造高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具的超硬砂輪的修整必然成為人們愈來愈重視的問題。超硬砂輪的表面幾何形狀和表面粗糙度是決定砂輪磨削性能的重要因素。超硬砂輪由超硬磨粒與結(jié)合劑組成。砂輪磨削時(shí),其工作表面上的磨粒會(huì)逐漸磨鈍而失去鋒銳的磨削刃口；同時(shí),磨粒的不均勻磨損和脫落,砂輪表面將失去正確的幾何形狀。因此對(duì)砂輪的修整包括修銳和整形兩方面[1]。修整的目的是使砂輪具有足以保證被磨刀具達(dá)到要求的精度和質(zhì)量,同時(shí)又要使修整后的砂輪具有較高的磨削效率和使用壽命[2]。

采用碳化硅砂輪用磨削法修整超硬砂輪,保證了修整后砂輪良好的磨削性及使用壽命[3]。由于使用軟砂輪修整硬砂輪,在整形的同時(shí)也可起到修銳的作用,保證了修整的效率,但其無法對(duì)修整精度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。所以本文將在線檢測技術(shù)應(yīng)用在超硬砂輪修整上,通過CCD傳感器采集圖像后,利用軟件的在線對(duì)比檢測實(shí)現(xiàn)對(duì)超硬砂輪修整精度的控制。此手段在國內(nèi)屬于首次嘗試,罕有相關(guān)文獻(xiàn)。

1 應(yīng)用在線檢測技術(shù)的修整機(jī)構(gòu)成

1.1 修整機(jī)總體布局

如圖1所示,此砂輪修整機(jī)共分為五大執(zhí)行機(jī)構(gòu):在線檢測部分、工具砂輪部分、除塵部分、電器柜部分以及被修砂輪部分。

1.計(jì)算機(jī)顯示器; 2.鏡頭支架; 3.CCD及鏡頭組件; 4.鏡頭微調(diào)支座; 5.風(fēng)管; 6.碳化硅砂輪; 7.工具砂輪電機(jī); 8.氣缸; 9.工具砂輪雙向?qū)к? 10.回轉(zhuǎn)工作臺(tái); 11.床身; 12.渦輪蝸桿手輪; 13.密閉容器; 14.風(fēng)機(jī); 15.電器柜; 16.被修砂輪雙向?qū)к? 17.被修砂輪電機(jī); 18.被修砂輪

圖1 修整機(jī)布局圖

Fig.1 General drawing of dresser

1.2 修整機(jī)各個(gè)組成部分的功用

1.2.1 在線檢測部分及修整機(jī)軟件功能

首先由CCD及鏡頭組件采集工具砂輪與被修砂輪接觸區(qū)域的圖像,并傳輸?shù)綀D像采集卡,再進(jìn)一步傳輸?shù)斤@示器軟件界面的影像區(qū)。此軟件為國內(nèi)某軟件公司開發(fā),圖像分辨率為1 μm,具有圖像的采集、預(yù)處理、二值化、邊緣檢測及輪廓提取等功能,軟件界面如圖2所示。

檢測軟件共八大區(qū)域,其中檢測區(qū)域有繪圖功能、圖形編輯功能、圖形標(biāo)注檢測功能等。軟件還有局部放大及全局圖瀏覽區(qū)域,選擇公制或英制的制式工具區(qū)域,顯示影像的區(qū)域(該區(qū)域顯示的圖像為應(yīng)用圖像處理手段進(jìn)行輪廓提取等操作之后的),顯示結(jié)果的區(qū)域,菜單欄及快捷工具菜單欄。在修整機(jī)的調(diào)試階段,需做到軟件的十字刻線中心與工具砂輪的回轉(zhuǎn)中心重合。在此基礎(chǔ)上在不同的放大倍率下標(biāo)定比例尺,修整機(jī)才可正常使用。

圖2 修整機(jī)檢測軟件界面

1.2.2 被修砂輪部分及工具砂輪部分功能及其運(yùn)動(dòng)

此修整機(jī)修磨原理:使用檢測軟件繪制出需要的砂輪形狀的標(biāo)準(zhǔn)曲線后,將采集來的被修砂輪圖像與之相比較,磨去多余的部分。如圖3所示,被修砂輪由可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí),由X、Y雙向?qū)к墝?shí)現(xiàn)被修砂輪的雙向移動(dòng),以保證采集的被修砂輪輪廓與繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線的最大化重疊。而工具砂輪部分除了可調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)主軸(碳化硅砂輪)轉(zhuǎn)動(dòng)外,還要通過工具砂輪雙向?qū)к墝?shí)現(xiàn)碳化硅砂輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(Y′向)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)(X′向),其中直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過氣缸帶動(dòng)并控制其速率和往復(fù)行程。此外工具砂輪部分還要通過由蝸輪蝸桿帶動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)角度砂輪及圓弧砂輪的修整。

圖3 修整機(jī)主要運(yùn)動(dòng)圖

1.2.3 修整機(jī)控制系統(tǒng)及除塵部分功能介紹

修整機(jī)的控制系統(tǒng)主要從安全及修整效果角度考慮,比如說各個(gè)組成部分開機(jī)時(shí)的啟動(dòng)順序,按最優(yōu)的先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)再啟動(dòng)其他,關(guān)機(jī)時(shí)先關(guān)閉其他最后關(guān)閉風(fēng)機(jī)。修整機(jī)進(jìn)給依靠手輪手動(dòng)進(jìn)給。除塵部分功能的實(shí)現(xiàn)是先通過連接密閉容器的離心風(fēng)機(jī)抽風(fēng),通過風(fēng)管風(fēng)再吹向工具砂輪和被修整砂輪接觸部位,吹動(dòng)灰塵顆粒通過工作臺(tái)中心孔進(jìn)入密閉容器的灰塵布袋內(nèi),從而形成除塵部分的循環(huán)。

2 修整砂輪模板的建立

2.1 砂輪的分類

待修整砂輪根據(jù)其形狀分類,大致分為:圓柱形砂輪；圓弧形砂輪；角度形砂輪；碗形砂輪。在實(shí)際生產(chǎn)中,圓弧砂輪是較難修整的砂輪,根據(jù)不同實(shí)際應(yīng)用,會(huì)有兩段圓弧、三段圓弧以及多段圓弧的修整需要。下面以三段圓弧砂輪為例,具體介紹怎樣建立應(yīng)用在線檢測技術(shù)砂輪修整機(jī)的修整模板。

2.2 圓弧形砂輪修整模板的建立

修整機(jī)在修整幾種典型的砂輪時(shí),對(duì)于圓弧形砂輪的修整極具代表性。下面就以建立圓弧砂輪的修整模板為例,介紹修整機(jī)的使用方法。

對(duì)于圓弧砂輪的修整,本修整機(jī)是采用擬合切線的方法來實(shí)現(xiàn)的。如圖4所示,首先在軟件中繪制理論曲線(圖中粗線部分),三段圓弧分別以1,2,3點(diǎn)為中心R1,R2,R3為半徑。然后通過被修整砂輪的雙向?qū)к?在X,Y方向上調(diào)整使被修砂輪與理論曲線盡量重合,并使軟件的十字刻線中心與半徑最大的圓弧中心重合。再通過工具砂輪的蝸輪蝸桿副調(diào)整工具砂輪的起始點(diǎn)調(diào)整雙向?qū)к壷械腨′向手輪實(shí)現(xiàn)進(jìn)給,且工具砂輪通過氣缸帶動(dòng)可實(shí)現(xiàn)在X′方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在Y′方向的進(jìn)給完成后,通過X′向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與圍繞1點(diǎn)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)由數(shù)條切線形成的圓弧,如圖4中所示磨去多余的部分,直到被修砂輪的外形與理論曲線重合,再修磨下一段圓弧,修圓弧順序按曲率半徑由大到小依次修整。如圖中先修整R1,再修整R2,最后修整R3。

圖4 修整圓弧形砂輪

3 修整機(jī)修整精度

目前,對(duì)此修整機(jī)做了初步的修整精度試驗(yàn)。對(duì)樹脂結(jié)合劑、粒度為170#(用篩選法分級(jí),粒度號(hào)以磨粒通過的篩網(wǎng)上每英寸長度內(nèi)的孔眼數(shù)來表示)、濃度為100(濃度100的定義是:在1立方英寸體積內(nèi)有72克拉磨料)的圓柱金剛石砂輪進(jìn)行修整,工具砂輪為碳化硅砂輪粒度為80#。在修整中工具砂輪與修整砂輪要有一定的速度差,修整后選擇觸針式輪廓儀對(duì)砂輪形狀精度進(jìn)行檢測。當(dāng)進(jìn)給為20 μm/次,轉(zhuǎn)速比為4∶1時(shí)形狀精度可達(dá)10 μm；當(dāng)進(jìn)給10 μm/次,轉(zhuǎn)速比為5∶1時(shí)其形狀精度可達(dá)到9 μm,且隨著進(jìn)給量的減小其精度會(huì)不斷提高。此修整機(jī)整形精度可達(dá)微米級(jí)。其他修整設(shè)備修整誤差一般都在幾道以上,在精度方面有了進(jìn)一步的提高。

4 結(jié)束語

本文研究介紹了應(yīng)用在線檢測技術(shù)的砂輪修整機(jī)的工藝原理及其實(shí)際修整圓弧砂輪的修整模板。為超硬砂輪的修磨提供了專用的手段,結(jié)合視頻采集技術(shù),實(shí)現(xiàn)了在線檢測式修磨,對(duì)于砂輪修整精度的掌控提供了有效的手段。其修整精度可達(dá)微米級(jí)。

[1] 段明揚(yáng),王子文,楊玲. 硬質(zhì)合金刀具刃磨[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1990:66-71.

[2] 陳玉華,任敬心,康仁科. 金剛石砂輪的整形與修銳試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械, 1993, 20(3):12-16.

[3] ZHANG Xiaofu, LU Anxian, WANG Yu. New vitrified bond diamond grinding wheel for grinding the cyli-nder of polycrystalline diamond compacts[J]. Science, 2007, 23(5):672-676.