模具曲面包絡(luò)磨削的圓弧砂輪壽命研究

孔令葉 周旭光

(①廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510510；②深圳職業(yè)技術(shù)學院，廣東 深圳 518055)

針對模具成型曲面的精密加工，目前主要有成型法、杯形砂輪磨削法、平面砂輪點磨削和圓弧包絡(luò)磨削法[1-3],見圖1所示。由于曲面形狀多變，直接成型法僅適用于固定曲面的大批量加工。針對小批量多品種曲面的精加工來說，常采用杯形砂輪磨削法、平面砂輪點磨削和圓弧包絡(luò)磨削法。由于杯形砂輪磨削法、V形砂輪點磨削法是利用砂輪的棱角或凸點進行固定點的磨削，磨削過程中甚至要通過第四軸擺動工件或砂輪來實現(xiàn)高剛性磨削，該加工方式的原理類似于車削加工，但砂輪參與磨削的磨粒過于集中使砂輪容易磨損，在磨削大型曲面時使得磨削初期和后期的砂輪磨損不一致，在一個磨削循環(huán)內(nèi)難以得到穩(wěn)定一致的工件形狀精度。此外，該方法要使砂輪傾斜或擺動工件，控制復雜且易與工件發(fā)生干涉，往往適用于比較平緩曲面的磨削。

目前在大型曲面及非平緩曲面的磨削中，圓弧包絡(luò)磨削法是一種常見且有效的方法，把砂輪修整成圓弧截面，磨削時通過三軸數(shù)控磨床進行軌跡包絡(luò)，使圓弧砂輪的截面廓形復刻到工件表面，滿足其形狀精度和表面粗糙度的要求。該法控制過程簡單，易于編程，適合于絕大部分曲面的磨削。

針對常規(guī)磨削，砂輪壽命主要取決于以下因素：(1)工件產(chǎn)生顫痕；(2)磨削噪音異常；(3)工件燒傷；(4)磨削力劇增；(5)工件加工質(zhì)量惡化；(6)加工效果等[4]。由于曲面包絡(luò)磨削時，圓弧砂輪和工件曲面始終處于包絡(luò)相切關(guān)系，當圓弧砂輪存在較大的廓型誤差時，必須重新修整才能獲得合格的工件形狀精度。因此，針對曲面磨削，在確定圓弧砂輪的壽命時，砂輪的廓型精度及修整周期是必須要考慮的問題。

目前圓弧成型砂輪的壽命主要是檢測其廓型精度，當出現(xiàn)較大誤差時，要及時的進行修整。目前圓弧砂輪廓形及壽命的檢測方法主要有：(1)日本東北大學學者、國內(nèi)謝晉、閻秋生等采用石墨碳板復印法來實現(xiàn)砂輪圓弧廓形的間接檢測[2,5-6]。(2)哈爾濱工業(yè)大學把微小型砂輪拆卸后，利用三坐標測量機進行形狀離線檢測[7]。(3)韓國學者利用位移傳感器在機檢測砂輪形狀和位置[8-9]。但石墨碳片的拆卸或砂輪的二次安裝會影響砂輪和工件的安裝和定位精度，而在位的砂輪形狀檢測法則需要額外昂貴的裝置，且其運動精度需要比機床精度高一個等級。

除了砂輪廓形精度外，還有磨削狀態(tài)、加工表面質(zhì)量和磨削噪聲等眾多因素決定著圓弧砂輪壽命，而這些因素均與磨削力有著密不可分的關(guān)系。因此，本文提出對曲面磨削力的研究，來綜合監(jiān)控曲面磨削圓弧砂輪的磨削狀態(tài)和壽命。

目前通過磨削力來監(jiān)控磨削狀態(tài)的研究主要集中在平面磨削及內(nèi)外圓的常規(guī)磨削[10-11]，其中，黃志[12]利用三維動態(tài)磨削力測量裝置，實現(xiàn)了對平面磨削高頻磨削力的實時精確檢測。東北大學[13]采用應(yīng)變片式的測力頂尖實現(xiàn)對階梯軸類工件外圓磨削力的測量。東華大學[14]利用Kistler旋轉(zhuǎn)式三向動態(tài)壓電晶體測力儀實現(xiàn)對超高速的外圓磨削進行磨削狀態(tài)監(jiān)測。西北工業(yè)大學[15]對多種超硬材料的平面磨削進行磨削力預測及實驗研究。M Shavva[16]研究了常規(guī)磨削中，金剛石砂輪的磨損和壽命與磨削力的關(guān)系。本文通過搭建曲面磨削力檢測裝置，分析曲面磨削力的分布規(guī)律，研究磨削總量與曲面磨削力、工件表面加工質(zhì)量、砂輪的廓形精度的關(guān)系，提出利用磨削合力及磨削力比來實時監(jiān)控曲面磨削狀態(tài)及圓弧砂輪壽命的方法。

1 曲面磨削力測量及數(shù)據(jù)處理

在分析曲面磨削力時，由于工件曲面曲率及磨削角的原因，磨削分力Fa并非一直沿砂輪軸線方向，而是與砂輪磨削點的運動方向相反，因此曲面磨削力是高動態(tài)變化的，其磨削特性也必然與常規(guī)磨削不同[2]。本文利用YDM一III05型三向壓電測力儀搭建了曲面圓弧包絡(luò)磨削力采集系統(tǒng)(見圖2)，通過分析所測力值與磨削分力的關(guān)系，研究曲面磨削力的分布特點，以及其與工件表面粗糙度、工件精度及砂輪磨損的對比，探討磨削力比與曲面磨削狀態(tài)及判斷圓弧砂輪壽命的關(guān)系。

磨削合力通常由3個互相垂直的分力構(gòu)成，分別為軸向磨削力Fa、法向磨削力Fn和切向磨削力Ft。但曲面磨削時，由于曲率的變化，軸向和法向磨削力具有高動態(tài)變化特性，首先需要明確三向測力儀測得的Fx、Fy和Fz與各分力Fa、Fn和Ft及合力F的關(guān)系。設(shè)磨削點切線與水平線夾角為θ(見圖2)，則各分力之間存在以下關(guān)系:

(1)

對于任一磨削點，則有:

(2)

由式(1)和式(2)可知，因此，三向測力儀測得的Fx、Fy和Fz與各分力Fa、Fn和Ft存在正弦函數(shù)關(guān)系，而所測合力值與傳統(tǒng)磨削合力值相等。三向磨削力Fx、Fy和Fz的時域圖如圖3所示，沿曲面截面均勻采取10個采樣點，采用MATLAB濾波的方式進行數(shù)據(jù)處理，再根據(jù)式(2)可獲得磨削合力的特性曲線圖，如圖4所示。

2 實驗結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)采集及處理完畢后，在整個曲面截面上，均勻采取10個采樣點來繪制磨削力曲線(見圖5)。通過研究曲面磨削力與砂輪磨削總量、磨削力比以及工件表面粗糙度和砂輪廓形精度的關(guān)系，以探索用磨削力來判別圓弧砂輪(砂輪寬度30 mm，截面圓弧半徑17 mm)耐用度的依據(jù)，其中實驗條件如表1所示。

2.1 砂輪累積磨削總量對磨削力的影響

一般情況下，隨著材料去除量的增加，磨粒會出現(xiàn)磨損鈍化、堵塞或脫落使砂輪磨削力增大，最終導致砂輪的一個壽命周期結(jié)束[4]，在曲面磨削時，累積磨削總量會導致圓弧砂輪產(chǎn)生磨損，從而影響砂輪的廓形精度和壽命。因此，本文在砂輪完整的一個壽命循環(huán)周期內(nèi)，從修整完畢到砂輪堵塞出現(xiàn)工件燒傷而終止磨削，全過程分析磨削總量對磨削力的變化規(guī)律，其結(jié)果見圖6所示。

由圖6可知，其他參數(shù)不變的情況下，隨著材料去除量的增加，磨削合力曲線由緩平直線變?yōu)榉鍫?，其中在磨削工件最低點處其磨削力值急劇增大。在整個壽命周期內(nèi)，砂輪磨削合力的變化趨勢與圖3中的Fy及Fn趨勢類似，說明Fy及Fn在整個磨削合力中占主導地位。

表1 實驗條件

分類內(nèi)容分類內(nèi)容零件材料模具鋼(熱處理)磨削進給速度f/(mm/min)10～200圓弧砂輪WA240H6V(R17)砂輪轉(zhuǎn)速/(r/min)1 700磨削切深ap/mm0.01～0.09磨削總量Ap/mm2

整個磨損過程大致分為三階段：即磨削總量為0～0.25 mm、0.25～1.25 mm和1.25～2 mm。在第一階段內(nèi)，砂輪磨粒比較鋒利，切削能力較強，其磨削合力總體變化不大。當磨削總量達到0.25～1.25 mm時，磨削合力增大約一倍，隨即進入穩(wěn)定狀態(tài)甚至出現(xiàn)磨削力值略微減小的現(xiàn)象，這主要是砂輪的正常磨損及磨粒自銳現(xiàn)象，致使部分磨粒重新獲得切削能力。當磨削總量達到1.25～2 mm時，磨削合力會進入急劇增長階段，比初始磨削力增大約3倍左右。其原因在于砂輪的過度使用致使磨?？障抖氯?，砂輪無法自銳，此時工件表面開始出現(xiàn)的燒傷，砂輪需要重新修整才能繼續(xù)使用。

2.2 Fn/Ft磨削力比

磨削力比可以用來評價材料的可磨削性以及砂輪的磨削性能[4,17]。根據(jù)式1可分別獲得Fn和Ft分力，并計算Fn/Ft的比值，其變化趨勢見圖7所示。從圖中可知，針對相同工件材料，隨著磨削總量的增加，兩種砂輪的磨削力比均持續(xù)增大，但WA280M3B砂輪的磨削力比數(shù)值要比WA240H6V砂輪的小，說明前者的切削性能明顯要優(yōu)于后者。

對于WA240H6V砂輪，當磨削總量累積到1 mm后，其磨削力比會急劇增大，說明砂輪進入急劇磨損狀態(tài)，磨削能力開始減弱，由圖6可知，此時磨削力在經(jīng)歷一段穩(wěn)定狀態(tài)后，也開始逐漸增大，砂輪表面也開始出現(xiàn)不均勻的堵塞現(xiàn)象。而WA280M3B砂輪在磨削總量累積到1 mm后，其磨削力比緩慢增加，彈性結(jié)合劑使得砂輪不易堵塞，仍然具有良好的磨削性能。

2.3 磨削總量與工件表面粗糙度、砂輪廓型關(guān)系

工件曲面各部位表面粗糙度與磨削總量的關(guān)系圖如圖8所示，隨著磨削總量及砂輪的磨損的增加，曲面各部位的表面粗糙度均顯著升高。當磨削總量小于1 mm時，曲面各部位粗糙度總體變化平緩，說明砂輪處于正常的工作狀態(tài)。當磨削總量超過1mm后，首先在曲率半徑較小的R80及R58處，其表面粗糙度急劇惡化，甚至超標，工件對應(yīng)表面出現(xiàn)輕微燒傷。當總磨削用量增大到2 mm后，曲率半徑最大的R110.4處也開始出現(xiàn)少許燒傷，R80及R58處燒傷嚴重，此時砂輪已不宜繼續(xù)磨削，圖9和圖10分別為砂輪表面堵塞情況圖。

從圖8和圖9可知，凹曲面最大曲率半徑處(底部R110.4)的表面粗糙度和對應(yīng)位置處砂輪的堵塞情況要明顯好于其他曲率半徑處(R80、R58)，這主要由兩方面的因素。首先當某一確定的圓弧砂輪與工件不同曲率半徑位置處進行包絡(luò)磨削時，工件曲率半徑越大，其包絡(luò)的接觸面積越小。因此，在工件上R110.4處的包絡(luò)接觸面積比R80和R58處略小，單位磨粒的磨削合力較小，易于得到較好的表面粗糙度；此外，圓弧砂輪在高速運轉(zhuǎn)時，會導致磨削液的不均勻分配，絕大部分磨削液集中在砂輪圓弧的最大直徑處，此處的冷卻效果和沖刷效果最為顯著，不宜出現(xiàn)砂輪堵塞和工件粗糙度急劇升高的現(xiàn)象。

砂輪磨削總量對砂輪廓型誤差的影響關(guān)系如圖11所示，當砂輪磨削總量在0～0.5 mm時，砂輪廓型保持良好且工件表面粗糙滿足要求，說明砂輪無論是形狀保持性還是表面磨粒均處于良好狀態(tài)。當砂輪磨削總量從0.5～1 mm時，砂輪廓型出現(xiàn)約0.01 mm的法向誤差，工件表面粗糙開始略微上升，砂輪處于正常磨損狀態(tài)。而砂輪磨削總量超過1 mm后，砂輪廓型出現(xiàn)惡化，達到0.03 mm的法向誤差，此時工件表面粗糙度值成倍增加，甚至出現(xiàn)燒傷斑點。

2.4 砂輪耐用度的確定

結(jié)合圖6、圖7、圖8和圖11，磨削總量對磨削合力、磨削力比、工件表面粗糙度及砂輪廓形的影響呈現(xiàn)大致相同的變化趨勢。磨削總量對上述四者的影響產(chǎn)生共振效果，即當砂輪磨削總量達到1 mm時，磨削合力、磨削力比、工件表面粗糙度及砂輪廓形開始進入急劇增長階段。對于WA240H6V圓弧砂輪，按照本實驗條件，當砂輪磨削總量達到1 mm、磨削力比達到2.44，磨削合力達到35 N時可作為砂輪耐用度的判斷依據(jù)。

3 結(jié)語

本文研究了曲面圓弧包絡(luò)磨削時磨削力特性及圓弧砂輪壽命的判斷依據(jù)，主要結(jié)論如下：

(1)曲面磨削力3個磨削分量Fa、Fn、Ft與磨削角θ存在正弦函數(shù)關(guān)系，3個磨削分量的合力與所測三向磨削力值的合力相等。

(2)在磨削壽命周期內(nèi)，砂輪經(jīng)歷正常磨損、自銳和堵塞3個階段，其磨削合力分別呈現(xiàn)緩慢上升、保持穩(wěn)定和急劇增大的狀態(tài)。

(3)磨削總量與磨削合力、磨削力比、工件表面粗糙度及砂輪廓形精度之間具有共振效果，四者隨著磨削總量的增加呈現(xiàn)大致相同的變化趨勢。對于本文的實驗條件，當砂輪磨削總量達到1 mm、磨削力比達到2.44、磨削合力達到35 N時可作為圓弧砂輪耐用度的判斷依據(jù)。