軋輥磨削過(guò)程中砂輪磨損對(duì)比與功率監(jiān)測(cè)

王春風(fēng)， 李媛媛， 陳明穎， 桑振遠(yuǎn)

(黑龍江東方學(xué)院， 哈爾濱 150000)

精密外圓縱向磨削是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，影響磨削質(zhì)量的因素有很多，如砂輪磨損、主軸功率、工藝參數(shù)等等。砂輪磨損的強(qiáng)時(shí)變性使軋輥磨削過(guò)程變?yōu)楣に嚂r(shí)變的加工過(guò)程，導(dǎo)致磨削過(guò)程更加復(fù)雜。傳統(tǒng)的方法是采用試切法保證工件的尺寸精度，導(dǎo)致加工質(zhì)量對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)以及技能的依賴[1]。然而，操作人員的水平及經(jīng)驗(yàn)參差不齊且隨工作時(shí)間而變化，這種依賴性會(huì)導(dǎo)致加工效率降低及加工質(zhì)量不穩(wěn)定。

CBN砂輪磨削具有效率高、精度高、成本低的優(yōu)勢(shì)[2]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)的凸輪軸及曲軸的加工上。楊威等[3]以磨削加工汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、曲軸為例，對(duì)CBN砂輪與普通剛玉砂輪進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在加工工件數(shù)量相同的情況下，剛玉砂輪的磨料消耗速度是CBN砂輪的400多倍；CBN砂輪可提高加工效率30%以上，其綜合生產(chǎn)成本比剛玉砂輪的綜合生產(chǎn)成本降低60%。

與凸輪軸、曲軸相比，軋輥尺寸更大，加工時(shí)間更長(zhǎng)。若能將CBN砂輪應(yīng)用于軋輥的磨削中，對(duì)軋輥加工效率的提升會(huì)更加的明顯。與其他外圓磨削相比，軋輥磨削有2個(gè)特點(diǎn)：第一，軋輥尺寸大，材料去除量大，砂輪磨損量大；第二，軋輥磨削不僅有徑向進(jìn)給，還有軸向的進(jìn)給。這意味著，在軋輥磨削中，一次軸向走刀就會(huì)造成砂輪的嚴(yán)重磨損，進(jìn)而導(dǎo)致砂輪徑向進(jìn)給量的變化及工藝參數(shù)的變化，影響軋輥磨削的尺寸精度以及加工效率。

在過(guò)去的二十年中，多種檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被用來(lái)采集機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)[4-5]，其中包括力信號(hào)[6-7]、振動(dòng)信號(hào)[8]、聲發(fā)射信號(hào)[9]、功率信號(hào)以及機(jī)床運(yùn)行溫度[10]。在此基礎(chǔ)上，使用氧化鋁砂輪和CBN砂輪分別磨削高速鋼及高鎳鉻鑄鐵軋輥，并在加工過(guò)程中采集磨床主軸功率的變化。通過(guò)對(duì)比氧化鋁砂輪和CBN砂輪在軋輥磨削中的性能，對(duì)CBN砂輪在軋輥磨削中的應(yīng)用做出評(píng)估。

1 軋輥磨削過(guò)程中數(shù)學(xué)模型的建立

在軋輥磨削過(guò)程中，砂輪磨損會(huì)導(dǎo)致軋輥加工尺寸誤差。因此，將建立材料實(shí)際去除量(用rr表示)及砂輪磨損量(用ww表示)的數(shù)學(xué)模型。

假設(shè)砂輪在磨削軋輥過(guò)程中沒(méi)有磨損，則對(duì)于名義材料去除量rn有：

rn=nDc×(d0-nDc)×π×l

(1)

其中：Dc表示砂輪進(jìn)給量，d0為軋輥初始直徑，l為軋輥長(zhǎng)度，n為砂輪軸向走刀次數(shù)。

然而，實(shí)際加工中，砂輪磨損將導(dǎo)致實(shí)際材料去除量小于名義材料去除量，材料實(shí)際去除量(rr)與名義材料去除量之間的關(guān)系為：

rr=rn×δ

(2)

式中，δ表示砂輪加工效率系數(shù)，其值隨加工參數(shù)、工件材料、砂輪的改變而變化。假定砂輪在磨削軋輥的過(guò)程中不發(fā)生磨損，則軋輥加工后的名義直徑dn可用公式(3)表示：

dn=d0-2×Dc×n

(3)

軋輥磨削過(guò)程中，由于砂輪磨損導(dǎo)致的軋輥磨后實(shí)際直徑dr可由公式(4)計(jì)算：

(4)

根據(jù)公式(3)及公式(4)可以計(jì)算出砂輪磨損量(ww)，如公式(5)、(6)所示：

ΔDw=dr-dn

(5)

(6)

其中：Dw為砂輪初始直徑，b為砂輪寬度。

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 機(jī)床及砂輪

試驗(yàn)采用華辰重機(jī)有限公司的MK84125 CNC軋輥磨床(圖1)，其可加工軋輥的最大直徑為φ1 350 mm，最大軋輥長(zhǎng)度為6 000 mm。這款機(jī)床具有精度保持性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

軋輥材料分別為高速鋼和高鎳鉻鑄鐵，其表面硬度分別為60 HRC與52 HRC，初始軋輥直徑分別為389.56 mm和 391.84 mm，軋輥長(zhǎng)度均為700 mm。砂輪分別使用樹脂結(jié)合劑氧化鋁砂輪(φ734.482 mm)及樹脂結(jié)合劑CBN砂輪(φ576.070 mm)，砂輪寬度都為77 mm。砂輪照片如圖2所示。

(a)Al2O3砂輪粒度號(hào)46,組織號(hào)7(b)CBN砂輪磨粒粒度B151,體積分?jǐn)?shù)30%圖2 砂輪照片F(xiàn)ig.2Photosofgrindingwheels

2.2 測(cè)量及功率采集系統(tǒng)

軋輥直徑采用三點(diǎn)測(cè)量法測(cè)量，通過(guò)測(cè)量軋輥表面3點(diǎn)的位置計(jì)算得出軋輥直徑，如圖1所示，其中紅色部分為軋輥磨床自帶的三點(diǎn)直徑測(cè)量臂。在試驗(yàn)中，利用NI公司的電流電壓傳感器采集磨削過(guò)程中的主軸電流電壓信號(hào)，通過(guò)Labview編譯的信號(hào)采集軟件換算成主軸功率信號(hào)，其信號(hào)采集頻率為650 Hz。

2.2 試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置

分別用氧化鋁砂輪和CBN砂輪加工高速鋼(HSS)及高鎳鉻鑄鐵(HCN)，砂輪轉(zhuǎn)速為50 m/s，徑向進(jìn)給速度為2 500 mm/min，徑向進(jìn)給量分別是0.010、0.015、0.020、0.025、0.030 mm，軸向走刀次數(shù)為20。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 軋輥磨削試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對(duì)普通氧化鋁砂輪及CBN砂輪磨削軋輥試驗(yàn)過(guò)程中的初始軋輥直徑d0、軋輥名義直徑dn以及磨后軋輥實(shí)際直徑dr進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1和表2所示。其中，i表示主軸功率曲線的斜率。從表1和表2可計(jì)算出軋輥名義材料去除量rn、實(shí)際材料去除量rr、砂輪磨損量ww、砂輪加工效率δ以及磨耗比G，分別如表3、表4所示。

表1 氧化鋁砂輪磨削軋輥

表2 CBN砂輪磨削軋輥

在軋輥磨削過(guò)程中，不論是氧化鋁砂輪還是CBN砂輪，隨著砂輪進(jìn)給量Dc的增大，砂輪加工效率δ以及G值都隨之下降。對(duì)于氧化鋁砂輪，當(dāng)進(jìn)給量Dc增大到一定程度，會(huì)出現(xiàn)砂輪磨損量大于材料去除量的情況，此時(shí)砂輪加工效率非常低，軋輥磨削加工時(shí)間長(zhǎng)且精度低。從表3、表4中可看出：CBN砂輪的加工效率δ至少比氧化鋁砂輪的高150%，CBN砂輪的磨耗比G至少是氧化鋁砂輪的磨耗比的9倍。這表明，無(wú)論是在加工效率還是在砂輪損耗量方面，CBN砂輪都優(yōu)于氧化鋁砂輪。

表3 氧化鋁砂輪磨削軋輥結(jié)果

3.2 主軸功率信號(hào)采集結(jié)果及分析

分別將氧化鋁砂輪及CBN砂輪磨削軋輥一次軸向走刀中的主軸功率典型信號(hào)匯總于圖4及圖5中。

氧化鋁砂輪磨削軋輥時(shí)，主軸功率下降速率隨砂輪進(jìn)給量的增大而增大；當(dāng)CBN砂輪進(jìn)給量較小時(shí)，在磨削過(guò)程中，主軸功率增大；當(dāng)CBN砂輪進(jìn)給量較大時(shí)，主軸功率也開始下降。軋輥磨削過(guò)程中，在一次軸向走刀中，因?yàn)樯拜喣p使主軸功率變化與砂輪進(jìn)給量有相關(guān)性。

4 結(jié)論

使用氧化鋁砂輪和CBN砂輪加工高速鋼和高鎳鉻鑄鐵軋輥，獲得的結(jié)論如下：

(1)軋輥磨削過(guò)程中伴隨著砂輪的大量磨損，導(dǎo)致工藝參數(shù)的時(shí)變，從而造成軋輥磨削的效率及尺寸精度低。

(2)磨削軋輥時(shí)，樹脂結(jié)合劑CBN砂輪的效率比普通氧化鋁砂輪的最少提高150%；去除同樣軋輥材料時(shí)，CBN砂輪磨損量最多是普通氧化鋁砂輪磨損量的1/9。