弧形金屬基超硬磨料砂輪在位精密修形的研究*

關(guān)佳亮 尚海洋 張孝輝 郭奎崇 徐真真 王建杰

(①北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124;②河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471023;③北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100000)

金屬基超硬磨料砂輪具有硬度高、形狀保持性好、使用壽命長(zhǎng)、磨削精度和效率高的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了難加工材料的磨削精度和效率低的難題[1-3]。但由于其本身具備的特點(diǎn)，也給其精密修形帶來(lái)很大問(wèn)題[4]。華南理工大學(xué)黨希敏通過(guò)計(jì)算，計(jì)算出圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡，使用金剛石砂輪與GC磨石對(duì)磨，當(dāng)定位精度不超過(guò)0.1 mm時(shí)，修整后的最大形狀偏差在5 μm/10 mm以內(nèi)[5]；廈門理工學(xué)院柯曉龍利用杯型砂輪修整法對(duì)弧形金屬基砂輪進(jìn)行精密修形，利用修形誤差進(jìn)行補(bǔ)償加工，得到砂輪半徑擬合殘差PV值為8.5 μm的輪廓表面[6]；山東大學(xué)朱家豪建立弧形金屬基超硬磨料砂輪與金剛石滾輪的幾何關(guān)系模型，提出螺旋插補(bǔ)修整法，并對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償，得到圓弧輪廓偏差PV值為5 μm的輪廓表面[7]。但是上述方法不僅對(duì)滾輪軸的硬度和剛度提出較高的要求，也對(duì)砂輪軸提出較高的要求[8]，并且這些方法是通過(guò)滾輪自身的消耗才能獲得被磨砂輪的輪廓，造成成本的浪費(fèi)，后期需要進(jìn)行大量計(jì)算對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償才能保證較高的修形精度。金屬基超硬磨料砂輪由于自身的優(yōu)點(diǎn)決定了其不可代替性，因此很多學(xué)者提出新的修整方法，比如在線電解法和電火花修整法等，但在線電解法更適應(yīng)于砂輪的修銳工作[9-10]，所以近年來(lái)廣泛采用電火花加工法對(duì)金屬基超硬磨料砂輪進(jìn)行高精度、高效率修形的工藝技術(shù)，解決了平行金屬基超硬磨料砂輪的高效精密修形的問(wèn)題，但采用電火花加工的方法對(duì)弧形金屬基超硬磨料砂輪進(jìn)行精密成型修形技術(shù)的探索比較少，本文針對(duì)這一問(wèn)題，以圓弧金屬基超硬磨料砂輪在位精密成形修形為例，開展了金屬基超硬磨料砂輪在位精密成形修形技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 電火花在位修形機(jī)理

電火花在位修形是指將砂輪作為電火花加工中的陰極保持位置不變，將位置可調(diào)的電極作為陽(yáng)極，與砂輪靠近，通過(guò)在砂輪和電極之間噴灑介質(zhì)構(gòu)成火花通路。利用介質(zhì)在高壓作用下，瞬間被擊穿所產(chǎn)生的大量熱，使磨粒碳化，砂輪表面結(jié)合劑高溫熔化甚至氣化，達(dá)到修形效果[11-12]。電火花修形砂輪原理圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

以紫銅作為加工電極，采用在位精密數(shù)控車削的方法獲得能夠達(dá)到加工要求的弧形加工電極，加工過(guò)程如圖2所示。為了減小裝配誤差，故將W40弧形金屬基超硬磨料砂輪通過(guò)一次裝卡固定于床身，加工好的電極通過(guò)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)與砂輪之間微米級(jí)的調(diào)整，利用電火花技術(shù)對(duì)其進(jìn)行精密成形修形，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

二次通用回歸旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)法能夠分析各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響大小和規(guī)律，適用于影響因素較多的復(fù)雜場(chǎng)合[13]，影響金屬基超硬磨料砂輪輪廓偏差PV值的因素有很多，主要分為電參數(shù)和非電參數(shù)[14]，故本實(shí)驗(yàn)采用“二次通用回歸旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)法”對(duì)砂輪輪廓偏差PV值影響的主要因素進(jìn)行分析和優(yōu)化。為了減少實(shí)驗(yàn)量，本實(shí)驗(yàn)自變量取m,放電間隙、放電電流、占空比、砂輪轉(zhuǎn)速分別用Z1、Z2、Z3、Z4表示。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的前期模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際加工條件確定以上四因素的上、下水平如表2所示。根據(jù)二次通用旋轉(zhuǎn)組合回歸設(shè)計(jì)原理各實(shí)驗(yàn)因素水平編碼如表3所示，即將實(shí)際實(shí)驗(yàn)中有單位的自然變量因素Zm(m=1,2,3,4)通過(guò)編碼公式轉(zhuǎn)換成無(wú)單位的規(guī)范變量編碼因素Xm(m=1,2,3,4)。在每一組工藝參數(shù)下進(jìn)行4次在線電火花修形工藝實(shí)驗(yàn)。為了反映砂輪的實(shí)際圓弧輪廓形狀，在測(cè)量時(shí)砂輪保持均勻旋轉(zhuǎn)，用基恩士二維激光測(cè)距儀測(cè)量完成后得到一條圓弧曲線，可以認(rèn)為該曲線就是修形后砂輪的實(shí)際圓弧輪廓，用MATLAB導(dǎo)入數(shù)據(jù)作圖將該曲線與理想圓弧曲線作對(duì)比，計(jì)算在半徑方向上與理想曲線的偏差，即可得到修形后砂輪圓弧廓形偏差曲線[7]，從而得到砂輪輪廓偏差PV值。取4次實(shí)驗(yàn)的平均值，記錄結(jié)果如表4所示。

表2 各實(shí)驗(yàn)因素取值范圍

表3 各實(shí)驗(yàn)因素水平編碼表

表4 二次通用回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

3 分析

3.1 輪廓偏差PV值二次回歸數(shù)學(xué)模型建立

利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到輪廓偏差PV值的二次回歸方程：

3.2 輪廓偏差PV值二次回歸數(shù)學(xué)模型顯著性檢驗(yàn)

回歸方程已經(jīng)求出，但是判斷其是否正確表述輪廓偏差PV值與4個(gè)因變量間實(shí)際存在的真實(shí)關(guān)系，還要對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對(duì)輪廓偏差PV值數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到如表5所示的分析表。利用分析表數(shù)據(jù)，采用F檢驗(yàn)法對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用R檢驗(yàn)法對(duì)回歸參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)輪廓偏差PV值實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表得到：F3=27.981>F0.01(14,6)= 7.678，達(dá)到極顯著水平，認(rèn)為對(duì)各試驗(yàn)因子而言，回歸方程結(jié)果是可靠，可以用于指導(dǎo)實(shí)際預(yù)測(cè)輪廓偏差PV值?；貧w模型的判定系數(shù)R2=0.892 1，說(shuō)明回歸模型中4個(gè)自變量對(duì)輪廓偏差PV值的影響為89.21%，而其他因素的影響為10.79%，證明回歸方程對(duì)實(shí)際情況的擬合程度較好。

表5 輪廓偏差PV值實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表

3.3 金屬基超硬磨料砂輪輪廓偏差PV值影響的分析

利用各因素的P值對(duì)所對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性分析，P值越小，說(shuō)明該因素對(duì)結(jié)果的影響越大。從而可以判斷：各因素對(duì)輪廓偏差PV值影響大小為:脈沖占空比>放電間隙>放電間隙和脈沖占空比的交互作用>放電間隙二次項(xiàng)，其他的因素影響不大。

圖3是利用單因素分析方法得到脈沖占空比對(duì)輪廓偏差PV值的影響規(guī)律，由圖3可知，在電火花修形過(guò)程中，輪廓偏差PV值隨著脈沖占空比的增大而增大，輪廓偏差PV值由13 μm增大到46 μm。在單周期內(nèi)，隨著脈沖占空比的增加，在有脈沖的時(shí)間段內(nèi)，放出的熱量增加，砂輪表面產(chǎn)生的凹坑加深，而無(wú)脈沖的時(shí)間段內(nèi)，砂輪表面產(chǎn)生的凹坑基本不變，故砂輪表面高低峰差變大，破壞砂輪整體的形狀，最終造成砂輪表面不平整性增加。因此隨著脈沖占空比的增大，砂輪輪廓偏差PV值隨之增大。

基于多因素分析法和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，得出放電間隙和脈沖占空比的交互作用對(duì)輪廓偏差PV值的影響規(guī)律,如圖4，水平因素1代表Z1(放電間隙)，水平因素3代表Z3(脈沖占空比)。由圖4可知，在電火花修形過(guò)程中，當(dāng)脈沖占空比較大時(shí)，放電間隙增大，輪廓偏差PV值變小，放電間隙變小，輪廓偏差PV值增大；當(dāng)脈沖占空比減小時(shí)，放電間隙增大，輪廓偏差PV值變大，放電間隙變小，輪廓偏差PV值減小；并在放電間隙和脈沖占空比為最小時(shí)砂輪輪廓偏差PV值達(dá)到全局最小。該交互影響因素關(guān)系：當(dāng)脈沖占空比較大時(shí)，放電間隙增大，輪廓偏差PV值變小，當(dāng)脈沖占空比減小時(shí)，放電間隙增大，輪廓偏差PV值變大，該結(jié)論可指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)。

采用Lingo軟件對(duì)二次回歸數(shù)學(xué)模型優(yōu)化得到最優(yōu)參數(shù)組合為：放電間隙55 μm，放電電流15 A，占空比20%，砂輪轉(zhuǎn)速1 200 r/min。以此最佳工藝參數(shù)對(duì)W40金屬基超硬磨料砂輪進(jìn)行電火花加工，加工過(guò)程如圖5所示。根據(jù)修形前、后砂輪輪廓偏差曲線圖6、圖7對(duì)比，可知在此最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)W40金屬基超硬磨料砂輪進(jìn)行電火花加工，經(jīng)過(guò)5 h加工后，砂輪輪廓偏差PV值降到4.58 μm后基本不變。在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，采用傳統(tǒng)“對(duì)磨法”對(duì)同樣的砂輪進(jìn)行精密修形，對(duì)磨8 h后，砂輪輪廓偏差PV值降到5.21 μm后基本不變，對(duì)比可知本實(shí)驗(yàn)方法在修形效率方面提高37%，修形精度方面提高12.09%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)弧形金屬基超硬磨料砂輪進(jìn)行電火花在位精密成形修形實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)修形后砂輪輪廓偏差PV值的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得W40弧形金屬基超硬磨料砂輪表面輪廓偏差PV值的二次回歸數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此分析得到電火花工藝參數(shù)對(duì)表面輪廓偏差PV值影響作用的大小順序：脈沖占空比>放電間隙>放電間隙和脈沖占空比的交互作用>脈沖占空比二次項(xiàng)。

(2)采用Lingo軟件對(duì)上述模型進(jìn)行優(yōu)化，得到弧形金屬基超硬磨料砂輪電火花在位精密修形最佳工藝參數(shù)：放電間隙為55 μm，放電電流15 A，占空比20%，砂輪轉(zhuǎn)速1 200 r/min。以此工藝參數(shù)對(duì)W40弧形金屬基超硬磨料砂輪進(jìn)行修形，砂輪輪廓偏差PV值由7.22 μm降到4.58 μm，與傳統(tǒng)“對(duì)磨法”相比，修形精度提高12.09%，修形效率提高37%。