精密螺纹磨削砂轮修整技术分析及应用*

邓顺贤

（汉江机床有限公司 陕西汉中 723003）

砂轮修整技术是螺纹磨床关键核心技术之一，对提高磨削加工中的表面粗糙度至关重要。螺纹磨床砂轮修整器按修整方法分为手动砂轮修整器、液压自动砂轮修整器和数控砂轮修整器三种形式，所使用的修整工具有：单点金刚石笔和滚轮两种，滚轮可采用高速钢、硬质合金和金刚石材料制成。各种修整工具将根据不同使用要求安装在相应的砂轮修整器上。

1 手动砂轮修整器

手动修整砂轮原理如图1所示。螺纹牙型半角由定位块进行调整，修整头可以实现微进给运动。修整尖角形的砂轮时，金刚笔的位置应与修整头旋转中心对齐，修整时金刚笔由尖顶面移向砂轮中心，可以避免砂轮尖顶的剥落。

图1 手动砂轮修整器原理图

2 液压自动砂轮修整器

如图2所示，修整杆的运动是通过液压缸进行驱动，经齿条、齿轮和端面凸轮（或靠模板）来实现修整笔的摆动，来修整各种三角螺纹和圆弧螺纹。液压自动砂轮修整器有手动进给、棘轮棘爪液压自动进给和数控进给三种结构形式，其中数控进给可实现修整量的自动补偿。

液压自动砂轮修整器主要使用单点金刚石笔作为修整工具。

3 数控砂轮修整器

3.1 国外螺纹磨床制造厂家数控砂轮修整器应用状况

近十五年来，复杂异型齿面的螺杆、蜗杆在我国空压机、冷冻机、工业泵、塑料机械、减速机行业中的应用越来越广泛。德国 KLINGELINBERG公司HNC35SL、瑞士REISHUAER公司RG2000、英国HOLROYD公司TG150E、日本MITSUI SEIKI KOGYO公司GSE200A、美国DRAKE公司GS：TE等国外著名企业生产的数控螺纹磨床，配备了CNC数控砂轮修整器，解决了复杂异型齿面螺纹的成型修整的难题。

3.2 基本工作原理

基于成形砂轮对工件进行磨削加工的机制，在专用磨床上配备 CNC数控砂轮修整器，采用数控成形磨削的方法，建立与成型表面共轭的修整滚轮运动轨迹数学模型，并通过数控装置，控制砂轮修整器的两轴联动插补运动，使金刚石滚轮的圆弧中心产生V、W坐标方向的移动，通过由电主轴驱动的金刚石滚轮把砂轮修成所需的成型表面，如图 3所示。加工时砂轮与工件廓形全面接触，利用专用机床工作台的纵向运动、精密分度运动和砂轮的横向进给运动，来实现数控成形磨削，磨削出所需的工件形状。

图3 金刚碟轮数控砂轮修整器

3.3 齿面截型计算及修型软件开发

3.3.1 螺纹型面数学模型的建立及计算方法

通过对在干涉条件下、变参数条件下各种螺纹型面轴向或法向截型理论数学模型建立及计算方法的研究，利用机床数控系统，完成在变参数条件下砂轮截型的适时计算和数控修整程序的自动生成任务。

3.3.2 修型软件开发

在包络成型修整原理试验研究及螺纹型面数学模型、计算方法研究基础上开发修型软件，修型软件功能包括：滚珠丝杠、蜗杆型面及其它一些异型齿面；在磨削蜗杆界面内，包括ZA、ZN、ZI、ZK、ZC五种蜗杆类型。软件在系统管理界面上可方便地生成上述类型的修整程序。

为了保证工件的齿形精度，在程序中设置了齿形修正功能。在其它因素不变的情况下，可通过调整参数来修整砂轮形状达到合格的齿形，还可以将左、右齿面两边分开进行修整。

对于复杂截面形状，根据用户的要求，可以将轴向截面形状转化为法向截面形状。

图4所示为用户给出轴向截面形状。

图4 轴向截面形状

建立参数方程坐标系：

图5 参数方程坐标系

参数方程为：

利用数值方法解出τ后,将式(t, τ)代入螺旋齿面方程：

得到齿面坐标点（X,Y,Z）,再利用坐标转换方程得到法向截面方程。

3.4 修整工具应用技术分析

数控砂轮修整器主要使用滚轮作为修整工具。钢滚轮和金刚石滚轮是螺纹磨床上一种新型的砂轮修整工具，具有修整砂轮效率高（一般几秒钟内就可完成），重复修整精度高，在大批量生产中，修整质量稳定等特点。特别是采用金刚石滚轮能完成其它方法（如单点金刚笔）无法完成的高精度复杂型面的修整，因此，在磨床上得到越来越广泛的应用。

3.4.1 两种滚轮在修整砂轮中的应用对比和技术分析

3.4.1.1 修整方法

两种滚轮都可以安装在手动进给、液压自动进给或数控自动进给的砂轮修整器上进给修整砂轮。在没有滚压装置时，可把钢滚轮放在头、尾架之间，由头架驱动滚轮（作为主动轮）带动砂轮旋转滚压，实现砂轮的修整，但滚压效果差，使用不方便。采用钢滚轮一般用于多线砂轮修整器，主要用于丝锥和螺纹长度短的三角螺纹磨削，而且每种螺距和牙型的工件必须配备不同的钢滚轮。为了保证滚压多线砂轮的精度，有时每种螺距还必须备有粗、精两种钢滚轮。

采用钢滚轮修整砂轮是磨床的砂轮电动机通过减速装置带动砂轮主轴，以72 r/min的低速进行旋转，利用摩擦作用带动在修整器上的钢滚轮旋转，二者旋转方向相反。在滚压时通过修整器的进给手轮，使滚压轮与砂轮之间挤压力加大，当此力超过砂轮结合剂的结合能力时，磨粒被碎裂而掉下来。用钢滚轮连续不断地挤压砂轮，直到砂轮齿形达到要求为止。

金刚石滚轮一般用于单线或多线磨削时砂轮的修整，可用于各种螺纹的成形磨削。

金刚石滚轮修整砂轮是通过磨床的砂轮电动机带动砂轮主轴以正常的工作转速（砂轮线速度一般为35 m/s）旋转，金刚石滚轮由电主轴或电动机通过带轮带动其高速旋转，二者的旋转方向相反，在一般情况下，通过修整器上的自动进给装置实现砂轮的滚压修整。

3.4.1.2 修整参数比较

钢滚轮修整砂轮时砂轮转速72 r/min，滚轮自身不转，由砂轮带动其旋转。粗修砂轮时，进给量为0.03～0.04 mm；至滚轮齿深2/3处时改用小进给量，为 0 .01～0.02 mm，滚压到接近全齿深时，应停止粗修。精修时进给量为0.005～0.01 mm，当滚压好全齿深后，为了达到较高的精度，可停止进给，让砂轮精滚压数圈后再停止，并退回钢滚轮。

金刚石滚轮修整参数包括：

1)修整数比q

滚轮与砂轮接触点的线速度之比。两者在接触点线速度方向相同时，q为正值，称为顺修；反之，q为负值，称为逆修。

2)修整进给量ar

砂轮每转时滚轮的径向进给量，单位为μm/r。

3)光修转数nr：滚轮停止径向进给时，砂轮转过的转数，单位为r。

在应用金刚石滚轮修整砂轮时，选用q = 0.7～0.9之间的修整速比，较大的修整进给量ar= 20～30 μm/r和光修转速nr= 0的参数，砂轮能获得强的磨削能力；选用q = 0.2～0.6之间的修整速比，较小的修整进给量是ar= 10～20 μm/r和适当的光修转数，砂轮能磨削出较低的工件表面粗糙度。一般不采用逆修，因为逆修时金刚石滚轮磨损很快，精度也严重受损。

3.4.1.3 滚轮材料和滚轮修整时间、寿命比较

钢滚轮一般选用淬硬合金钢制造。选用的材料有W18Cr4V高速钢及CrWMn、9Mn2V合金钢。金刚石滚轮的基体一般选用40Cr材料，轮槽表面为金刚石镀层。滚轮修整时间、寿命比较见表1。

表1 两种滚轮修整时间、寿命比较

3.4.2 采用滚轮修整时的注意事项

采用滚轮修整砂轮时，先将滚轮切入砂轮，然后启动砂轮旋转。滚压完毕后，先停止砂轮，再退回滚轮（注：金刚石滚轮修整时可以同时启动砂轮和滚轮）；滚压时滚轮的进给量不宜过大，避免砂轮梳齿整圈剥落，必须使用大量的冷却液冲洗砂轮，使修整下来的砂轮磨粒不会附在滚轮和砂轮的表面上。

4 结语

国外螺纹磨床制造厂对螺纹磨削工艺的研究非常深入，特别是对特殊螺纹的砂轮修整有独特的数控修型软件。在加工过程中，当检测系统检测到被加工表面存在超差时，会自动计算出当前砂轮的形状并控制砂轮修整系统工作。当砂轮存在局部破损时，为了能把破损部位完全修整掉，还配备了超声检测装置并在修整系统工作过程中进行监测。

砂轮修整器是螺纹磨床的重要部件，砂轮廓形修整的准确与否将直接关系到磨削工件的精度及齿形。因此，对砂轮修整器的研究还需进一步加强。