一种高精度砂轮仿形修整器

周俊荣，贺宇，刘明，周俊瑞

(1．五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020；2．无锡瑞鼎机床有限公司，江苏 无锡 214191)

对滚动面带凸度的轴承、轧辊等产品，滚动面的不同凸度形状和加工精度对工件接触面两端的应力集中和疲劳寿命产生直接影响，随着对产品应用性能要求的提高，对滚动面磨削加工精度的要求也越来越高。国外对于滚动面带凸度零件的凸度设计和磨超加工等方面的研究已较为成熟[1-2]，国内虽然也取得了一些研究成果[3-4]，但仍存在一定差距。当前国内外主要采用成形砂轮切入式磨削方法加工带凸度的滚动面，即要求用修整器将砂轮轮廓修整成为对应内凹(或外凸)的工作表面，因此，砂轮凸度修整器的结构和精度尤为重要。

1 常用砂轮凸度修整方法

目前实现砂轮凸度修整的方法主要有以下几种。

(1)砂轮轴线倾斜修整。使砂轮轴线与金刚笔运动轨迹在垂直面内成一空间夹角，得到的 砂轮轮廓素线为类似对数曲线的呈对称分布的双曲线。由于滚道的理论凸度量受砂轮直径、砂轮宽度、砂轮轴线和金刚笔运动轨迹所成倾角[5]等因素的影响，磨削得到的滚动面凸度和轮廓度精度不高。但实现方法简单，且成本较低，是目前国内普遍采用的凸度修整方法。

(2)两轴联动数控插补修整。修整轨迹由两轴伺服控制插补实现，理论上能实现任意砂轮轮廓曲线的修整，由于受工件轮廓曲线曲率陡变和金刚笔自身尺寸等因素的影响，对两轴移动的精度要求非常高，否则将出现修整工具与砂轮产生干涉等问题[6]。对于轮廓度要求高的两轴数控插补，要求的系统精度也非常高，使得整套设备的价格非常高。因此从经济性考虑，目前只适合于精度要求很高的场合，但仍是今后发展的方向。

(3)金刚滚轮修整。将金刚滚轮加工成所需的轮廓形状，经过砂轮修整后，将滚轮轮廓形状及精度完全“复印”至工件上。这类修整机构具有结构简单、效率和精度高、稳定性好等特点。但金刚滚轮制造困难，且一种产品需要对应的一种金刚滚轮，成本较高，仅适合单一品种大批量生产中使用。

(4)仿形靠模修整。以预先制成的靠模(仿形板)为依据，修整时在一定压力作用下，使仿形指与靠模(仿形板)工作表面紧密接触，并沿其表面移动，使用伺服或液压系统驱动，使金刚笔作同步仿形动作，将砂轮修整成与仿形板相对应的型面，从而磨削得到所需型面[7]。对于每种规格的工件需配置对应的仿形板，且对仿形板的加工精度要求较高。

此外，电火花、电解法等[8]新型修整技术正在兴起，但仍未得到推广实用，且稳定性差等问题仍有待改善。

2 仿形修整器结构设计

2.1 结构及工作原理

设计的高精度砂轮仿形修整器结构如图1所示，主要由金刚笔、顶套、顶柱、仿形指、仿形板、滑板、滑座、十字交叉滚子导轨及弹簧片等组成。

1—仿形板；2—仿形指；3—螺塞；4—弹簧；5—过渡体；6—顶柱；7—顶套；8—金刚笔架；9—金刚笔；10—弹簧片；11—底板；12—交叉滚子导轨；13—定位转轴；14—滑座；15—滑板；16—仿形座图1 仿形修整器结构示意图

安装时必须严格控制滑板沿砂轮轴心线方向的平行度。装上仿形板后，弹簧片向左弯曲变形，与此同时过渡体向左偏移，过渡体内的弹簧受力压缩变形使顶柱始终能紧压顶套，由于弹簧片的作用，仿形指与仿形板能够保持紧密接触，使仿形板上的微小变化均能稳定地反映到金刚笔的运动轨迹上，从而修整出与仿形板形状相应的砂轮表面，最终磨削得到与仿形板形状一致的工作表面。

值得注意的是，仿形指与仿形板之间的接触力既不能过大也不能过小，接触力过大会加剧两者之间的磨损，降低仿形板和仿形指的使用寿命，增加成本；接触力过小又会使两者之间的接触不稳定，导致修整精度下降。可以通过调节螺塞改变弹簧变形量来调整接触力。

对于要求凸度形状对称分布的砂轮，修整时必须保证仿形板凸度中心与砂轮宽度中点在同一平面内，通过仿形座上的调节螺栓调整仿形板与仿形指的相对位置，并通过伺服电动机(或行程可调油缸)控制金刚笔的运动行程，最终实现工件凸度中心、砂轮凸度中心和仿形板凸度中心的位置一致性。通过伺服电动机→滚珠丝杠→精密导轨(或通过行程可调油缸→精密导轨)的带动，使金刚笔获得很高的运动精度，保证修整的高精度。

2.2 仿形板设计

由于工件滚动面凸度的形状精度和凸度量主要取决于砂轮轮廓面的修整精度，而砂轮周面轮廓由“复印”仿形板的仿形面得到，故仿形板的仿形面精度对工件的滚动面精度将产生直接影响。仿形板设计主要通过作图法和解析法得到各种轮廓面曲线[9]。

以圆锥滚子轴承仿形板的仿形面设计为例说明。国内外研究成果表明，带凸度的圆锥滚子轴承理想滚道素线为对数曲线[10]，因此，根据要求的对数曲线制作相应的仿形板，当工件凸度形状为外凸时，仿形板仿形面也为外凸，反之亦然，如图2所示。

图2 仿形板仿形面设计原理简图

3 实用效果

3.1 磨削凸度滚道

以装用该砂轮仿形修整器的磨床加工32220型轴承内滚道为例，要求在滚道的有效宽度34 mm内，凸度量为8～10 μm；表面粗糙度Ra≤0.25 μm；滚道素线轮廓度≤0.003 mm；滚道素线直线度≤0.002 mm；滚道素线位置偏差为±0.04 mm。

采用轮廓扫描仪等检测加工后的套圈滚道，实际测量长度为35.1 mm，修正因测量探头厚度等因素引起的误差后，得到有效测量长度为32.934 mm的凸度轮廓形状(图3)。测得有效测量长度内最大凸度量为9.393 μm；滚道表面粗糙度Ra为0.2～0.25 μm；滚道素线轮廓度为0.003 mm；滚道素线直线度为0.001 5 mm。滚道素线形状吻合度与素线位置偏差完全达到了加工精度要求。

图3 修正后32220内滚道凸度轮廓

3.2 磨削大圆弧滚子

将高精度砂轮仿形修整器用于高精度大圆弧球面滚子磨床的砂轮修整。以加工23226CA球面圆锥滚子(图4)为例，加工精度指标为：滚子表面粗糙度Ra≤0.25 μm；滚子素线轮廓度≤0.003 mm；滚子素线位置偏差为±0.04 mm；滚子球面曲率变化范围为±0.40 mm。

图4 23226CA球面滚子外形简图

连续磨削加工500件后，滚子的精度检测结果为：滚子表面粗糙度稳定达到0.20～0.25 μm；滚子素线轮廓度为0.002 mm；滚子素线位置偏差和球面曲率变化范围精度完全达到了加工精度的要求。

4 结束语

设计的高精度仿形修整器结构简单，调整方便，加工得到的滚动面凸度轮廓形状精度高，能够广泛适用于现有同类型机床。