超硬磨料砂轮自动化复合修整机床CAM系统开发

陈根余　蓝圣增　王彦懿　欧阳征定　周伟　李明全　李杰

关键词 成形砂轮；激光–机械自动化复合修整；计算机辅助制造；轨迹规划

中图分类号 TP23；TG74 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0066-09

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0061

收稿日期 2022-04-29 修回日期 2022-05-20

超硬磨料（金刚石和立方氮化硼）制成的成形砂輪具有极高的硬度和耐磨性，在磨削工件时可以一次成形并减少加工工序，提高效率，在高速磨削、强力磨削和精密超精密磨削领域具有广泛应用[1]。但磨料自身的高硬度导致砂轮的修整极其困难。目前的修整方法中，机械法修整为主流[2]，其次为电火花修整[3]，两者都有较成熟的设备和系统。张军峰等[4] 针对ZN 蜗杆成形砂轮设计了一套修整器控制系统，可根据蜗杆参数生成砂轮截面形状和对应的双轴机床修整程序；日本AMADA 公司研制的光学曲线磨床[5] 可对砂轮进行平面双轴联动修整，是目前生产中常用的精密砂轮修整设备；黄水利等[6] 针对电火花工艺的放电特点，设计了电火花成形机床专用数控系统。在机械法修整系统的研究中，基本实现了双轴联动自动修整成形砂轮的功能，由于受机械修整工艺的限制，虽然节省了编程时间，但加工效率不高；相对于机械法修整，电火花法修整常用于细粒度砂轮，对于粗粒度砂轮和非导电材料的砂轮无法达到修整要求，适用面不广。

机械法结合其他工艺的修整技术可以在保证精度的同时提高修整效率[7]。杨志波等[8] 在超声修整的基础上，引入激光进行辅助修整，砂轮表面质量明显改善；ZHANG 等[9] 提出用CO2 激光辅助机械法修整陶瓷结合剂CNB 砂轮，结果减小了金刚石修整工具的磨损；王艳等[10] 利用激光束加热砂轮表面， 降低了金刚石笔的磨损，提高了砂轮表面修整质量；陈根余等[11] 对烧结成形的青铜金刚石砂轮进行激光–机械复合修整仿真分析和参数优化，通过试验使砂轮的跳动误差大幅下降。以上研究表明激光–机械复合修整法是一种行之有效的修整方法，但目前其基本处在工艺验证阶段，仍未形成自动化系统。

因此，在自主研制的激光–机械复合修整装备基础上，开发一套CAM 系统，在保证精度的同时，实现复合修整工艺自动化，大幅提高成形砂轮修整效率。

1 设计方案

1.1 修整对象

修整对象主要是机械法和电火花法都难以修整的粗粒度超硬磨料砂轮，其结合剂为金属、树脂、陶瓷材料。砂轮典型的修整轨迹如图1 所示，是由直线与圆弧拼接而成。

1.2 机床结构

机床实物如图2 所示。该机床可对不同尺寸、形状、几何角度的砂轮进行修整，主要由3 个直线轴和1个转动轴组成。

机床结构如图3 所示。图3 中：主轴Ⅰ为刀具轴，激光器和修整砂轮都安装于主轴Ⅰ上；转动平台可绕中心W 轴转动，平动平台安装在转动平台上，以转动平台为参考系沿U、V 两正交直线轴运动；主轴Ⅱ为工件轴，固定于平动平台上，待修整砂轮安装在主轴Ⅱ上。

主轴Ⅰ与机架可以相对滑动，起到加工前调整刀具位置的作用，而加工过程中不调整，机床可用于编程的轴有U、V、W、Z（激光焦点调整）4 轴。

机床性能参数如表1 所示。

1.3 砂轮复合修整CAM 系统设计

砂轮复合修整系统需要整合激光、机械两者的加工特点和多轴机床的结构特点，根据一定的修整轨迹生成策略，以适应不同形状的成形砂轮自动输出从毛坯到成品的机床加工代码。在激光修整砂轮的工艺试验中，当脉冲激光满功率输出时，砂轮表面材料可以快速去除[12]，修整轨迹的位置误差和跳动都较大。当调低激光功率进行切向修整时，对应的激光去除量减小，修整精度明显提升，但由于激光加工的热影响，结合剂部分熔化重凝，其表面凹凸不平，金刚石磨粒也有部分石墨化。重凝层和石墨化层利用机械修整砂轮可轻易去除，所以按激光粗修、半精修、机械精修的修整策略进行轨迹规划。同时，结合机床平面三轴结构的特点，为保证机械法加工一些尺寸小且较深的成形槽时不出现过切现象，需要计算平面三轴联动刀路的最优解，输出正确的加工代码。按照上述思路进行程序设计，其设计流程如图4 所示。

修整程序基于NX 软件二次开发实现，各功能模块的主要入口如图5 所示。

1.3.1 参数输入

程序初始化之后，用户根据加工情况输入加工工具的外形参数，待加工图纸文件等信息。程序读取图形文件后，提取保存文件实体点的坐标以及点序等关键信息。

1.3.2 轨迹偏置

根据激光和机械等2 种加工方式的加工模式要求，需预留安全量或者生成等量进给轨迹。轨迹偏置过程是将1 组有方向的平面曲线（在本文中是无缝相接的一系列直线段和圆弧段），往非实体部分方向以一定距离进行偏置，并在偏置之后的线段或者弧线之间进行连接或者裁剪。

图6 是直线衔接和圆弧衔接示意图，直线衔接一般用在端铣中，本文采用的是圆弧衔接。衔接用在凸形线往外扩张的过程中形成的间隙；而凹形线向外扩张时，会遇到自相交的情况。此时，需要将下一段偏置的线段与前一段已经偏置的线段进行求交并裁剪多余部分。

1.3.3 激光修整轨迹生成策略

激光的修整模式分为粗修整与半精修整。在粗修整过程中，采取每次等量去除的方式进行修整，在预留一定安全余量的范围内，轨迹以S 形轨迹均匀进给，轨迹示意图如图7 所示。

在激光半精修过程中，轨迹各段的余量较小，通过调整激光焦点位置控制去除量，采取不断偏置逼近的方式，按余量由大到小进行修整，轨迹策略如图8 所示。

在设计轮廓的基础上，预留机械法修整余量，偏置出一条安全轨迹，剩余的余量按50%， 25%， 15%， 10%的比例划分，偏置出多条曲线生成加工程序，分步去除。

1.3.4 机械修整轨迹生成策略

经过激光处理后的砂轮，仍有少部分余量由机械法进行修整。机械修整除了确定每个刀路点位置，还需计算刀轴方向，即在每个加工位置下，确定机床B 轴的坐标。刀轴方向在理想情况下，应该始终垂直于工件表面，这样可以保证：（1） 最大线速度切削；（2）最大正应力作用到工件表面。但实际上在复杂轮廓中，会出现刀具过切的情况，无法做到始终垂直，因此需要进行碰撞规避。在试验中，碰撞发生在槽的底面底角处，因此发生碰撞时需将刀轴往槽的开口方向旋转以避免碰撞，旋转中心必须是圆弧中心，这样才能保证刀具顶端圆弧始终有某点接触工件。

碰撞规避原理上就是几何元素实体求交，若有交集则进行偏移规避。试验中的轨迹为二维曲线，主要元素为直线段和圆，需分析下述3 种情况：

（1）直线段与直线段求交，如图9 所示。

按上述原理对每一个刀路点进行求交计算，如果刀具发生碰撞，则通过调整B 轴角度来改变刀具姿态，最终生成三轴联动修整刀路。

1.3.5 加工仿真界面

仿真分析时，建立仿真环境，将得到的最终坐标值，通过图形界面仿真整个流程中刀具与工件之间的相对位置，实现数据的可视化，直观地检查程序的正确性。图12 为图形仿真界面。

1.3.6 后置处理

为方便计算，机械轨迹都是基于偏置轨迹、刀尖圆心轨迹、机床旋转中心重合的方式进行计算。在实际加工时，对刀点为刀尖点，机床旋转中心也在此处，故需要对坐标进行转换，再将这些转换后的数据，按照机床可读的方式输出程序。图13 为坐标转换。

2 试验

2.1 试验材料

试验使用的是烧结制成的青铜结合剂金刚石平行砂轮，其截面形状如图14 所示，其材料属性如表2 所示。

修整刀具为金刚石砂轮，其外径为150 mm，刀尖（参与加工部分）形状如图15 所示。

修整所使用的脉冲光纤激光器型号为SP-200P-AEP-Z-L-Y，激光中心波长为1 064 nm、平均功率为200 W，脉冲宽度为10 ns，脉冲重复频率为1～4 000 kHz。

2.2 砂轮修整试验

砂轮修整流程分为：程序生成、激光修整、机械修整。

第1 步为程序生成。在软件中输入图纸文件，设定好刀具砂轮参数，在图形界面选取需要参与加工的轨迹，即可自动生成激光粗修、半精修及机械精修的所有机床加工代码，通过加工仿真界面可以观察每一步程序刀具相对于工件的位置，检查代码是否正确。

第2 步为激光修整。加工方式如图16 所示。

运行激光粗修程序，激光参数如表3 所示。使用激光快速去除材料，将修整余量去除至150 μm 左右。

运行激光半精修程序，激光参数如表4 所示，进一步将修整余量降低至20 μm以内。

第3 步为机械精修。切换至修整砂轮加工，如图17所示，运行机械修整程序，将砂轮形状误差降至10 μm内，提高表面质量，减少圆跳动。机械修整时机床参数见表5。

在修整结束后，使用VHX-6000 超景深显微镜对砂轮进行检测，验证加工效果。

3 结果与讨论

3.1 修整效率计算

复合修整领域尚无类似系统的研究，本文中砂轮修整的加工代码由CAM 系统自动生成，提高了复合修整程序编程效率。

激光粗修时分步进给，去除量按式（9）计算。

机械修整效率按表5 数据计算，最大去除速度为5.88 mm3/min，激光结合机械的修整方法综合效率优于纯机械修整的。

3.2 砂轮表面形貌

图18 为超景深显微镜拍摄的激光机械复合修整后的砂轮成形面三维形貌图，图19 为砂轮表面显微照片。

在圖18 中，砂轮成形面轮廓均匀连贯。图19 中的结合剂平整，金刚石磨粒质量完好。

3.3 砂轮精度验证

使用修整后的砂轮磨削工件，磨削完成后在工件上沿轨迹间隔取点，并与理论轮廓进行比对，位置偏差分布如图20 所示。

由图20 可知：正向最大误差为3.8 μm，负向最大误差为5.3 μm，整体轮廓误差为9.1 μm，满足精度在10 μm以内的要求。

在砂轮成形槽底面测径向圆跳动，结果见图21。由图21 可知： 径向圆跳动最大值与最小值的差值为6.1 μm。

4 结论

（1）试验设计的成形砂轮激光–机械复合修整CAM 系统，可根据激光加工和机械加工的特点进行刀路轨迹规划；利用激光可以快速去除超硬磨料的优点，生成填充式轨迹和逼近式偏置轨迹，可去除砂轮表面绝大部分材料；再结合机械法精修激光修整产生的微量结合剂重熔层和磨粒石墨变质层。相比于成形砂轮二轴加工系统，其增加了平面三轴联动刀路的求解计算，以适应更多成形轨迹砂轮的连续修整，实现其自动化复合修整。

（2） 激光修整最大去除速度为212.36 mm3/min，修整后砂轮表面形貌良好，位置正向最大误差为3.8 μm，负向最大误差为5.3 μm，整体轮廓误差在9.1 μm 以内，径向圆跳动控制为6.1 μm。修整系统在满足精度要求的同时，修整效率有明显提高。