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圆弧金刚石砂轮的修形及修锐技术研究


工艺与检测

圆弧金刚石砂轮的修形及修锐技术研究
Study o n Truing and Dre ssing Technolo gy for Arc-Diamo nd Wheel

郭隐彪     张 翊   徐雅珍   庄司克雄
(① 厦门大学  ② 日本东北大学)









摘   : 针对圆弧金刚石砂轮加工非轴对称非球面的平行磨削法中砂轮的修形精度要求较高 ,通常使用的水 要 平圆弧杯状砂轮修整器很难保证加工精度的问题 ,提出带倾角圆弧修整器的设计方法 。通过对修整 器接触弧长的计算 、 修形延后率设计和修形补偿方法的研究及实验表明 : 新型圆弧修整器可满足高 精度非轴对称非球面加工的要求 。 关键词 : 非轴对称非球面   圆弧金刚石砂轮   杯状砂轮修整器   误差补偿    随着医疗用激光扫描器 、 彩色数字排版机 、 彩色复 印机用非轴对称非球面镜片对工件表面精度 、 粗糙度 及热稳定性要求的提高 , 对高性能石英玻璃材料的非 [1 ] 轴对称非球面镜片的加工更显得重要 。平行磨削法 由于其平行线的加工轨迹线 , 较高的加工效率及加工 “柔性”适合于对要求较高的非轴对称非球面镜片及 , [2 ] 其模具的加工 。但是 , 由于采用圆弧金刚石砂轮进 行加工 ,使砂轮的形状精度及其尺寸精度直接影响工 [3 ] 件表面精度 。笔者提出采用带倾角圆弧杯状砂轮修 整技术 ,解决了以上问题 。
表1  金刚石砂
修形类型 单晶金刚石 旋转金刚轮 综合成形 放电修形 杯状砂轮 工件精度 高 中 中 中 高 工件粗糙度值 大 中 小 小 小 磨粒状态 修形效率 破碎多 破碎中 好 好 好 高 高 低 中 低

轮表面形状精度可达小于 0. 5 μ , 粗糙度达到 R a 5 m
nm
[4 ]



1  修形方式选择
   为了达到高精度非轴对称非球面镜片精度 ( 形状 精度为 1. 2 μ ,粗糙度 R a 为 30 nm) 的加工要求 ,选择 m 圆弧金刚石砂轮的修形方式加工将直接影响到工件的 加工精度及表面质量 。表 1 列举了几种常用的金刚石 砂轮的修形方式 。对比表中列出了单晶金刚石 、 旋转 金刚轮 、 综合成形修形 、 放电修形 ( ELID) 及杯状砂轮修 形方式所能达到的形状精度 、 表面粗糙度及修形效率 等指标 ,通过对比可以看出对于具有高精度要求的圆 弧金刚石砂轮 ,采用圆弧杯状砂轮修整器进行修形 、 修 锐是比较理想的工作方式 。杯状砂轮修整器修形后砂
 程 ,1991 ,9 (3~4)
3  岳珠峰等 1 颗粒增强金属基复合材料塑性响应的一种唯象模型 1 机

2  修整器结构
   1 所示为杯状砂轮修整器原理 。其优点是设计 图 制造比较简单 ,修形零点位置可直观确定 。但是 ,由于 修形砂轮和金刚石砂轮之间成水平布置 , 修形砂轮和 金刚石砂轮之间的接触弧长较短 , 修形后砂轮表面误 差呈圆弧状分布 。从杯状砂轮修整器对圆弧砂轮的修 形工作原理可知 : 为了提高修形精度 ,应该优化设计修 整器以下两方面的参数 。 (1) 尽可能增加修形砂轮和金刚石砂轮之间的接 触弧长度 ,修形后砂轮表面误差呈椭圆弧状分布 。为 了达到最大接触弧长 ,且保证修整器修形砂轮和金刚
7  Hung N P , Boey F Y C. etc. Machinability of Cast and Powder-formed Alu2 minum and Alloys Reinforced with SiC Particles. Journals of Materials Pro2 cessing Technology , 1995 ,48 :291-297

械工程材料 ,1995 ,19 (3)

4  李元元等 1 金属基复合材料的切削加工性的研究进展 1 材料导报 , 1999 ,13 (3) 5  金燕鸣 1 切削金属基复合材料的刀具 1 机械制造 ,1996 (7) 1998 ,19 (2) 6  邢绍美等 1 碳化硅铝基复合材料的应用与加工 1 航天返回与遥感 ,

第一作者 : 铁占续 , 河南省焦作工程学院工程系 , 邮编 :454159 ,电话 : ( 0391) 2930377 ( 编辑   周富荣)   
( 收修改稿日期 :2002 - 05 - 31)   

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石砂轮不干涉 。对于如表 2 所示参数金刚石圆弧砂 轮 ,修整器修形砂轮的倾角设定为 10° 。 形误差 ,达到最佳的修形精度 。经过计算设定修整器 的修形滞后率为 33 % 。

   4a 所示为修形砂轮和金刚石砂轮的修锐关系 。 图 从图 4a 可以得出 : 当修形砂轮带倾角 γ 时 , 金刚石砂 轮上的修形接触弧长增加 。图 4b 为倾角 γ = 0° , 修 时   ( 2) 设计合理的修形滞后率 。即控制修整器的修 形转角 ,使修形中 B 轴的正程修形位置和反程修形位 置的修形运动轨迹点不重合 。 图 2 所示为带倾角结构的圆弧杯状砂轮修整器 。 新型修整器由转角控制 B 轴 、 进给控制 Y 轴 、 砂轮旋 转 W 轴组成 。
表2  带倾角圆弧杯状修整器参数
修形砂轮型号 修形砂轮内外径 D tΠ mm 修形进给量ΔtΠ mm 修形延后率ε ( %) Π 修形时间 TΠ min φ( ) 修形步进角Δ Π ° 修形砂轮倾角 γ (° Π ) 金刚石砂轮直径 DΠ mm 金刚石砂轮厚度 BΠ mm
GC3000B 60 ,100 300 400 0. 001 1. 5 10 5 ,10 ,33 ,50 ,100 120 200 60 250 20

形接触弧长的计算关系图 。从图中可得知 : 修形接触 弧长 L 0 只和修形进给量Δt 有关 。
arccos
L0 = r - Δt r

90

πr

( 1)

Δ — 修形进给量 ,mm 式中   t —— r —— — 金刚石砂轮圆弧半径 ,mm 图 4c 为带倾角 γ 时 , 修形接触弧长的计算关系 图 。从图 4a 与图 4c 可得知 : 修形接触弧长 Lγ 和修形 进给量Δt 、 修整器倾角 γ 有关 。 r - Δt - Δ h arccos r πr Lγ = 90 Δ h = l sinγ γ —— ) 式中   — 修形砂轮倾角 , (°  l —— — 修形砂轮等效工作长度 ,mm

   修整器可控修形滞后率工作方式如图 3 所示 。合 理的修形滞后率工作方式可最大限度地减小砂轮的修
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(r min) 金刚石砂轮转速 vΠ Π (r min) 修形砂轮转速 v tΠ Π

( 2)

(mm min) 修形进给速度 vsΠ Π

金刚石砂轮圆弧半径 rΠ mm

   5 所示为以表 2 修形砂轮和金刚石砂轮参数 , 图 计算得到圆弧修整器倾角变化和修形接触弧长之间关
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工艺与检测
系曲线 。新型圆弧修整器比水平圆弧修整器具有更长 的接触弧长 。因此在相同的修形条件下 , 被修形金刚 石砂轮可以得到更高的形状精度 。 后的修形轨迹 。图 8 为以表 2 所示修形参数 , 设定修 形延后率分别为 5 % ,10 % ,33 % ,50 % ,100 %时得到修 形精度曲线 。图 9a 为补偿前金刚石砂轮表面形状误 差曲线 。图 9b 为补偿修形后金刚石砂轮表面形状误

3  修形误差补偿
   为了达到减小砂轮形状误差目的 , 除了采用新型 砂轮修整器增加修形接触弧长 、 采用最佳的延后率工 作方式外 ,对砂轮修形原理误差的补偿也是一种必要

的手段 。圆弧砂轮圆周速度不同使得修形中的修形砂 轮对金刚石砂轮的切削量不同 。 图 6 所示为圆弧砂轮修形点速度变化情况 。从图 6 中几何关系可以得到砂轮修形点圆周速度变化量为 Δv = 2 ( π
r - z0 2 2

差曲线 。

r - z )

2

2

( 3) ( 4)

5  结论
   在非轴对称非球面的平行磨削加工中引进带倾角 圆弧杯状砂轮修整器及补偿技术 。实验结果表明 : (1) 带倾角结构的圆弧杯状砂轮的修形方法可以 实现对圆弧金刚石砂轮高精度修形的要求 。 (2) 修形中采用误差补偿技术可以提高圆弧金刚 石砂轮的修形精度 。补偿修形后砂轮表面误差 1. 1 μ 。 m ( 3) 设定合理的修形延后率 ,可以得到高精度的修 形表面 。 参 考 文 献
1  Suzuki T , Saieki Y, Syoji K, et al . Machining Non-axisymmetric Aspheric Surfaces with Parallel Grinding Technology. Proceedings of JSPE , 2001 (3) : 236 2  Tanaka K, Katuki M , Nisioka C. Developing a Ultra-precision Non- spherical Surfaces Machine. Proceedings of JSPE , 1999 (9) :322 3  Mamoyi S , Morida T , Yamagata T , et al . Ultra-precision Truing of Metal Bond Wheel . Proceedings of JSPE , 1999 (9) :325 4  Ling W , Omori H , Yamada T , et al . Studies on Manufacture of Long Di2 mension X Radial Mirror. Proceedings of JSPE , 2000 (10) :296

4  修形实验

圆弧砂轮圆周速度变化引起修形误差可表达为 δ= k? t? v Δ Δ Δ — 修形点速度变化量 式中   v —— z0 —— Π 圆弧砂轮厚度 ,mm —1 2
z —— — 修形点到砂轮中心距离 ,mm k —— — 砂轮修形系数
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图 7 所示为金刚石砂轮速度变化引起修形误差曲 线 。采用修形误差补偿 ,修形轨迹的补偿方程为 Δ Δ ( 5) r ( z) = r - k ? t ? v 式中  r ( z ) —— — 补偿修形圆弧半径 ,mm

(    将式 ( 3) 、4) 代入式 ( 5) 可解得经过修形误差补偿

第一作者 : 郭隐彪 , 厦门大学机电工程系 , 邮编 : 361005 ,电话 : ( 0592) 2183501 ( 编辑   周富荣)   
( 收修改稿日期 :2002 - 10 - 10)   

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ABSTRACTS & KEYWORDS
MANUFACTURING TECHNOLO GY & MACHINE TOOL
No. 4 (April) , 2003 , T otal Issue No. 489

Overvie w of Linear Servo Motor for Direct Drive in Machine Feeding Mechanism XIA Jiakuan ( Shenyang Industry University) , et . al ( 8) Abstract : Pros and cons for applying linear motors in feeding systems for machine tools are analyzed in respect to the highspeed and high-precision developing trend in modern CNC machine tools , features of motors with different structures and their applications are introduced , the research status and developing trends for direct drive servo system of linear motors are summarized. Keywords :Linear Motor , Servo System , Direct Drive Development of Motorized Spindle Unit with High- Pow2 er Ceramic Bearing ZHANG Ke ( Shenyang Architectural Engineering College) ( 17) Abstract : Excellent characteristics of motorized spindle unit and its application are introduced. Based on the develop2 ment practice in high- speed motorized spindle unit , the text analyzed the selection of the bearing for high-power motor2 ized spindle unit and determination of preload , approached the structural layout and design of motorized spindle unit , discussed the setting of cooling and lubrication system of mo2 torized spindle unit . The staticΠ dynamic performance of mo2 torized spindle is tested through experiments , technical sup2 port is provided for speeding up the development in new mo2 torized spindle unit and its application in CNC machine tool . Keywords : Motorized Spindle , Ceramic Bearing , Lubrica2 tion , Vibration
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Magnetorheological Technology and Its Application in Mechanical Engineering HUANG Haicai ( Huaqiao University) , et al . ( 24) Abstract :Magnetorheological (MR) fluids are a new type of intelligent materials that attracted high and wide attention in recent years. In the 21st century , MR technology is one of the key technologies in electromechanical engineering. In this paper , the studies on MR technology at home and abroad are reviewed comprehensively. The applications of MR technology in mechanical engineering are presented based on MR fluids’characteristics , and some problems in the studies on MR technology are analyzed. The studiy trends of MR fluids are discussed in the end.

Effects of Cutting Parameters on Mechanical Properties of Metallic Fiber Being Cut by Spinning Bit WAN Zhenping ( South China University of Technology) , et al . ( 32) Abstract : Principal mechanical properties of metallic fiber include tensile strength and stiffness. In this paper , effects of depth of cut and feedrate on mechanical properties of me2 tallic fiber are investigated by spinning bit . Rules for ma2 chining metallic fiber by cutting are obtained , the mechani2 cal properties of fiber can be improved with reduction in de2 formation coefficient of fiber. Keywords : Spinning Bit , Metallic Fiber , Tensile Strength , Stiffness , Deformation Coefficient
制造技术与机床 2003 年第 4 期

Study on Truing and Dressing Technology for Arc Dia2 mond Wheel G UO Yinbiao ( Xiamen University) , et al ( 38) Abstract : In order to decrease machining error of non-axi2 symmetric aspheric surfaces , a new truer of arc diamond wheel with titling structure cup-wheel is put forward. T im2 o prove truing accuracy of arc diamond wheel trued by cup tru2 er , a tilting structure is utilized for increasing the contacting arc length , the rational detaining angle changing ratio and truing error compensation technology are used in this truer. With truing experiment and data analysis , it is obvious that tilting structure cup-wheel truer can meet the need for paral2

SolidWorks- based Designing and Machining of Precise Relieving Cutter for Sprocket Hob WANG Qinsi (Nanhua University) , et al . ( 28) Abstract :3D model for the basic worm of sprocket hob can be generated with the 3D feature modeling function of Solid2 Works software according to the structural size and normal profile for sprocket hob , hence precision axial tooth profile can be obtained in the section of axis , based on which , pre2 cision profile for precise relieving cutter for sprocket hob can be designed. Specific process in CADΠ CAM for precise re2 lieving cutter for sprocket hob is introduced. Keywords : SolidWorks , 3D Feature Modeling , Sprocket Hob , Precision Relieving Cutter , CADΠ CAM

Keywords : MR Fluids , Mechanical Engineering , Applica2 tions

Development of Ne w Programs for PMC 1007 Coupling Finisher WANG Conghe ( Shanghai Jiao T ong University) , et al . ( 51) Abstract : The mechanism of three- station manufacturing pro2 cess for PMC 1007 Coupling Finisher was introduced. The

lel grinding high-accuracy non-axisymmetric aspheric surfac2 es. Keywords : Non-axissymmetric Aspheric Surface , Arc Dia2 mond Wheel , Cup Wheel Truer , Error Compen2 sation

Experimental Investigation into WEDM for Metal- parti2 cle-reinforced Materials G UO Zhongning ( Guangdong Industry University) ( 44) Abstract :Machineability of a metal-particle- reinforced mate2 rial ( 6061 alloy ) by WEDM has been approached. The study shows that it is likely to result in wire breakage and cause the operation to be stopped if electric parameters can2 not be properly selected. However , a good machining effect will be obtained with optimization in parameters. Keywords: Wire Electro-Discharge Machining ( WEDM ) , Metal-particle- reinforced Material , Orthogonal Experimental Design

《制造技术与机床》 杂志 2003 年专题报道计划

第 1 期  ( 1) 制造业信息化 ( 专栏)

( 2) 中国机械工程学会 2002 年会专题报 道

CIMT2003 专题报道之一 ( 文章 2~3 篇) 第2期  第 3 期  ( 1) CIMT2003 专题报道之二 ( 文章 2 ~ 3

篇) ( 2) 高速加工技术

第 4 期  ( 1) CIMT2003 专题报道之三 ( 文章 2 ~ 3
篇) ( 2) 数控机床关键功能部件 ( 专栏)

请广大读者踊跃投稿 ,谢谢支持与合作 !

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Study on Supporting Platform for Net worked Agile Manufacturing LI Xuechao ( Tsinghua University) , et al . ( 54) Abstract : Design and construction of a supporting platform for web- based agile manufacturing is introduced. The con2 cept of web- based project studio which refers to a virtual of2 fice is put forward. Imitating the practical project develop2 ment process , the web- based project management and exe2 cuting are realized , which can lend strong support to the network- based collaborative design or work. Keywords :Web- based Agile Manufacturing ; Virtual Enter2 prise ; Collaborative Design
Die Mold China 2003 展品预报 、 专题文章 第5期  & 第6期  CIMT2003 展后评述 Die & Mold China 2003 展报道

第7期  快速成型制造技术 Die Mold China 2003 展后评述 第8期  & 精密和超精密加工 第9期  第 10 期   ’ ( 国际制造技术与设备展览会) MC 2003
展前专题报道

第 11 期   绿色制造 第 12 期   ’ MC 2003 展后评述

reasons for the deterioration of the product quality manufac2 tured with this machine after a long time service have been analyzed. A new station- separating method realized by a proximity switch was suggested. And the offsets for separated clamps were compensated respectively by machining pro2 grams. A new machining program has been developed and added into the screen program. Four modules with different functions for the new developed screen program have been reported. Keywords : PMC 1007 Coupling Finisher ; Station Separa2 tion ; Screen Program ; Machining Program
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