CN101623847B - 两次对刀的小直径金刚石球头砂轮电火花修整对刀方法 - Google Patents

Abstract

两次对刀的小直径金刚石球头砂轮电火花修整对刀方法，它涉及一种球头砂轮电火花修整的对刀方法。本发明的目的是为了提高砂轮修整时的对刀精度，进而提高小直径金刚石球头砂轮修整后的面形精度。本发明的主要技术核心是：首先在砂轮修整前对砂轮主轴及电极主轴安装相对位置进行精密调整，使砂轮主轴轴线与电极主轴轴线之间夹角为45°并且相交于一点；其次是小直径金刚石球头砂轮的第一次对刀，并对砂轮进行第一次修整；最后是选择砂轮新形成的两边缘特征点实现小直径金刚石球头砂轮的第二次对刀。在第一次对刀后，再进行第二次对刀可以有效消除砂轮制造误差及边缘特征点判断误差对对刀精度的影响，同等条件下，使用二次对刀工艺可以降低对刀误差30％～70％。

Description

两次对刀的小直径金刚石球头砂轮电火花修整对刀方法

技术领域

本发明涉及一种小直径金刚石球头砂轮电火花修整的对刀方法。

背景技术

随着科学技术的日益发展，自由曲面尤其是形状复杂的异形曲面高精度小尺寸零件在航空、航天及军事领域中发挥着极其重要的作用，对于此类零件的超精密磨削加工，由于其面形的复杂性，使用常规金刚石砂轮很难满足加工要求，并且加工过程中砂轮极其容易与工件发生干涉。因此常采用小直径(φ2～10mm)金属基金刚石球头砂轮用于此类零件的超精密磨削加工。在复杂曲面零件的磨削加工过程中，球头砂轮的面形精度及磨粒锐利程度将直接影响零件的加工精度与表面质量，它是影响复杂曲面零件超精密磨削的重要因素。球头砂轮的面形精度及磨粒锐利程度与修整装置、对刀工艺与修整工艺密切相关，尤其是对刀工艺，因为对刀工艺是实现球头砂轮精准修整的前提。在金刚石球头砂轮修整过程中，被修整砂轮(刀具)与修整电极之间的相对位置如何精确调整，以及修整电极进给的终止位置如何实现其准确对刀，将对球头砂轮修整后的面形精度产生直接的影响。因此，为了提高小直径金刚石球头砂轮修整后的面形精度，对其修整过程中的对刀工艺进行深入研究是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种两次对刀的小直径金刚石球头砂轮电火花修整对刀方法；以提高砂轮修整时的对刀精度，进而提高小直径金刚石球头砂轮修整后的面形精度，使修整后的小直径金刚石球头砂轮可以满足复杂面形零件超精密磨削系统对球头砂轮的面形精度要求。本发明所述的小直径金刚石球头砂轮是指直径为2～10mm的小直径金属基金刚石球头砂轮。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述基于两次对刀工艺的小直径金刚石球头砂轮电火花修整对刀方法的具体过程为：

步骤一、在砂轮修整前对砂轮主轴及电极主轴安装相对位置进行精密调整，使砂轮主轴轴线与电极主轴轴线之间夹角为45°并且相交于一点：

使砂轮主轴轴线位于ZOY平面，电极主轴轴线位于XOY平面；精密调整过程如下：将第一工业摄像机放置于其镜头轴线与水平面平行并与砂轮主轴轴线垂直的位置1处，测量砂轮主轴轴线及电极主轴轴线与水平面所成角度，调整砂轮主轴夹具使砂轮轴线与水平面成40°，调整电极主轴夹具使电极轴线与水平面平行；然后将第二工业摄像机放置于其镜头轴线与水平面垂直的位置2处，调整砂轮主轴轴线与电极主轴轴线在水平面的投影夹角α为22.62°，并令两轴线相交于坐标原点O处，至此砂轮主轴与电极主轴安装位置调整完成；

若设砂轮主轴轴线与电极主轴轴线的角度误差为Δθ，而其在水平面上投影的角度误差为Δα，可列如下方程：

式中α＝22.62°，求得

                 Δθ＝0.417·Δα               (4)

式中Δα——砂轮与电极轴线水平投影角度误差；

    Δθ——砂轮与电极轴线角度误差；

当调整后砂轮轴线与电极轴线水平投影角度存在误差Δα，则砂轮与电极轴线的角度误差Δθ＜0.42Δα；

步骤二、小直径金刚石球头砂轮的第一次对刀：小直径金刚石球头砂轮修整过程中砂轮主轴保持不动，而修整电极则沿轴线方向直线进给，电极进给的最终位置与砂轮初始位置决定了砂轮修整后的表面形状；为避免砂轮出现过修整或修整不完全，在进行砂轮修整前需调整砂轮中心高并标定电极最终的进给位置，即实现刀具的对刀，其第一次对刀方法如下：

对刀时首先在成像图中选取电极端面边缘特征点的最高点与最低点A(x，y₁)和B(x，y₂)，再选取砂轮的两个端面边缘特征点C(m，n)和D(p，q)，则电极中心高为a＝(y₁+y₂)/2，电极端面中心点的坐标为O(x，(y₁+y₂)/2)，砂轮端面中心点的坐标为O’[(m+p)/2，(n+q)/2)]，调节砂轮微位移工作台，使砂轮中心点O’的纵坐标和电极中心点O的纵坐标相等，标定砂轮此时的位置为砂轮零点；将砂轮退出一定位置，调节电极微位移工作台，使电极中心点O和O’点坐标值相同，标定电极此时位置为电极零点，退出电极；使砂轮进给到距离标定砂轮零点砂轮半径R处，为了消除砂轮进给负方向上的误差，将砂轮继续进给50～100μm，此时砂轮中心高调整完毕；电极刚才标定的电极零点并非电极进给最终位置，只是最终所需形成球面的球心，电极所需要进给的最终位置应距离标定电极零点为至此电极进给最终位置确定，砂轮与电极的第一次对刀完成；

步骤三、小直径金刚石球头砂轮的第二次对刀：

对刀过程如下：在第一次对刀后对砂轮进行修整，修整电极从开始放电处进给150～300μm后，停止电火花修整并退出电极，进行二次对刀；对刀过程与第一次对刀基本相似，但此时所选择的砂轮边缘特征点为新形成的两边缘E点及F点；

若砂轮半径为r，长度为L，与回转轴线的角度偏差为θ，则在第一次对刀时，砂轮中心点高度误差Δ₁可由式(5)表示：

        Δ₁＝L·sinθ                      (5)

对砂轮修整后进行二次对刀，设修整电极终止位置端面与X轴交点同零点距离为L₁，则用两新生成边缘点再次对刀后的中心高误差Δ₂为：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{\sin \mathrm{\θ}(L_1\·\cos \mathrm{\θ}-r)}{\cos 2\mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

在砂轮角度偏差θ一定的情况下，二次对刀时砂轮的对刀误差与砂轮半径及电极进给中止位置有关，修整电极的进给距离越大，被修整金刚石砂轮的半径越大，二次对刀的对刀误差就越小；二次对刀误差Δ₂与一次对刀误差Δ₁比值为：

$\frac{{\mathrm{\Δ}}_1}{{\mathrm{\Δ}}_2}=\frac{L_1\·\cos \mathrm{\θ}-r}{L\·\cos 2\mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

本发明的有益效果是：本发明以电火花修整原理为基础，研究小直径(φ2～10mm)金属基球头金刚石砂轮修整装置的对刀新工艺，提高了砂轮修整时的对刀精度，由此提高小直径金刚石球头砂轮修整后的面形精度，使修整后的小直径金刚石球头砂轮可以满足复杂面形零件超精密磨削系统对球头砂轮的面形精度要求。该刀具工艺可实现小直径金刚石球头砂轮修整的高精度在线对刀，并能提高砂轮修整时的对刀效率，这种对刀方法具有操作简单、对刀精度高、操作方便等特点。

本发明的具体优点表现在以下几个方面：

1)采用高精度工业数字摄像机进行砂轮及电极空间位置的测定，测量精度可优于1μm，在满足测量精度要求的同时，具有组成零部件少，结构尺寸小等优点，可适用于各种超精密磨削系统中的球头砂轮在位修整对刀；

2)通过水平方向和垂直方向分别对砂轮主轴及电极主轴的安装位置进行精密调整，可以保证砂轮主轴及电极主轴安装相对位置正确，该方法无需专业量具，可适用于不同磨削系统的砂轮修整装置，并可降低角度误差对砂轮成形精度的影响，若调整时的角度误差为Δα，则砂轮轴线与电极轴线的空间角度误差Δθ为0.42Δα。该方法能实现从0°～180°范围的角度测量，可根据使用需要选择工业摄像机精度，一般角度测量精度可以达到1′以上，位置测量精度可达到0.1μm；

3)对刀原理简单可靠，通过砂轮及电极成像的边缘特征点，实现砂轮的中心高调整及电极进给最终位置标定，除小直径金刚石球头砂轮外，也可用于任意直径的金属基球形金刚石砂轮修整对刀；在对刀时通过工业摄像机实时成像，可以实现砂轮修整的在线对刀；通过选择不同精度的工业摄像机，可以满足不同的对刀精度要求，对刀精度可优于1μm；

4)在一次对刀后，对砂轮进行修整后进行二次对刀，对刀时使用新生成的两边缘特征点。二次对刀可以有效消除砂轮制造误差及边缘特征点判断误差对对刀精度的影响，在一次对刀的基础上进行，操作简单、对刀快速且无需额外设备，同等条件下，使用二次对刀工艺可以降低对刀误差30％～70％。

附图说明

图1是杯形工具电极修整球头砂轮原理图(3为电极，4为砂轮)；图2是电极轴线与砂轮轴线异面误差分析图(5为电极轴线，6为砂轮轴线)；图3是电极轴线与砂轮轴线空间位置调整原理图(5为电极轴线，6为砂轮轴线)；图4a是砂轮与电极对刀的原理简图，图4b是实际的对刀照片图；图5是砂轮电极二次对刀原理图；图6是砂轮对刀误差分析图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～6所示，本实施方式所述的两次对刀的小直径金刚石球头砂轮电火花修整对刀方法的具体过程为：

(1)、在砂轮修整前对砂轮主轴及电极主轴安装相对位置进行精密调整，使砂轮主轴轴线(砂轮轴线)与电极主轴轴线(电极轴线)之间夹角为45°并且相交于一点：

小直径金属基球头金刚石砂轮修整装置基于电火花原理对小直径金刚石砂轮进行修整，该装置的修整原理如图1所示，杯形电极与砂轮绕各自轴线旋转，修整电极在轴线方向上直线进给，当θ角为45°时，修整后得到的砂轮端部形状为半球头；根据修整原理，若砂轮轴线与工具电极轴线存在角度误差Δθ，则修整后的砂轮表面将为不完整的半球面，砂轮表面上可能会出现尖点或者凹坑，但是其球面的半径不会发生变化；修整电极与砂轮的回转误差及电极进给误差对修整后球头砂轮的面形精度均没有影响，只会影响球头砂轮的直径；

当电极轴线与砂轮轴线不共面，即存在异面误差时，设两轴线在X轴方向上有误差δ′，如图2所示。当两轴线存在异面误差δ′时，修整得到的砂轮表面方程式可由式1表示：

$x^2+y^2+z^2+\frac{{2\mathrm{\δ}}^{\′}}{\sin \mathrm{\θ}}\sqrt{2R(R-z){\sin }^2\mathrm{\θ}-{(R-z)}^2}=R^2+{\mathrm{\δ}}^{\′2}---\left(1\right)$

由图2可见，无论误差δ′在X轴正向还是负向，只有部分砂轮得到修整。当δ′≥0，x＝0，砂轮表面在YOZ平面的方程式可以由式2表示：

$y^2+z^2+\frac{2{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\sin \mathrm{\θ}}\sqrt{2R(R-z){\sin }^2\mathrm{\θ}-{(R-z)}^2}=R^2+{\mathrm{\δ}}^{\′2}---\left(2\right)$

从式2可见在YOZ平面，砂轮修整表面轮廓已经不再是圆弧，因此两轴线异面误差将直接影响砂轮的面形精度。当两轴线异面误差δ′≤1.5μm，砂轮面形精度PV≤1μm；

综上所述，砂轮轴线与电极轴线之间的异面误差对球头砂轮修整后的面形精度具有直接影响。因此在砂轮修整前，需要调整砂轮与电极之间的相对位置，以使砂轮轴线与电极轴线成45°并且相交于一点；

砂轮修整装置的两轴线空间位置的精密调整方法为：

为保证砂轮与电极空间位置的正确性，实现球头砂轮的修整，避免由两轴线异面误差带来的砂轮面形误差，在砂轮修整前首先对砂轮主轴及电极主轴安装相对位置进行精密调整，以确保两主轴轴线空间位置正确；

使用高精度工业数字摄像机对砂轮及电极相对位置进行精密调整，调整原理图如图3所示，砂轮轴线位于ZOY平面，电极轴线位于XOY平面，精密调整过程如下：首先将摄像机放置于位置1，镜头轴线与水平面平行并与砂轮轴线垂直，如图3所示；测量砂轮轴线及电极轴线与水平面所成角度，调整砂轮主轴夹具使砂轮轴线与水平面成40°，调整电极主轴夹具使电极轴线与水平面平行；然后将摄像机放置于位置2，使镜头轴线与水平面垂直，调整砂轮轴线与电极轴线在水平面的投影夹角α为22.62°，并令两轴线相交于图示O点处，至此砂轮修整装置砂轮主轴与电极主轴安装位置调整完成；

若设砂轮轴线与电极轴线的角度误差为Δθ，而其在水平面上投影的角度误差为Δα，可列如下方程：

式中α＝22.62°，求得

                    Δθ＝0.417·Δα           (4)

 式中Δα——砂轮与电极轴线水平投影角度误差；

     Δθ——砂轮与电极轴线角度误差；

根据式4可以看出，当调整后砂轮轴线与电极轴线水平投影角度存在误差Δα，则砂轮与电极轴线的角度误差Δθ＜0.42Δα，因此采用该调整方法可以显著提高角度对刀精度，降低对刀时砂轮与电极轴线的角度误差，进而提高砂轮修整后的面形精度；

(2)、小直径金刚石球头砂轮的第一次对刀

小直径金刚石球头砂轮修整过程中砂轮主轴保持不动，而修整电极则沿轴线方向直线进给，电极进给的最终位置与砂轮初始位置决定了砂轮修整后的表面形状。因此为避免砂轮出现过修整或修整不完全，在进行砂轮修整前需调整砂轮中心高并标定电极最终的进给位置，即实现刀具的对刀，其第一次对刀方法如下：

使摄像机镜头轴线与水平面平行并与砂轮轴线垂直，配合微进给工作台的移动来实现砂轮的中心高调整和电极进给最终位置的标定；具体原理如图4a和图4b所示对刀原理图，对刀时首先在成像图中选取电极端面边缘特征点的最高点与最低点A(x，y₁)和B(x，y₂)，再选取砂轮的两个端面边缘特征点C(m，n)和D(p，q)，则电极中心高为a＝(y₁+y₂)/2，电极端面中心点的坐标为O(x，(y₁+y₂)/2)，砂轮端面中心点的坐标为O’[(m+p)/2，(n+q)/2)]，调节砂轮微位移工作台，使砂轮中心点O’的纵坐标和电极中心点O的纵坐标相等，标定砂轮此时的位置为砂轮零点；将砂轮退出一定位置，调节电极微位移工作台，使电极中心点O和O’点坐标值相同，标定电极此时位置为电极零点，退出电极。使砂轮进给到距离标定砂轮零点砂轮半径R处，为了消除砂轮进给负方向上的误差，将砂轮继续进给50～100μm，此时砂轮中心高调整完毕。电极刚才标定的零点并非电极进给最终位置，只是最终所需形成球面的球心，电极所需要进给的最终位置应距离标定电极零点为

至此电极进给最终位置确定，砂轮与电极的第一次对刀完成；

(3)、小直径金刚石球头砂轮的第二次对刀

金刚石砂轮在制造过程中，其端面边缘常带有小的斜角和不规则破损，因此在第一次对刀判断边缘点时会引入对刀误差，而制造时砂轮与砂轮杆轴线间存在的角度偏差θ，同样会引入对刀误差。为降低以上因素对对刀精度的影响，在第一次对刀后，需要对其进行第二次对刀，以提高对刀精度，对刀过程如下：在第一次对刀后对砂轮进行修整，修整电极从开始放电处进给150～300μm后，停止电火花修整并退出电极，进行二次对刀；对刀原理如图5所示，对刀过程与第一次对刀基本相似，但此时所选择的砂轮边缘特征点为新形成的两边缘E点及F点；

砂轮与回转轴线的角度偏差对对刀误差的影响如图6所示，若砂轮半径为r，长度为L，与回转轴线的角度偏差为θ，则在第一次对刀时，砂轮中心点高度误差Δ₁可由式(5)表示：

              Δ₁＝L·sinθ                (5)

对砂轮修整后进行二次对刀，设修整电极终止位置端面与X轴交点同零点距离为L₁，如图6所示，则用两新生成边缘点再次对刀后的中心高误差Δ₂为：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{\sin \mathrm{\θ}(L_1\·\cos \mathrm{\θ}-r)}{\cos 2\mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

由式(6)可以看出，在砂轮角度偏差θ一定的情况下，二次对刀时砂轮的对刀误差与砂轮半径及电极进给中止位置有关，修整电极的进给距离越大，被修整金刚石砂轮的半径越大，二次对刀的对刀误差就越小；二次对刀误差Δ₂与一次对刀误差Δ₁比值为：

$\frac{{\mathrm{\Δ}}_1}{{\mathrm{\Δ}}_2}=\frac{L_1\·\cos \mathrm{\θ}-r}{L\·\cos 2\mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

由式(7)可见，二次对刀误差明显小于第一次对刀误差，在不同参数下，二次对刀误差是一次对刀误差的30％～70％；同时用修整新生成的两边缘点对刀比一次对刀时的边缘点判断更精确，因此同一次对刀相比，进行二次对刀可以消除边缘点判断误差对刀精度的影响。

Claims (1)

1.两次对刀的小直径金刚石球头砂轮电火花修整对刀方法，其特征在于：所述方法的具体过程为：

步骤一、在砂轮修整前对砂轮主轴及电极主轴安装相对位置进行精密调整，使砂轮主轴轴线与电极主轴轴线之间夹角为45°并且相交于一点：

使砂轮主轴轴线位于ZOY平面，电极主轴轴线位于XOY平面；精密调整过程如下：将第一工业摄像机放置于其镜头轴线与水平面平行并与砂轮主轴轴线垂直的位置1处，测量砂轮主轴轴线及电极主轴轴线与水平面所成角度，调整砂轮主轴夹具使砂轮轴线与水平面成40°，调整电极主轴夹具使电极轴线与水平面平行；然后将第二工业摄像机放置于其镜头轴线与水平面垂直的位置2处，调整砂轮主轴轴线与电极主轴轴线在水平面的投影夹角α为22.62°，并令两轴线相交于坐标原点O处，至此砂轮主轴与电极主轴安装位置调整完成；

若设砂轮主轴轴线与电极主轴轴线的角度误差为Δθ，而其在水平面上投影的角度误差为Δα，可列如下方程：

式中α＝22.62°，求得

Δθ＝0.417·Δα                (4)

式中Δα——砂轮与电极轴线水平投影角度误差；

Δθ——砂轮与电极轴线角度误差；

当调整后砂轮轴线与电极轴线水平投影角度存在误差Δα，则砂轮与电极轴线的角度误差Δθ＜0.42Δα；

步骤二、小直径金刚石球头砂轮的第一次对刀：小直径金刚石球头砂轮修 整过程中砂轮主轴保持不动，而修整电极则沿轴线方向直线进给，电极进给的最终位置与砂轮初始位置决定了砂轮修整后的表面形状；为避免砂轮出现过修整或修整不完全，在进行砂轮修整前需调整砂轮中心高并标定电极最终的进给位置，即实现刀具的对刀，其第一次对刀方法如下：

对刀时首先在成像图中选取电极端面边缘特征点的最高点与最低点A(x，y₁)和B(x，y₂)，再选取砂轮的两个端面边缘特征点C(m，n)和D(p，q)，则电极中心高为a＝(y₁+y₂)/2，电极端面中心点的坐标为O(x，(y₁+y₂)/2)，砂轮端面中心点的坐标为O’[(m+p)/2，(n+q)/2)]，调节砂轮微位移工作台，使砂轮中心点O’的纵坐标和电极中心点O的纵坐标相等，标定砂轮此时的位置为砂轮零点；将砂轮退出一定位置，调节电极微位移工作台，使电极中心点O和O’点坐标值相同，标定电极此时位置为电极零点，退出电极；使砂轮进给到距离标定砂轮零点砂轮半径R处，为了消除砂轮进给负方向上的误差，将砂轮继续进给50～100μm，此时砂轮中心高调整完毕；电极刚才标定的电极零点并非电极进给最终位置，只是最终所需形成球面的球心，电极所需要进给的最终位置应距离标定电极零点为 

至此电极进给最终位置确定，砂轮与电极的第一次对刀完成；

步骤三、小直径金刚石球头砂轮的第二次对刀：

对刀过程如下：在第一次对刀后对砂轮进行修整，修整电极从开始放电处进给150～300μm后，停止电火花修整并退出电极，进行二次对刀；对刀过程与第一次对刀基本相似，但此时所选择的砂轮边缘特征点为新形成的两边缘E点及F点；

若砂轮半径为r，长度为L，与回转轴线的角度偏差为θ，则在第一次对刀时，砂轮中心点高度误差Δ₁可由式(5)表示：

Δ₁＝L·sinθ    (5)

对砂轮修整后进行二次对刀，设修整电极终止位置端面与X轴交点同零点距离为L₁，则用两新生成边缘点再次对刀后的中心高误差Δ₂为：

在砂轮角度偏差θ一定的情况下，二次对刀时砂轮的对刀误差与砂轮半径及电极进给中止位置有关，修整电极的进给距离越大，被修整金刚石砂轮的半径越大，二次对刀的对刀误差就越小；二次对刀误差Δ₂与一次对刀误差Δ₁比值为：

小直径金刚石球头砂轮是指直径为2～10mm的小直径金属基金刚石球头砂轮。

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