CN105751069A - 一种自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，包括步骤：步骤1、通过离散点建模方式，用离散向量Pw表示砂轮轮廓离散点云；步骤2、根据离散向量Pw，砂轮厚度Bw、油石厚度Bd得到表示磨石轮廓曲线离散点云的离散向量Pd＝kPw；步骤3、求出自由曲线插补轨迹的离散点云的离散向量Ow；步骤4、在数控磨床上控制砂轮沿离散刀位点走自由曲线数控插补轨迹进行修整得到砂轮环面工作面。本发明提出修整方法简便易行，省略了复杂的解二元高次方程组过程，只需得到砂轮轮廓的离散点云，均可采用离散点控制修整法进行修整，易实施、精度高。

Description

一种自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法
技术领域
本发明涉及超硬工具的精密制造技术领域，具体涉及自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，该超硬砂轮是一种应用于陶瓷，光学玻璃，硬质合金，模具钢等超硬材料零部件曲表面的数控磨削加工技术的工具。
背景技术
目前，自由曲面的磨削主要是由单点超硬或者多轴砂轮片进行加工，使用这两种方法进行磨削加工时，不仅加工效率低，而且刀具磨损快。另外，圆弧环面砂轮和椭圆环面砂轮的修整方法已经提出，但是这两种砂轮的轮廓曲线均是轴对称曲线，且有具体的数学表达式，对于自由曲线轮廓，特别是非轴对称的曲线轮廓，目前还没有具体的研究过。对于非轴对称的曲面的加工，采用自由曲线环面砂轮，其轮廓可以智能自适应相似于加工曲面面型设计，增加砂轮环面的有效工作区域面积，从而降低砂轮磨损速率，提高超硬砂轮刀具寿命。还可以保证砂轮环面的工作区域是关于砂轮轴中心点对称的，从而可以提高砂轮磨削过程中的稳定性。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，包括步骤：
步骤1、在砂轮轴向截面上，建立YZ坐标系，通过离散点建模方式，用离散向量Pw(zw,yw)表示砂轮轮廓离散点云；
步骤2、根据离散向量Pw(zw,yw)，砂轮厚度Bw、油石厚度Bd得到表示磨石轮廓曲线离散点云的离散向量Pd(zd,yd)＝kPw，其中比例系数k＝-Bd/Bw；
步骤3、求出自由曲线插补轨迹的离散点云的离散向量Ow(y,z)，从而得到整个修整路径的离散刀位点，其中：
y = - ( 1 + B d B w ) y w z = - ( 1 + B d B w ) z w ;
步骤4、在数控磨床上控制砂轮沿离散刀位点Ow走自由曲线数控插补轨迹进行修整，得到超硬砂轮的砂轮环面工作面。
进一步地，步骤1中通过所述离散向量Pw(zw,yw)的密度△z作为超硬砂轮自由曲线轮廓的精度控制参数。
进一步地，所述离散向量Pw(zw,yw)的密度△z的取值范围为：0.05mm≤△z≤0.5mm。
进一步地，所述修整采用轴向进给方式，首先进行粗修整，选用磨石粒度为80～320目，切削深度a为50～200微米，进给速度vf为300～1000毫米/分钟；当砂轮自由曲线轮廓成型时，采用精修整，选用磨石粒度为600～1500目，切削深度a为1～50微米，进给速度vf为5～300毫米/分钟，修整中采用水或者水溶性切削液冷却。
进一步地，所述粗修整及精修整均包括步骤：
步骤41、超硬砂轮在磨石的一侧外的第一起始点处沿自由曲线插补轨迹行走路径从左到右行走至插补轨迹的顶点处，再沿着与顶点相切的半径为大于2毫米的第一圆弧提起；
步骤42、从磨石的另一侧外的第二起始点处开始，沿着自由曲线插补轨迹从右至左行走至插补轨迹顶点处，再沿着与顶点相切的另一方向半径大于2毫米的第二圆弧提起；
步骤43、超硬砂轮从磨石一侧的第一起始点处沿着整个自由曲线插补轨迹作无进给的零磨削行走至磨石另一侧的第二起始点处；
步骤44、砂轮垂直向下进给切削深度a，再重复步骤41～步骤43，直至将自由曲线环面砂轮修整成型。
进一步地，所述的超硬砂轮为平行砂轮，直径为大于50毫米，轴向宽度为大于3毫米，主要由超硬磨料和结合剂为组成，超硬磨料粒度为46～3000目。
进一步地，所述的超硬磨料包括金刚石，立方氮化硼，所述的结合剂为青铜基或树脂基。
进一步地，所述磨石为碳化硅磨石，初始几何形状为长方体，轴向厚度为10～25毫米，主要由绿色碳化硅磨料组成，结合剂为陶瓷，粒度为46～1500目。
本发明提出的砂轮自由曲线轮廓的修整方法，不拘泥于砂轮轮廓的形状，只要砂轮的轮廓是连续的，即可适用，而且比圆弧和椭圆弧轮廓砂轮修整时采用的解析法更加简便易行，省略了复杂的解二元高次方程组过程，只需得到砂轮轮廓的离散点云，无论是圆弧砂轮，椭圆砂轮，还是自由曲面砂轮，均可采用离散点控制修整法进行修整，易实施、精度高。
附图说明
图1为自由曲线环面砂轮与磨石的空间坐标示意图。
图2为自由曲线环面砂轮与磨石的对磨成型原理示意图。
图3为砂轮自由曲线轮廓检测点与理论设计轮廓匹配图。
图4为砂轮自由曲线轮廓检测点误差分布图。
图1中所示为：1-砂轮环面工作面；2-砂轮轮廓曲线；3-磨石轮廓曲线；4-砂轮旋转轴线；5-超硬砂轮；6-自由曲线插补轨迹。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例中所表示的范围。
如图2所示，一种自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，包括步骤：
步骤1、在砂轮轴向截面上，建立YZ坐标系，通过离散点建模方式，用离散向量Pw(zw,yw)表示砂轮轮廓离散点云，超硬砂轮5的砂轮轮廓曲线2设计如图1中所示，为一个偏心轮廓曲线，所述离散向量Pw(zw,yw)的密度△z＝0.1，通过控制向量Pw的点的密度，就可以控制超硬砂轮5修整成型的精度，选用的超硬砂轮5为320目金刚石磨料与树脂结合剂超硬平行砂轮，浓度为75％，其直径为150mm，厚度Bw＝10mm，选用的磨石是以绿色碳化硅为磨料，结合剂为陶瓷，厚度Bd＝12mm，宽度为50mm，长度为150mm；
步骤2、根据离散向量Pw(zw,yw)，砂轮厚度Bw、油石厚度Bd得到表示磨石轮廓曲线离散点云的离散向量Pd(zd,yd)，根据相似关系，则有
Pd＝kPw＝-1.2Pw，
其中比例系数k＝-Bd/Bw，，即：
z d = kz w y d = ky w ;
步骤3、求出自由曲线插补轨迹6的离散点云的离散向量Ow(y,z)，Pd和Pw向量里面对应点是具有相切关系的,那么修整的时候，只需将砂轮沿向量Ow＝Pd-Pw平移即可确定刀位点Ow(z,y)的位置，从而得到整个修整路径的离散刀位点，其中：
z = z d - z w = - ( 1 + B d B w ) z w = - 2.2 z w y = y d - y w = - ( 1 + B d B w ) y w = - 2.2 y w ;
步骤4、在数控磨床上控制砂轮沿离散刀位点Ow走自由曲线数控插补轨迹进行修整，得到超硬砂轮5的砂轮环面工作面1。
具体而言，所述修整采用轴向进给方式，首先进行粗修整，选用磨石粒度为80～320目，切削深度a为50～200微米，进给速度vf为300～1000毫米/分钟，砂轮绕砂轮旋转轴线4的转速N＝2400转/分钟；当砂轮自由曲线轮廓成型时，采用精修整，选用磨石粒度为600～1500目，切削深度a为1～50微米，进给速度vf为5～300毫米/分钟，砂轮绕砂轮旋转轴线4的转速N＝2400转/分钟，修整中采用水或者水溶性切削液冷却。
具体而言，所述粗修整及精修整均包括步骤：
步骤41、超硬砂轮在磨石的一侧外的第一起始点处沿自由曲线插补轨迹6行走路径从左到右行走至插补轨迹的顶点处，再沿着与顶点相切的半径为大于2毫米的第一圆弧提起；
步骤42、从磨石的另一侧外的第二起始点处开始，沿着自由曲线插补轨迹6从右至左行走至插补轨迹顶点处，再沿着与顶点相切的另一方向半径大于2毫米的第二圆弧提起；
步骤43、超硬砂轮从磨石一侧的第一起始点处沿着整个自由曲线插补轨迹6作无进给的零磨削行走至磨石另一侧的第二起始点处；
步骤44、砂轮垂直向下进给切削深度a，再重复步骤41～步骤43，直至将自由曲线环面砂轮修整成型。
本实施例的成型修整方法采用离散点控制方式，进行修整数控插补轨迹的计算，称为离散点控制修整法。修整时，根据砂轮和磨石相切关系，可以推出成型磨削时，磨石轮廓曲线3形状和砂轮轮廓曲线2形状是相似的。
首先建立坐标系，在YZ平面上，设计的砂轮轮廓离散点云用离散向量Pw(zw,yw)表示，磨石的轮廓曲线离散点云用离散向量Pd(zd,yd)表示，根据相似关系，则有Pd＝kPw，其中，比例系数为k＝-Bd/Bw，Bd，Bw分别为磨石和砂轮的厚度。
因此，Pd和Pw向量里面对应点是具有相切关系的,那么修整的时候，只需将砂轮沿向量Ow＝Pd-Pw平移即可确定刀位点Ow(z,y)的位置，从而得到整个修整路径的离散刀位点。这样，在数控磨床上，控制超硬砂轮5沿离散刀位点走数控插补路线，就能够把超硬砂轮5的砂轮环面工作面1修整出来，通过控制向量Pw的点的密度，就可以控制砂轮修整成型的精度。
为了评价修整成型的砂轮的轮廓精度，对砂轮轮廓曲线2进行检测。如图3所示，为检测的砂轮轮廓曲线2与理论设计的砂轮轮廓曲线进行匹配，计算出砂轮轮廓曲线2的检测点与理论轮廓之间的偏差en，从而计算出砂轮轮廓曲线的平均误差En＝27微米(见图4)。
由实验结果可知，用离散控制点法修整出来的自由曲线环面超硬砂轮的轮廓与理论设计的砂轮轮廓吻合度是很高的，轮廓精度达到一个比较高的水平。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、在砂轮轴向截面上，建立YZ坐标系，通过离散点建模方式，用离散向量Pw(zw,yw)表示砂轮轮廓离散点云；
步骤2、根据离散向量Pw(zw,yw)，砂轮厚度Bw、油石厚度Bd得到表示磨石轮廓曲线离散点云的离散向量Pd(zd,yd)＝kPw，其中比例系数k＝-Bd/Bw；
步骤3、求出自由曲线插补轨迹的离散点云的离散向量Ow(y,z)，从而得到整个修整路径的离散刀位点，其中：
y = - ( 1 + B d B w ) y w z = - ( 1 + B d B w ) z w ;
步骤4、在数控磨床上控制砂轮沿离散刀位点Ow走自由曲线数控插补轨迹进行修整，得到超硬砂轮的砂轮环面工作面。
2.根据权利要求1所述的自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：步骤1中通过所述离散向量Pw(zw,yw)的密度△z作为超硬砂轮自由曲线轮廓的精度控制参数。
3.根据权利要求1所述的自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于，所述离散向量Pw(zw,yw)的密度△z的取值范围为：0.05mm≤△z≤0.5mm。
4.根据权利要求1所述的自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：所述修整采用轴向进给方式，首先进行粗修整，选用磨石粒度为80～320目，切削深度a为50～200微米，进给速度vf为300～1000毫米/分钟；当砂轮自由曲线轮廓成型时，采用精修整，选用磨石粒度为600～1500目，切削深度a为1～50微米，进给速度vf为5～300毫米/分钟，修整中采用水或者水溶性切削液冷却。
5.根据权利要求4所述的自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于，所述粗修整及精修整均包括步骤：
步骤41、超硬砂轮在磨石的一侧外的第一起始点处沿自由曲线插补轨迹行走路径从左到右行走至插补轨迹的顶点处，再沿着与顶点相切的半径为大于2毫米的第一圆弧提起；
步骤42、从磨石的另一侧外的第二起始点处开始，沿着自由曲线插补轨迹从右至左行走至插补轨迹顶点处，再沿着与顶点相切的另一方向半径大于2毫米的第二圆弧提起；
步骤43、超硬砂轮从磨石一侧的第一起始点处沿着整个自由曲线插补轨迹作无进给的零磨削行走至磨石另一侧的第二起始点处；
步骤44、砂轮垂直向下进给切削深度a，再重复步骤41～步骤43，直至将自由曲线环面砂轮修整成型。
6.根据权利要求1所述的自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：所述的超硬砂轮为平行砂轮，直径为大于50毫米，轴向宽度为大于3毫米，主要由超硬磨料和结合剂为组成，超硬磨料粒度为46～3000目。
7.根据权利要求6所述的自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：所述的超硬磨料包括金刚石，立方氮化硼，所述的结合剂为青铜基或树脂基。
8.根据权利要求1所述的自由曲线环面超硬砂轮对磨修整成型方法，其特征在于：所述磨石为碳化硅磨石，初始几何形状为长方体，轴向厚度为10～25毫米，主要由绿色碳化硅磨料组成，结合剂为陶瓷，粒度为46～1500目。
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