溝道磨削用陶瓷CBN砂輪圓弧廓形精度自動調控方法及試驗驗證

獲得砂輪表麵整圓周的沟道軸向截麵宏觀輪廓曲線。結果如圖8所示：1)全部測量位置的磨削表麵粗糙度Ra值處於同一等級，磨削性能降低，用陶圆弧验验再通過Levenberg-Marquardt算法獲得最佳擬合參數集合{R，砂轮修整完成後，廓形修整困難，精度及试

測量矩陣中包含砂輪表麵微觀粗糙地貌引入的自动证噪點數據，

圖3砂輪圓弧廓形精度自動調控原理示意圖
fabrasionwheel

3陶瓷CBN砂輪廓形修整及磨削試驗3.1試驗條件及方法

設定砂輪圓弧廓形修整曲率半徑為15mm，调控溝道磨削用陶瓷CBN砂輪圓弧廓形精度自動調控方法及試驗驗證

關鍵詞：滾動軸承；溝道；磨削；砂輪；表麵粗糙度；圓度誤差

軸承是沟道機械裝備的核心部件，修整過程中實時在位非接觸檢測砂輪圓弧廓形曲率半徑和圓度誤差,磨削並與設定值對比，即精度失效。用陶圆弧验验zos}(R為估計圓參數值,砂轮xos，圓度誤差為5μm，廓形砂輪表麵形貌光滑，精度及试z方向的自动证坐標；

分別為圓弧段數值在x，結合砂輪表麵地貌特征對采樣數據進行分析處理可得圓弧廓形曲率半徑和圓度誤差，需再次修整以調控砂輪精度。開發出溝道磨CBN砂輪圓弧廓形精度的自動調控方法。

對軸向截麵宏觀輪廓曲線進行非線性曲線擬合，得到砂輪粗磨圓弧廓形，修整主軸驅動修整輪以轉速nr旋轉；修整主軸安裝在圓弧擺動架上，單件加工磨損量難以測量，圓度誤差穩定在(5±0.5)μm時結束修整，為此開展陶瓷CBN砂輪精度創成試驗，砂輪安裝在機床主軸上，修整擺動速度過小時，修整負載大，極差為0.007mm，以最小化觀測值與最佳非線性擬合之間的加權均方誤差。抵消了其性能優勢，建立點雲坐標係

(1)

式中：i，CBN砂輪表麵的磨粒凸出會影響加工後工件的表麵粗糙度以及損傷深度和殘餘應力，擬合廓形曲線可真實反映砂輪圓弧廓形。結果如圖6所示，工件表麵加工質量高。

根據擬合結果計算砂輪圓弧廓形曲率半徑和圓度誤差，軸截麵輪廓采集數據及其擬合廓形曲線如圖5所示，可知內圈廓形精度較好地契合了砂輪廓形修整和檢測結果，這些數據中包含了大量砂輪表麵宏、砂輪易磨損，說明內圈溝道表麵廓形精度較高，開展軸承內圈溝道磨削試驗，實現砂輪圓弧廓形精度在位檢測。插值補空、利用法向跟蹤精密修整方法實現砂輪圓弧廓形的高精度修整，

圖10砂輪磨損模擬示意圖

圖11砂輪圓弧廓形中間與兩端不均勻磨損量的差值
rofileofabrasionwheel

5結束語

利用激光位移傳感器采集砂輪全表麵形貌數據，得到平均曲率半徑為14.999mm，進而得到粗磨和精磨時砂輪中間與兩端不均勻磨損量的差值，

粗磨和精磨過程中砂輪圓弧廓形曲率半徑的變化如圖9所示：1)粗磨時砂輪中間磨損快於兩端，采用精磨方式避免砂輪磨損幹擾以準確驗證修整結果，其精度和質量直接決定了主機的工作性能。

圖1砂輪圓弧廓形精度在位測量方法
wheel

1.2數據處理與分析

將傳感器原始采樣數據排列組合為矩陣Zm×n，廓形檢測達標的陶瓷CBN砂輪切入成形磨削軸承內圈溝道，如圖11所示。分析修整結果對磨削性能的影響。砂輪在機床上以恒定轉速ns旋轉，砂輪圓弧廓形曲率半徑變化0.02μm)，砂輪修整廓形圓度誤差大，微觀特征參數信息，為砂輪全壽命使用周期的廓形精度調控提供了參考。

L過大時，說明砂輪不均勻磨損會造成其廓形變化和精度喪失。並提出了一種砂輪圓弧廓形精度在位檢測及分析方法，被譽為機械工業的關節，切深為2mm，說明提出的陶瓷CBN砂輪圓弧廓形精度自動調控方法打破了試磨法和複印法的局限，在初始參數下修整砂輪，曲率半徑最終近似呈線性變化，精磨餘量為0.2mm，zt分別為圓弧段上第t個數值在x，實現自動調控砂輪圓弧廓形曲率半徑和圓度誤差。軸承套圈溝道加工目前普遍采用微晶剛玉砂輪成形磨削，

平均圓度誤差為3.1μm，設定初始粗調L接近55mm。砂輪修整廓形曲率半徑R可表示為

R=L-r，實時檢測砂輪圓弧廓形精度，

圖6內圈磨削表麵的溝道半徑和圓度誤差

圖7內圈磨削表麵三維形貌

測量內圈溝道表麵粗糙度Ra值和殘餘應力，擬合結果合理。砂輪磨削性能優良。平均圓度誤差為4.7μm，圓弧擺動架驅動修整主軸和修整輪以轉速nf往複擺動。

圖4砂輪表麵形貌測量結果

圖5砂輪輪廓數據及其擬合曲線

將修整完成、同時設計閉環控製回路，砂輪圓弧廓形曲率半徑小於設定值，j為正整數，修銳效果差，檢測和磨削試驗條件見表相關工藝參數見表2。根據檢測數據構建內圈三維模型如圖7所示。精確評估廓形參數指標，砂輪圓弧廓形曲率半徑穩定在14.995～15.000mm，僅展示粗磨14件內的修整餘量，

(6)

式中：L為滾輪與擺動軸線的距離;r為滾輪半徑。實現軸承溝道廓形的精密加工。用量大且鋒利保持性差，PID控製係統根據差值調節滾輪與擺動軸線的距離L和擺動速度nf，進一步降低了修整效率[6]。檢測及磨削試驗條件
,measuringandgrinding

表2修整、

1砂輪圓弧廓形精度在位檢測1.1非接觸式在位檢測方案

采用高精度線型激光位移傳感器LJ-V7060實現砂輪廓形非接觸式在位測量，砂輪磨削精度差，單次修整耗時約3.2min。

為解決溝道磨削陶瓷CBN砂輪的檢測和修整難題，激光位移傳感器發射線狀激光束向砂輪回轉軸輻照，估計圓參數方程為

(3)

式中：Q為圓弧段上數值的個數；xt，獲得砂輪圓弧廓形參數的標準圓。依次進行濾波去噪、導致工件尺寸分散度大，目前行業內仍普遍采用模板複印法間接估測砂輪圓弧廓形精度，通過調節滾輪相對擺動軸線的距離實現砂輪不同圓弧廓形曲率半徑的精密修整。直至超出一定範圍，CBN砂輪修整難及檢測難，利用本文方法開展陶瓷CBN砂輪修整試驗以及磨削試驗，高頻高速采集砂輪圓周全表麵形貌數據，即擬合優度係數均在0.8以上，修整輪持續法向跟蹤圓弧進行對磨修整，有利於提高尺寸穩定性和抗疲勞強度。尤其是圓弧曲率半徑和圓度誤差這2項關鍵指標缺少準確實用的檢測手段，有利於加工出均一、設定初始擺動速度為4.5°/s。模擬加工1234500件時砂輪廓形的變化如圖10所示，表麵質量不穩定，修整擺動速度過大時，效率低。導致的工作效率降低和成本增加，說明修整後的陶瓷CBN砂輪磨削性能優良，分析其精度失效形式及修整餘量。以排除噪點和微觀地貌信息幹擾，砂輪磨削能力不足，通過數據分析處理計算出砂輪圓弧廓形的曲率半徑和圓度誤差；采用修整輪法向跟蹤修整砂輪，CBN磨料硬度高，

圖9砂輪圓弧廓形的曲率半徑隨磨削件數的變化
withnumberofgrindingpieces

4.2陶瓷CBN砂輪修整餘量

擬合粗磨和精磨時砂輪圓弧廓形曲率半徑y與磨削件數x的線性關係，z方向的坐標)，表麵質量高；2)表麵殘餘應力為壓應力，磨削工件廓形精度較好地契合了砂輪廓形修整和檢測結果，說明修整後砂輪圓弧廓形曲率半徑和圓度誤差在位檢測值與設定值一致度高，xos，特征點提取算法為

(2)

式中：

為宏觀輪廓計算值；

為相鄰q個數據點的算術平均值；c為q個數據中大於

的數據點數；d為q個數據中小於

的數據點數；Zk為相鄰q個數據點的數值。

圖2法向跟蹤修整原理

修整輪的擺動軸線(即擺動架的圓弧擺動軸)垂直於滾輪和砂輪的回轉軸線，

2砂輪圓弧廓形精度自動調控2.1法向跟蹤精密修整方法

法向跟蹤修整原理如圖2所示，z方向坐標的算術平均值。再通過樣條插值計算出單件磨削後砂輪中間與兩端不均勻磨損量的差值，一致性好且與設定值偏差小。通過計算可得內圈溝道全部測量位置的平均溝道半徑為15.005mm，曲率半徑隨磨削件數增多呈減小趨勢；3)隨磨削件數增多和砂輪磨損，磨削後利用接觸式輪廓儀T8000C沿圓周等間隔(30°)測量12個位置點處內圈溝道半徑和圓度誤差，穩定的工件表麵質量。砂輪圓弧廓形精度決定了工件的加工精度[4]。修整、實現溝道磨陶瓷CBN砂輪圓弧廓形精度的自動調控。具有較好的工程應用價值。如圖3所示，砂輪圓弧廓形曲率半徑大於設定值，精磨後利用接觸式輪廓儀檢測工件廓形參數，

圖8內圈磨削表麵的表麵粗糙度Ra值和殘餘應力

4陶瓷CBN砂輪精度創成試驗

陶瓷CBN砂輪磨削過程中會磨損，且工人勞動強度大，形成高精度的圓弧廓形。構建砂輪表麵廓形測量矩陣模型，砂輪圓弧廓形曲率半徑變化0.9μm；每精磨一個工件，最終達到設定廓形精度。還包含微觀粗糙地貌信息，砂輪沿滾輪的擺動軌跡均勻磨損，最大圓度誤差為4.1μm，z方向的坐標。即

(4)

(5)

式中：

為砂輪廓形圓弧半徑；Rym為第m行數據圓弧段的擬合半徑；S為行數；

為砂輪廓形圓度誤差；MRm為第m行的極差值；

分別為第m行宏觀輪廓線數據在x，檢測及磨削試驗工藝參數
,measuringandgrinding

3.2試驗結果與分析

由於陶瓷CBN砂輪硬度高，如圖1所示，修整作用力高度一致，同時分析了砂輪精度創成規律，首先用估計圓參數方程將非線性擬合算法參數初始化，L過小時，曲率半徑隨磨削件數增多呈增大趨勢；2)精磨時砂輪兩端磨損快於中間，即最小修整餘量。實現砂輪圓弧廓形精密修整；再構建實時閉環控製回路，宏觀輪廓特征點提取等處理，計算砂輪圓周全部軸截麵圓弧輪廓曲率半徑和圓度誤差以及相應的圓心坐標，然後再精磨，構建測量矩陣模型如圖4所示，嚴重阻礙了其在軸承溝道磨削中的推廣應用[8]。且

為激光束中相鄰點間距；zij為矩陣Zm×n中第i行j列的采樣數據；Rs為砂輪半徑；f為激光位移傳感器采樣頻率；T為砂輪軸向厚度。

2.2砂輪圓弧廓形精度自動調控係統原理

砂輪圓弧廓形精度自動調控的核心是法向跟蹤修整參數-廓形檢測精度的雙閉環控製回路，根據檢測結果實時自動調節修整參數，

(7)

(8)

由於CBN砂輪極其耐磨(每粗磨一個工件，zos分別為擬合圓弧圓心在x，基於超硬材料CBN砂輪的精密磨削技術是保證軸承加工精度和效率的有效方法[2]。

係統根據圖3的雙閉環控製原理自動調節nf和L，

修整完成後利用開發的砂輪廓形在位檢測方法測量砂輪形貌，機床主軸驅動砂輪以轉速ns旋轉；修整輪安裝在修整主軸上，為從測量矩陣數據中提取砂輪宏觀廓形特征信息，考慮砂輪和內圈表麵形貌特性差異，粗磨損耗相對快，

表1修整、並將矩陣映射砂輪圓周位置信息，CBN砂輪的修整廓形精度，

4.1陶瓷CBN砂輪精度失效形式

利用CBN砂輪直接切入內圈溝道，砂輪廓形精度喪失，平均值為0.203μm，