一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮电火花复合修整装置.pdf

本发明公开了一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，包括底座、Y轴进给机构、Z轴进给机构、修整器、砂轮轮廓检测台以及控制系统；其中，所述Z轴进给机构安装在所述底座的上方，Y轴进给机构安装在Z轴进给机构的上方，所述修整器和砂轮轮廓检测台均安装在Y轴进给机构上，砂轮轮廓检测台安装在修整器的侧面，所述控制系统分别与Z轴进给机构、Y轴进给机构以及修整器连接；所述修整器为杯形砂轮-电火花复合修整器。该装置为结合了杯形砂轮修整法与电火花修整的一种修整装置，可以根据不同的工况选择合适的修整方法。

1.  一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：包括底座、Y轴进给机构、Z轴进给机构、修整器、砂轮轮廓检测台以及控制系统；其中，所述Z轴进给机构安装在所述底座的上方，Y轴进给机构安装在Z轴进给机构的上方，所述修整器和砂轮轮廓检测台均安装在Y轴进给机构上，砂轮轮廓检测台安装在修整器的侧面，所述控制系统分别与Z轴进给机构、Y轴进给机构以及修整器连接；所述修整器为杯形砂轮-电火花复合修整器。

2.  根据权利要求1所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述杯形砂轮-电火花复合修整器包括杯形砂轮、用于使杯形砂轮旋转的中空主轴、固定在中空主轴内部的导电滑环以及用于驱动中空主轴旋转的第三电机。

3.  根据权利要求1或2所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述修整器还设置有用于安装通风管的管螺纹孔。

4.  根据权利要求2所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述导电滑环为水银滑环或电刷滑环。

5.  根据权利要求4所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：当需要使用杯形砂轮修整时，将所述杯形砂轮安装在固定在所述中空主轴端部的固定盘上，使用杯形砂轮对目标物进行修型和修锐；当需要使用电火花修整时，将杯形砂轮用石墨电极替换，并且将所述石墨电极与导电滑环连接，对目标物进行电火花修整。

6.  根据权利要求5所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述Z轴进给机构包括第一电机和第一丝杠螺母副。

7.  根据权利要求6所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述Y轴进给机构包括第二电机和第二丝杠螺母副。

8.  根据权利要求7所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述砂轮轮廓检测台包括外壳、压紧装置以及复写装置，所述压紧装置和复写装置位于外壳的内部，通过压紧装置将复写装置固定，所述复写装置为碳片。

9.  根据权利要求8所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述压紧装置包括压紧块、压紧螺钉和楔块，压紧块与压紧螺钉连接，楔块的斜面与压紧块接触，楔块斜面对面的垂直面与所述复写装置接触。

10.  根据权利要求9所述的砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，其特征在于：所述控制系统为PLC，所述PLC分别与所述第一电机、第二电机以及第三电机连接，以控制它们的运行。

一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置
技术领域
本发明涉及砂轮修整领域，尤其是一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置。
背景技术
金刚石和立方氮化硼(CBN)砂轮统称为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮适于磨削硬、脆、有色金属和硬质合金、光学玻璃、陶瓷、宝石等高硬度、高脆性的非金属材料。超硬磨料砂轮修整技术是修整技术的新领域，修整技术发展至今，修整工具己形成种类丰富的系列家族，许多新的修整工具是高科技产品，修整技术的发展趋于高精、高效及自动化，给超硬磨料砂轮的修整带来了新课题。
目前常用的修整方式有金刚石笔修整法、金刚石滚轮修整法、ELID修整法等。但这几种方式都无法得到良好的修整效果。例如：金刚石笔与金刚石滚轮法无法修型修锐同时进行，修整后砂轮不锋利，ELID修整法设备复杂，仅适用于金属结合剂砂轮，并且对于大直径金刚石砂轮修整效率差。
⑴杯形砂轮修整法。
针对于以上问题，日本的庄司克雄教授提出了用GC或WA的普通砂轮作为修行工具进行修形的方法。因使用的砂轮是杯形，故称之为杯形修整法。
杯形砂轮修整法修整金刚石的机理，主要是在修整过程中从杯形砂轮上脱落下来的磨粒对金刚石磨粒和结合剂桥的冲击以及研磨作用从而产修整效果。GC砂轮硬度越低，脱落下来的磨粒粒径越大，修整比越高，但金刚石砂轮表面切削刃密度越低。
杯形修整法修整的优点：
①这种依靠从GC杯形砂轮上脱落磨料于金刚石砂轮的研磨作用，因此使用它对密实性金刚石砂轮进行修整时，不仅可以整形，而且也同时修锐。而对有气孔的(结合剂疏松型)陶瓷结合剂金刚石砂轮来说，无疑这种修整机理和效果也是十分好的。
②普通金刚石笔或金刚石滚轮横向进给修整超硬磨料平行砂轮时，由于磨损作用其母线会变为斜线或中凸，该修整技术采用切入运送方式，没有修整轮平行于砂轮母线的运动，故不会因磨损造成而使被休整砂轮产生母线倾斜。
⑵电火花修整的基本原理是金属基超硬磨料砂轮作为正极，自制工具电极作为阴极，使砂轮与工具电极之间充满绝缘介质，当砂轮与工具电极之间的间隙小于放电间隙时，产生电火花放电，在砂轮与电极之间形成放电通道，电火花放电放出大量的热量，形成一个 瞬时热源作用在砂轮与电极表面，使电极和砂轮结合剂高温熔化甚至气化。
金刚石磨粒有效地暴露出来，从而达到整形和修锐的目的。由于金刚石和立方氮化硼超硬磨粒不导电，所以放电只会在砂轮结合剂和工具电极之间产生，有利于对超硬磨粒的保护。粗整形阶段加大电火花放电参数可使金刚石磨粒碳化，从而去除砂轮偏心量进行整形；小的放电参数可使结合剂材料去除，使得金刚石磨粒突出砂轮表面，使砂轮变得锋利。
电火花修整法的优点：
①可进行在位、在线修整，易于保证砂轮的磨削精度；
②修整后的砂轮锐利，磨削力小；
③可以方便地实现对成形砂轮的快速，高精度修整；
④与接触式比较，电火花修整采用非接触式修整方式，避开了与超硬磨料直接接触，保护了修整装置，并可以通过调节放电参数选择性去除结合剂和磨料。
但是，目前还没有一种修整装置可以整合杯形砂轮修整法与电火花修整方法的优势，根据工况选取适宜的方法，解决普通修整方式造成的修型修锐无法同时进行，以及修整后磨粒钝化的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，该装置为结合了杯形砂轮修整法与电火花修整的一种修整装置，该装置可以根据工况选取适宜的方法，克服了普通修整方式造成的修型修锐无法同时进行，以及修整后磨粒钝化的问题。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，包括底座、Y轴进给机构、Z轴进给机构、修整器、砂轮轮廓检测台以及控制系统；其中，所述Z轴进给机构安装在所述底座的上方，Y轴进给机构安装在Z轴进给机构的上方，所述修整器和砂轮轮廓检测台均安装在Y轴进给机构上，砂轮轮廓检测台安装在修整器的侧面，所述控制系统分别与Z轴进给机构、Y轴进给机构以及修整器连接；所述修整器为杯形砂轮-电火花复合修整器。
优选的，所述杯形砂轮-电火花复合修整器包括杯形砂轮、用于使杯形砂轮旋转的中空主轴、固定在中空主轴内部的导电滑环以及用于驱动中空主轴旋转的第三电机。
优选的，所述杯形砂轮为具有阶梯式外径的杯形砂轮，包括大圆周段和小圆周段两部分，所述杯形砂轮的大圆周段的表面用于修整目标物的外圆周表面，所述杯形砂轮的大圆周段的侧面用于修整目标物的端面。
优选的，所述具有阶梯式外径的杯形砂轮的大圆周段的半径与小圆周段的半径差为5～10mm。
优选的，所述具有阶梯式外径的杯形砂轮的总高度为15～20mm，且大圆柱段的高度小于目标物的壁厚。
优选的，所述修整器还设置有用于安装通风管的管螺纹孔。通过向修整器内部通入气体，达到冷却修整器的目的。
优选的，所述导电滑环为水银滑环或电刷滑环。
优选的，所述杯形砂轮通过一个固定在中空主轴上的固定盘安装在所述中空主轴上。
优选的，当需要使用杯形砂轮修整时，将所述杯形砂轮安装在固定在所述中空主轴端部的固定盘上，使用杯形砂轮对目标物进行修型和修锐；当需要使用电火花修整时，将杯形砂轮用石墨电极替换，所述石墨电极与导电滑环连接，对目标物进行电火花修整。
优选的，所述Z轴进给机构包括第一电机和第一丝杠螺母副。第一电机带动第一丝杠螺母前后运动。
优选的，所述Y轴进给机构包括第二电机和第二丝杠螺母副。第二电机带动第二丝杠螺母做上下运动。
优选的，所述砂轮轮廓检测台包括外壳、压紧装置以及用于复写砂轮轮廓的复写装置，所述压紧装置和复写装置位于外壳的内部，通过压紧装置将复写装置固定。
优选的，所述复写装置为碳片。
优选的，所述压紧装置包括压紧块、压紧螺钉和楔块，压紧块与压紧螺钉连接，楔块的斜面与压紧块接触，楔块斜面对面的的垂直面与所述复写装置接触。通过控制压紧螺钉的运动方向来控制复写装置的夹紧和放松。
优选的，所述控制系统为PLC，所述PLC分别与所述第一电机、第二电机以及第三电机连接，以控制它们的运行。
本发明的有益技术效果为：
1、该复合修整器为结合了杯形砂轮修整法与电火花修整的一种复合修整器，使得在同一个修整器上，可以同时实现杯形砂轮的修正和电火花修整，克服了普通修整方式造成的修型修锐无法同时进行，以及修整后磨粒钝化的问题，提高了修整能力。
2、在该装置使用具有阶梯式外径的杯形修整轮，即可修整超硬磨料砂轮的外圆周表面，又可修整超硬磨料砂轮侧面，可降低磨削力，提高修整精度，此外通过对具有阶梯式外径的杯形修整轮的结构和尺寸进行优化设计，使得修整力更加均匀，进一步提高了修整精度。
3、本实用新型精度高(Z轴进给精度为1μm)，有稳定可靠的控制系统。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为修整器的结构示意图；
图3为砂轮轮廓检测台的结构示意图；
图4为控制系统的结构示意图；
图5为Z轴进给精度图。
图6为采用阶梯式外径修整轮修整超硬磨料砂轮端面的运动示意图；
图7为阶梯式外径修整轮；
其中，1、第二电机，2、基体，3、第一电机，4、底座，5、修整器，6、丝杠，7、外壳，8、碳片，9、压紧块，10、压紧螺钉，11、楔块，12、杯形砂轮，12-1、杯形砂轮的大圆周段，12-2、杯形砂轮的小圆周段，13、密封圈，14、端盖，15、轴承顶圈，16、圆柱壳，17、轴承，18、锁紧螺母，19、中空主轴，20、水银滑环，21、大带轮，22、皮带，23、小带轮，24、第三电机底座，25、第三电机，26、砂轮轮廓检测台，27、PLC，28、被修整的超硬磨料砂轮。
具体实施方式
由图1和图4可知，一种外圆磨超硬磨料砂轮杯形砂轮-电火花复合修整装置，包括底座4、Y轴进给机构、Z轴进给机构、修整器5、砂轮轮廓检测台26以及控制系统；其中，所述Z轴进给机构安装在所述底座4的上方，Y轴进给机构安装在Z轴进给机构的上方，所述修整器5和砂轮轮廓检测台26均安装在Y轴进给机构上，砂轮轮廓检测台26安装在修整器5的侧面，所述控制系统分别与Z轴进给机构、Y轴进给机构以及修整器5连接；所述修整器5为杯形砂轮-电火花复合修整器。
如图2可知，所述杯形砂轮-电火花复合修整器包括杯形砂轮12、用于使杯形砂轮12旋转的中空主轴19以及固定在中空主轴19内部的导电滑环20、设置在中空主轴19端部的大带轮21、第三电机25，设置在第三电机24输出轴上的小带轮23以及用于固定第三电机25的第三电机底座24，小带轮23通过皮带22与大带轮21连接，中空主轴19通过轴承17固定在圆柱壳16上，中空主轴19通过端盖14、轴承顶圈15、锁紧螺母18以及密封圈13卡紧密封，此外，轴承顶圈15还可以起到调节预紧力的作用。导电滑环固定在中空主轴内部，上端固定，通过导线与修整电极或导电修整轮连接；
导电滑环20可为水银滑环或电刷式滑环。
第三电机24为直流电机。当需要使用杯形砂轮进行机械修整时，杯形砂轮12安装在固定在所述中空主轴19端部的固定盘上，对目标物进行修型和修锐；修型完毕，当需要使用电火花修整时，将杯形砂轮12用紫铜电极替换，所述紫铜电极与导电滑环20连接，控制电极与砂轮的间隙，对目标物进行电火花修整。还可以采用金属结合剂或导电树脂结合剂 的碳化硅磨料砂轮作为杯形导电修整轮，对目标物砂轮进行电火花与机械复合修整；中空主轴19在第三电机25带动下旋转。
如图6所示为采用阶梯式外径修整轮修整超硬磨料砂轮端面的运动示意图，如图7所示为阶梯式外径修整轮，由图可知本发明砂轮可以为具有阶梯式外径的杯形砂轮，包括大圆周段12-1和小圆周段12-2两部分，其中杯形砂轮的大圆周段12-1的表面a用于修整目标物28的外圆周表面，杯形砂轮的大圆周段12-1的侧面b用于修整目标物28的端面。
具有阶梯式外径的杯形砂轮的大圆周段的半径与小圆周段的半径差为5～10mm。
具有阶梯式外径的杯形砂轮的总高度为15～20mm，且大圆柱段的高度小于目标物的壁厚。
Z轴进给机构包括第一电机3和第一丝杠螺母副。第一电机3带动第一丝杠螺母副前后运动。所述Y轴进给机构包括第二电机1和第二丝杠螺母副。第二电机1带动丝杠螺母沿丝杠6做上下运动。
如图3可知，砂轮轮廓检测台26包括外壳7、压紧装置以及复写装置，压紧装置和复写装置位于外壳1的内部，通过压紧装置将复写装置固定。其中，复写装置为碳片8，压紧装置包括压紧块9、压紧螺钉10和楔块11，压紧块9与压紧螺钉10连接，楔块11的斜面与压紧块9接触，楔块11斜面对面的的垂直面与所述碳片8接触。通过控制压紧螺钉10的运动方向来控制碳片8的夹紧和放松。
如图4所示，所述控制系统为PLC27，控制系统分别与第一电机3、第二电机1以及第三电机25连接，以控制它们的运行。
完成金刚石砂轮的修整，一套完善的修整系统是必要的。根据外圆磨床的具体情况，我们选择将整套修整系统安装在磨床导轨，并可以沿导轨调整位置。由于修整器5修整金刚石砂轮过程修整器5的运动有径向进给和切向运动，故该套修整系统可以进行Y、Z两个方向的调节。由于本装置具有在位修整和在位测量的特点，所以将砂轮轮廓检测台26固定在修整器5上，并随修整器5沿Y、Z轴运动。该系统可应用于手动、自动和数控外圆磨床的超硬磨料砂轮修整，不需修改现有机床结构与系统。被修整砂轮的类型可以是树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂的超硬磨料砂轮。系统可修整从粗到超细粒度的超硬磨料，且砂轮修整效率高。
修整器5参数指标：
⑴垂直方向(Y轴)往复运动速度1～5m/min；
⑵修整轮转速200～2000rpm；
⑶水平方向(Z轴)进给分辨率是1μm。
Y轴和Z轴运动又分别可以进行连续运动及点动。连续运动Z轴速度0.1～0.5m/min，Y轴速度0.1～2m/min。点动速度Z轴分三档分别为1μm、10μm、100μm，Y轴分三档分别为10μm、100μm、1mm。
控制系统类似于磨床的CNC系统。可以实现进给、Z轴往复运动。进给可以分为上位进给、下位进给(下位默认为下限位)、双位进给三种方式。进给次数可调、进给量也可调。同时电机转向可以分为正向、反向、换向三种方式。
修整器5可实现杯形砂轮修整法与放电修整法相结合。第三电机24带动小带轮23转动，小带轮23通过皮带22带动大带轮21转动，减速比为1:2。大带轮21通过螺钉固定在中空主轴19上，通过锁紧螺母18、端盖14等定位于卡紧。采用P4级精密轴承17作为运动支撑。杯形砂轮12端面跳动在2μm以内，转速范围100r/min～2000r/min。
对于整套修正系统而言，Y轴需要的精度并不高，但Z轴要求精度比较高。所以对Z轴的进给做了如下实验：用基恩士激光检测仪进行了检测，Z方向连续前进20步，每步1μm。精度曲线如图5所示，A与B表示两步之间的距离，如图5下方所示为1μm，所以精度达到了所设计的值。
本修整系统还集成了电火花修整的功能。水银滑环20上端卡在中空主轴19上，下端自由。上下两端能够相对转动，最高支持转速2000r/min。当需要电火花修整时，将导电滑环20通电，杯形砂轮12替换为紫铜电极，并且紫铜电极与导电滑环20连接，就可以实现放电修整。当杯形修整与电火花修整复合修整时，可以将砂轮12替换为金属结合剂或导电树脂结合剂的碳化硅磨料砂轮作为杯形导电修整轮，其中金属结合剂可以为铜结合剂。
当超硬磨料砂轮被杯形砂轮12修整后，横向移动杯形砂轮12到砂轮轮廓检测台26的位置，将砂轮轮廓复写在轮廓检测台26的碳片8上。复写原理：由于碳片8质地较软，所以，金刚石砂轮可以通过对碳片8进行打磨，金刚石砂轮的颗粒轮廓复印到碳片8上。
该检测台定位方式为两面定位(基体的侧面及下表面)，夹紧方式为楔紧。顺时针旋转压紧螺钉10，压紧螺钉10向下运动从而带动压紧块9有向下移动的趋势。由于斜面的作用，压紧块9向右挤压楔块11，从而夹紧碳片8。
修整金刚石砂轮28外圆周面时，首先让金刚石砂轮旋转，然后对刀。通过第二电机1旋转找到修整器5在Y轴的往复运动的上位与下位。通过第一电机3进行Z轴的进给运动。第三电机25杯形砂轮12旋转，用杯形砂轮12端面与金刚石砂轮母线相接触，杯形砂轮12相对于金刚石砂轮做切向往复运动，并且沿着金刚石砂轮的径向有进给，同时杯形砂轮12旋转时沿着砂轮母线方向有转动达到对磨的效果，从而达到修整的目的。
修整直线型金刚石砂轮端面时，如图6所示，阶梯外径形状的修整轮12沿图6所示方 向往复运动，被修整砂轮28沿图6所示方向手动微进给，通过不断的往复与进给达到修整效果。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。