陳根余　藍(lán)圣增　王彥懿　歐陽征定　周偉　李明全　李杰

關(guān)鍵詞 成形砂輪；激光–機(jī)械自動化復(fù)合修整；計(jì)算機(jī)輔助制造；軌跡規(guī)劃

中圖分類號 TP23；TG74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0066-09

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0061

收稿日期 2022-04-29 修回日期 2022-05-20

超硬磨料（金剛石和立方氮化硼）制成的成形砂輪具有極高的硬度和耐磨性，在磨削工件時(shí)可以一次成形并減少加工工序，提高效率，在高速磨削、強(qiáng)力磨削和精密超精密磨削領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。但磨料自身的高硬度導(dǎo)致砂輪的修整極其困難。目前的修整方法中，機(jī)械法修整為主流[2]，其次為電火花修整[3]，兩者都有較成熟的設(shè)備和系統(tǒng)。張軍峰等[4] 針對ZN 蝸桿成形砂輪設(shè)計(jì)了一套修整器控制系統(tǒng)，可根據(jù)蝸桿參數(shù)生成砂輪截面形狀和對應(yīng)的雙軸機(jī)床修整程序；日本AMADA 公司研制的光學(xué)曲線磨床[5] 可對砂輪進(jìn)行平面雙軸聯(lián)動修整，是目前生產(chǎn)中常用的精密砂輪修整設(shè)備；黃水利等[6] 針對電火花工藝的放電特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電火花成形機(jī)床專用數(shù)控系統(tǒng)。在機(jī)械法修整系統(tǒng)的研究中，基本實(shí)現(xiàn)了雙軸聯(lián)動自動修整成形砂輪的功能，由于受機(jī)械修整工藝的限制，雖然節(jié)省了編程時(shí)間，但加工效率不高；相對于機(jī)械法修整，電火花法修整常用于細(xì)粒度砂輪，對于粗粒度砂輪和非導(dǎo)電材料的砂輪無法達(dá)到修整要求，適用面不廣。

機(jī)械法結(jié)合其他工藝的修整技術(shù)可以在保證精度的同時(shí)提高修整效率[7]。楊志波等[8] 在超聲修整的基礎(chǔ)上，引入激光進(jìn)行輔助修整，砂輪表面質(zhì)量明顯改善；ZHANG 等[9] 提出用CO2 激光輔助機(jī)械法修整陶瓷結(jié)合劑CNB 砂輪，結(jié)果減小了金剛石修整工具的磨損；王艷等[10] 利用激光束加熱砂輪表面， 降低了金剛石筆的磨損，提高了砂輪表面修整質(zhì)量；陳根余等[11] 對燒結(jié)成形的青銅金剛石砂輪進(jìn)行激光–機(jī)械復(fù)合修整仿真分析和參數(shù)優(yōu)化，通過試驗(yàn)使砂輪的跳動誤差大幅下降。以上研究表明激光–機(jī)械復(fù)合修整法是一種行之有效的修整方法，但目前其基本處在工藝驗(yàn)證階段，仍未形成自動化系統(tǒng)。

因此，在自主研制的激光–機(jī)械復(fù)合修整裝備基礎(chǔ)上，開發(fā)一套CAM 系統(tǒng)，在保證精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合修整工藝自動化，大幅提高成形砂輪修整效率。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 修整對象

修整對象主要是機(jī)械法和電火花法都難以修整的粗粒度超硬磨料砂輪，其結(jié)合劑為金屬、樹脂、陶瓷材料。砂輪典型的修整軌跡如圖1 所示，是由直線與圓弧拼接而成。

1.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)

機(jī)床實(shí)物如圖2 所示。該機(jī)床可對不同尺寸、形狀、幾何角度的砂輪進(jìn)行修整，主要由3 個直線軸和1個轉(zhuǎn)動軸組成。

機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 中：主軸Ⅰ為刀具軸，激光器和修整砂輪都安裝于主軸Ⅰ上；轉(zhuǎn)動平臺可繞中心W 軸轉(zhuǎn)動，平動平臺安裝在轉(zhuǎn)動平臺上，以轉(zhuǎn)動平臺為參考系沿U、V 兩正交直線軸運(yùn)動；主軸Ⅱ?yàn)楣ぜS，固定于平動平臺上，待修整砂輪安裝在主軸Ⅱ上。

主軸Ⅰ與機(jī)架可以相對滑動，起到加工前調(diào)整刀具位置的作用，而加工過程中不調(diào)整，機(jī)床可用于編程的軸有U、V、W、Z（激光焦點(diǎn)調(diào)整）4 軸。

機(jī)床性能參數(shù)如表1 所示。

1.3 砂輪復(fù)合修整CAM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

砂輪復(fù)合修整系統(tǒng)需要整合激光、機(jī)械兩者的加工特點(diǎn)和多軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)一定的修整軌跡生成策略，以適應(yīng)不同形狀的成形砂輪自動輸出從毛坯到成品的機(jī)床加工代碼。在激光修整砂輪的工藝試驗(yàn)中，當(dāng)脈沖激光滿功率輸出時(shí)，砂輪表面材料可以快速去除[12]，修整軌跡的位置誤差和跳動都較大。當(dāng)調(diào)低激光功率進(jìn)行切向修整時(shí)，對應(yīng)的激光去除量減小，修整精度明顯提升，但由于激光加工的熱影響，結(jié)合劑部分熔化重凝，其表面凹凸不平，金剛石磨粒也有部分石墨化。重凝層和石墨化層利用機(jī)械修整砂輪可輕易去除，所以按激光粗修、半精修、機(jī)械精修的修整策略進(jìn)行軌跡規(guī)劃。同時(shí)，結(jié)合機(jī)床平面三軸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為保證機(jī)械法加工一些尺寸小且較深的成形槽時(shí)不出現(xiàn)過切現(xiàn)象，需要計(jì)算平面三軸聯(lián)動刀路的最優(yōu)解，輸出正確的加工代碼。按照上述思路進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

修整程序基于NX 軟件二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，各功能模塊的主要入口如圖5 所示。

1.3.1 參數(shù)輸入

程序初始化之后，用戶根據(jù)加工情況輸入加工工具的外形參數(shù)，待加工圖紙文件等信息。程序讀取圖形文件后，提取保存文件實(shí)體點(diǎn)的坐標(biāo)以及點(diǎn)序等關(guān)鍵信息。

1.3.2 軌跡偏置

根據(jù)激光和機(jī)械等2 種加工方式的加工模式要求，需預(yù)留安全量或者生成等量進(jìn)給軌跡。軌跡偏置過程是將1 組有方向的平面曲線（在本文中是無縫相接的一系列直線段和圓弧段），往非實(shí)體部分方向以一定距離進(jìn)行偏置，并在偏置之后的線段或者弧線之間進(jìn)行連接或者裁剪。

圖6 是直線銜接和圓弧銜接示意圖，直線銜接一般用在端銑中，本文采用的是圓弧銜接。銜接用在凸形線往外擴(kuò)張的過程中形成的間隙；而凹形線向外擴(kuò)張時(shí)，會遇到自相交的情況。此時(shí)，需要將下一段偏置的線段與前一段已經(jīng)偏置的線段進(jìn)行求交并裁剪多余部分。

1.3.3 激光修整軌跡生成策略

激光的修整模式分為粗修整與半精修整。在粗修整過程中，采取每次等量去除的方式進(jìn)行修整，在預(yù)留一定安全余量的范圍內(nèi)，軌跡以S 形軌跡均勻進(jìn)給，軌跡示意圖如圖7 所示。

在激光半精修過程中，軌跡各段的余量較小，通過調(diào)整激光焦點(diǎn)位置控制去除量，采取不斷偏置逼近的方式，按余量由大到小進(jìn)行修整，軌跡策略如圖8 所示。

在設(shè)計(jì)輪廓的基礎(chǔ)上，預(yù)留機(jī)械法修整余量，偏置出一條安全軌跡，剩余的余量按50%， 25%， 15%， 10%的比例劃分，偏置出多條曲線生成加工程序，分步去除。

1.3.4 機(jī)械修整軌跡生成策略

經(jīng)過激光處理后的砂輪，仍有少部分余量由機(jī)械法進(jìn)行修整。機(jī)械修整除了確定每個刀路點(diǎn)位置，還需計(jì)算刀軸方向，即在每個加工位置下，確定機(jī)床B 軸的坐標(biāo)。刀軸方向在理想情況下，應(yīng)該始終垂直于工件表面，這樣可以保證：（1） 最大線速度切削；（2）最大正應(yīng)力作用到工件表面。但實(shí)際上在復(fù)雜輪廓中，會出現(xiàn)刀具過切的情況，無法做到始終垂直，因此需要進(jìn)行碰撞規(guī)避。在試驗(yàn)中，碰撞發(fā)生在槽的底面底角處，因此發(fā)生碰撞時(shí)需將刀軸往槽的開口方向旋轉(zhuǎn)以避免碰撞，旋轉(zhuǎn)中心必須是圓弧中心，這樣才能保證刀具頂端圓弧始終有某點(diǎn)接觸工件。

碰撞規(guī)避原理上就是幾何元素實(shí)體求交，若有交集則進(jìn)行偏移規(guī)避。試驗(yàn)中的軌跡為二維曲線，主要元素為直線段和圓，需分析下述3 種情況：

（1）直線段與直線段求交，如圖9 所示。

按上述原理對每一個刀路點(diǎn)進(jìn)行求交計(jì)算，如果刀具發(fā)生碰撞，則通過調(diào)整B 軸角度來改變刀具姿態(tài)，最終生成三軸聯(lián)動修整刀路。

1.3.5 加工仿真界面

仿真分析時(shí)，建立仿真環(huán)境，將得到的最終坐標(biāo)值，通過圖形界面仿真整個流程中刀具與工件之間的相對位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，直觀地檢查程序的正確性。圖12 為圖形仿真界面。

1.3.6 后置處理

為方便計(jì)算，機(jī)械軌跡都是基于偏置軌跡、刀尖圓心軌跡、機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心重合的方式進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際加工時(shí)，對刀點(diǎn)為刀尖點(diǎn)，機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心也在此處，故需要對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再將這些轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，按照機(jī)床可讀的方式輸出程序。圖13 為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的是燒結(jié)制成的青銅結(jié)合劑金剛石平行砂輪，其截面形狀如圖14 所示，其材料屬性如表2 所示。

修整刀具為金剛石砂輪，其外徑為150 mm，刀尖（參與加工部分）形狀如圖15 所示。

修整所使用的脈沖光纖激光器型號為SP-200P-AEP-Z-L-Y，激光中心波長為1 064 nm、平均功率為200 W，脈沖寬度為10 ns，脈沖重復(fù)頻率為1～4 000 kHz。

2.2 砂輪修整試驗(yàn)

砂輪修整流程分為：程序生成、激光修整、機(jī)械修整。

第1 步為程序生成。在軟件中輸入圖紙文件，設(shè)定好刀具砂輪參數(shù)，在圖形界面選取需要參與加工的軌跡，即可自動生成激光粗修、半精修及機(jī)械精修的所有機(jī)床加工代碼，通過加工仿真界面可以觀察每一步程序刀具相對于工件的位置，檢查代碼是否正確。

第2 步為激光修整。加工方式如圖16 所示。

運(yùn)行激光粗修程序，激光參數(shù)如表3 所示。使用激光快速去除材料，將修整余量去除至150 μm 左右。

運(yùn)行激光半精修程序，激光參數(shù)如表4 所示，進(jìn)一步將修整余量降低至20 μm以內(nèi)。

第3 步為機(jī)械精修。切換至修整砂輪加工，如圖17所示，運(yùn)行機(jī)械修整程序，將砂輪形狀誤差降至10 μm內(nèi)，提高表面質(zhì)量，減少圓跳動。機(jī)械修整時(shí)機(jī)床參數(shù)見表5。

在修整結(jié)束后，使用VHX-6000 超景深顯微鏡對砂輪進(jìn)行檢測，驗(yàn)證加工效果。

3 結(jié)果與討論

3.1 修整效率計(jì)算

復(fù)合修整領(lǐng)域尚無類似系統(tǒng)的研究，本文中砂輪修整的加工代碼由CAM 系統(tǒng)自動生成，提高了復(fù)合修整程序編程效率。

激光粗修時(shí)分步進(jìn)給，去除量按式（9）計(jì)算。

機(jī)械修整效率按表5 數(shù)據(jù)計(jì)算，最大去除速度為5.88 mm3/min，激光結(jié)合機(jī)械的修整方法綜合效率優(yōu)于純機(jī)械修整的。

3.2 砂輪表面形貌

圖18 為超景深顯微鏡拍攝的激光機(jī)械復(fù)合修整后的砂輪成形面三維形貌圖，圖19 為砂輪表面顯微照片。

在圖18 中，砂輪成形面輪廓均勻連貫。圖19 中的結(jié)合劑平整，金剛石磨粒質(zhì)量完好。

3.3 砂輪精度驗(yàn)證

使用修整后的砂輪磨削工件，磨削完成后在工件上沿軌跡間隔取點(diǎn)，并與理論輪廓進(jìn)行比對，位置偏差分布如圖20 所示。

由圖20 可知：正向最大誤差為3.8 μm，負(fù)向最大誤差為5.3 μm，整體輪廓誤差為9.1 μm，滿足精度在10 μm以內(nèi)的要求。

在砂輪成形槽底面測徑向圓跳動，結(jié)果見圖21。由圖21 可知： 徑向圓跳動最大值與最小值的差值為6.1 μm。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)的成形砂輪激光–機(jī)械復(fù)合修整CAM 系統(tǒng)，可根據(jù)激光加工和機(jī)械加工的特點(diǎn)進(jìn)行刀路軌跡規(guī)劃；利用激光可以快速去除超硬磨料的優(yōu)點(diǎn)，生成填充式軌跡和逼近式偏置軌跡，可去除砂輪表面絕大部分材料；再結(jié)合機(jī)械法精修激光修整產(chǎn)生的微量結(jié)合劑重熔層和磨粒石墨變質(zhì)層。相比于成形砂輪二軸加工系統(tǒng)，其增加了平面三軸聯(lián)動刀路的求解計(jì)算，以適應(yīng)更多成形軌跡砂輪的連續(xù)修整，實(shí)現(xiàn)其自動化復(fù)合修整。

（2） 激光修整最大去除速度為212.36 mm3/min，修整后砂輪表面形貌良好，位置正向最大誤差為3.8 μm，負(fù)向最大誤差為5.3 μm，整體輪廓誤差在9.1 μm 以內(nèi)，徑向圓跳動控制為6.1 μm。修整系統(tǒng)在滿足精度要求的同時(shí)，修整效率有明顯提高。