一、研究背景
随着各行业对齿轮精度要求的不断提高,磨齿工艺正在成为齿轮生产工艺中最常用、最重要的手段之一。我国和德国、日本等工业强国在机械制造行业上的差距,除了设备、技术上的差距,对工艺参数的把控也是其中的核心环节之一。
以磨齿为例,目前我国一些大公司的设备全部从欧美国家进口,厂房设置基本符合欧美国家要求,操作人员也经过了反复培训,操作方法熟悉,但加工出来的零件精度有所不及,同一砂轮的寿命更可能有倍数的差距。这其中,砂轮的修整参数和磨削参数是非常重 要的两个影响因素。笔者就此对蜗杆磨砂轮进行寿命评估研究。
二、蜗杆磨砂轮寿命主要影响因素
蜗杆磨砂轮的损耗主要体现在直径方向和轴向两个方面。直径方向的损耗主要是砂轮修整带来的,目的是将已经破坏或达不到加工精度要求的砂轮齿面表层去除,类似于滚刀、剃刀等的修磨。轴向损耗主要来源于砂轮蹿刀,目的是防止砂轮的同一个位置反复磨削工件,导致工件表面粗糙度达不到要求,或者出现磨削烧伤。
直径方向损耗
砂轮直径方向的损耗分为两种,一种是新砂轮修磨损耗,一种是砂轮加工过程中的正常修磨损耗。
新砂轮修磨损耗:砂轮三维外形如图 1 所示。一般新到厂的砂轮因为开槽精度的问题,在压力角、砂轮表面粗糙度等方面并不满足加工要求,需要进行修磨。
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针对 80 粒度砂轮,砂轮每一修整回合一般在直径方向修掉 0.03 mm,进口新砂轮通常需要修整 100 回合,因此将在直径方向修掉约 3 mm。个别国产砂轮制作粗糙,新砂轮需要修整 200 甚至 300 回合,新砂轮在直径方向的修整损耗达到 6 mm 或 9 mm。
砂轮加工过程中正常损耗:正常加工过程中,为保证被加工齿轮的齿部精度、齿面粗糙度等,需要定期对砂轮表面进行修整。砂轮修整损耗如图 2 所示。
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砂轮正常修整仍以回合为单位,通常一次修整为10 回合,其中 8 回合为粗修整,2 回合为精修整。针对 80 粒度砂轮,粗修整每次在直径方向去除 0.03 mm,精修整每次在直径方向去除 0.02 mm。因此,每次修整在直径方向的去除量 d 约为 0.28 mm。
砂轮在直径方向上的修整并不是无限制的,修整到一定直径后,引发机床 X 方向行程和安全限制,机床将停止修整。以外径为 280 mm、宽度为 260 mm、内孔为 115 mm 的砂轮为例,砂轮齿根可修整到的最小限制直径在 200 mm 左右。
假设某砂轮大径为 Φ1 ,砂轮齿根限制直径为 Φ2 ,被加工齿轮的齿全高为 h,则估算用上述几何尺寸砂轮加工齿轮时可修整的次数 k 为:
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轴向损耗
砂轮磨削如图 3 所示。为防止砂轮的同一位置反复磨削工件,造成被加工齿轮齿面烧伤、粗糙度不达标或者精度超差,砂轮在磨削过程中采用动态蹿刀,即加工过程中砂轮时刻都在蹿刀。
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砂轮沿自身轴向方向蹿刀,蹿刀运动与机床主轴的进给联动,输入的蹿刀量为 0.05 mm,表示机床主轴每进给 1 mm,砂轮沿自身轴向蹿刀 0.05 mm。
磨削过程中,为避免砂轮与工件产生碰撞对砂轮造成损伤,也为了减轻磨削载荷,需要在进刀时增加一段超越行程 Z1。出刀时,为了能完全出刀,也需要增加一段出刀量 Z2。进刀和出刀如图 4 所示。
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因此,磨削过程中,砂轮沿机床主轴方向的实际运动距离 L 为:
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式中:D1 为被加工齿轮宽度。
笔者公司磨齿加工一般分为三行程或四行程,每行程的蹿刀量不同。以三行程为例,假设第一行程粗磨的蹿刀量为 a,第二行程半精磨的蹿刀量为 b,第三行程精磨的蹿刀量为 c,那么加工每个零件的总蹿刀量 y 为:
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在蹿刀过程中,砂轮并不能在整个宽度上实现蹿刀,通常的有效蹿刀范围为砂轮宽度的 70% 。因此,砂轮每修整一次可以加工的零件数量 n 约为:
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式中:D2 为砂轮宽度。
三、砂轮寿命评估
砂轮寿命评估公式
砂轮的寿命 N 可估算为:
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式中:k 为可修整次数。
实例
假设某被加工零件宽度为 50 mm,齿全高为 12.85 mm,所用砂轮外径为 280 mm,宽度为 160 mm,内孔直径为 115 mm,砂轮齿根限制直径为 200 mm,进刀超越行程 Z1 为 35 mm,出刀量 Z2 为 5 mm,三行程的蹿刀量分别为 0.05 mm、0.04 mm、0.035 mm,修整量取常用值,则该砂轮的加工寿命 N 约为:
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四、结束语
笔者对蜗杆磨砂轮进行寿命评估研究,磨齿所用砂轮直径、宽度,被加工零件宽度、全齿高、螺旋角,砂轮单次修整量,蹿刀量,磨削行程数等因素都会对砂轮寿命产生影响,以上因素大部分不可更改,因此要延长砂轮寿命,应该从砂轮单次修整量、磨削蹿刀量、磨削行程数等方面进行优化。
参考文献略.