砂帶磨削是一種高效、經(jīng)濟(jì)、用途廣泛，并有“萬(wàn)能磨削”之稱的新型磨削工藝，它具有“彈性磨削”和“冷態(tài)磨削”的特點(diǎn)，因此能獲得很高的加工精度和表面質(zhì)量[1,2]。 國(guó)外將砂帶磨削用于精密、超精密加工，精度已達(dá)微米級(jí)，表面粗糙度已達(dá)到Ra(0.01～0.25)μm[3-6]。我們的實(shí)驗(yàn)表明對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行開式砂帶磨削能有效地降低表面粗糙度，獲得最優(yōu)的表面粗糙度可達(dá)Ra0.48μm[3,7]；本文將以尺寸精度和圓度誤差為研究對(duì)象，通過細(xì)長(zhǎng)軸砂帶磨削實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究砂帶磨削后細(xì)長(zhǎng)軸工件的尺寸精度和圓度的變化，分析影響砂帶磨削加工精度的因素，指出提高砂帶磨削精度的措施。

       1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方法

       開式砂帶磨削采用成卷的砂帶，通過收帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)砂帶作緩慢的移動(dòng)，砂帶由接觸輪壓向工件實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的磨削加工。由于砂帶緩慢的移動(dòng)，磨粒不斷投入磨削，磨削效果一致性好[8]。根據(jù)砂帶磨削實(shí)驗(yàn)需要，筆者設(shè)計(jì)了一臺(tái)綜合砂帶磨削裝置，將其裝夾在車床的橫拖板上，并隨車床橫拖板作縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)砂帶磨削(見圖1)。
       開式砂帶磨削裝置(見圖2)由電機(jī)、減速器、放帶輪、收帶輪和接觸輪組成。在該裝置中接觸輪系統(tǒng)是核心結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)制造精度及運(yùn)動(dòng)精度會(huì)通過砂帶影響加工質(zhì)量、效率及工作可靠性，為此在設(shè)計(jì)中接觸輪采用光滑型接觸輪，其外層是一層橡膠，橡膠材料可根據(jù)工件精度和表面粗糙度要求不同進(jìn)行選擇；另外由于接觸輪與工件以直線接觸進(jìn)行磨削，當(dāng)接觸輪與工件軸線不平行不僅會(huì)導(dǎo)致加工誤差降低砂帶的利用率，同時(shí)容易產(chǎn)生砂帶跑偏現(xiàn)象，因此作者將接觸輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩自由度調(diào)偏結(jié)構(gòu)(見圖3)。
       實(shí)驗(yàn)方法：選長(zhǎng)徑比為15--20的若干個(gè)軸，首先在車床上進(jìn)行外圓車削，然后用所設(shè)計(jì)砂帶磨削裝置對(duì)工件進(jìn)行砂帶磨削(干磨)(見圖2)，完工后隨機(jī)抽取若干工件測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，分析砂帶磨削前后加工精度的變化。
       實(shí)驗(yàn)條件：工件轉(zhuǎn)速 nw = 1250r/min；砂帶轉(zhuǎn)速ns = 2r/min；進(jìn)給量f = 0.01mm/r；平面橡膠接觸輪；工件材料40鋼

       2 尺寸精度研究與分析

       2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
       隨機(jī)抽取四個(gè)工件，每個(gè)工件在車削完成后，分別在五個(gè)截面處從兩個(gè)方向測(cè)量其直徑尺寸，算出磨削前最大尺寸誤差；之后對(duì)工件進(jìn)行砂帶磨削，磨削完成后，同樣在五個(gè)截面處從兩個(gè)方向測(cè)量其直徑尺寸，算出磨削后的最大尺寸誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，砂帶磨削前工件尺寸誤差在0.01—0.025 mm，尺寸精度在IT6－IT8范圍內(nèi)；砂帶磨削后尺寸誤差為0.005－0.017 mm，尺寸精度在IT5－IT7范圍內(nèi)。可見砂帶磨削后工件的尺寸精度均可提高1－2級(jí)以上。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)車削加工完成后，直接進(jìn)行砂帶磨削提高尺寸精度是有效的。而且砂帶磨削對(duì)工件前道工序產(chǎn)生的錐度、腰鼓肚現(xiàn)象能起到部分消除的作用。
       2.2 影響尺寸精度的因素
       (1) 微量進(jìn)給精度。砂帶磨削微量進(jìn)給精度主要決定于四個(gè)因素，一是細(xì)長(zhǎng)軸剛度弱，磨削時(shí)由于磨削力的作用，剛度弱易變形，影響了微量進(jìn)給精度；二是接觸輪的回轉(zhuǎn)精度，對(duì)于接觸式砂帶磨削將很大程度上影響著微量進(jìn)給精度；三是接觸輪材料的彈性變形，致使實(shí)際切深與理論切深不符，影響微量進(jìn)給精度；四是車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)、間隙影響微量進(jìn)給精度。 由于以上四個(gè)因素的存在，影響微量進(jìn)給精度，所以工件尺寸精度的保證受到影響，為此需從上述四個(gè)方面采取措施，提高微量進(jìn)給精度，進(jìn)而提高工件尺寸精度。
       (2) 工藝系統(tǒng)剛度。在加工各部位工藝系統(tǒng)剛度不等的條件下，所加工的工件必然產(chǎn)生相應(yīng)的軸向形狀誤差，影響尺寸精度。如實(shí)驗(yàn)中對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的磨削，在工件兩端時(shí)，工藝系統(tǒng)剛度較高影響較小，但在工件中段工件剛度很低，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差影響。
       (3) 測(cè)量誤差。提高測(cè)量精度就必須減少測(cè)量誤差，以求獲得最真實(shí)的結(jié)果。因此，一方面合理選擇測(cè)量工具或測(cè)量方法，另一方面采用多次重復(fù)測(cè)量，盡可能減少測(cè)量誤差。

       3 圓度誤差研究與分析

       3.1 圓度誤差測(cè)量
       (1) 測(cè)量原理
       砂帶磨削后對(duì)工件擬采用分度頭測(cè)量圓度誤差，用游標(biāo)原理對(duì)線進(jìn)行讀數(shù)。
       采用極坐標(biāo)測(cè)量半徑法。利用分度頭將圓周等分為24個(gè)測(cè)量點(diǎn)。當(dāng)工件每轉(zhuǎn)過一個(gè)360°/24角時(shí)，由千分指示表讀出該點(diǎn)相對(duì)某一半徑R的偏差△ri，采用最小二乘圓法評(píng)定圓度誤差。即以實(shí)際輪廓上各點(diǎn)到某圓周上的距離平方為最小時(shí)的圓心為理論圓心，稱最小二乘圓[9,10]，最小二乘圓是唯一的，用公式表示為：
       式中：εi為被測(cè)圓上各點(diǎn)到最小二乘圓之徑向距離
       設(shè)測(cè)量中心為O1，最小二乘圓圓心O(a，b)，半徑R，且O1O = e，且令
        則：

       式中：△ri(i = 1，2，3，……，n)為各測(cè)量點(diǎn)測(cè)得半徑方向的變化量；
       θi(i = 1，2，3，……，n)為各測(cè)量點(diǎn)分度的角度值(θi= 360 /24 = 15°) ；
       △f0為圓度誤差
       (2) 測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果
       隨機(jī)抽取5個(gè)工件測(cè)量圓度誤差，測(cè)量時(shí)將被測(cè)工件頂在分度頭兩頂尖之間，每個(gè)工件上分別選擇工件剛度強(qiáng)的截面1和剛度弱的截面5(見表2中圖)各進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。據(jù)上述測(cè)量原理編寫程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果見表2。
       3.2 影響圓度誤差的因素
       (1) 主軸回轉(zhuǎn)精度
       通過Taylor圓度儀檢測(cè)，工件表面產(chǎn)生棱圓度誤差的主要原因是機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)精度不高引起。因此提高機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度是降低圓度誤差的主要措施。
       (2) 零件定位誤差
       在砂帶磨削試驗(yàn)中，工件以兩端中心孔定位，主軸端采用固定頂尖與雞心卡頭，尾端采用活頂尖。由于活頂尖軸承間隙的影響，降低了頂尖的剛度，產(chǎn)生定位誤差，進(jìn)而影響圓度誤差[10]。
       兩個(gè)頂尖和工件上的兩個(gè)中心孔本身精度以及它們之間的位置精度對(duì)工件回轉(zhuǎn)精度有重要影響。工件上兩個(gè)中心孔本身有形狀誤差時(shí)，用其定位對(duì)零件外圓進(jìn)行磨削時(shí)，使工件瞬時(shí)回轉(zhuǎn)軸線位置變動(dòng)，產(chǎn)生橢圓度 工件上兩個(gè)中心孔有同軸度誤差時(shí)，也同樣會(huì)影響零件加工時(shí)的回轉(zhuǎn)精度，產(chǎn)生圓度誤差和直線度誤差，并影響尺寸精度和圓柱度。
       (3) 砂帶接觸輪的形狀誤差及回轉(zhuǎn)精度
       對(duì)于接觸式砂帶磨削，砂帶與工件呈線性接觸，因此砂帶的支撐體、接觸輪的形狀誤差(圓度誤差和徑向跳動(dòng))直接影響被加工工件的圓度誤差。當(dāng)接觸輪材料較硬時(shí)影響較大，較軟時(shí)由于材料彈性變形大，對(duì)圓度誤差的影響有所減小。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，工件車削后采用砂帶磨削，部分圓度誤差增大，其主要原因就是由于接觸輪形狀誤差和接觸輪偏心所致。
       (4) 實(shí)驗(yàn)裝置中電機(jī)轉(zhuǎn)速在600rpm左右，而開式砂帶所需轉(zhuǎn)速為3－5rpm，因此設(shè)計(jì)采用渦輪減速器加齒輪減速器進(jìn)行降速，此裝置裝在機(jī)床的溜板箱上，電機(jī)和減速器產(chǎn)生的微小振動(dòng)會(huì)傳給砂帶接觸輪，但由于砂帶磨削具有“彈性磨削”的特點(diǎn)，因此振動(dòng)帶來(lái)的影響將大大減小。

       4 結(jié) 論

       實(shí)驗(yàn)表明，在細(xì)長(zhǎng)軸的加工問題上，當(dāng)車削完成后直接進(jìn)行砂帶磨削提高加工精度是有效的。砂帶磨削對(duì)工件前道工序產(chǎn)生的錐度、腰鼓度現(xiàn)象能起到部分消除的作用。砂帶磨削后工件的尺寸精度和圓度誤差均可達(dá)5－7級(jí)以上，較前道工序精度提高1－2級(jí)以上。為了更好地提高加工精度砂帶磨削時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[11,12]。
       (1) 優(yōu)化機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，提高微量進(jìn)給精度。普通機(jī)床最小微進(jìn)給在10－20μm，某些數(shù)控機(jī)床的微進(jìn)給可控制到5μm，這對(duì)利用現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行砂帶磨削提高精度產(chǎn)生一定影響。 因此改進(jìn)傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，是提高微量進(jìn)給精度措施之一。
       (2) 提高機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度、降低圓度誤差。一般情況可用調(diào)整軸承間隙和采用高精度軸承來(lái)降低主軸徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)，在精密機(jī)床中采用液體或氣體靜壓軸承來(lái)提高主軸回轉(zhuǎn)精度。
       (3) 確保接觸輪系統(tǒng)的制造精度和裝配精度。當(dāng)砂帶裝置的接觸輪采用橡膠接觸輪時(shí)，由于橡膠材料的彈性變形，致使磨削時(shí)的實(shí)際切深與理論切深不符，從而影響尺寸精度。因此要獲得良好的尺寸精度，必須合理選用接觸輪材料，采取定量控制接觸輪的變形量，從而提高加工精度。
       (4) 提高工藝系統(tǒng)剛度，特別是最薄弱的地方。對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的加工，關(guān)鍵是提高工件的剛性，可以采用中心架、跟刀架等工藝措施。
       (5) 精加工時(shí)，要用合金頂尖研磨工件中心孔，同時(shí)保證機(jī)床上兩個(gè)準(zhǔn)確形狀的固定頂尖調(diào)整在同一軸線上。

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       作者簡(jiǎn)介:李虹( 1966－ ) ，女，副教授，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、精密加工、工程圖學(xué)、CAD，發(fā)表論文20余篇，省級(jí)獲獎(jiǎng)1項(xiàng)。