切入式滾子凸度超精原理及油石尺寸對超精效果的影響

郭培銳 劉旗 高武正 劉凱歌

摘? 要：通過對SUPFINA公司的切入式滾子超精機(jī)Roller Flex 778加工原理及油石夾具的結(jié)構(gòu)分析，在現(xiàn)有兩幅油石夾具只能安裝寬度為4mm和8mm油石的情況下，設(shè)計制作一種輔助工裝，保證油石裝夾的中心不變，擴(kuò)展安裝更多不同寬度的油石，以滿足較大直徑滾子超精加工的需求。與此同時，利用窄油石的插補(bǔ)進(jìn)給工藝參數(shù)來驗證油石尺寸對超精效果的影響，結(jié)果表明：油石寬度影響圓度、波紋度的改善，長度影響母線輪廓成形，高度影響超精穩(wěn)定性和加工效率。

關(guān)鍵詞：切入式滾子超精機(jī);油石夾具;尺寸;凸度;驗證

中圖分類號：TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）30-0104-04

Abstract： Through the analysis of the processing principle of the in-feed roller superfinishing machine Roller Flex 778 and the structure of the oilstone clamp of SUPFINA Company， in the case that the existing two oilstone clamps can only install 4mm and 8mm oilstone， this paper designs and makes a kind of auxiliary tooling to ensure that the center of the oilstone clamping remains unchanged and expand the installation of more oilstones of different widths to meet the needs of superfinishing of larger diameter rollers. At the same time， the interpolation feed process parameters of narrow oilstone are used to verify the effect of oilstone size on ultra-precision effect. The results show that the width of oilstone affects the improvement of roundness and waviness， and the length affects the forming of busbar contour， its height affects super-precision stability and processing efficiency.

Keywords： in-feed roller superfinishing machine; oilstone clamp; size; convexity; verification

超精研是滾子加工過程的最后一道工序，尤為關(guān)鍵。目前，滾子超精研的方式有兩種：切入式、貫穿式[1]。貫穿式是主要的，生產(chǎn)效率高，更適合大批量的普通精度產(chǎn)品，但導(dǎo)輥加工難度大，特別是圓錐滾子的對數(shù)曲線修形;切入式工裝相對簡單、易于調(diào)整、技術(shù)準(zhǔn)備周期短，有較強(qiáng)的工藝性，但對設(shè)備各運動軸精度、同步控制精度以及油石裝夾工裝要求高。

1 切入式滾子超精機(jī)

1.1 設(shè)備配置

圖1為SUPFINA公司生產(chǎn)的切入式滾子超精機(jī)加工部位示意圖，其基本特征是：滾子外徑依靠匹配的導(dǎo)輥實現(xiàn)外徑定位和驅(qū)動，大小端面依靠支承塊實現(xiàn)軸向定位。

設(shè)備配置為雙工位多工步循環(huán)，每個工位的超精單元均配置水平數(shù)控軸X、垂直數(shù)控軸Y、旋轉(zhuǎn)數(shù)控軸C以及一個直線振蕩器;支承輥驅(qū)動、振蕩頻率、振蕩沖程、疊加沖程及油石夾具的旋轉(zhuǎn)角度（一定范圍內(nèi)）均可實現(xiàn)無級可變[2]。旋轉(zhuǎn)式油石夾具在設(shè)定參數(shù)下，分別以切入或疊加沖程方式完成自動加工，設(shè)備重復(fù)定位精度高，工件尺寸及形位公差精度一致性好。

1.2 油石夾具結(jié)構(gòu)分析

油石夾持部位裝配圖如圖2所示，后端滑軌安裝在機(jī)床立柱，前端是夾緊裝置，卡爪的卡槽內(nèi)放置固定寬度油石，滾花螺釘雙向調(diào)節(jié)側(cè)面夾緊位置，兩側(cè)可同步放開與收緊，方便更換油石和保證油石中心位置與油石夾具位置始終不變，壓緊銷鎖緊油石以保證油石在工作時緊固牢靠。

旋轉(zhuǎn)式油石夾具能夠隨數(shù)控旋轉(zhuǎn)軸C進(jìn)行左右傾斜，為了精確控制滾子母線輪廓，需保證油石軸向中心線與滾子中心線對齊。本文分析的是采用窄油石，配合分段式插補(bǔ)進(jìn)給循環(huán)，具備較大切削量能力，可加工復(fù)雜輪廓（如對數(shù)曲線輪廓）及較大凸度的滾子。

2 原理分析、問題提出及改進(jìn)

2.1 凸度超精原理分析

油石對超精質(zhì)量具有決定性的影響，夾持系統(tǒng)的慣性效應(yīng)和包角效應(yīng)構(gòu)成超精的成圓機(jī)理。慣性效應(yīng)依靠油石夾具的穩(wěn)定性來保證油石在高頻振動階段保持切削角。包角是指油石與工件圓周方向接觸弧長所對的圓心角[3]，包角越大，對低次諧波修正越有效，利于改善圓度、波紋度等。

超精過程依靠滾子和油石不同方向的運動疊加而實現(xiàn)。工件在X軸小間隙竄動，徑向旋轉(zhuǎn)通過調(diào)節(jié)導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速來驅(qū)動，導(dǎo)輥中心距通過位置顯示器手動調(diào)節(jié)。每根軸配置有伺服電機(jī)驅(qū)動的線性振蕩器，數(shù)控垂直滑軌對Y軸徑向定位和修正，水平滑軌對X軸調(diào)節(jié)和修正，旋轉(zhuǎn)滑軌對油石夾具進(jìn)行C軸調(diào)節(jié)和修正，配合完成輪廓的疊加。

滾子正常精磨工序的母線輪廓為直線或微凸，如要達(dá)到成品要求的形狀及數(shù)值，需采用窄油石，將母線長度方向劃分為不同的區(qū)域，如圖3所示，在類型2中輸入X軸位置和C軸擺角。

油石在C軸不同分段的傾斜角度，配合X軸往復(fù)運動的振幅、振蕩頻率及停留時間，決定了母線輪廓數(shù)值大小、多段圓弧過渡擬合的效果和表面粗糙度改善，Y軸進(jìn)給速度及接觸壓力影響圓度改善。工件轉(zhuǎn)速、振蕩頻率、油石壓力和循環(huán)時間自動變換，由此達(dá)到必要的油石消耗，從而形成符合要求的滾子母線輪廓曲線。

低轉(zhuǎn)速、高振蕩、高進(jìn)給速度、高壓力的油石具有較大切削能力[4]，主要用于圖形實現(xiàn)，高轉(zhuǎn)速、低振蕩、低進(jìn)給、低壓力主要用于粗糙度等形位公差改善。

2.2 油石夾具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前夾具僅能安裝固定寬度（4mm/8mm）的油石，且工裝精度特別高，加工難度大，考慮在現(xiàn)有工裝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計一種輔助工裝，實現(xiàn)裝夾寬度≥8mm的油石，以適用更多產(chǎn)品。改進(jìn)后的輔助工裝如圖4所示，利用現(xiàn)有油石夾具的卡槽定位鎖住輔助工裝，確保中心不偏移，選擇合適的油石尺寸來確定安裝孔，側(cè)面螺釘可調(diào)節(jié)固定油石高度。

設(shè)計原則是“三心合一”：保證油石夾具的旋轉(zhuǎn)擺動中心基準(zhǔn)面2、輔助工裝裝夾的油石沿滾子軸向的中心基準(zhǔn)面1投影重合到滾子自身軸向中心線基準(zhǔn)軸1上，確保超精過程不偏心，保證超精表面的完整性與復(fù)雜精確的母線輪廓。

3 油石尺寸對超精影響的工藝驗證

選取某型號圓柱滾子？覫26×46mm進(jìn)行工藝試驗驗證，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

采用圖4中的類型2（支點），調(diào)整好兩支承導(dǎo)輥的開合間距，超精分為3個循環(huán)，主要工藝參數(shù)設(shè)定見表2、表3。

3.1 油石寬度

依據(jù)經(jīng)驗[5]，控制油石包角約為55°，計算理論寬度為8mm。選取寬度6mm、8mm和10mm的3種油石，選10粒滾子/組（3組，凹穴內(nèi)編號）超精加工，超精前圓度為0.9μm，檢測結(jié)果見表4。

表中可見：一定范圍內(nèi)，油石寬度對粗糙度的影響不大，越寬對圓度改善相對較為明顯，8mm和10mm的2-15波（疏波）差異不大，主要在15-500波（密波），但外觀合格率上，6mm的有效接觸圓弧周長偏小，圓周“不均勻”，10mm的接觸包角偏大，圓周局部“過超”，二者的外觀一致性上略差。

3.2 油石長度

油石寬度設(shè)定為8mm，選取長度為8mm的油石進(jìn)行超精加工，超精結(jié)果見圖6，上下圖形為圖紙要求的標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)曲線的上下邊界。工藝參數(shù)的設(shè)定主要依據(jù)油石長度、滾子長度、凸度形狀和數(shù)值要求，旋轉(zhuǎn)油石加擺動角度大小和位置的匹配關(guān)系能夠保證圖5中1、2處的圓滑過渡。因此，按此工藝參數(shù)選取6mm/10mm等油石長度必定會在1、2處出現(xiàn)尖點，整個圖形不完整。對于同一滾子，若要達(dá)到規(guī)定的圖形和凸度值，油石長度的選取并不唯一，但超精效率會有所差異。

3.3 油石高度

一般來說，油石高度應(yīng)小于寬度的兩倍。某種意義上來說，高度并不直接影響超精性能，但高度過大，油石與工件的接觸會產(chǎn)生不穩(wěn)定振動，從而破壞工件最終的表面質(zhì)量;高度過小，就要頻繁裝卸油石，影響加工效率和質(zhì)量一致性。

4 結(jié)束語

切入式滾子超精機(jī)不需要復(fù)雜的超精導(dǎo)輥，圓柱導(dǎo)輥具有通用性，圓錐導(dǎo)輥具備角度一致下的尺寸適應(yīng)性，相對于貫穿式有獨特優(yōu)勢，適合小批量滾子的高精密加工。在現(xiàn)有工裝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)擴(kuò)展尺寸適應(yīng)性。對特定工件進(jìn)行超精，必須系統(tǒng)考慮油石影響和工藝參數(shù)的正確匹配，才能達(dá)到預(yù)期的超精效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊柏松.圓錐滾子貫穿式超精研油石與滾子接觸特性分析[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2017：12-15.

[2]Supfina Roller Flex 778使用說明書[Z].德國：德國SUPFINA公司.

[3]張勝男，蒙延芳，王國宏.油石包角與溝道表面質(zhì)量的關(guān)系[J].軸承，2000（8）：34-35.

[4]葛宰林，江親瑜，高金平.超精磨削油石的磨削性能試驗研究[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報，2001（6）：35-37.

[5]許宏偉.滾子超精時油石的選用與安裝[J].軸承，2003（4）：41-42.