轧辊磨削过程中砂轮磨损对比与功率监测

王春风， 李媛媛， 陈明颖， 桑振远

(黑龙江东方学院， 哈尔滨 150000)

精密外圆纵向磨削是一个复杂的工艺过程，影响磨削质量的因素有很多，如砂轮磨损、主轴功率、工艺参数等等。砂轮磨损的强时变性使轧辊磨削过程变为工艺时变的加工过程，导致磨削过程更加复杂。传统的方法是采用试切法保证工件的尺寸精度，导致加工质量对操作人员经验以及技能的依赖[1]。然而，操作人员的水平及经验参差不齐且随工作时间而变化，这种依赖性会导致加工效率降低及加工质量不稳定。

CBN砂轮磨削具有效率高、精度高、成本低的优势[2]，已经广泛应用于汽车行业的凸轮轴及曲轴的加工上。杨威等[3]以磨削加工汽车发动机凸轮轴、曲轴为例，对CBN砂轮与普通刚玉砂轮进行对比试验，发现在加工工件数量相同的情况下，刚玉砂轮的磨料消耗速度是CBN砂轮的400多倍；CBN砂轮可提高加工效率30%以上，其综合生产成本比刚玉砂轮的综合生产成本降低60%。

与凸轮轴、曲轴相比，轧辊尺寸更大，加工时间更长。若能将CBN砂轮应用于轧辊的磨削中，对轧辊加工效率的提升会更加的明显。与其他外圆磨削相比，轧辊磨削有2个特点：第一，轧辊尺寸大，材料去除量大，砂轮磨损量大；第二，轧辊磨削不仅有径向进给，还有轴向的进给。这意味着，在轧辊磨削中，一次轴向走刀就会造成砂轮的严重磨损，进而导致砂轮径向进给量的变化及工艺参数的变化，影响轧辊磨削的尺寸精度以及加工效率。

在过去的二十年中，多种检测技术已经被用来采集机床运行状态的信号[4-5]，其中包括力信号[6-7]、振动信号[8]、声发射信号[9]、功率信号以及机床运行温度[10]。在此基础上，使用氧化铝砂轮和CBN砂轮分别磨削高速钢及高镍铬铸铁轧辊，并在加工过程中采集磨床主轴功率的变化。通过对比氧化铝砂轮和CBN砂轮在轧辊磨削中的性能，对CBN砂轮在轧辊磨削中的应用做出评估。

1 轧辊磨削过程中数学模型的建立

在轧辊磨削过程中，砂轮磨损会导致轧辊加工尺寸误差。因此，将建立材料实际去除量(用rr表示)及砂轮磨损量(用ww表示)的数学模型。

假设砂轮在磨削轧辊过程中没有磨损，则对于名义材料去除量rn有：

rn=nDc×(d0-nDc)×π×l

(1)

其中：Dc表示砂轮进给量，d0为轧辊初始直径，l为轧辊长度，n为砂轮轴向走刀次数。

然而，实际加工中，砂轮磨损将导致实际材料去除量小于名义材料去除量，材料实际去除量(rr)与名义材料去除量之间的关系为：

rr=rn×δ

(2)

式中，δ表示砂轮加工效率系数，其值随加工参数、工件材料、砂轮的改变而变化。假定砂轮在磨削轧辊的过程中不发生磨损，则轧辊加工后的名义直径dn可用公式(3)表示：

dn=d0-2×Dc×n

(3)

轧辊磨削过程中，由于砂轮磨损导致的轧辊磨后实际直径dr可由公式(4)计算：

(4)

根据公式(3)及公式(4)可以计算出砂轮磨损量(ww)，如公式(5)、(6)所示：

ΔDw=dr-dn

(5)

(6)

其中：Dw为砂轮初始直径，b为砂轮宽度。

2 试验设置

2.1 机床及砂轮

试验采用华辰重机有限公司的MK84125 CNC轧辊磨床(图1)，其可加工轧辊的最大直径为φ1 350 mm，最大轧辊长度为6 000 mm。这款机床具有精度保持性高、稳定性好等特点。

轧辊材料分别为高速钢和高镍铬铸铁，其表面硬度分别为60 HRC与52 HRC，初始轧辊直径分别为389.56 mm和 391.84 mm，轧辊长度均为700 mm。砂轮分别使用树脂结合剂氧化铝砂轮(φ734.482 mm)及树脂结合剂CBN砂轮(φ576.070 mm)，砂轮宽度都为77 mm。砂轮照片如图2所示。

(a)Al2O3砂轮粒度号46,组织号7(b)CBN砂轮磨粒粒度B151,体积分数30%图2 砂轮照片Fig.2Photosofgrindingwheels

2.2 测量及功率采集系统

轧辊直径采用三点测量法测量，通过测量轧辊表面3点的位置计算得出轧辊直径，如图1所示，其中红色部分为轧辊磨床自带的三点直径测量臂。在试验中，利用NI公司的电流电压传感器采集磨削过程中的主轴电流电压信号，通过Labview编译的信号采集软件换算成主轴功率信号，其信号采集频率为650 Hz。

2.2 试验工艺参数设置

分别用氧化铝砂轮和CBN砂轮加工高速钢(HSS)及高镍铬铸铁(HCN)，砂轮转速为50 m/s，径向进给速度为2 500 mm/min，径向进给量分别是0.010、0.015、0.020、0.025、0.030 mm，轴向走刀次数为20。

3 试验结果及分析

3.1 轧辊磨削试验结果及分析

分别对普通氧化铝砂轮及CBN砂轮磨削轧辊试验过程中的初始轧辊直径d0、轧辊名义直径dn以及磨后轧辊实际直径dr进行统计，如表1和表2所示。其中，i表示主轴功率曲线的斜率。从表1和表2可计算出轧辊名义材料去除量rn、实际材料去除量rr、砂轮磨损量ww、砂轮加工效率δ以及磨耗比G，分别如表3、表4所示。

表1 氧化铝砂轮磨削轧辊

表2 CBN砂轮磨削轧辊

在轧辊磨削过程中，不论是氧化铝砂轮还是CBN砂轮，随着砂轮进给量Dc的增大，砂轮加工效率δ以及G值都随之下降。对于氧化铝砂轮，当进给量Dc增大到一定程度，会出现砂轮磨损量大于材料去除量的情况，此时砂轮加工效率非常低，轧辊磨削加工时间长且精度低。从表3、表4中可看出：CBN砂轮的加工效率δ至少比氧化铝砂轮的高150%，CBN砂轮的磨耗比G至少是氧化铝砂轮的磨耗比的9倍。这表明，无论是在加工效率还是在砂轮损耗量方面，CBN砂轮都优于氧化铝砂轮。

表3 氧化铝砂轮磨削轧辊结果

3.2 主轴功率信号采集结果及分析

分别将氧化铝砂轮及CBN砂轮磨削轧辊一次轴向走刀中的主轴功率典型信号汇总于图4及图5中。

氧化铝砂轮磨削轧辊时，主轴功率下降速率随砂轮进给量的增大而增大；当CBN砂轮进给量较小时，在磨削过程中，主轴功率增大；当CBN砂轮进给量较大时，主轴功率也开始下降。轧辊磨削过程中，在一次轴向走刀中，因为砂轮磨损使主轴功率变化与砂轮进给量有相关性。

4 结论

使用氧化铝砂轮和CBN砂轮加工高速钢和高镍铬铸铁轧辊，获得的结论如下：

(1)轧辊磨削过程中伴随着砂轮的大量磨损，导致工艺参数的时变，从而造成轧辊磨削的效率及尺寸精度低。

(2)磨削轧辊时，树脂结合剂CBN砂轮的效率比普通氧化铝砂轮的最少提高150%；去除同样轧辊材料时，CBN砂轮磨损量最多是普通氧化铝砂轮磨损量的1/9。