CN1081513C - 避免工件在磨削时产生热过载的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种识别磨削工件时产生热过载的方法，实施该方法采用一个具有砂轮轴和传动机的磨削装置。其中可测得砂轮轴转速，将其输入数据处理装置，由此可求得砂轮轴动能大小并将该值与产生磨削烧伤的特征参考值比较。

Description

避免工件在磨削时产生热过载的方法和装置
本发明涉及一种避免工件在磨削时产生热过载的方法，所述的磨削使用带有砂轮轴和传动机的磨削装置，并涉及用于实施上述方法的磨削装置。
生产高质量的构件如齿轮或其它具有特殊型面的工件时，为了在初加工和硬化后能得到高的精度和形状准确度，还必须进行精加工，这一点是很重要的。
常用磨削来进行精加工。对此就要切除淬火硬化之前的初加工和硬化变形中所形成的余量。齿轮硬化加工时其余量大多在1/10～3/10mm之间。
磨削过程通过余量的去除来生产出最终形状，其局部偏差仅允许在几微米。另外从经济性考虑要求硬化和精加工在尽可能短的时间内完成，以使每个单元时间内每台机器能达到一个最大的产量。
过去由于这两个相对立的要求产生了有效的磨削方法，其中除了传统的切削物质(如：碳化硅、白刚玉)外，也使用金刚石和立方结晶氮化硼。
实际上精加工过程具有高的时间切削量，即每秒磨削时间和每毫米磨削宽度中最大数量的切除余量体积。用大的进给来实现最佳效率，但砂轮与工件的接触面产生高温，使工件中热组织结构发生改变，专业技术人员称之为磨削烧伤或热烧伤，它会对工件产生一个热的损害，从而导致形成废品。
磨削烧伤能由不同的原因来引起，以下是最常见原因：
-损坏的砂轮
-附加磨损的砂轮
-余量误差和对中误差
-太大的进给
-安装工件的误差
-冷却不充分
工业生产中磨削烧伤的监控是一个重要的质量准则。通常是将抽样出的工件置于不同的电解液中进行腐蚀，以使组织外层的变化可见。但该方法花费比较大且不可能对所有的工件进行检测，它只是在加工完之后才进行，因而不可能在磨削过程中对磨削烧伤进行监控。
从德国专利4025552已知一种方法和装置可鉴别工件的热过载。其中求出在磨削中接触面的温度升高并将其作为标准值和一参考值比较。该参考值用一砂轮在相同参数的磨削过程中通过在一个参考工件上形成一个磨削烧伤来得到。温度升高一确定，砂轮磨削则停止，该温度对应于临界的、引起磨削烧伤的温度并距其有一安全距离。在待加工工件上求得温度比较困难并且不准确，因此可考虑用工件有条件的、几何形状的改变来代替求磨削过程中温度的升高。这种参数测量需要在待加工工件上装有昂贵的测量装置，而且阻止了一可鉴别磨削烧伤的简单的手工操作，另外这种方法还得不到一个可靠的测量结果。这种方法也只提供了认识已产生磨削烧伤和确认其损害的可能，它不能避免形成磨削烧伤。
本发明的目的是，进一步设计一种前言所述的避免磨削时在工件上产生热过载的方法，从而可靠地避免产生磨削烧伤，并提供用于实施此方法的磨削装置。
为实现上述目的，按本发明的一个方面，提供了一种用于避免磨削时在工件中产生热过载的方法，所述的磨削使用砂轮轴和传动机的磨削装置，按此方法：测量砂轮轴转速，并将该值输进数据处理装置，求出砂轮轴的动能数量并将其和产生磨削烧伤的特征参考值比较。
为实现上述目的，按本发明的另一方面，提供了一种用于实施按本发明的方法的磨削装置，它具有一个设有砂轮轴的传动机、一砂轮轴转速测量装置和一数据处理装置，其中转速测量装置和数据处理装置相互连接用于信号交换。
按本发明的又一方面，还提供了一种用于实施本发明方法的磨削装置，它具有一个设有砂轮轴的传动机、一砂轮轴转速测量装置、一个数据处理装置和一个工件夹持器，而该工件夹持器带有一测量导入该工件夹持器中的力矩的装置，其中，数据处理装置、转速测量装置和力矩测量装置相互连接用于信号交换。
调查结果显示，无论是切割还是摩擦，都是由所吸收的机械能转换成热能，这和磨削质量没关系。几乎所有以驱动能形成输入机床主轴***的能量在磨削过程中都转化成热能并被强化到工件中。由此而产生的磨削烧伤视为在每个单位时间单位加工面积中有过多的机械能转换成热能。
齿轮加工中磨削特别重要。在每个磨削过程中可同时磨削两个齿面，它们属于两个紧邻的、不同的齿并在其之间形成齿槽。
单个齿面有一个跟位置有关的最大可承受的表面温度和由此的最大可承受的损耗功率。
为了识别磨削烧伤和磨削烧伤风险可对转换能量的数量进行测定和评估，其中可确定到各同时磨削的邻近齿齿面上的能量分配。由此可在不均匀的余量分配和其导致在两个磨削齿面上产生不均匀的温度时较好地认识所产生的热损伤。
可以求得两个同时加工齿面的转换热量。在此必须明确，所导入的能量是如何分配到这两个齿面上的。重要的不是输入的总能量，而是各个齿面上出现的最高值。当热量超过规定的下限值时，就会形成磨削烧伤。
若给定进给时测得的能量明显低于下限值，则可提高进给量。进给量的调节应使其风险值保持在下限值以下，此外在好的条件下(好砂轮，小余量时)可使用较大的进给量。进给的定向由砂轮状态决定并不断按余量进行调节。
按照本发明由主轴转速来确定所消耗的能量，从中可求出驱动单元的能量。
通过一个对出现磨削烧伤风险进行的连续的在线检测可得到一个最佳进给量，该优化可以确保避免磨削烧伤。
首先由于在齿槽中的过高的压力和在粗加工中相对于实际砂轮的磨削持性和相对于实际余量的过多的进给而出现磨削烧伤。提高的压力产生一个在临界下限之上的温度。测量时可得知，向着被磨削槽端方向出现压力升高和一个较高的磨削烧伤的风险。特别是在槽的后四分之一处存在这种现象，磨削时这就化为温度的积累效应。
磨削时在齿槽中转化成热能的能量，主要由切削余量和砂轮磨削力来确定，温度又由单位时间和面积中所消耗的能量来确定，时间由进给量确定，而磨削面积是一个常量。只有当分度误差大到使一个齿侧部分或全部没有被磨削到时，才没有面积常量，该分度误差同砂轮进入齿槽的中间程度有关。但另外的齿面却有相应大的切削余量。分度误差的产生和砂轮如何移动入齿槽中间有关。
单位时间能量的消耗表现在驱动轴转速的降低和主轴电流的改变。
若附加测量分度器的电流，就可得出两个直接加工的齿面的余量分配。由于存在分度误差使能量不对称地转换到齿面上，使其中一个齿面比另一个齿面热。切削余量或其分配成为一个特别关键的磨削烧伤因素。
通过上述关系能计算出产生磨削烧伤的风险系数和在给出下限值时计算识别产生的磨削烧伤。
所要求的转速由电感接收器或回转脉冲输出器记录，也能使用其它形式的装置如测速发电机、角速度传感器来确定转速。分度器的马达电流可由驱动分离器的电动机调节部分中的分流或并联电阻来测量。
转速信号在砂轮进入齿槽时出现较大幅度减小，减少量可达空转速的8％。在齿槽中的加工时间内转速保持为一稳定值，离开齿槽时转速重新升高达到空转转速。加工每个齿槽就重复一次上述转速变化。
主要是根据在齿槽中稳定的转速来识别磨削烧伤。因此可以了解在槽端或整个槽中的烧伤形式。利用进入齿槽转速信号的下降梯度来评价磨削烧伤的情况。梯度越陡，则切削余量就越大或者余量分配就越不对称。
特别在齿轮加工中用于认识磨削烧伤风险的另一个信号就是分度器的马达电流。此处所指的电流是指在磨削斜齿轮时驱动分度器轴转动时所必须的电流。用(砂轮进入)齿槽区域来评价该电流。马达电流随左右齿面切削余量的差异而变化，该差异使砂轮对于分度器轴一起转或反转。相应于齿面的不对称或砂轮不对称的磨损或多或少需要一些电流用于保持正确的砂轮角度。用作工件夹的分度器同时也用于承受所输入的力矩。
为了避免电源波动的误差影响将驱动轴的马达电流作为又一个影响参数。若由于电源波动出现了转速下降，则由驱动轴马达电流一起考虑功率的变化。若没有这种附加的考虑将会形成在假定高的能量转换时低转速值和不必要地收回进给。
连续使用的影响参数即马达电流和转速在机器内部控制驱动轴的进给。其中若计算或求得的值所反映的转换能量低于所规定的下限值时，就要进行进给运动。该进给运动可单独控制使距下限一定安全距离的被转换能量近乎相等。若能量转换升高时，进给相应地就要回缩，使该能量转换不超出下限。因此加工工件中就不会形成磨削烧伤并可不受限制地继续加工该工件。
尽管进给量变小使加工时间延长了，但工件不会因为磨削烧伤而被剔出，所以必要时可以使用给定的最小进给量。
经验指出，不干净的和遭受过磨削烧伤的砂轮过一定时间要由加工工件进行自清洗，产生过一次磨削烧伤或在接近磨削烧伤加工中的砂轮就能随后用于正常工件条件。接着自清洗之后在一个持续临控下就可又提高驱动轴的进给量并重新接近下限值。
可在多个方面得出关于加工工件磨削烧伤状态的认识转变。
一方面可给磨床操作者一个明确的指示，说明工件已产生磨削烧伤，它同样也能直接指出是哪一个工件产生烧伤，对此就需要光学显示装置，例如发光二极管、液晶显示刻度盘、屏幕等此类装置。最好还应设有用于警告的声学装置，由它引导操作者去注意观察光学显示仪。
一个显示装置可以如下设计：
在显示器上设有齿轮分度和一个砂轮状态的刻度，每个刻度和极值指针一起运动，极值指针显示在一个齿轮、上磨削烧伤程度提高为多少。将这些信息对每个齿轮支承芯轴在磨削开始前复位直到开始磨削。磨削过程中操作者就可借助下限值看出：哪个齿轮产生了磨削烧伤而哪一个却没有产生。通过对分度仪马达电流对称的测量和转速的偏差可以得出砂轮状态，这种状态同样能被指示出来。产生磨削烧伤的齿轮被捡出并不进入下一步加工过程，使之能避免将产生磨削烧伤的不合格齿轮用于例如减速箱中。这样就能避免产品的不合格、不合格费用和由此而造成高的维修费用。
除了显示输出外所得出的数据以及由此对这些数据的分析都被记录进内储存器。这些储存器最好由独立的蓄电池供电，使在机床断电时仍能保留这些数据。在记录中记录有日期时间和各齿轮支承芯轴的临控结果等数据，并可在随后的任意时刻调用。
也可用一个简化的发光二极管形式的显示装置来代替显示器显示。可以用绿色发光二极管表示“没有磨削烧伤”而红色则表示“有磨削烧伤”。
在上述显示方法中允许工件中出现磨削烧伤，这些工件由机床操作者剔出不进行进一步加工。有益的方式是应能完全避免产生磨削烧伤。对此就要计算产生磨削烧伤的风险条件，在一个给定的进给量时，如果危险明显低于临界下限时，就可提高进给量。临界下限指出何时存在磨削烧伤的危险。
机床中调节***如下运行：首先在机床中装入一个新的装有齿轮的芯轴。此芯轴新的进给量按最后一个芯轴被调整的进给量设定，但首先只是该值的一半。然后对所有安装齿轮的齿槽进行粗加工。根据在齿槽中已有的进给量和距临界下限的距离可提高进给量或者在必要时使进给回程，以使机床在尽可能接近临界下限之下运行。这可导致单个工件较短的加工时间。较高或较低进给量的调整配合被从齿槽到齿槽重复进行并可由各自得出的数值进行计算。该调节***每个芯轴的调节都要根据砂轮的状态，所以在移动时都比较小心地接近临界的和引起磨削烧伤的下限值并且调节时还要顾及到在一个齿槽的两面上不同的余量分配。通过一个考虑到所有实际中存在因素的最佳的高的进给，可明显提高机床产量，同时还可进行100％的磨削烧伤检测，使在机床上决不会生产出废品，材料损耗近乎为0。通过调节***同样能考虑到砂轮清洗的可能性。进给由于一个脏的砂轮而被回缩并在砂轮自清洗之后进给量又被提高。所使用的砂轮可进一步使用，不必更换和不去除地投入生产。这样也能降低成本，并不会使工件产生磨削烧伤的危险。
对分度器电流或一个导入工件支承主芯轴的扭矩的等效信号进行测量，可以得出齿槽两齿面上余量分配的不均匀度。
引起磨削烧伤的原因是过多的动能转化成热能。因为导入工件或刀具的热能完全不能或者必须花很大的费用才能在工件或刀其上测出，所以相应的评判因素是一个几乎不延缓的瞬间存在的驱动轴动能。
驱动轴动能由主轴电机和驱动轴的旋转能量和在电机中实际工件时间点上转化成动能的电能组成。
齿面中被转化的动能直接由转速下降梯度表示，为此必须测量和评估驱动轴转速，对此充分利用驱动轴给出的旋转脉冲为一种有利的方法，在主轴箱上部设置例如一个磁性接收器用于测量固定在轴上构件的周期性循环。这种构件能为螺栓连接在轴上。因此可算出旋转周期。
齿槽中每次摩擦的改变和由此功率转化的变化对瞬间转速产生影响。
转化的能量分配到两个个齿面上，该齿面在加工中为直的。可由分度器的电流得出在各个瞬间能量的精确分布。分度器作为机床组件使支承工件的芯轴旋转，而磨削砂轮轴则相对纵向移动。齿面根据余量的非对称性力求支持或阻碍分度器的旋转。主芯轴的驱动用于消除这种支持或阻碍作用并施加一制动或加速力矩。这可在分度器所接收的功率大小和极性上表现出来，所以分度器所用的电流是评价导入两待加工齿面中能量的不对称性的尺度。
精确的制动或加速力矩可由分度器轴承座中的应变片得出，上述力矩不会产生与调节相结合的滞后。应变片同样适用于力矩测量轴，该测量轴置于分度器和主芯轴之间，它提供了一个扭矩作为评判磨削面上能量输入不对称性的尺度。
磨削烧伤风险主要表现为两种形式：一种是慢的形式，其中缩小砂轮有效表面。嵌入砂轮的碎颗粒之间的中间腔会被磨损耗，该过程纯偶然地由碎颗粒的分布和余量误差所引起。但当给砂轮时间用于恢复和清洗时上述过程是可逆(转换)的，对此必要的清洗过程可为例如一个小进给的磨削过程。该过程进行很缓慢，一般来说清洗要求超过二十个齿面。
另一种为快的方式，它对于磨削烧伤来说更重要。每一齿面上都会意外地产生余量误差，它在砂轮进入齿槽时会造成一个对驱动轴的强烈制动。此时驱动轴旋转能量的变化就被作为测量参数并和已有的转速梯度相比较，用于确定磨削烧伤的风险系数，若砂轮进入齿槽时转速下降很快，这就是在齿槽前端开始磨削烧伤的标志。
首先在极端的斜齿加工中，一个用坏的砂轮会导致驱动轴和待加工齿的屈服。转速变化不是直线，而是向下以指数形式分布。速度延缓之后才进行磨削过程。即使在这种情况下也只有直接减少进给量才能有助于避免产生磨削烧伤。驱动轴电机电流与齿的尺寸和齿部情况有关。
余量误差和砂轮的磨损一起形成了风险因素。通过进给速度的调节能使风险保持在一个临界下限以下，使不会产生磨削烧伤，进给量不再按公差亏缺的可能性和经济性的折衷来确定，而是按砂轮和齿轮的瞬时状态来确定。磨削效率好时，驱动轴所用的能量比较小而反之则要求一个高的能量吸收。
参照附图对本发明及其使用范围进行简短说明：
图1是磨削结构布置示意图；
图1A是齿轮和用于磨削该齿轮的砂轮的示意图；
图1B是图1A所示齿轮的透视图；
图2是磨床正视图；
图3是待加工工件的夹紧装置；
图4是磨床分度器和磨削头结构的侧视图；
图5是磨削头正视图；
齿轮磨削中大多使用单棱砂轮的纵向磨削法。与在一个外形轮廓内没有多个邻接凸棱的砂轮磨削方法相比，单棱砂轮只有一个直棱，它在待磨齿轮两齿之间进行加工，这种单棱砂轮示意图可从图1得知。
图1A描述了一齿轮2，为了清楚起见只指出了齿4和6，在随后叙述中假设用单棱砂轮16对相对而置的齿面8和10以及其间的齿根12所形成的齿槽14进行磨削。砂轮外形的结构相应于待磨削齿槽14的内部轮廓。
图1B为齿轮2的透视图，同样为了清楚起见只画出了齿4和6。图1B阴影线为待加工的磨削面。磨削过程中齿轮2置于夹持件17(主芯轴)上，该夹持件为磨床的一部分，如图2中所示，通过对该阴影部分强调的磨削平面的磨削使该平面温度升高，当该温度升高超过一定极限值时能导致工件外层热结构组织的改变。
图2为一普遍使用的齿轮磨床18。
在机床座20上设有一机床台22，一控制柜托架24支承操作台26，该操作台设有一按操作者单独的要求进行调整操作的锁紧杆28。操作台26还能包含上述磨削烧伤显示装置，使操作者总能了解到当前磨削状态，一行程液压装置30用于调节机床台22。此外操作者可通过正面滑动门31接近机床18中被包住的工作空间，该滑动门31和用于自动送料装置32的门同属于机床外壳34。由气动缸36来实现自动送料装置32之门的动作，而滑动门31则可通过操作把手38滑动开启。
图2中简示了在机床单元18上分度装置40的设置。该分度装置40伸进机床工作空间并在那里支承待加工工件或者支承用于支承待加工工件(齿轮)的主芯轴(未示出)。
图3中示出了一个待加工工件支承的设置，分离装置40还设有一个嵌入主芯轴44之夹紧机构中的顶尖42，另一面主芯轴用一尾架顶尖46支承固定。为专业技术人员已知的尾架顶尖46的尾架和带顶尖42的分度装置40适应于实施例。在主芯轴44上设置多个齿轮2。根据被加工工件的结构对尾架顶尖46和分度器顶尖42进行匹配和调整。主芯轴44在加工过程中通过分度装置旋过一个齿槽，没有必要对直接相邻或依次的齿槽进行加工，确切地说，可以由机床条件决定是否应对分开的齿根进行加工。
图4说明了分度器40调节的可能性，而图5描述了磨削头的结构设置和其调节的可能性。图4为分离器40的侧视图，分度器轴52可以绕A轴旋转，即可以一定的角值向左(-)和右(+)转动。该视图为从图5(+x)方向看分度器轴。在Y轴方向可以对支承分度器40的机床台22进行调整，其中机床台在(+)向调整是指磨削头50从工件退出，而在(-)向调整则是指磨削头50***工件直到磨削深度。
图4中只是简要地示出带有砂轮54的磨削头50的配置，而图5为磨削头50的正视图，磨削头通过手柄56在高度方向可调，并且可借助极细微的调整而准确地调整到要加工工件上。同样也可对整个砂轮架滑座58进行推移调节或对砂轮头50进行转动调节。
砂轮架滑座58在(+x)方向的推移使能实现磨削进给，而在(-x)方向的运动则可形成磨削过程的反行程。磨削头50绕B轴在(+B)向转动可对砂轮54进行调整用于有一个“右旋上升”螺线方向斜齿的工件，在(-B)向转动可对砂轮(54)进行调整用于有一个“左旋上升”螺线方向斜齿的工件。直齿或者直齿槽工件的磨削平行于工件轴，它要求对磨削头50的砂轮轴60进行精确的垂直调整。砂轮54具有一个和磨削槽内轮廓截面相一致的外形。用单棱砂轮的纵向磨削可以对齿槽进行连续加工。此外砂轮相对工件轴线按照要求的倾斜位置倾斜，以能对所有倾斜位置进行磨削。
用一个合适的方法(未示出)将磨削头固定在砂轮架滑座58上。在滑座58两侧设有波纹管62，用于适应砂轮架滑座58在X轴方向的移动。
通过避免磨削烧伤损害或识别单个工件的磨削烧伤可以不要求对工件进行腐蚀检验，从而能省去由于这种腐蚀法而带来的环境问题。
本发明不仅局限于所述的实施例结构，它还包括在此领域专业技术人员原则上基于本发明构思的常用变型方案。
所述磨床主要构件按本发明方法所要求的参数可由上述方法得到或用专业技术人员常用方法来获得，对此图中没有进行较为详细的叙述。专业技术人员在机床内安装测量值接收元件应使其在考虑了估计的和上述的需要之后能得到一个用于本发明方法可信的测量值。

Claims (17)

1.用于避免磨削时在工件中产生热过载(磨削烧伤)的方法，所述的磨削使用带有砂轮轴和传动机的磨削装置，其特征是：测量砂轮轴转速，并将该值输进数据处理装置，求出砂轮轴的动能数量并将其和产生磨削烧伤的特征参考值相比较。
2.按权利要求1所述的避免磨削时在工件中产生热过载的方法，其特征在于：可由一报警装置指出哪一个工件发生了磨削烧伤。
3.按照权利要求2所述的避免工件在磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：使用一光学报警装置。
4.按照权利要求2所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：使用一声学报警装置。
5.按权利要求2所述的避免工件在磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：使用一光学、声学结合的报警装置。
6.按权利要求1所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征是：求出电源电压的波动并考虑到由此导致的驱动轴转速的波动。
7.按权利要求1所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征是：根据转换动能夹调整驱动轴的进给。
8.按权利要求1所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征是：当进给量超过参考值之后就应减小进给。
9.按权利要求l所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征是：进给量的调节应使其不超过下限值。
10.按权利要求1所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征是：齿轮磨削中求出磨床分度器的扭矩，将该值输入数据处理装置，从而求得一个齿槽中余量分配的不均匀度和考虑用它来控制进给。
11.按权利要求1所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：求出齿轮磨削中分度器的扭矩，将该值输入数据处理装置，由此求出砂轮两侧磨损的不匀均度并考虑由此不均匀度来控制进给。
12.按权利要求10或11所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：所述的扭矩由使相对伸进齿槽的砂轮正转或反转的分度器中所必需的电流求得。
13.按权利要求10或11所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：所述的扭转由导入分度器的弯矩确定。
14.按权利要求13所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：由电阻应变片来接收所述的弯矩。
15.按权利要求10或11所述的避免工件磨削时产生的热过载的方法，其特征在于：用一个作为扭矩的、设置在分度器和主芯轴之间力矩测量轴来接收所述的扭矩。
16.实施权利要求1至9中至少一项所述方法的磨削装置，其特征在于：设有一个带砂轮轴的传动机、一砂轮轴转速测量装置和一个数据处理装置，其中转速测量装置和数据处理装置相互连接用于信号交换。
17.实施权利要求10至15中至少一项所述方法的磨削装置，其特征在于：设有一带砂轮轴的传动机、一砂轮轴转速测量装置、一个数据处理装置和一个工件夹持器、而该夹持器又含有一测量导入该夹持器力矩的装置，其中数据处理装置，转速测量装置和力矩测量装置相互连接用于信号交换。
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