随着现代技术的高速发展，对各种磨削零件精度要求越来越高。磨削加工过程中的振动是影响磨削精度的主要因素之一。对于磨削中振动影响的研究，在一些文献中已经作了比较详细的叙述。为了克服砂轮振动带来的影响，有的文献提出了一种孔洞型柔性砂轮(图1)的设计方法。采用轴对称设计，消除轴非对称带来的振动；采用柔性结构满足精密磨削的要求。但孔洞柔性的制造比较困难，而且孔洞结构使砂轮的刚度呈多次曲线分布。本文提出一种结构简单，采用特殊砂带作为磨削工具、同时具备柔性砂轮的消振性能的新型砂轮。
图1 孔洞型柔性砂轮结构
1 柔性砂轮的结构
新型砂轮由砂轮本体、气囊式内胎、气阀、弹簧环、橡胶环及砂带所构成。其结构如图2所示。
图2 免修整型柔性砂轮结构
工作原理：(1)根据磨削材料要求选择砂带的型号(粒度、结合剂、带基结构等)；(2)在气囊放气状态下安装砂带；(3)选择需要的气压对砂轮气囊进行充气；(4)通过螺钉紧固砂轮本体的两面，使弹簧环处于固定状态；(5)对砂轮进行精动平衡；(6)进行磨削加工。
调节气囊的压力可以控制砂轮圆周砂带的张紧度；选择不同硬度的橡胶环可以控制砂轮的刚度。
2 弹簧环变形原理
由图2砂轮的结构可以看出：砂轮外周砂带的张紧力是通过弹簧环的变形进行控制的。弹簧环变形量大小影响砂轮的磨削性能及加工效率。为了达到方便更换砂带，同时有效控制砂带的张紧力的要求，需要对弹簧环的变形量进行设计。
图3 连续式弹簧环结构
图3为弹簧环变形原理。采用这种连续式弹簧环结构，由某文献的M计算式可得到每个弹簧环块的弯曲变形量δ1。
式中：M——扭矩，N·mm
E——弹性模量
B——环宽度，mm
t——环内壁厚，mm
K——约束系数
δ——环孔半径，mm
每个弹簧环块的拉伸变形量δ2
式中：T——等效拉力，N
A——环截面积，mm2
l——等效长度，mm
当弹簧环材料采用铍铜合金；气囊压力P=3.5kPa；约束系数K=3;等效长度l=3mm时：得到δ1=0.016mm,d2=0.0001mm。这时整个弹簧环半径方向上的变形量δR=0.24mm。
图4为实验中测得弹簧环的变形量曲线。从图中可以看出：充气后弹簧环半径方向上的实测平均变形量和理论计算变形量相接近；充气后弹簧环的圆周误差大大减小。
图4 连续式弹簧环的变形量曲线
3 弹簧环的精度分析
为了得到最佳的工作参数，研究气囊工作压力变化对弹簧环圆周误差的影响。在P=2.5～8.5kPa范围内对砂轮进行实验，得到压力变化对弹簧环误差的影响曲线如图5所示。
图5 充气压力对圆周误差的影响
从图中可以得出：P=3.5kPa附近弹簧环误差最小，因此选择P=3.5kPa作为砂轮的工作压力。
取工作压力P=3.5kPa；调节砂轮中的弹簧环和气囊处于最佳位置，测得弹簧环圆周的误差曲线如图6所示。取工作压力P=3.5kPa；采用充气—放气—再充气方式研究砂轮的重复精度。图7为经过3次实验测得弹簧环的重复精度曲线。
图6 弹簧环的圆周误差
图7 弹簧的重复精度
4 砂轮的动态精度
采用连续式弹簧环结构，减少由于转速变化对砂轮圆周误差的影响。图8为采用连续式和切断式结构，转速变化对砂轮圆周精度影响的曲线。
图8 转速变化对圆周精度的影响
在弹簧环上胶接50号的橡胶环，采用280号氧化铝杯状砂轮对其进行一次性修形，测得橡胶环圆周曲面误差如图9所示。从图中可以得出：修形后砂轮橡胶环上的最大圆误差值＜20µm。将金属型砂带装到修形后砂轮橡胶环上，取工作压力P=3.5kPa，测得砂带圆周曲面误差如图10所示。从图中可以得出：修形后砂轮砂带上的最大圆周误差为50µm。砂带带基原始精度和安装参数将直接影响砂轮的圆周精度。
图9 橡胶环的圆周精度
图10 砂轮砂带的圆周精度
5 结论
研究表明：所设计的气囊式内胎连续弹簧环结构免修整型砂轮，实现了柔性砂轮的基本性能和免修整砂轮的特点。分析实验结果可得出：
·选择适当的气囊压力可以使砂轮得到较高的圆周精度。
·气囊和弹簧环的制造精度及安装位置影响砂轮的圆周精度。
·连续式弹簧环结构减少由速度变化引起的砂轮圆周误差。
·砂轮的基体(橡胶环)上的圆周精度＜20µm，达到设计要求。
