超硬磨料砂轮磨削的概述

超硬磨料砂轮磨削的概述（精选2篇）

超硬磨料砂轮磨削的概述 篇1

超硬磨料砂轮磨削的概述(金刚石CBN)

发布日期：[2009-5-25] 共阅[40]次

超硬磨料砂轮磨削主要是指用金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮加工硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等高硬度、高脆性材料。

其突出特点为：

①磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。

②磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿色碳化硅砂轮的1/4~1/5。

③磨削效率高。在加工硬质合金及非金属硬脆材料时，金刚石砂轮的金属切除率优于立方氮化硼砂轮；但在加工耐热钢、钛合余、模具钢等时，立方氮化硼砂轮远高于金刚石砂轮。

④加工成本低。金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮比较昂贵，但由于其寿命长，加工效率高，所以综合成本低。

1.超硬磨料砂轮磨削工艺

⑴磨削用量磨削用量。

⑵磨削液磨削液对超硬磨料砂轮的寿命和磨削表面加工质量影响很大，如树脂结合剂超硬磨料砂轮湿磨可比干磨提高砂轮寿命40%左右，因此一般多采用湿磨。由于超硬磨料砂轮组织紧密、气孔少、磨削过程中易被堵塞，故要求磨削液有良好的润滑性、冷却性、清洗性和渗透性。

金刚石砂轮磨削时常用以轻质矿物油为主体的油性液和水溶性液(乳化液、无机盐水溶液)为磨削液，视具体情况而定。树脂结合剂砂轮不宜使用苏打水。立方氮化硼砂轮磨削时一般采用油性液为磨削液，而不用水溶性液，因为在高温条件下立方氮化硼磨粒和水会发生水解作用，加剧砂轮磨损。

2.超硬磨料砂轮修整

修整是整形和修锐的总称。整形是使砂轮具有—定精度要求的几何形状；修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒突出结合剂一定高度，形成良好的切削刃和足够的容屑空间。超硬磨料砂轮的整形和修锐则是分为前后两步进行。

超硬磨料砂轮修整的方法归纳为以下几类：①车削法；②磨削法；③滚压挤轧法；④喷射法；⑤电加工法；⑥超声波振动修整法。

金刚石、立方氮化硼(CBN)砂轮的主要特点是硬度高、导热率高、锋利度高由此带来高的磨削率。适用于现代工业机械加工中的高效、强力磨削。

运用高科技手段使陶瓷结合剂不但保持了其原有的硬和脆的性能，还有烧结温度低、强度韧性高、把持磨料性能好，并具有耐热、耐油、耐水、耐酸碱、自锐性好、可修整、修整间隔长，有均匀的气孔率，便于冷却、排屑等。在磨削过程中不堵塞、不烧伤工件，与铁族元素不起化学变化，显惰性，降低工件在磨削加工中的疲劳度，增加工件的使用寿命，从而提高加工工件的质量、粗糙度、效率以及加工工件自动化程度，达到降低综合成本的目的。

砂轮输写特征及标注

砂轮打印标志

磨具的选择

磨具的形状和外型的选择，应根据用户所使用的机床和加工的工件对磨具的要求来决定，设计时请参照标准形状和尺寸表，尽可能选择标准形状和尺寸。

注意：在选择新磨具时，我们还需要用户提供下列技术资料，以便我们能及时掌握您的使用要求

工件材质、牌号及硬度工件表面粗糙度机床型号砂轮线速磨削深度(微米/单行程)磨削余量(mm)冷却方式(干磨/湿磨)

磨削的对象及材料

1.陶瓷结合剂CBN砂轮：主要的磨削对象是硬而韧的材质如：合金钢、高速钢、模具钢、淬火钢、铸铁、冷硬铸铁、镍铬冷硬铸铁、共晶合金铸铁、钛合金、铁族金属材料。

2.陶瓷结合剂金刚石砂轮：主要的磨削对象是硬而脆的材料如：硬质合金、光学玻璃、半导体材料、磁性材料、玛瑙、水晶、宝石等。

3.陶瓷结合剂CBN金刚石混合磨料砂轮：铸铁、铸钢、铷铁硼等。

超硬磨料砂轮磨削的概述 篇2

超高速磨削通过提高砂轮线速度(即磨削速度)来达到提高金属去除率和加工品质,是一种高效高性能的现代加工方法[1]。随着砂轮线速度的提高,砂轮的应力大幅度增大(砂轮的应力与速度的平方成正比),如果超高速砂轮不满足强度要求,超高速磨削时就可能导致砂轮破裂。所以,要实现超高速磨削,首先必须解决的问题是砂轮在磨削时的安全性[1]。在超高速砂轮设计过程中,对砂轮基体截面形状进行优化可改善砂轮的应力状态,提高砂轮的强度和安全性[2]。东北大学宋贵亮等建立砂轮基体强度计算及截面形状优化设计的数学模型,规划目标并建立砂轮基体优化流程,基于实用化进行了截形的线性化拟合。华侨大学陈建毅等建立高速砂轮参数化模型,采用ANSYS提供的零阶优化方法,对砂轮截面形状进行了优化。东北大学庞子瑞等基于ANSYS对超高速砂轮的基体的形状、材料、孔径比进行了分析和选择,并以基体径向膨胀量最小为目标函数对实验用砂轮基体截面形状进行了最优化。本文首先采用ANSYS对实验室已有超高速砂轮进行有限元分析,然后基于外部优化算法——遗传算法,采用ANSYS的参数化设计语言(APDL)对超高速砂轮基体截面形状进行优化设计。

1实验室已有超高速砂轮基体有限元分析

在实际的磨削过程中,砂轮受力情况很复杂,主要受如下力的作用:离心力,磨削热应力,磨削力以及由振动引起的其他力。在超高速条件下,磨削力(大小约占离心力的0.24%[3])、由磨削热引起的热应力对超高速砂轮的影响很小,均可忽略。而振动情况是受砂轮的动平衡特性以及机床刚度等因素影响。所以,超高速砂轮基体截面形状优化设计时主要考虑离心力对砂轮基体应力状态的影响。离心力作用下砂轮变截面基体应力的微分方程为:

$\begin{array}{l}\frac{\text{d}{}^{2}u}{\text{d}r{}^2}+\left(\frac{1}{y}\frac{\text{d}y}{\text{d}r}+\frac{1}{r}\right)\frac{\text{d}u}{\text{d}r}+\frac{1}{r}\left(\frac{v}{y}\frac{\text{d}y}{\text{d}r}-\frac{1}{r}\right)u-\\ (1+v)\alpha \frac{\text{d}{\rm T}}{\text{d}r}-(1+v)\frac{1}{y}\alpha \frac{\text{d}{\rm T}}{\text{d}r}{\rm T}+\frac{1-v{}^2}{E}\rho \omega {}^{2}r=0\end{array}$

式中:α,ρ,E,v为砂轮基体材料热膨胀系数、密度、弹性模量和泊松比,ω为砂轮角速度,u为基体径向位移,y(r)为基体截面形状分布,T(r)为基体应力分布[1]。

本文采用有限元分析软件ANSYS,建立实验室已有砂轮基体有限元模型:外径400mm,内径127mm,轮毂厚度25mm,轮缘厚度10mm,台阶面高7.5mm,距外径25mm,斜面倾角45°,材料为45钢(材料属性见表1),砂轮基体上加载800rad/s的角速度(相当于线速度160m/s)。

砂轮基体截面形状二维模型及环向应力分布如图1所示,砂轮基体环向应力在内孔处达到最大值(148MPa),沿径向逐渐减小,至外径处为最小值(43.8MPa),最大最小环向应力差值为104.2MPa。

2超高速砂轮结构优化设计

2.1参数化建模

APDL语言是ANSYS参数化设计语言的简称,是一种类似于FORTRAN的解释性语言。应用APDL编写的脚本程序具有一般程序的功能,可以自动完成大部分图形用户界面(GUI)操作任务,甚至可以完成某些GUI无法完成的任务,如参数化建模和求解控制等。运用APDL语言进行参数化建模,可以实时动态的修改模型,而且可以立即得到修改后的计算结果,适用于优化设计。

砂轮基体截面二维参数化模型如图2所示,在各参数的取值范围内该模型能涵盖所有基体截面形状。其中X1为砂轮内径,X3为砂轮外径,H1为轮毂厚度,H2为轮缘厚度,X2为法兰盘径向宽度,Xmid=(X3-X1)/2,Ymid=(H1+H2)/2,A与拟合曲线C在交点处切线的夹角为α,B与拟合曲线C在交点处的夹角为β[5]。其中X1=63.5mm,X2=90mm,X3=200mm,H1=25mm,H2=12.5mm,α=180°,β=90°为优化设计初始值(即砂轮截面形状为矩形,如图3所示)。本文选用8 Node Plane82单元进行二维轴对称建模,砂轮上加载800rad/s角速度(相当于线速度160m/s)。

2.2遗传算法

遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索算法。和传统搜索算法不同,遗传算法从一组随机产生的初始解,称为“种群(population)”,开始搜索过程。种群中的每一个个体是问题的一个解,称为“染色体(Chromosome)”。染色体是一串符号,比如一个二进制字符串。这些染色体在后续迭代中不断进化,称为遗传。在每一代中用“适值(Fitness)”来测量染色体的好坏。生成的下一代染色体,称为后代(Offspring)。后代是由前一代染色体通过交叉(Crossover)或者变异(Mutation)运算形成的。新一代形成中,根据适值的大小选择部分后代,淘汰部分后代,从而保持种群大小是常数。适值高的染色体被选中的概率较高。这样,经过若干代之后,算法收敛于最好的染色体,它很可能就是问题的最优解或次优解[6]。

约束优化的基本原理:约束优化(或非线性规划)处理的是有等式和(或)不等式约束的优化目标函数的问题。约束优化的一般形式如下:

Max f(x)

S.T.gi(x)≤0,i=1,2,3,…,m1

hi(x)=0,i=m1+1,…,m(m1+m2)

x∈X

其中,f,g1,g2,…,gm1,hm1+1,hm1+2,…,hm是在Rn上定义的实值函数,X是Rn的子集,x是n维实向量,其元素是x1,x2,x3,…,xn。函数f通常称为目标函数或判据函数。约束gi(x)≤0称作不等式约束,约束hi(x)=0称为等式约束。集合X通常包括变量的上限和下限,称作域约束。满足所有约束的向量x∈X称作问题的可行解。这种解的集合构成可行区域。约束优化问题就是要找到一个可行点$\overline{x}‚$并对每一个可行点x,都有$f(\overline{x})\le f(x)$。这种点称作最优解,也就是寻找的点[7]。

本文中,目标函数f(x)为砂轮超高速旋转时基体最大最小环向应力之差最小,设计变量有轮缘厚度H2,Xmid,Ymid,夹角α,夹角β,域约束可以表示为:

3.5mm≤H2≤10mm

30mm≤Xmid≤50mm

5mm≤Ymid≤12mm

155°≤α≤180°

85°≤β≤98°

遗传算法参数设置见表2。

2.3遗传算法与ANSYS的连接

ANSYS软件本身自带优化模块,但由于优化模块所采用的优化方法容易收敛于局部最优解,往往可能得不到全定义域里的最优解。遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法,具有简单通用、鲁棒性强、适于并行处理及应用范围广等显著特点。利用C++编程语言将外部优化算法——遗传算法与ANSYS二次开发工具APDL语言连接起来,实现对砂轮基体截面形状的优化设计。

2.4优化结果

以图2中的Xmid,Ymid,H2,α,β等5个尺寸为设计变量,以砂轮基体环向应力分布均匀为优化目标,基于遗传算法优化砂轮基体截面形状。表3给出了在定义域范围内满足目标函数的各个设计变量的最优组合。

优化后砂轮基体的截面形状及环向应力分布如图4所示。相对优化前的平行砂轮,优化得到的砂轮基体体积更小,质量更轻。优化后砂轮基体环向应力最大值为93.1MPa,相比于优化前平行砂轮的169MPa(图3)减少44.9%;优化后的砂轮基体最大最小环向应力差为59.3MPa,相比于平行砂轮的117.2MPa以及实验室已有砂轮的104.2MPa,分别减少了约49.4%和43.1%。由此可见,优化后砂轮基体的环向应力变化范围大大缩小。图5所示为优化后砂轮基体的径向膨胀量分布图,最大值为0.033mm。

3不同线速度下的砂轮基体应力应变分析

随着砂轮线速度的增加,砂轮基体的应力应变急剧增大[8]。不同线速度下的砂轮基体最大最小环向应力差值的变化规律如图6所示,其差值随着砂轮线速度的增大而增加,且速度越大增长越快,而优化后砂轮的变化曲线始终位于已有砂轮曲线之下,即优化后砂轮基体的环向应力分布更加均匀,而且其曲线变化相比于已有砂轮的曲线较平缓。不同砂轮线速度下的最大环向应力变化规律如图7所示,优化后砂轮基体的最大环向应力明显小于已有的砂轮基体,且随着砂轮线速度的增大变化相对平缓。如图8所示,砂轮膨胀量随砂轮线速度增大而增大,且优化后砂轮基体的膨胀量小于已有砂轮,可以很好的保证磨削品质和精度。

4结语

本文基于遗传算法,采用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言(APDL),对超高速砂轮基体截面进行优化设计。与实验室已有的超高速砂轮相比,砂轮基体优化后的最大最小环向应力差值减少43.1%,最大环向应力以及膨胀量分别减少37.1%和27.5%,改善了超高速砂轮基体的应力应变分布状态,为超高速砂轮的结构优化设计和强度设计提供了依据。

摘要：基于遗传算法,采用有限元分析软件ANSYS对砂轮基体截面进行优化设计。首先对已有超高速砂轮进行了有限元分析,然后采用ANSYS提供的参数化设计语言(APDL)建立超高速砂轮基体的参数化模型,并与遗传算法相结合,以砂轮基体最大最小环向应力差最小化为目标函数进行优化。结果表明:与现用超高速砂轮相比,优化设计后的砂轮基体的环向应力分布均匀,砂轮基体的最大环向应力以及膨胀量明显减小。

关键词：超高速,参数化,优化,有限元分析

参考文献

[1]蔡光起.超高速磨削工艺技术[J].机械工程师,1995,(9).

[2]Jachson M J,Barlow N,Hon K K B.Computer aided design ofhigh-performance grinding tools.Proc Instn Mech Engrs,2001,215:583-588.

[3]盛晓敏.超高速磨削技术[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4]工程材料实用手册[S].北京:中国标准出版社,1989.

[5]陈建毅,黄辉,徐西鹏.高速砂轮基体截面的优化设计[J].机械设计与制造,20071,2(12):8-10.

[6]孙靖民.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社,2003.

[7]玄光男,程润伟.遗传算法与工程设计[M].北京:科学出版社,2000.