超高速点磨削（共7篇）
超高速点磨削 篇1
0 引言
点磨削工艺是由德国勇克 (JUNKER) 公司取得专利并成功应用的一种磨削新工艺。点磨削工艺借助砂轮轴线和水平工件轴线之间的倾斜而产生一个“后角”, 使砂轮与工件的接触区由线接触减小为点接触而改善磨削条件。超薄高速砂轮 (宽4～6mm) 技术是点磨削工艺的三大关键技术之一。点磨削线速度高达100～180m/s[1], 因此, 制备优质配套的点磨削砂轮需兼顾安全性、强度、加工精度及磨削性能等指标。
1 砂轮设计要求
点磨削砂轮应具有良好的耐磨性和磨削性能、高动平衡、高刚度、高机械强度、良好的导热性和加工精度, 砂轮基体内部不应有气孔、裂纹等缺陷, 材料质地要均匀、强度要高, 以保证在超高速运转下承受巨大离心力而不破碎。目前广泛采用电镀或陶瓷结合剂将CBN磨粒压铸到金属基体上。磨料的类型、粒度, 浓度 (体积分数) 、硬度, 基体的尺寸、形状等参数[2], 要根据试验台技术参数 (表1) 和点磨削工艺要求而定。
1.1 砂轮组成及特性
形状规则、缺陷少、等高性好的较细粒度的CBN磨料容易自锐, 并且有足够的韧性, 磨粒固有一定尖角, 且热稳定性好, 磨削性能强。采用大气孔陶瓷结合剂压铸技术将CBN超硬磨料压铸到金属基盘, 磨粒不易脱落, 砂轮硬度高, 磨刃锋利、不易堵塞, 磨料利用率高。点磨削工艺用于较高精度加工, 一般要求磨料浓度较高, 磨粒较多, 这样单个磨粒受到的磨削力才会降低。
1.2 点磨削砂轮基体和磨料层轮廓
理想的砂轮基体应满足[3]:体积最小化, 以减小质量, 进而可以提高砂轮系统的临界转速;最大切向应力和平均切向应力最小化;最大比较应力最小化;基盘外径径向应变最小化, 以减小磨削工件形状误差。
为满足超高速砂轮回转的强度要求, 超高速CBN砂轮通常采用金属材料作为砂轮基体, 如合金钢或铝合金, 这样砂轮不仅具有很高的强度, 而且基体结构设计灵活, 形状保持性好。通过对比材料性能 (表2) , 工业铸造铝合金有良好的铸造性能, 密度较小, 砂轮高速回转时离心力小, 能有效减轻对主轴的负荷。但是铝合金的比弹性小, 在一定应力作用下, 较易发生弹性变形, 并且其热膨胀系数是合金钢的1.4～2.3倍, 当砂轮高速回转时因空气摩擦引起的热膨胀大, 对加工精度有影响。42CrMo合金钢比强度、比模量大, 离心变形小, 而且高速回转时因空气摩擦发热引起的膨胀小, 特别适合更高精度工件的磨削加工。
当磨削深度为ap时, 传统外圆纵向磨削砂轮的实际有效切深为ap, 其砂轮侧面负担去除金属任务的大部分, 负荷较大, 容易引起该区域砂轮磨损, 造成烧伤和划伤;而将点磨削砂轮周边磨料层制成前端有斜面的倾斜型砂 (图1) , 砂轮的倾斜部分实际有效切深为s tanθ, 不受砂轮切深ap的影响, 而只受砂轮每转纵向移动量s和斜面倾角θ (称为粗磨区倾角) 的影响。ap只影响参与磨削区域的长度 (B-w) , 相比传统砂轮, 磨削长度增大了 (1/sin θ-1) ap, 增加了承载面积和有效磨粒数, 因此砂轮磨损减小。宽度为w的区域属于精磨区, 粗磨过后磨削余量减小, 该区域即是实现真正“点接触”的区域。
若砂轮切深ap增大, 承受一定径向分力的砂轮宽度增大, 但是作用在各分段上的径向分力基本一定而不随切深的增大而变大。因此, 即使安排很大切深也能避免砂轮承受过大载荷, 从而减少了砂轮磨损。
2 点磨削砂轮强度校核
砂轮高速旋转时易发生离心破坏, 点磨削砂轮强度校核可以提取砂轮基体上任意微小单元 (图2) , 分析其在高速转动中的应力和微小位移。建立应力应变及其增量之间的关系, 以方便描述材料在不同环境下的力学性质。通过研究位移 (变形) 和应变之间的关系, 可以得到改善变形的相应方法。
2.1 等厚度砂轮
砂轮高速转动时的平衡方程[5,6]为
式中, r为砂轮基体上微小单元距砂轮中心的距离;ρ为基体密度;ω为砂轮角速度;ν为砂轮基体泊松比;F=r σr为应力函数;σr为微元所受径向拉伸应力。
由最大应力理论, 等厚度砂轮基体应力函数的最大值是内孔处的切向拉伸应力, 即
式中, a、b分别为砂轮内外半径。
最大拉伸应力σθ max与砂轮基体圆环内外径尺寸、转速和基体材料类型 (密度、泊松比) 有关, 并与转速的平方成正比。由式 (2) 还可知, 砂轮中心孔处产生应力集中, 所以超高速砂轮无法解决砂轮内径处的破坏强度问题, 只能尽力去避免该破坏强度的扩大。
砂轮最大弹性变形发生在圆盘的边缘r=b处, 即
ur max=ρ ω2b3 (1-ν) / (4E) (3)
图3a所示为选取42CrMo合金钢和铝合金作为砂轮基体 (表2) , 由式 (2) 和式 (3) 得到的两种砂轮基体内部应力及变形与砂轮转速关系曲线, 其中实线所示为砂轮外径dso=370mm、内径dsi=160mm, 砂轮基体内任意微小单元最大应力σθ max与砂轮转速n的关系, 虚线所示为砂轮基体内微元最大位移随砂轮转速的变化趋势, 而实际测量得到的结果比该二次曲线开口更小[7]。当砂轮尺寸确定时, 砂轮基体内部受到离心破坏产生的应力是砂轮转速的二次函数, 并且相同砂轮转速时, 与铝合金基体相比, 42CrMo合金钢基体内部微元受离心破坏的应力要大。
砂轮基体受离心破坏的主要失效形式为塑性变形, 因而材料的屈服极限σs就是极限应力, 即σlim=σs。应用最大应力理论进行强度校核, 控制砂轮尺寸和基盘材质使基盘材料内部微元所受应力与材料屈服强度的比值Ry=σθ max/σs<1 (即最大应力不大于砂轮基盘材料的屈服极限) 即可满足强度要求。图3b所示为Ry与砂轮转速的关系, 这里, 所选铝合金的屈服强度为300MPa。由图3b可以看出, 两种材料Ry值曲线相似, 并且在机床转速范围内的比值都远小于1, 进一步说明基体强度满足要求。
2.2 变厚度近似等强度砂轮
变厚度砂轮应力微分平衡方程为
其中, F=r t σr为应力函数, 假设应力不沿厚度t变化, 并且厚度的变化规律为t=Cr-λ (C为常数, λ为任意正数) 。因此, 同样可推导求得变厚度砂轮基体内任意微小单元的应力σr、σθ和径向变形ur。当λ=0时, 变厚度砂轮基体内的应力σθ max和ur max的表达式便可简化为式 (2) 和式 (3) 。
3 点磨削砂轮有限元分析
砂轮结构采用有限元方法进行优化, 分析材料所受应力和基体内部微元的变形以寻求最佳基体轮廓。
3.1 两种砂轮设计方案比较
点磨削工艺要求砂轮外径处厚度小于6mm, 并且为便于安装定位, 内孔处应是砂轮厚度最大处。砂轮尺寸的选择应考虑砂轮线速度与机床主轴转速等参数, 图4a示出了不同主轴转速下砂轮直径与砂轮周边线速度的关系。
稳定运行时, 砂轮转速易达到7000～9000r/min。由图4b可知, 砂轮内径dsi=160mm, 转速在n=8000r/min时, 基体内部最大应力和最大弹性变形随砂轮直径呈指数增大趋势, 直径越大, 应力和变形增大幅度越大。考虑机床主轴最大转速以及机床工作台行程, 砂轮直径最终确定为370mm较合理, 此时砂轮周边线速度可达155m/s。若再配合许用工件线速度, 则合成速度最大可达180m/s, 完全满足点磨削工艺要求。
砂轮结构应力求简单实用。砂轮基体厚度太大, 会增大主轴负载;基体厚度太小, 强度不够。图5和图6为点磨削砂轮结构的两种设计方案的有限元分析结果, 关键尺寸如表3所示。
等厚度平行砂轮基体易于加工, 成本低, 并且动平衡性能好。该种砂轮径向变形很小, 应力由内径向外径方向逐渐变小, 无应力集中 (图5) 。但这种砂轮基体结构单薄, 安全系数较低, 中心孔壁太薄而不利于中心定位。采用变厚度砂轮, 加大中心孔附近的材料厚度, 可以解决等厚度砂轮基盘中心定位问题。变厚度近似等强度砂轮 (图6) 是等厚度砂轮的优化和改进, 这种结构的好处是在保证砂轮强度的情况下, 可以同时满足砂轮周边磨料层工艺要求 (厚度6mm) 和砂轮中心孔处的准确定位。
3.2 砂轮结构优化
变厚度近似等强度砂轮结构降低了基体应力, 砂轮径向变形也较小。但是, 砂轮基盘中心孔处应力值与砂轮其余位置应力值相差较大, 应力分布不均匀。依据弹性失效准则, 最大应力不超过材料的许用应力即可满足强度要求, 因此, 图6所示的砂轮只有中心孔处的材料得到了充分利用。多余材料在高速旋转中会产生附加离心力, 增大基体中心应力负载, 使得砂轮最大允许速度受到限制。最理想的砂轮基体是旋转时其内部任意处都是二向等拉的应力状态, 并且应力沿径向均匀分布。通过改变近似等强度砂轮基盘的厚度, 即中心孔处最厚, 向外逐渐变薄, 周边最薄, 以此来达到充分利用基体各部分材料的目的。同时, 对不同厚度阶梯的连接处进行倒圆以保证应力的连续性, 使应力变化曲线连续光滑。图7所示为优化后的近似等强度变厚度薄砂轮在最大转速下的有限元分析结果, 最大转速11000r/min时负载角速度为1152rad/s, 内孔和侧面处加对称约束。
砂轮最大线速度达213m/s, 此时基体的最大应力102MPa, 最小应力22.28MPa, 强度完全符合要求。由于过渡截面处进行了倒圆, 砂轮内孔处进行了倒角, 因此并未出现应力集中和大变形现象。相比图6中的砂轮, 最大应力和整体平均应力都大大减小并且应力分布相当均匀, 实际磨削加工证明, 这种结构的砂轮是十分合理可靠的。
两种类型的砂轮在最高转速时的极限应力和极限变形以及最终优化后的砂轮在最高转速时的极限应力和极限变形如表4所示。可知, 相同条件下, 等厚度砂轮的基体材料受到高转速引起的离心破坏要比变厚度近似等强度砂轮的大, 尤其在基体最大应力处;优化后的砂轮结构的各项标准几乎都要优于普通形式的变厚度近似等强度砂轮。等厚度砂轮的截面最小变形可以趋近于零, 但其最大变形却是三种砂轮中最大的, 基体材料变形梯度也最大。
图8示出了最终优化所得砂轮的截面上基体材料的应力矢量分布和变形矢量分布, 其应力矢量由砂轮周边指向砂轮中心, 而变形矢量则由内径处指向砂轮周边。
4 砂轮制造
4.1 磨料选择
采用粒度为120/140规整精细的CBN磨料, 其磨粒公称直径为125μm/106μm。采用大气孔陶瓷结合剂, 该结合剂具有非常好的磨料保持性和冷却效果, 并有较大的容屑空间。磨料浓度200%, 磨料层厚度5mm, 以保证充足的修整余量和使用寿命。
4.2 砂轮基体制造
基体材料最终确定为42CrMo合金钢, 采用退火→粗车→调质热处理→精车→精磨的加工工艺, 以保证±0.01mm的尺寸精度。砂轮基体采用圆柱内孔与法兰盘的安装表面配合精磨, 可保证安装精度。
基体材料经过超声波探伤, 低倍检验基体内部以确定没有气孔等缺陷。砂轮在制造完成后, 进行了1.5倍回转试验, 其破裂速度和使用速度之比为1.72。最后对所得砂轮与砂轮安装法兰盘一起做动静平衡。
最终得到的点磨削砂轮如图9所示。
5 结论
(1) 将点磨削砂轮磨料层结构设计成有修整倾角的倾斜型砂轮结构, 砂轮在磨削过程中可实现材料在砂轮前段倾斜面处的粗磨去除和“磨削点”处的精磨去除;粗磨区磨削实际有效切深不随切深变化, 增大了磨削承载面积, 材料去除率高且均化了磨削力, 有利于减小砂轮磨损;精磨区可保证最终加工表面质量。对于材料去除要求高的场合, 在磨料压铸工艺满足时, 可将磨料层改进为变粒度结构。
(2) 高速回转时, 金属基体应力和变形随转速增大而增大。相同转速下42CrMo合金钢基体内部微元受到的离心破坏要比铝合金基体受到的离心破坏大, 但是前者强度更高, 更经济。两种材料都完全满足点磨削工艺的强度要求。
(3) 有限元方法对于分析砂轮结构是一种十分合适的方法。通过有限元方法优化超薄CBN砂轮的结构, 大大降低并均化了基体整体应力, 使得材料利用充分, 所得砂轮更轻薄, 离心破坏和对主轴负载小, 基体变形小, 有益于提高砂轮的临界转速, 特别适合高速/超高速磨削加工。
参考文献
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解析超高速磨削砂轮技术发展 篇2
1 超高速磨削的优点
超高速磨削不仅可以对超硬材料进行加工, 而且也可以对高塑性材料进行加加工, 同普通磨削进行比较, 其具有以下优点。
(1) 在磨削过程中可以大幅度的提高加工效率, 并且可以减少磨床的数量, 磨削速度与磨削技术发展关系密切, 同时磨削效率也一直都是磨削技术发展的重点内容, 通过五十多年的发展, 磨削去除率已经提高了近百倍。
(2) 降低磨削力, 提高精准度。磨削过程需要磨削力对其进行反映, 超高磨削可以大幅度减少磨削力, 实际应用表明, 当进给量固定时, 磨屑变薄, 加工精度将会提高。砂轮的线速度速度变大, 因此在单位时间内粒数也将会变得更多, 单颗磨粒承担的磨削力将会下降, 而提高磨削速度, 工件面与砂轮之间的摩擦区将会有最初的固态逐渐转变为液态, 有效的降低磨削力。
(3) 提高了工件表面的光滑度。磨削速度的提高对于提高工件表面光滑度和质量有着重要作用, 同时也应当降低每颗磨粒切削厚度。提高磨粒在磨削区域内的移动, 并且加快了工件进给速度, 从而使磨削区得以快速与工件表面发生脱离, 降低相应温度, 减小工件表面上的余力。同时砂轮线速度的不断提高, 可以有效的降低单颗磨粒去除工件材料时犁两侧隆起的面积比沟槽横截的面积的值, 使磨削表面变得更加光滑, 提高工件质量。
(4) 减低成本, 提高社会效益。超高磨削能够降低成本, 提高社会效益主要因为其主要以下优点:高生产率、加工工序简单、加工时间合理、人员和设备投入低、产生的污染小。
2 超高速磨削砂轮
2.1 自动平衡
自动平衡在超高速磨削的砂轮系统中有着重要作用, 超高速磨削砂轮在工作中即使存在很小的不平衡也会产生很大的离心力, 导致机床发生强烈的振动, 损坏设备。一般来说, 砂轮自动平衡系统主要由振动控制器、传感器、平衡头等部件组成。传感器的主要作用是对砂轮在旋转过程中产生的信号进行处理, 从而确定不平衡量的相位和大小, 然后利用振动控制器和平衡头对产生的不平衡进行校正, 确保超高速磨削砂轮能够正常运行。气体式、液体式、机械式是超高速磨床中经常使用的三种在线动平衡系统。在线动平衡系统对确保产品质量、提高机床寿命、提高磨床生产力都有着重要作用, 德国、日本德国发达国家在磨床上都应用了在线动平衡系统。
2.2 磨料
立方氮化硼和金刚石砂轮和称为超硬磨砂料, 其是高效和高速磨削的保障。立方氮化硼和金刚石两者的性能上互补。立方氮化硼砂轮可以磨削高韧性、高强度、耐热、淬硬度高的金属材料, 金刚石砂轮则更加善于磨削陶瓷、光学玻璃、宝石等脆性高、硬度高的非金属材料, 两者之间的相互配合为磨削产业带来了福音。目前超硬磨料砂轮已经得到了广泛的应用, 尤其是在较高温度下仍然较稳定并且硬度高的立方氮化硼砂轮, 将其应用在加工产业中提高了经济效益, 同时实现了高效, 节能的目的, 是目前工具的主要发展方向。
超高速磨削中使用的立方氮化硼具有以下特点:
(1) 在高温下具有较高的稳定性, 在标准气压下1300℃环境下立方氮化硼不会发生化学反应, 而金刚石在标准气压下其化学性质的稳定性智能维持在800℃, 由此可见立方氮化硼同金刚石相比耐燃性更强。
(2) 导热系数高, 在磨削过程中如果产生同样的热量立方氮化硼出入工件中的热量要明显低于金刚石, 因此在施工中可以有效的控制空间温度, 同样的冷却条件下, 使用立方氮化硼可以减低工件因为温度过高而受到伤害, 从而提高了工件表面的完整性和精准性。
(3) 比磨削能低, 利用立方氮化硼砂轮在大金属切除中能够实现对工件的保护, 避免工件发生烧伤, 实际加工中可以在确保磨削质量的基础上加大进给速度, 提高生产效率。
2.3 修整砂轮
修整砂轮的目的在于确保砂轮磨粒和几何形状高度的合理。立方氮化硼砂轮, 很难取出砂轮周围表面的立方氮化硼磨粒, 因此需要使用的修正工具可能会发生较大的磨损, 修整费用较高。单层氮化硼砂轮在维修上并不需要像陶瓷或树脂结合剂一样修整。但在精密超高速磨削加工中, 因为磨粒在长期的使用过程中会发生钝化, 磨粒突出高度将会产生变化, 各个磨粒高度将会有差差别, 因此会增大磨削力, 从而使工件的完整性和质量有所下降。此时则需要休整立方氮化硼砂轮。
目前, 休整立方氮化硼的主要方法是接触休整法, 利用传感器系统对休整工具和砂轮的接触进行控制, 在利用修整工具微量进给系统进行微米级进给, 从而使砂轮的形貌达到期望的效果, 确保了加工的精密度。目前, 休整超硬磨料砂轮主要可以分为两类:
(1) 休整工具本身旋转, 例如滚压修整器、金刚石修整滚轮。
(2) 修整工具不不旋转, 例如单排金刚石、金刚石修整笔等。
3 结束语
超高速磨削加工在现代工业中得到了广发应用, 对其进行应用可以大幅度的提高加工的质量, 并且可以提高生产效率, 降低生成本, 提高企业的经济效益。现阶段, 高速磨削技术受到了工业发达国家的高度重视, 但我国在超高速磨削技术上的研究同工业发达国家相比存在一定差距, 因此在日后的发展中, 我国应当加强在高速磨削技术上的研究, 并对其应用进行推广, 提高我国在机械制造产业上的水平。
参考文献
[1]宋贵亮, 巩亚东, 蔡光起.超高速磨削及应用[J].航空精密制造技术, 2011, 6 (03) :16-20.
[2]赵恒华, 冯宝富, 蔡光起.超高速磨削技术在机械制造领域中的应用[J].东北大学学报 (自然科学版) , 2013, 4 (06) :564-568.
机械制造中超高速磨削技术的运用 篇3
1 超高速磨削机理
德国物理学家早在1931提出了超高速切削理论, 即我们通常所说的萨洛蒙曲线, 按照相关理论, 如果切削速度提高到超高速范围之中, 那么机床的效率会产生较大水平的提高, 切削的超高速表明会具有较高的磨除率, 如果Vs不断增加, 在Vs=100m/s的某个区间中, 磨削力会大幅度下降, 一般要将下降幅度保持在50%左右, 同时, 随着磨除率的上升, 切削水平会产生大幅度下降, 同时, 随着磨除率的不断上升, 表面温度会产生明显下降。磨削厚度在超高速磨削技术中为十分重要的参数, 对超高速磨削中的现象进行明确解释。在其它参数保持不变的条件下, 砂轮速度的提高会导致切削数量的增加和磨削厚度的减低, 在高速切削的过程中, 会造成磨削细薄, 截面积只有普通水平的几十分之一, 最终使磨削水平下降, 在较短的实践内将磨削变形, 具体表现为工件的弹性减小。相关实验证明, 如果使材料的去除率保持不变, 在磨削速度增加的时候, 切向力不断降低, 但是磨削的功率提高, 在磨削速度相同的条件下, 工件去除率随着工件的速度增加而提高, 同时减少了热损伤。
2 超高速磨削的特征
超高速磨削具有较高的加工质量。第一, 磨削效率水平提高。超高速磨削的效率是一般磨削方式的五倍至六倍, 可以在一套工序中完成粗磨和精磨工作, 因为在单位时间中的磨粒数量增加, 会导致磨除率大幅度增长, 相关实验能够证明, 使用砂轮进行超高速磨削, 在砂轮线速度提高220m/s的时候, 金属切除率能够提高1950mm/mms。第二, 材料消耗率较低。主要表现在以下方面, 首先, 砂轮使用周期较长, 使用超高速磨削技术的过程中, 能够减少磨削力, 有效降低磨损率使砂轮的使用周期增加。第二, 减少了冷却液的使用数量, 使用超高速磨削技术的时候, 会使工件表面的温度降低, 减少冷却液的使用。
3 机械制造中超高速磨削的应用
在使用超高速磨削技术的过程中, 如果其它参数为固定值, 会使砂轮速度增加, 降低磨屑的厚度, 工件的精度水平大幅度提高, 在磨削效率不变的条件下, 使用超高速磨削技术能够降低厚度, 提高磨削的速度, 同时磨削力下降, 在磨削过程中产生的变形几率不断减少, 导致加工精度水平上升。第二, 磨削表面的粗糙水平会不断下降, 使用超高速磨削技术, 磨屑的厚度水平下降, 因为切削的速度很快, 工件的进给速度不断提升, 在较高速度的作用下, 磨削区能够很快离开工件的表面, 温度滞后, 使残留应力降低, 最终粗糙度下降。第三, 工件在加工的过程中, 会导致完整性提高, 与传统的磨削方式相比, 使用超高速磨削技术, 能够提高表面质量, 具有较高的精度和光洁度, 在磨削之后, 表面产生的裂纹和振纹较少, 尤其是在对面沟槽进行加工的过程中, 槽宽的精度很高, 工件表面会产生很少的残余应力, 最终使工件获得较好的物理性能和机械性能。例如, 在硬脆材料加工的过程中, 能够实现延性域磨削加工目标, 加工高塑性材料能够有效降低污染水平, 能量消耗少, 噪声污染水平低和加工时间短等。
高效深磨技术在近几年中开始兴起, 此种技术将砂轮高速度和高进给速度的优点相结合, 提高了磨削技术的加工效率, 有助于实现生产量的大幅度增长, 高效深磨技术的特点为在得到较高磨除率的过程中, 降低材料表面的粗糙水平, 因此, 可以将这种技术理解为缓进给磨削技术和超高速磨削技术的融合。
缓进给磨削技术指的是进给速度较低, 只有一般磨削技术的百分之一到千分之一左右, 磨削的深度水平较大, 是一般磨削技术的五倍至七倍, 同时加工的精度水平较高, 因为此种磨削技术具有磨削深度大和进给速度缓慢的特征, 因此, 切削的形状, 工件完整性和力效应水平与一般磨削相比具有较大差异, 能够在多种沟槽和型面中都能够使用, 尤其在金属陶瓷、陶瓷复合材料中具有较大应用价值。
砂带磨削技术指的是在接触轮和张紧轮的外部套上砂带套, 在接触面上施加一定水平的压力, 使砂带表面能够和工件接触, 此种磨削技术在发达国家中有着广泛的使用, 因为应用范围较大, 受到社会各界的广泛关注, 具有散热时间间隔较长、摩擦发热少、工件变形少、工件烧伤少和加工精度水平高的特征。
4 结语
总之, 如果切削速度提高到超高速范围之中, 那么机床的效率会产生较大水平的提高, 切削的超高速表明会具有较高的磨除率。超高速磨削具有较高的加工质量, 磨削效率水平提高。超高速磨削的效率是一般磨削方式的五倍至六倍, 可以在一套工序中完成粗磨和精磨工作。
参考文献
[1]蔡光起, 赵恒华, 高兴军.高速高效磨削加工及其关键技术[J].制造技术与机床, 2004.
[2]李长河, 孟广耀, 蔡光起.高速超高速磨粒加工技术的现状与新进展[J].青岛理工大学学报, 2007.
超高速点磨削 篇4
随着科学技术的发展,工程陶瓷以其强度高、膨胀率低、耐磨损及化学性能稳定等优越性被广泛应用于高技术工程领域中。然而,目前陶瓷与金属相比其使用范围往往受到限制,主要原因就是加工效率低、成本高,且磨削过程中在陶瓷材料表面和亚表面区域内形成了一个裂纹群,影响了构件的稳定性。磨削一直是加工工程陶瓷最主要的方法。近十几年来,研究者们将高速磨削技术引入工程陶瓷加工工艺中[1,2,3,4,5,6,7],希望发挥高速磨削加工工艺的优越性来解决工程陶瓷加工的难题。现有文献关于陶瓷材料高速磨削的研究主要集中在提高砂轮线速度对磨削特性、陶瓷加工表面和加工效率的影响,磨削过程采用的高速砂轮基本是烧结或者电镀金刚石砂轮。本文在有关工作的基础上[8,9,10,11],采取钎焊金刚石砂轮对氧化铝陶瓷进行高速磨削试验,重点探讨工程陶瓷高速磨削过程的能量特征。
1 试验条件
1.1钎焊金刚石砂轮
采用真空炉钎焊技术制备钎焊金刚石砂轮,制备的钎焊金刚石砂轮如图1所示。砂轮基体为40Cr,直径为350mm,砂轮厚度为25mm,中心孔直径为127mm。钎料为镍基合金粉末。磨料选用ISD1650高品级的金刚石,粒度为30/35,粒径为500～600μm。钎焊工艺参数如下:钎焊温度1040℃,保温时间8min,真空度0.41Pa。在做高速磨削试验前,砂轮经过动平衡和高速回转测试。
1.2试验装置和参数
试验在BLOHM高速磨床上进行,试验系统如图2所示。磨削过程中采用Kistler 9257BA型压电晶体测力仪测量不同加工参数下的磨削力。磨削力的原始信号通过DEWE-2010动态信号分析仪实时显示和采集。采集的原始信号通过虚拟数字滤波器进行滤波处理。
试验采用的工件材料为氧化铝,尺寸为23.6mm×23.6mm×10mm。磨削时,为了获得长的磨削长度,5块陶瓷被同时夹在平口钳中,分别采用顺磨法和逆磨法进行磨削,磨削过程不使用冷却液,以干磨的方式进行。采用的磨削参数如表1所示。
1.3磨削比能计算
磨削比能U是指磨除工件上单位体积材料所消耗的能量,或者是去除单位体积材料所消耗的功率,可由下式得到[11,12,13]:
式中,Ft为切向磨削力;b为磨削宽度。
单颗磨粒最大切削厚度hmax是研究磨削加工过程很重要的一个物理量,它直接影响单颗磨粒的受力情况,其大小可计算如下[11,12,13,14]:
式中,θ为磨粒顶锥角大小的一半,通常取θ=60°;C为单位砂轮面积上的有效磨粒数(本文C=0.6粒/mm2);ds为砂轮直径。
2 结果与讨论
2.1砂轮线速度的影响
图3反映了不同磨削深度下磨削比能随砂轮线速度的变化情况,其中工件速度固定为20m/min。由图3可以看见,随着砂轮线速度的增大,使得单颗磨粒最大切削厚度减小,导致磨削比能变大。这是因为硬脆性材料磨削加工时,材料的去除方式受到单颗磨粒最大切削厚度的影响,当未变形切削厚度减小时,材料将更易于产生塑性变形,塑性划痕增多,导致磨削比能增大。
2.2磨削深度的影响
图4所示为不同磨削深度下磨削比能的情况,其中砂轮线速度为120m/s。由图4可以看出,磨削比能基本上随着磨削深度的增大而减小,这是由于磨削深度的增大使单颗磨粒最大切削厚度增大,材料更多地被脆性去处,脆性剥落增多,导致磨削比能减小。
2.3工件速度的影响
图5所示为磨削比能与工件速度之间的关系,其中砂轮线速度为120m/s。由图5可以看出,磨削比能随工件速度的增大而减小。这是由于随着工件速度的增大,单颗磨粒未变形磨屑厚度增大,更多材料以大量级的形式被去除,因此降低了材料去除所需的能量,磨削比能降低。
2.4材料去除率的影响
磨削比能随材料去除率Q′w的变化情况如图6所示。由图6可以看出,在材料去除率小的地方磨削比能大,随着去除率的增大,磨削比能减小。这是由于高的材料去除率趋于生成厚的磨屑,材料更易于以脆性断裂的方式被去除,导致磨削比能小;小的材料去除率相当于未变形的切屑厚度小,磨粒与脆性材料之间的滑擦与耕犁增多,导致磨削比能大。
但是在相同的材料去除率下,磨削条件的不同也使得磨削比能发生变化。图7所示是磨削速度为120m/s,固定不同的材料去除率时,磨削比能随单颗磨粒最大切削厚度hmax的变化情况。由图7可以看出,当Q′w固定时,磨削比能随着单颗磨粒最大切削厚度的增大而减小。这是由于在Q′w固定时,不同磨削深度和工件速度的组合会造成不同的单颗磨粒最大切削厚度以及形成不同的磨屑形态,hmax增大,磨粒切削轨迹将变短,磨屑由长而细的形式变为短而厚的形式,这将减小磨粒和工件材料之间的划擦与耕犁作用,增加材料的脆性断裂去除方式。因此,当Q′w固定时,磨削比能的变化同样受到磨屑厚度和长度两种相反变化共同作用的影响。因此,从能量消耗的角度考虑,采用小的磨削深度和大的工件速度的磨削参数组合有利于降低能耗。
2.5单颗磨粒最大切削厚度的影响
由前面的分析可知,各磨削参数对磨削比能的影响主要取决于单颗磨粒最大未变形切削厚度hmax,因此,将本文钎焊金刚石砂轮高速磨削陶瓷时磨削比能与单颗磨粒最大未变形切削厚度的变化情况用图8来表示。由图8可以看出,hmax从1.7μm增大到4μm时,磨削比能迅速减小,磨削比能从17J/mm3迅速减小到5J/mm3;当hmax继续增大时,磨削比能减小趋势变缓,并逐渐趋向平稳。图8中曲线是根据实验数据得出的磨削比能与单颗磨粒最大未变形切削厚度的关系,用方程可以表示为
其中,A、B为常数,其拟合值见图8,该结果和文献[15]得到的关于磨削比能与单颗磨粒最大未变形切削厚度的结果是一致的。
本文高速磨削的磨削比能与文献[8]在磨削速度80m/s以下磨削的磨削比能对比如图9所示。由图9可见,当hmax大于4μm时,本文高速磨削的磨削比能变化与文献[8]的磨削比能变化情况是一样的:磨削比能平稳地减小,磨削比能较小,基本都小于5J/mm3。
与文献[1,2,3,4,5,6,15]中采用电镀金刚石砂轮和树脂结合剂金刚石砂轮磨削陶瓷时的磨削比能相比,尽管采用的砂轮和磨削条件不同,得到的磨削比能的大小和变化范围也不一样,但可以发现,当在相同的单颗磨粒最大切削厚度时,磨削比能的变化范围相差不多,基本的变化规律与式(3)所表示的磨削比能与单颗磨粒最大未变形切削厚度的结果是一致的。
3 磨削比能的分配机理分析讨论
在金刚石砂轮磨削工程陶瓷的过程中,工件材料在金刚石磨粒的作用下以脆性断裂或者塑性变形方式被去除,因此磨削能量主要可能消耗在工程陶瓷的断裂能、磨屑的动能以及金刚石与陶瓷工件之间的滑擦和耕犁等几个方面。因而,对于磨削比能的研究需要了解哪一方面是磨削过程中能量消耗的主要因素,通过对这些影响因素的分析才能揭示磨削过程的加工机理,也为磨削热的主要来源提供理论分析基础。下面分别计算可能消耗磨削能的几个方面所消耗能量的情况以及所占的比例,分析在工程陶瓷磨削过程中能量的主要消耗方式。
3.1工程陶瓷的脆性断裂能
磨削过程中可通过计算脆性断裂表面积与材料单位面积的断裂能的乘积来估算工程陶瓷脆性断裂能的大小[15,16]。为了简化分析,可将工程陶瓷的磨屑看成半径为rc的小球体,则可得到单位体积断裂能Uf的计算式:
式中,Ac为去除单位体积材料所产生的磨屑表面积;γ为工程陶瓷材料的断裂表面能;Gc为工程陶瓷形成裂纹的能量释放率。
对于工程陶瓷磨屑,最小颗粒的尺寸取其半径rc(约1μm),实际上加工后大部分磨屑的尺寸远远大于这一尺度。根据式(4)可计算出氧化铝陶瓷的单位体积断裂能Uf为0.0615J/mm3,这一数值不超过实际磨削比能(图8和图9)的5%。可见,磨削过程中,材料脆性断裂消耗的能量只占磨削比能的很小一部分,实际加工中的磨削能量应该消耗在其他方面。
3.2工程陶瓷的磨屑动能
假设磨削过程中单位时间内所有的工程陶瓷磨屑全部以速度vch飞出,则单位体积磨屑消耗的动能Uch为[15]
式中,m为工程陶瓷磨屑的质量;b为磨削宽度,实验中为工件的宽度;ρ为工程陶瓷的密度。
假设磨削过程中工程陶瓷的磨屑飞出的速度vch=120m/s,由式(5)可以计算出氧化铝陶瓷的磨屑动能也仅为Uch=0.0266J/mm3,远小于实际的磨削比能,可见,这一部分的能量消耗是可以忽略不计的。
3.3塑性耕犁消耗磨削功率的分析
由以上分析可见,工程陶瓷磨削过程中虽然工件材料一般是以脆性断裂和塑性变形两种方式去除,但是以脆性断裂方式去除材料所消耗的能量很少,所以大部分磨削能量应该是消耗于磨削过程中的金刚石磨粒对陶瓷工件的滑擦、塑性耕犁过程。因此,研究磨削过程的能量消耗就很有必要结合金刚石磨粒的耕犁面积进行分析。为了研究磨削功率与磨粒耕犁面积之间的关系,这里引进两个参量[15,16]:单位宽度磨削功率Pm与单位时间单位宽度内金刚石颗粒两侧耕犁面积Sw,它们可以分别由以下公式计算得出:
式中,lc为砂轮与工件的接触弧长;Ag为单颗磨粒耕犁的两侧面面积。
由式(6)和式(7)计算本文钎焊金刚石砂轮高速磨削氧化铝陶瓷时单位宽度磨削功率Pm和单位时间单位宽度内金刚石颗粒耕犁面积Sw的关系如图10所示,可以看出,Pm随Sw的增大而增大,并且显示出较好的单调线性增长关系。
根据Pm与Sw的关系曲线,文献[12,15,16]认为,在脆性材料的磨削加工中,Pm与Sw的关系可由下式来表示:
其中,Js与Bp为常数。如果忽略截距Bp的影响,并假定所有的磨削能都是由塑性耕犁引起的,那么斜率Js就可以认为是单位耕犁面积上所消耗的能量。而磨粒耕犁工件材料过程中消耗的能量实际上包含工件材料塑性变形去除和金刚石磨粒与工件间滑动摩擦所消耗的能量,因此,Js也可以视为是与磨粒和工件间滑动摩擦相关的表面能量。Js越大,意味着磨削过程中消耗的摩擦能越大,也就意味着需要消耗的功率也越大。图10中Js的最小值(8.34×103J/m2)远大于氧化铝陶瓷材料的断裂表面能(γ=20.5J/m2),进一步说明耕犁所消耗的能量占绝大部分。由图10还可以看到,逆磨时的Js要比顺磨的Js大,说明逆磨时摩擦消耗的能量比顺磨消耗的能量更多。
4 结语
本文在砂轮线速度90～120m/s下,采用钎焊金刚石砂轮进行氧化铝陶瓷高速磨削的试验研究,得出以下的结论:
(1)增大磨削深度、工件速度以及材料的去除率,减小砂轮线速度,将导致单颗磨粒最大未变形切削厚度变大,从而使磨削比能降低。
(2)磨削比能随着单颗磨粒最大切削厚度的增大而减小,并逐渐趋向一个稳定值。磨削比能受单颗磨粒最大切削厚度的直接影响。
(3)磨削过程中,以脆性断裂方式去除材料所消耗的能量所占的比例小,能量大部分消耗于金刚石磨粒对陶瓷工件的滑擦与塑性耕犁。单位宽度磨削功率Pm与单位时间单位宽度内金刚石颗粒耕犁面积Sw有良好的线性关系。
超高速点磨削 篇5
所谓高速磨削技术是指在机械制造领域内砂轮线的速度高于45m/s的磨削技术,而超高速磨削技术则是砂轮线的速度超过每秒150m/s的磨削技术,在实际的机械加工操作应用中,磨削速度通常低于45m/s,少数部分的加工采用高速磨削,实际生产中超高速磨削技术的应用率更低。
目前,西方发达国家在机械制造领域内对高速磨削技术的重视程度越来越高,已由研究向实用化方向转变,而我国在超高速磨削技术上的应用仍处于初步阶段,只有不断加强研究和应用,才能促进我国机械制造领域加工效率的逐步提升。
1 超高速磨削技术的特点和优越性
1.1 高速磨削技术的应用原理
在机械制造加工中,超高速磨削的应用前提和基础为各项技术参数固定不变,当砂轮的转动速度不断提高时,在固定时间段内的磨削区含有的磨削粒的数量不断增多,从而让磨粒在转动时可以切出厚度不一的磨屑,超高速磨削技术还可以将被切下的磨屑变薄,因此每颗磨粒所承担的磨削力就会逐渐递减,而整体磨削力就会在这一过程中降低。
超高速磨削技术会使磨削的速度保持在高水平,减少每个磨屑的形成时间。需要明确的是与普通情况下产生的磨屑及短时间内加工出的磨屑在高应变率的形成上差别较大,超高速磨削技术产生的磨屑主要的表现为:磨削沟痕在塑性流动条件下产生的隆起高度减小、工件表层的变形层明显变浅、表面的剩余应力及硬化程度降低、在形成磨屑时滑擦及耕犁有更近的距离等。由于应用超高速磨削产生的磨粒移动速度加快、应变率响应温度延后、工件进给效率提高等原因,所以可以跨域磨削的易烧板块,由此增加了磨削技术的参数应用范围。
1.2 高速磨削技术优越性
1.2.1 极大程度提高磨削效率
应用超高速磨削技术,可以增加在单位时间里通过磨削区的磨粒的数量,如果每一磨粒磨除的平均磨屑厚度和一般情况下的磨削一致,那么就可以充分提高磨粒进给量,增加单位时间中磨屑的磨除体积,极大程度提高磨削效率,降低设备的使用数量。
1.2.2 降低磨削力,提高零件加工的精度
当磨粒进给量不变时,超高速磨削技术可以将磨屑厚度变得更薄,可以极大程度提高加工零件的精度,以冲击成屑理论来看,若磨削的速度设在为180~220米/s的范围时,磨削区的磨削状态会瞬时从固态转变为液态,这就是超高速磨削力快速降低的原因。
1.2.3 提高砂轮的耐用程度,延长使用的寿命
这一特性的成因在于每颗磨粒在超高速磨削过程中的负荷较小,从而增加了磨粒的工作时限,经过论证,若金属切除概率条件相同,超高速磨削的砂轮使用时间会提高8.5倍,速度由80m/s增至200m/s。
1.2.4 增加零件的光洁度
能够使磨削加工的工件表面的粗糙程度降低,获得较为光洁的工件表面,因为排除其他的因素,磨削速度越快,工件表面就会越光洁,粗糙度越小。
1.2.5 提高工件的使用效能
这一技术还可以实现磨削硬脆材料,超高速技术的产生的磨屑厚度小,而磨屑厚度越小,待磨材料就会呈现出流动的状态,因此,玻璃、陶瓷等硬脆材料可通过塑性变形的方式产生磨屑。另外,超高速磨削可以回避“热沟”区的作用,降低工件表层烧伤的概率,还能制造出有残余应力的工件表层,加强零件的抗疲劳性。
2 磨削技术的发展历程及现状探析
磨削加工制造技术历史悠久,在世界各地都得到了广泛应用,在20世纪之后,世界各主要发达国家开始研究使用超高速磨削技术来获取加工的高效率,但是其弊端凸显,当磨削运转的速度过快时,会产生很高的加工温度,以致加工工件的外层以及磨削砂轮烧伤,反过来限制了磨削加工效率的提高。
20世纪前期,德国的磨削专家Carl.J.Salomon曾提出磨削温度和磨削速度之间的假设关系,他认为在高速磨削区会产生“热沟”区域,在这一区域,磨削的速度加快会导致磨削温度的上升,当磨削温度达到顶点后,温度会在速度加快的情况下降低,若磨削速度超越“热沟”,若再提高磨削的速度,磨削温度仍会下降。这一论断为高速和超高速的磨削加技术发展指出了研究方向。磨削温度与速度之间的关系如图1所示。
我国的磨削技术起步价较晚,上个世纪70年代,郑州磨削研究所、第一汽车制造厂、第一砂轮厂等均进行了50~60米/s的磨削实验,接着高速磨削实验在湖南大学成功进行,80年代初,东北大学进行了速度达到80m/s的高速磨削实验,90年代进行了速度达到200m/s的超高速磨削技术研究。现在,东北大学率先成功研制200m/s的超高速磨床,直至目前,国内仍在进行超高速磨削技术的研究,如对超高速磨削温度场技术的研究、超高速磨削热传递机制的研究等。
3 超高速磨削技术的应用
3.1 高效深磨技术
在提高磨削生产率方面,较为典型的应用技术即是高效深磨的磨削技术。近年来,高效深磨技术已经成为集进给速度高、砂轮转速快以及大切深等特性于一体的快速磨削技术。与普通的磨削技术相比,高效磨深技术能够在提高材料磨削率的同时获得一般磨削技术相近的表层粗糙程度。这一磨削技术是超高速磨削与缓进给技术的有效结合,与通常情况下的磨削技术有别,它首先通过磨削的过程来完成由磨、车、铣等工序结合而成的机械精加工过程,以此来收获普通磨削技术相当的表面质量以及比常用磨削加工技术更高的工件磨除率。
通常情况下,高效磨深技术的磨削速度一般保持在60~250m/s范围内。常使用陶瓷结构的剂砂轮,当磨削速度为120m/s时,其磨除率超出了一般磨削技术的100~1000倍,较之铣削和车削高出5~20倍左右。若在加工中使用的是120m/s的CBN砂轮的磨削速度进行磨削,会产生更高的磨除率。
德国Bremen大学使用的100~180m/s的磨削速度的高效超高速磨床、Aachen工业大学使用的500米高效超高速深磨的磨床都是德国Guhring Automation公司制造的高效深磨机床。以该公司的超高速FD613平面磨床为例,对深三十毫米、宽十毫米左右的转子槽进行磨削时,磨床的进给效率可以达到每分钟3000毫米,采用CBN邵仑的磨削速度为150m/s。
3.2 超高速的精密磨削技术的应用
经过论证,降低工件的表面塑性变程度形以及凸峰的大小可以通过增加砂轮的运转速度来实现,还可以降低磨削产生的表层粗糙程度。在日本,超高速精密磨削技术被广泛应用,但是日本加强对超高速磨削技术的研究及使用,最终追求的不是机械磨削的效率,而是为了增加磨削的工件表面质量和磨削精度。如,日本的丰田工机使用CNC超高速磨床时,配备了最先进的轴承,用200 m/s转速的薄片砂轮来对零件进行纵磨,以达到对全部工件柔性加工的目的。
超高速的精密磨削技术通常使用修整精密的精细磨具,在洁净的环境中采用超高速的精密磨床,使用亚米级之下的切深获取亚米级的精度尺寸。精细磨削的主要方式是利用微细磨料加工磨具。超精密的镜面磨削结合剂砂轮才采用的是平均粒径低于4纳米的金刚石磨粒。金刚石砂轮的磨削和光整过程都是在相同的装置里完成,这一技术可以使硅片的平面度小于0.2~0.3纳米,而表面粗糙程度小于1纳米,可获得较高水平的工件表面质量。
3.3 难磨材料的超高速磨削技术
难磨材料的特性在于:硬度和高温强度高、导热系数低、磨削屑易粘附、韧性大和加工时的硬化趋势明显。拥有上述特性,难磨材料在进行加工时容易出现的问题包括变形、迅速使砂轮钝化、裂纹、表面烧伤、磨屑粘附严重和磨削加工效率降低等。国外在对难磨材料的磨削性能提高的过程中,进行了深入的研究,其结果表明,难磨材料的难磨问题成因在于材料自身拥有较强的化学反应能力,容易导致砂轮的急剧堵塞,而磨削的温度越高,则材料化学亲和力越高,超高速磨削技术产生的磨屑厚度很小,所以能够对硬脆等难磨材料进行磨削,产生良好的磨削效果。
3.4 具有绿色特性的高速磨削
超高速磨削技术的绿色特性明显,这一特色的成因在于:第一,超高速磨削技术可以有效缩短机械加工的工时,降低能耗;第二,这一技术可以提供工件的表面质量,降低砂轮的损耗程度、延长使用寿命,降低生产成本,从而合理有效地利用资源;第三,由于超高速磨削技术拥有较高的加工效率,减少了人员、设备、加工工序等方面的投入和损耗,实现加工工艺的绿色性;第四,超高速磨削技术产生的70%的热能被磨屑带走,因此工件的表层温度得以降低,磨削液的压力和流量减少,冷却液的使用量相应降低,减少了对能量的需求,最终,也减少了污染。
4 结束语
超高速磨削技术在提高磨削工件质量和磨削效率、提高工件表面的光洁度上表现优秀,特别是对硬脆等难磨材料的磨削效果良好,是先进的机械加工技术。近年来,我国在机械制造领域内的超高速磨削技术研究取得了很大进步,应用也更加广泛,但是我国的超高速磨削技术起步较晚,与发达国家相比仍存在差距,再近些加工领域,应本着了绿色制造的原则,加快推进我国产高速磨削技术向现代化方向迈进。
摘要：在机械制造领域,超高速磨削加工技术已经成为了应用最广泛的一项加工技术。本文介绍了超高速磨削技术的现状和发展历程,概括了超高速磨削加工技术的特点和优越性,并探析了在机械制造领域中超高速磨削加工技术的应用,包括高效深磨技术、超高速精密磨削技术和难磨材料超高速磨削技术的应用等。
关键词：超高速磨削,机械制造,应用探析
参考文献
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超高速点磨削 篇6
关键词：粗磨区倾角,点磨削,磨削参数,磨削温度
0 引言
磨削温度对工件表面质量和磨具性能都有极大的影响，是磨削加工中非常重要的因素。磨削过程对去除的单位体积金属有极高的能量输入，几乎所有的能量转化都集中在磨削区[1]。产生的高温可引起各种形式的工件热损伤，如烧伤、金相转变等[2]。磨削的热效应对工件表面质量和使用性能有极大的影响。磨削区大量的磨削热也会影响到砂轮的使用寿命和磨削精度[3]。本文主要研究三片不同粗磨区倾角θ的点磨削砂轮及磨削参数对磨削温度的影响。磨削温度是加工时由磨削热所引起的工件温升的一个总称[4]。在工程研究中可按照不同的要求将磨削温度区分为工件总体的平均温度、磨削区的平均温度、磨粒磨削点温度等[5]。本文所研究的温度是磨削区的平均温度。
1 理论研究
1.1 新型砂轮结构
本文所用的陶瓷结合剂CBN点磨削砂轮的磨料层在砂轮的轴向前端设置有粗磨区倾角θ，倾角的存在使得砂轮和工件的接触形式发生变化，也使得磨屑更容易排出，从而减少了磨屑堆积现象。
为了保证许用切深ap能够实现，砂轮磨料层倾角的高度Δ要比点磨削工艺许用切深ap大30%～50%，即Δ=(1.3～1.5)ap=Cap。参见图1，砂轮磨料层倾角的高度Δ、砂轮宽度B、精磨区宽度b存在如下关系:
因此，点磨削砂轮的许用切深可表示为
磨料层精磨区宽度一定时，粗磨修整倾角越大，许用切深越大，越容易获得更大磨除率[6]。
参见图1，倾斜型砂轮的实际有效切深a'p与砂轮每转进给量s的关系如下:
角度越小，实际有效切深越小，砂轮磨损越小。因此，兼顾材料去除率和砂轮磨损两个方面，粗磨区修整倾角θ∈[10°，20°]。此外，点磨削工艺为保证良好的磨削表面，要求精磨区宽度大于砂轮全宽的一半，即b>B/2。
一般情况下点磨削砂轮的许用切深ap=0.2～0.4 mm，其材料去除率高，比普通磨削切深大一个量级，取许用切深ap=0.4 mm，Δ=1.3ap，点磨削砂轮宽度B=5 mm，得砂轮粗磨区倾角在砂轮侧面的高度Δ=0.52 mm，则根据图1b得
当θ=10°时，可计算X=2.95 mm,b=2.05 mm，当θ=16°时，可计算X=1.8 mm,b=3.2 mm。本文所用砂轮粗磨区宽度X=1.8 mm，精磨区宽度b=3.2 mm。
1.2 磨削热产生与分配理论
磨削热来源于磨削功率的消耗，磨削加工的比能非常高，这些能量绝大部分转化成热能，传递到工件、砂轮、切屑、磨削液，此外还有辐射散逸[7]。磨削过程中消耗的能量大部分转化为砂轮与工件接触区域的热量，由于介质导热属性的不同，故大部分热量传向工件。
文献[8]在金属材料的高效深磨方面作了大量的研究后，提出了磨削过程中，总的热量主要分配在工件、砂轮、磨屑和磨削液中的理论模型。根据Rowe建立的砂轮工件热分配模型，磨削产生的热量主要分为4种介质传递:砂轮、工件、切屑和冷却液，即由机床消耗功率转化的热量按照比例在4种介质之间进行分配。图2所示为平面磨削时砂轮与工件的几何位置关系和热传递模型。
从图2中可以清晰观测热量分配途径，且不同传递介质之间的系数总和为1，即
式中，qt、qs、qw、qc、qf分别为磨削产生的总热量，传入砂轮、工件、切屑和冷却液的分热量;Rs、Rw、Rc、Rf分别为热能向砂轮、工件、切屑和冷却液传递的分配系数，当干磨时，Rf为向空气的传递系数，可转换为辐射热[9]。
为了计算接触区域内产生的热量，需利用磨削加工中消耗的功率，即磨削产生的热量为
式中，P为磨削功率;lc为砂轮与工件的接触弧长;bw为砂轮与工件的接触宽度;Ft为切向磨削力。
传向不同介质的热流量为
1.3 红外测温原理
红外测温的方法灵敏度高、反应速度快，具有直观、简便、可远距离非接触监测等优点，在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较大优越性。最大优势在于可非接触地监测物体较大表面积温度分布[10]。可是，该方法的缺点是不能进入磨削区测量，只能测到已加工表面上尽可能靠近磨削区位置的温度，并且磨削液、气流以及磨屑都会对其造成影响，红外测温方法需要知道辐射体的辐射系数，而辐射系数又决定于它的表面状态，即预先测定的辐射系数与磨削中的实际状态不一定一致。因此，红外测温系统适用于直接测量工件表面下方一定距离外的温度变化。
红外热像仪测温会因反射率、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素而影响测温的准确性。使用红外热像仪测得的。辐射温度、颜色温度和亮度温度都不是磨削表面的真实温度，与磨削表面的真实温度之间存在一定的差异[10,11]。必须知道磨削表面的材料发射率(黑度系数)才可求得磨削表面真实温度。
磨削表面的材料发射率不仅与材料的组分、表面状态及考察波长有关，还与它所处的温度有关。物质晶体中的原子振动都会随着温度的升高而加剧，当物体温度升高，物体分子激跃至更高能量层，当分子回到较低能量层时，物体就向外辐射能量，即所谓的热辐射[11]。热像仪测量的热辐射能为
式中，Lbλ(T)为温度为T的物体的辐射功率;T0为被测物体的表面温度;Tu为环境温度;Tα为大气温度;ελ为表面发射率;α'λ为表面吸收率;ταλ为大气光谱透射率;εαλ为大气发射率;A0为热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积;d为该目标到测量仪器之间的距离。
通常一定条件下，A0d-2为一常量。热像仪一般工作在相对固定的很窄的波段，通常为3～5μm或8～14μm。被测表面的真实温度计算式为[12]
式中，Tr为热像仪指示的辐射温度。
当使用不同波段的热像仪时，n值并不相同。对波段在8～13μm的热像仪，n值取4.09，对波段在6～9μm的热像仪，n值取5.33，对波段在2～5μm的热像仪，n值取8.68。
2 点磨削实验
实验在MK9025A光学曲线磨床上完成，砂轮采用粗磨区倾角θ分别为0°、10°和16°的三片新型结构点磨削砂轮，该砂轮主要参数如表1所示。
制作的砂轮如图3所示。工件为QT700材质的阶梯轴，工件转速nw=60r/min不变，依次改变偏转角α、磨削深度ap、轴向进给速度vf、砂轮速度vs等磨削参数，用美国FLIR公司生产的Thermovision A40M热像仪测量砂轮磨削工件时接触区的平均温度。比较相同磨削参数下不同粗磨区倾角θ砂轮与工件接触区域平均温度的区别，实验设定在室温20°环境中，每组实验测3个值，结果取平均值，辐射率设置为0.1，点磨削实验如图4所示。
实验过程中用热像仪观测到的工件与砂轮接触区域的温度图像见图5。根据1.3节中的理论可知，本实验中测得的温度数值只能在一定程度上反映各参数对磨削温度的影响，不代表真实值，而工件表面温度根据以上理论计算得出。
3 实验结果与分析
3.1 偏转角α对磨削温度的影响
实验1磨削参数为:ap=0.03 mm,vf=1.2 mm/min,vs=45 m/s。取变量α分别为-1°、-0.5°、0°、0.5°、1°。由实验1数据可得到偏转角α对磨削温度的影响曲线，如图6所示。
从图6可知，3种不同粗磨削区倾角θ的点磨削砂轮，偏转角α对磨削区温度的影响变化曲线近似对称于α=0°。这说明点磨削偏转角α的正负号对温度影响不大，对温度的影响主要取决于其绝对值的大小。随着偏转角α绝对值增大，温度值整体呈递减趋势，因为偏转角α的存在，使得磨削区域接触面积减小，单位时间参与切削的磨粒数减少，单颗磨粒的最大未变形切屑厚度减小，单颗磨粒承受的磨削力减小，从而降低了磨削热的产生，另外，点磨削偏转一定的角度也有利于散热，这些原因都导致了磨削温度的降低。这也证明了点磨削的温度要低于普通磨削温度的结论。
3.2 磨削深度ap对磨削温度的影响
实验2磨削参数为:α=0.5°，vf=1.2mm/min,vs=45 m/s。取变量ap分别为0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm，由实验2数据可得到磨削深度ap对磨削温度的影响曲线，如图7所示。
从图7可知，随着磨削深度的增大，磨削温度曲线呈上升趋势。由于磨削深度的增大，一方面磨粒切削厚度增加，单位时间的磨除量增大，磨削能增大;另一方面接触弧长增大，有效磨粒的总数增多，使得磨削力显著地增大，磨削接触弧长变长，砂轮与试件的接触面积增大，散热条件不良，磨削热增加，磨削温度升高。
3.3 轴向进给速度vf对磨削温度的影响
实验3磨削参数为:α=0.5°，ap=0.05 mm,vs=45 m/s，取变量vf分别为0.6 mm/min、1.2 mm/min、1.8 mm/min、2.4 mm/min。由实验3数据可得到工件轴向进给速度vf对磨削温度的影响曲线，如图8所示。
从图8可知，随着工件轴向进给速度的增大，温度曲线呈递增趋势，当进给速度大于1.2 mm/min时，曲线上升趋势相对缓慢。工件轴向进给速度增大，磨削功率增大，砂轮与工件间的作用力增大，摩擦加剧，产生更多的热量，从而升高了磨削温度。
3.4 砂轮速度vs对磨削温度的影响
实验4磨削参数为:α=0.5°，ap=0.05 mm,vf=1.2 mm/min，取变量vs分别为35 m/s、45 m/s、50 m/s、60 m/s。由实验4数据可得到砂轮速度vs对磨削温度的影响曲线，如图9所示。
从图9可知，随着砂轮速度的增加，磨削温度曲线呈上升趋势。砂轮速度增大，单位时间内工作磨粒数增多，磨屑分割得更细，同时产生耕犁及滑擦作用的磨粒数增多，导致摩擦加剧，产生的热量增多，从而使得磨削温度升高。
三片砂轮中θ=16°的砂轮磨削温度最低，=10°的砂轮磨削温度稍高些，θ=0°的砂轮磨削温度最高。这是由于粗磨区倾角θ的存在使切屑更容易排出磨削区，从而减少了磨屑堆积现象。因砂轮与工件的接触区域变小，磨削时的整体磨削力减小，磨削过程更平稳，因而磨削温度也有所降低。
4 结论
(1)点磨削偏转角α的正负对温度影响不大，对磨削区温度的影响主要取决于其绝对值的大小。随着偏转角α绝对值增大，温度值整体上呈递减趋势。
(2)随着磨削深度的增大，磨削温度不断升高。随着工件轴向进给速度的增大，磨削温度呈递增趋势。随着砂轮速度的增大，磨削温度也逐渐升高。
(3)粗磨削区倾角θ的存在降低了磨削温度，θ=16°的砂轮磨削温度最低，θ=0°的砂轮磨削温度最高。
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超高速点磨削 篇7
磨削过程实际上是由成千上万个排列参差不齐、分布不规则的形状各异的磨粒共同完成的切削过程。由于实验观察和分析磨削过程十分困难, 研究单颗磨粒磨削机理是认识复杂磨削过程的有效手段[1]。随着计算机软件技术的飞速发展和有限元技术的不断进步, 有限元软件已逐渐应用于各种切削过程仿真, 使各种模拟试验成为可能, 并成为切削过程机理研究的重要手段[2]。
从仿真角度对单颗CBN磨粒磨削机理进行研究, 通过分析单颗磨粒的理想磨削过程, 建立了单颗磨粒磨削的仿真模型。基于该模型, 利用非线性显式动力学分析软件LS-DYNA仿真不同磨削条件下的磨削过程, 分析切削速度、磨削深度与应力之间的关系, 可以得出磨削过程中钛合金TC4 的变形规律, 进而可对磨削过程的参数进行优化, 使磨削过程的研究更加快捷、有效。
1 单颗磨粒切削理论及成屑仿真理论
假定磨粒为圆锥形, 并假设磨粒在砂轮表面上均匀分布, 随着磨粒以水平速度v切入工件材料, 一部分工件材料在磨粒前端产生了塑性变形, 另一部分工件材料从磨粒下方流向磨粒后部产生弹性变形。因此, 单颗磨粒磨除材料过程中, 材料主要有3 种变形方式: 磨粒顶端附近材料的弹性变形及回复、塑性隆起和切屑。对应单颗磨粒切除材料过程中的滑擦、耕犁和成屑3 个不同的宏观表现形式[1]。在此过程中, 工件材料在高温、高应变和高应变率的情况下, 发生弹塑性变形, 直至发生剪切断裂破坏[3]。
应用有限元法分析磨屑形成, 必须解决材料的本构关系、切屑与工件的分离准则以及切屑与磨粒间的接触和摩擦这3 个关键问题。
1.1 材料的本构关系
所谓本构关系, 就是应力张量和应变张量之间的关系, 也叫“物理方程”。目前已有多种材料变形本构方程和试验方法, 能准确地描述金属材料的成屑变形特性[3]。为综合考虑各因素对工件材料硬化应力的影响, 选用Johnson-Cook本构方程。Johnson - Cook材料模型是一个能反映应变率强化效应和温升软化效应的理想刚塑性强化模型, 它将材料的应变硬化效应、应变强化效应和温升软化效应3 部分有机地联系在一起, 适用于描述大应变率下黑色金属和有色金属的应力应变关系[3]。Johnson -Cook本构方程如下:
其中, A、B、n、C、m为材料参数; σ 为von Mises流动应力; ε为等效塑性应变;为相对等效塑性应变率;为等效塑性应变率;为准静态应变率, 取。Tm为材料熔点; Tr为室温。由文献[4]可知原始参数: A =1 077 MPa; B = 845 MPa; C = 0.58; n = 0.025; m = 0.753 83。
1.2 材料的失效准则
Johnson-Cook失效准则为:
式中: D1、D2、D3、D4和D5为材料参数;为无量纲塑性应变率; p为静水压应力; σeff为von Mises等效应力。
当D= ∑ Δε/εf= 1 时, 断裂发生。式中, Δε 为单个时间增量步内等效塑性应变增量。由文献[4]可知原始参数: D1= 0. 039 5; D2= 1. 007 2; D3= 1. 923 4; D4= 0.014;D5= 3.87。
2 有限元建模
2.1 模型的建立
针对磨削过程建立2 维切削有限元模型。选用2 维模型实体单元PLANE162, 采用Lagrange算法建立磨削加工的有限元模型, 如图1 所示。其中刀具为Rigid模型, 工件选用Johnson-cook模型, 采用单位制g-cm-μs, 取工件长度5 cm×3 cm。工件材料为钛合金, 磨粒材料为CBN, 其性能参数见表1。将磨粒简化为三角形, 前角为-30°, 对磨粒及工件进行网格划分; 磨粒采用自由划分; 工件采用映射划分; 在磨粒附近以及工件表面应力和应变都集中的部分; 采用较密的网格划分; 其余实体则采用较大尺寸的网格单元[5,6,7]。
2.2 边界条件、加载
在磨削过程中工件固定, 砂轮以某一速度沿某一方向做直线进给, 因此对工件有限元模型左端施加x向约束, 对工件底部施加x和y向约束, 对刀具则约束其顶端y方向的位移。磨粒接触类型选用LS-DYNA软件提供的侵蚀 ( ES-TS) 接触类型, 该接触需要定义目标面与接触面, 其中静、动摩擦系数分别为0.15 和0.10。假设工件固定不动, 砂轮磨粒以速度v沿x轴负方向相对工件运动了极短的时间t, 磨粒与工件的相对位置决定了在y方向上的切深a, 两者的相对运动使材料发生破坏并产生切屑, 据此侵彻模型来模拟磨削过程, 进行应力分析[8]。
3 数值模拟结果及分析
3.1 切削变形及切屑形成
塑性金属受到挤压时, 随着外力的增加, 金属先产生弹性变形和塑性变形, 后使金属晶格产生滑移后断裂[9]。为了较好地了解切削层变形的规律, 把切削刃作用部位的材料层划分为3 个变形区, 即近切削刃处切削层内产生的塑性变形区、与前刀面接触的切屑层产生的变形区及近切削刃已加工表面产生的变形区[6]。从模拟结果可知, 切削变形过程主要分为3 个阶段。
1) 塑性变形阶段: 磨粒与工件表面开始接触, 工件表面发生塑性变形。图2 为切削起始阶段工件与磨粒接触区的应力分布图, 可以看出工件最大等效应力主要集中在刀尖接触区, 且与切削速度成一定角度向工件表面延伸, 形成剪切滑移线[10]。在此阶段, 切削层受到前刀面和刀具的共同挤压作用, 滑移线上方材料将沿滑移线垂直于切削刃向上隆起, 产生塑性变形。
2) 剪切滑移阶段: 随着切削刃与切削层面积的增大, 材料挤压变形增大, 致使内应力进一步增大, 当达到材料的屈服极限后, 产生剪切滑移变形, 材料沿切削刃向上运动, 产生滑移的区域为第一变形区[11], 如图3 所示。
3) 切屑形成阶段:刀具继续前移, 最初发生剪切滑移的材料在刀具与后续进入第一变形区域的工件材料共同挤压下形成切屑, 剪切滑移终止[8], 如图4 所示。随着刀具前进, 剪切带中的网格产生畸变, 切屑逐渐向前倾斜, 从图5 可知, 工件上刀尖附近的剪应力几乎为零, 而刀尖两侧剪应力较大, 切削层开始从刀尖分离, 刀尖以上形成切屑, 刀尖以下工件形成已加工表面。
3.2 应力场分析
在切屑形成阶段, 整个剪切带和刀具的前刀面附近切屑的等效应力比较高且梯度较大, 而后随着刀具的不断前移, 最大等效应力带向刀尖左下方扩散转移, 造成已加工表面以下材料的加工硬化[8]。由图6所示, 在切削初始工件最大等效应力急剧增大, 甚至达到材料的屈服极限。当切削稳定时, 等效应力值在小范围内波动。
由图7 可知, 取工件表面下A、B两点 ( 其中B点位于A点以下) , 在切削初始, 工件表面以下点A、B迅速进入屈服阶段, 等效应力达到最大值后, 随着刀具的前进急剧减小, 最终在某一固定值附近波动。其中B点的应力平均值明显小于A点。
3.3 切削速度对最大等效应力的影响
由图8 ( A为切削速度380 m/s, B为切削速度280 m / s) 可知, 随着切削速度的增加, 接触区最大等效应力增大。这是由于工件速度增大时, 每颗磨粒的未变形切屑厚度将增大, 致使磨削力增大。
4 结语
1) 成屑过程是材料受到切削刃挤压产生剪切滑移的过程, 磨粒切除材料的过程大致分为弹性变形、塑性变形和剪切滑移3 个阶段。成屑时, 工件在刀尖附近的剪应力接近零, 而刀尖两侧剪应力较大, 且符号相反, 使得切屑从前刀面流出。
2) 在切削初始, 随着刀具前移, 最大等效应力急剧增大, 当达到稳定切削时, 最大等效应力保持在某一固定值附近波动。随着切削速度的增加, 材料的最大等效应力增大。
3) 采用此仿真方法, 可以获得试验难以直接观测的现象与变化规律, 且不受实验条件的限制, 为研究各种材料的磨削机理提供了更方便快捷的方式, 也为改进加工工艺提供理论依据。
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