磨粒有序化砂轮（精选3篇）
磨粒有序化砂轮 篇1
1 引言
立方氮化硼(cBN)具有仅次于金刚石的极高硬度,而且又不易与钢铁材料反应而消耗,因此cBN是黑色金属材料加工工具的理想原材料[1]。因此PcBN切削刀具及cBN砂轮在加工铸铁及钢质零件中有较多的应用。在常规的多层或者单层(树脂、烧结、电镀)cBN砂轮中,cBN磨料在工具基体上是随机分布的。加工时,cBN富集的地方由于浓度高,重复磨损严重,且由于容屑空间减小,工具易于堵塞,降低了磨削效率;而cBN稀少的地方,单颗cBN承受的工作负荷过大,易于破碎和脱落,也不能有效利用cBN,降低了磨削效率[2]。研究显示:cBN颗粒排布的位置是影响磨粒出刃率和磨损率一个重要的因素[3],因此近年来针对单层有序排布超硬磨料砂轮成为一个热点研究方向,与随机排布的单层超硬磨料砂轮相比,有序排布砂轮上的磨粒间距大,出刃高度增加,出现团聚的可能性小,磨料的浪费少,成本可以更低(图1),比如单层钎焊超硬磨料砂轮[4,5,6]。
目前单层钎焊砂轮的磨粒有序排布方式包括:复制技术、有序阵列法、孔板法、激光快速成型技术和点胶法等[7]。本论文利用模板法实现cBN磨粒的有序排布,并设定了四个磨粒有序排布参数[8]。然后通过组合不同的排布参数,制备出磨粒排布形式各异的单层钎焊cBN砂轮,并将其应用于磨削加工淬硬钢的实验。据此来研究磨粒排布形式对单层钎焊cBN砂轮磨削淬硬45钢的工件表面粗糙度的影响。
2 实验方案
在磨削实验中,磨削设备采用MDK820电动数控平面磨床,实验材料为淬硬45钢,工件大小尺寸为:长20mm×宽20mm×高10mm,实验所用砂轮为自制的单层钎焊有序排布cBN砂轮,主要尺寸大小为:外径180mm×孔径31.75mm×宽度20mm。设定的四个磨粒有序排布参数分别为横向间距ΔX、纵向间距ΔZ、 错位距离ΔZv以及排列线倾角α,图2为设定的磨粒排布参数示意图。共有16个排布形式各异的单层钎焊cBN砂轮,其磨粒有序排布形式及砂轮编号如表1所示。实验前砂轮经过严格的动、静平衡检测。
磨削实验如图3所示。本实验主要研究在磨削工艺参数不变的情况下,不同的磨粒有序排布形式和不同磨粒粒度大小对磨削工件表面粗糙度的影响。
本次实验采用的磨削用量如表2所示。每磨削1分钟后,用TR200型手持式表面粗糙度仪采用针描法测量其表面粗糙度。粗糙度参数为Ra,取样长度为0.8mm,评定长度为取样长度的5倍,对Ra测量4次以上取其平均值,对比各个粗糙度平均值,分析不同有序排布形式对被加工材料表面质量的影响。为了确保磨削用量不变,使测量结果不受磨削用量的影响,在加工到一定时间以后,直接退刀,使测量结果不受光磨时间的影响。
3 实验分析
磨削实验采用单因素法,研究磨粒有序排布形式对磨削温度的影响。实验过程中磨削工艺参数保持不变,主要考虑磨粒相同排布密度、不同排布密度、不同排列倾角和不同磨粒粒度的影响。
3.1 相同排布密度的影响
在磨粒排布密度相同的情况下,主要是改变排布参数横向间距ΔX和纵向间距ΔZ,使磨粒排布形式发生变化。此组实验使用的a组砂轮,编号为a1、a2、a3和a4,磨粒排布形式是横向间距ΔX逐渐减小,纵向间距ΔZ逐渐增大。相同密度下的磨粒排布方式对工件粗糙度影响如图4所示,实验表明:磨粒排布密度相同时,随着横向间距ΔX的减小,纵向间距ΔZ的增大,工件表面粗糙度呈现逐渐增大趋势。分析原因,主要是由于文中所测工件粗糙度为垂直于磨削纹路方向的粗糙度,主要由纵向间距ΔZ影响。所以当纵向间距ΔZ增大时,工件表面粗糙度也会相应增大。特别是ΔZ从1.0变化到1.5和从2.0变化到3.0时的工件表面粗糙度变化幅度比ΔZ从1.5变化到2.0时的大,原因可能是前者ΔZ的增加量为50%,而后者ΔZ的增加量仅约为33%。
3.2 不同排布密度的影响
不同排布密度是指砂轮磨削面单位面积磨粒数不同。本实验中主要是在确定纵向间距ΔZ的情况下,改变横向间距的ΔX的大小,从而实现改变磨粒排布密度的目的。使用b组砂轮做此实验,砂轮编号为b1、b2、b3和b4,磨粒排布形式为纵向间距ΔZ不变,横向间距ΔX的大小依次增大。不同密度下磨粒排布方式对工件表面粗糙度的影响如图5所示。从图中可以看出,工件表面粗糙度值在Ra6.5附近上下浮动,变化很小。据此可以判定:当纵向间距ΔZ固定不变时,无论横向间距ΔX如何变化,工件表面粗糙度值几乎不受影响。这个结论也正好印证了a组砂轮实验所得到的结论:工件表面粗糙度值主要由纵向间距ΔZ所影响。
3.3 不同排布倾角的影响
实验选用c组的四个砂轮,编号为c1、c2、c3和c4,磨粒排布倾角α依次为30°、50°、70°和90°,倾角逐渐增大,其余排布参数保持一致。不同排布倾角对工件表面粗糙度的影响如图6所示。从图中可以看出,随着排布倾角α的增大,工件表面粗糙度值先减小后增大,但是变化幅度较小,只是在Ra7.5上下浮动。所以可以知道,磨粒排布倾角对工件表面粗糙度影响不大。相比较来说,排布倾角α为50°时,工件表面粗糙度更好一些,可能是因为排布倾角α为50°时,更有利于磨屑的顺利排出。
3.4 不同磨粒粒度的影响
实验选用d组的四个砂轮,编号分别为d1、d2、d3和d4,磨粒粒度依次为30/40目、50/60目、60/70目和80/100目,磨粒粒径是从大到小变化的,其它各项排布参数都完全相同。不同磨粒粒度对工件表面粗糙度的影响如图6所示。从图中可以看出,30/40目粒度的砂轮磨削加工的工件表面粗糙度值最大,为Ra6.75;其次是50/60目粒度的砂轮,磨削加工的工件粗糙度值为Ra5.73;然后是60/70目粒度的砂轮,磨削加工的工件粗糙度值为Ra4.86。这三个粒度的砂轮随着磨粒粒度的增加,粒径的减小,磨削加工的工件粗糙度值也随之减小。分析原因,是因为磨粒粒度增大,粒径随之减小,则在磨削加工时,单颗磨粒在工件上留下的沟槽宽度就会随之减小,所以导致工件表面粗糙度也随之减小。从图中还可以看到80/100目粒度的砂轮磨削加工的工件粗糙度值为Ra5.14,反而比70/80目粒度的砂轮磨削所得的粗糙度大。分析原因,可能是由于80/100目粒度的磨粒粒径较小,大约为0.17mm,而设定的磨粒错位间距为0.2mm,相对较大,所以引起磨粒在工件表面留下的沟槽间距反而会比70/80目的更大,最终导致工件表面粗糙度值变大。
4 结语
本文设定了4个磨粒有序排布参数,并组合不同的排布参数,形成4种排布类型,16个排布形式各异的单层钎焊cBN砂轮。研究了在磨削工艺参数一定的情况下,不同的磨粒排布形式对工件表面粗糙度的影响,总结了工件表面质量变化的规律,结论如下:
(1)无论是在不同磨粒排布密度还是相同磨粒排布密度的情况下,随着磨粒纵向间距的增大,工件表面粗糙度也随之增大;而磨粒横向间距对工件表面粗糙度的影响很小。
(2)磨粒排布倾角对工件表面粗糙度的影响不大,当排布倾角为50°时,工件表面粗糙度相对较好。
(3)随着磨粒粒度号的增大,粒径的减小,工件表面粗糙度也呈现逐渐减小的趋势。但是要注意,当磨粒粒度小于磨粒错位间距设定值时,工件表面粗糙度可能会反而增大。所以在制作不同粒度的cBN砂轮时,要根据磨粒粒度大小,设置合理的磨粒错位间距,才能取得良好的磨削效果。
参考文献
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磨粒有序化砂轮 篇2
磁流变抛光是一种集电磁学、流体动力学及精密光学于一体的先进光学表面加工技术。国内外众多研究者对磁流变液的配制及其性能、抛光设备的开发以及磁流变抛光机理进行了研究,国外QED Technologies公司的产品已商品化,国内相关技术与国外尚存在较大差距,有待进一步深入研究[1]。
本文提出一种基于磁流变效应实现硬脆材料局部微细加工的工艺方法[2]。将磨粒混入磁流变液中制成磁流变抛光工作液,当磨粒聚集于以磁极为工具基体的工具顶端时即形成磁流变效应微砂轮,以此进行微细加工。该方法可以通过调节磁场参数来控制微砂轮的大小和硬度。
磁流变液是形成磁流变效应微砂轮的基础,磨粒是磁流变抛光工作液的重要组成部分,可对磁流变抛光工作液性能产生重要影响,决定了磁流变效应微砂轮的加工效果。在磁流变效应微砂轮中,磨粒被成串分布的铁磁粒子裹携、约束而处于半固着状态。本文通过理论建模分析,研究了磁流变效应微砂轮的磨粒半固着机理。
1 磁流变效应微砂轮性能控制机理
1.1 磁流变效应机理
磁流变效应的场致偶极矩理论认为,在外加磁场作用下,每一颗铁磁粒子都被极化成磁偶极子,各个偶极子相互吸引形成链串。铁磁颗粒可被视为刚性小球,无外加磁场时,颗粒均匀分布于载液中,此时磁流变液的屈服应力为零。一旦受外加磁场作用,颗粒瞬间被磁化为偶极子,磁矩与磁场方向一致,于是颗粒之间由于存在磁相互作用而逐渐开始运动,最后沿磁场方向成链状分布,磁流变液的表观黏度增加,具有一定的抗剪切能力,即存在剪切屈服应力。继续增加磁场,偶极子链数目增多,部分链相互结合形成链柱,宏观表现为剪切应力增大。撤去外磁场后,偶极子链消失,颗粒排列恢复原状,其变化时间只有几毫秒。随着磁感应强度的增大,颗粒形成磁链束的数目增大,磁流变液的黏度和抗剪切屈服应力增大[3,4]。
由于铁磁颗粒磁化后形成磁链,故可对磁流变工作液中的磨粒起到约束作用,使磨粒具有确定的运动状态,磨粒对所接触的工件产生一定的微切削作用,实现对工件材料的微量去除。
1.2 磁流变效应微砂轮形成原理
磁流变液是一种新型智能材料,在零磁场强度下,呈现出低黏度的牛顿流体特性,在磁场作用下呈现出高黏度、低流动性的Bingham流体特性,在极端情况下可以固化,这使得它可在液-固两相体之间转换,且这种转换是瞬间的、可逆的,通过改变磁场可使这种转换平稳快速地完成,且流变后的剪切屈服应力与磁场强度具有稳定的对应关系。
利用磁流变液的流变特性,磁流变液作为即效砂轮结合剂与磨粒一起形成微砂轮,其原理如图1所示。
以永磁体材料制成的锥棒作为工具,在锥棒产生的磁场作用下,磁流变液中出现磁粒沿磁力线成链状结构、且磨粒被约束于这些链状结构之间的特性。磁流变液的这种固化作用使得锥棒工具端部形成由磁链包裹着磨粒的球团(即微砂轮)。当锥棒旋转时微砂轮随之转动,实现对工件表面材料去除的微细加工。
磁流变效应微砂轮沿其半径方向磨粒的结合强度依次降低,中心部位的磨粒黏结强度高而接近于固着状态,外部接近于游离状态,其加工特征介于固着磨粒与游离磨粒之间。
1.3 磁流变效应微砂轮磨粒半固着作用机理
磁流变液的力学性能可以从磁流变液的宏观本构模型入手进行分析,采用简单的Bingham黏塑性模型可以定量描述磁流变液在磁场中流变本质特性[5]。在模型中总的剪切应力τ为
式中,H为外加磁场强度;τ0为外加磁场引起的屈服应力;η为零磁场强度时液体的黏度;
式(1)可以定性说明:磁流变液的剪切屈服强度与外加磁场和剪切应变率成正比,因此可以通过调节磁场强度来改变磁流变液的剪切强度大小。
构成磁流变效应微砂轮的磨粒主要产生切削作用,磁粒在磁场作用下沿磁力线形成链状分布,使磁流变效应微砂轮具有抗剪切屈服强度,磨粒混合于磁粒之间,磁粒串对磨粒产生夹持作用。通过磁场强度的变化调节磁流变效应的大小,调节磁流变效应微砂轮中磨粒的固着强度,即从游离状态到固着状态的变化,以达到不同的加工要求。
2 磁流变效应微砂轮磨粒半固着机理模型与理论分析
磨粒在磁流变效应微砂轮中主要产生切削作用,首先需要对添加磨粒的特性进行分析。
2.1 磨粒材料种类影响
磁流变效应微砂轮中磨粒的切削性能与磨粒的几何形状和材料物理性能有很大的关系。磨粒材料应具有一定的硬度、耐蚀性、韧性等,其硬度高于工件硬度才能有较好的切削性能。磨粒材料的硬度和强度影响磨粒的切削能力,表1列出了几种常用的研磨抛光加工磨粒及其物理机械性能。磨粒种类对处于磁流变效应微砂轮中的磨粒固着状态有两方面的影响。一方面是磨粒材料的磁学性能,从表1可见,磨粒是抗磁性材料,本身的磁化程度可以忽略不计,磁流变效应中的磨粒完全依靠周围铁磁粒子的包围、裹携、约束产生固结作用而形成微砂轮。另一方面是磨粒密度影响微砂轮旋转时产生的离心力大小,从而决定磁流变效应微砂轮中磨粒的密度。
2.2 磨粒形状影响
经过对磨粒形状的观察分析,根据磨粒的长宽高之比的不同,可将磨粒形状分为三种类型:①等积形,三维方向尺寸近似相等;②片状形,二维方向尺寸近似相等,另一方向尺寸显著小;③锥柱形,二维方向尺寸近似相等,另一方向尺寸显著大,如图2所示。经统计归纳,从磨粒形状所占比例来看,等积形磨粒最多,片状形次之,柱状形最少。
磨粒形状对磁流变效应微砂轮中磨粒固着强度有显著影响。实验研究表明,在磁流变效应微砂轮形成过程中,磨粒作为非磁性物质混入磁流变液,使铁磁粒子串产生畸变,导致磁流变效应减弱[7]。
在磁流变液中,铁磁颗粒同样会有不同的形状,但在磁流变效应微砂轮中磨粒主要产生去除作用,因此建模分析磨粒约束模型时将铁磁颗粒简化为球形。根据图2所示磨粒形状,假设磨粒与铁磁颗粒尺寸在同一数量级,建立磁流变效应微砂轮中铁磁颗粒约束磨粒的模型,如图3所示。由图3可见,磁性颗粒在磁场作用下沿磁力线成串分布,磨粒置于铁磁链串之中后,改变了铁磁颗粒的原始状态,同时又被铁磁颗粒包围、裹携、约束而固定。
等积形磨粒对磁流变效应链串影响最明显,磁链扭曲严重,因而可使磁流变效应显著减小;片状形和锥柱形磨粒具有方向性,总体影响相对减弱,但从磨粒切削性能方面来看,等积形磨粒最好,不仅可以承受较大切削作用力,而且易于被磁链稳定约束,而片状形和锥柱形磨粒在受到切削力作用时会产生转动而失稳,其在磁链中的不同姿态对磁链变形影响也不同。
2.3 磨粒大小影响
添加到磁流变液中的磨粒尺寸与铁磁颗粒尺寸对磁流变效应微砂轮中磨粒的固着状态有显著影响。铁磁颗粒对磨粒的包围形态可以分为三种情形:小包大、同尺寸包容、大包小,如图4所示。
当磨粒尺寸远大于铁磁颗粒尺寸时,铁磁颗粒从四周包围磨粒,磁力线沿磨粒外围绕行,铁磁颗粒链串畸变严重、结合强度会被显著消弱,因而磁流变效应减小,铁磁链串对磨粒的约束作用下降,严重时无法有效约束磨粒,如图4a所示。当磨粒较小而铁磁颗粒尺寸较大时,磨粒被夹持在磁粒的间隙中,铁磁链串变形很小,对磁流变效应影响也较小,铁磁颗粒对磨粒的约束力较强,如图4b所示。当磨粒尺寸和磁粒尺寸基本相当时,磁链虽有变形,但磁流变液的抗剪切应力下降不多,此时磁链可有效约束磨粒,磨粒的结合强度最高,如图4c所示。
从磁流变效应微砂轮中磨粒的切削性能方面分析,大磨粒可以有效提高去除效率,小磨粒与加工表面的干涉作用会减弱,可以有效降低表面粗糙度。如果磨粒尺寸较大,铁磁链串无法有效约束磨粒,那么磁流变效应微砂轮中的磨粒接近于游离状态;而如果磨粒较小,则隐藏于铁磁粒子间隙中被周围较大铁磁粒子限制,近似于固着磨粒,当处于切削状态时,磁粒无法对其实现约束;当磨粒尺寸与铁磁颗粒尺寸相当时,磨粒处于半固着状态,与铁磁颗粒形成的空间关系保证了其具有较好的去除材料能力。
2.4 磨粒含量的影响
磨粒含量的高低会影响磁流变效应微砂轮的加工性能。假设磨粒尺寸与铁磁颗粒尺寸相当,磨粒含量对铁磁链串畸变的影响如图5所示。
由图5可见,当磁流变液中磨粒的体积百分含量较低时,铁磁链串变形较小,磨粒被铁磁颗粒约束的强度较大,对磁流变效应影响也较小,但是磨粒含量较低会降低磁流变效应微砂轮的加工效果。当磨粒体积百分含量增高时,磨粒在磁场作用下使铁磁颗粒链串产生较大畸变,磨粒被约束强度减小,对改善磁流变效应微砂轮加工效果是负面的。所以,磨粒含量对磁流变效应微砂轮加工性能的影响具有正反两方面的影响,只有在磨粒含量适当时才具有最佳效果。
3 磁流变效应微砂轮加工实验
3.1 实验方法和装置
磁流变液基础液为硅油,磁流变粒子为羰基铁粉(平均粒径为5μm),并添加一定量的甘油作为添加剂。在磁流变液中添加不同种类和含量的磨粒制成不同性能要求的磁流变工作液。
磁流变效应微砂轮研抛加工实验装置如图6所示。实验工件材料为K9玻璃,采用水平单方向进给加工沟槽。将磁流变工作液注入工件和工具基体之间,施加于电磁场发生装置的线圈的励磁电压为20V(此时在抛光区可得到0.1T的磁场强度),电主轴的转速为3600r/min,工具基体随着加工沟槽深度的增大缓慢向下进给,水平进给速度为2.6μm/min,加工时间为20min。
1.电主轴2.夹具3.电磁场发生装置4.工件5.回转工作台6.A向步进电机7.X向驱动机构8.Y向驱动机构9.机架10.Z向驱动机构
工件加工前后,用无水乙醇、丙酮清洗干净并烘干,利用精密天平称量工件加工前后的质量,得到材料去除量,然后计算出去除率,以磁流变效应微砂轮的去除率作为对比参数。
3.2 实验结果分析
不同种类的磨粒对磁流变效应微砂轮去除率的影响如表2所示。由表2中数据可见,材料去除率与磁流变工作液中添加磨粒的硬度大小成正比。以金刚石磨粒为参照,碳化硅的材料去除率比金刚石有少量降低,但是硬度较低的氧化铝和氧化铈的材料去除率均有较大幅度降低,其中氧化铝的去除率比金刚石低20%,氧化铈的比金刚石低43%,说明磨粒物理机械性能对磁流变效应微砂轮加工性能起决定性作用。
表3所列数据表示磨粒粒度对磁流变效应微砂轮去除率的影响,材料去除率均随着磨粒粒径的增大先增大后减小,当磨粒粒径为W7时,材料去除率达到最大值。仅从材料去除率来看,磨粒粒度小,其材料去除效果差,磨粒粒度大,其材料去除效果好,但磁流变效应降低较大,反而影响了对材料的去除作用。
磁流变液中金刚石磨粒含量对材料去除率的影响如表4所示,材料去除率随着金刚石磨粒含量的增加先增大后逐渐减小,当金刚石磨粒含量为3%时去除率达到最大值。从实验结果来看,在磁流变液中添加磨粒是为了提高对工件材料的去除作用,但另一方面却降低了磁流变效应。因而,为了保证材料去除作用和不致使磁流变效应降低,磨粒含量要合适,同时要适当增强磁场的作用。
以上实验结果与上节所建立的磁流变效应微砂轮中磨粒固着状态模型分析结果吻合,说明所建立的磁流变效应微砂轮磨粒半固着理论对于分析磁流变效应微砂轮加工过程是有意义的。
4 结论
(1)磁流变效应微砂轮的磨粒处于半固着状态时,既克服了游离磨粒加工中磨粒利用率低、材料去除率低、磨粒分布不均匀的缺点,也克服了固结磨粒对加工表面作用力过强、不易得到光滑表面的缺点。
(2)磁流变效应微砂轮的磨粒半固着状态是通过控制磁场强度调节磁链约束力大小而实现的,磨粒被约束的强度介于游离磨粒与固着磨粒之间。
(3)磁流变工作液中磨粒的材料、大小、形状和含量等特性影响磁流变微砂轮的性能和加工效果,其作用机制是,非磁性磨粒介于铁磁粒子链之间使铁磁粒子链产生畸变,从而减弱磁流变效应以及铁磁粒子链对磨粒的约束。
(4)磁流变效应微砂轮研抛加工实验结果与理论建模分析相吻合,表明建立的磁流变效应微砂轮磨粒半固着理论是可信的。
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磨粒有序化砂轮 篇3
目前, 金刚石工具主要的制造方法有烧结法、电镀法和钎焊法。其中, 钎焊法能够使钎料对金刚石磨粒表现出很好的浸润性从而在金刚石与基体之间形成高强度的化学冶金结合, 金刚石出刃较高, 能极大地提高金刚石的利用率和寿命[1]。但一般工业上用钎焊法制造的金刚石工具磨料大多随机分布在工具上, 未能最大化利用金刚石磨料。研究表明, 金刚石的有序排布能够在工具表面形成理想的磨削地貌, 可以保证合理的磨粒间距和合理的磨粒裸露高度, 不仅可以延长金刚石工具的使用寿命、增加金刚石的使用率, 而且具有提高加工对象的光洁度以及减少金刚石重复磨损等优点[2]。此外, 磨粒的面密度、磨粒排布的方向性和等高性以及钎焊层厚度对磨削力、容屑空间也有着显著的影响。广东工业大学对金刚石磨粒在工具上的有序排布形态进行了实验研究, 表明磨粒有序排布工具的性能优于随机排布工具[3,4]。
目前, 实现金刚石磨粒有序排布的技术主要有复制技术、一次性使用壳模布料法和利用孔模板实现磨粒有序排布、有序阵列法、激光快速成型技术、点胶法等[5]。若采用上述排布技术分别做各种排布形态的工具实验的话, 需要的成本很大, 且研究时间较长。若能对金刚石有序排布形态及其运动轨迹进行仿真, 则能大大缩短时间, 且成本极低, 对有序排布金刚石工具的制备具有一定的指导作用。因此, 本文采用Pro/E软件对一定尺寸的磨盘表面磨粒的排布形态进行设计, 然后对不同排布形态的金刚石磨粒的运动轨迹进行仿真。通过观察轨迹的均匀程度和重合度来衡量金刚石磨盘的加工效果, 进而揭示金刚石各排布形态对工具性能的影响。
2 基于PRO/E的金刚石磨粒有序排布形态设计
在本研究中, 不考虑金刚石磨削过程中的其他相关因素的影响, 只把不同排布形态的金刚石颗粒看作该种排布形状的点。在相同时间的磨削过程中, 通过改变不同的转速和进给速度, 观察金刚石磨粒在加工过程中形成的轨迹, 即磨盘加工后工件的表面形貌。本文通过观察轨迹的均匀程度和重合度来衡量加工的表面质量, 均匀程度越好代表金刚石参与有效工作的数量越多, 表面质量越好。重合度在一定意义上与均匀程度相反, 即重合度越高表明参与有效工作的金刚石数量越少, 有些金刚石的轨迹与前一颗金刚石的轨迹重合, 这样被加工表面质量就差。其设计要点如下:
(1) 金刚石磨盘的外形要求
磨盘的外径为 30mm, 内径为8mm。把金刚石磨粒看成是点, 方便轨迹仿真研究。
(2) 金刚石磨粒设计
金刚石磨粒是由一个边长为0.5mm的正方体切割成以正方形的一个面为底面, 其它四个面为相等的锥形。
(3) 金刚石磨粒的排布形态
a. 同心圆排布
通过改变圆的半径和角度的值来确定同心圆的值。即由磨盘的内径到外径每个同心圆的半径都是以方差增长, 以360°为一个旋转周期。但在每个旋转周期的过程中, 半径和角度的值都是恒定不变的, 即在每次的旋转过程中半径、角度都是不变的, 如图1a所示。
b. 纵横排布
将金刚石颗粒均匀的分布在圆盘的纵向和横向上, 如图1b所示。
c. 螺旋线排布
在圆盘上建立一个极坐标系, 以坐标的原点为起点, i 为点的旋转半径和角度。对i 产生一个变量, 使其沿着螺旋线的方向往上走。在每个360°的旋转过程中, 旋转角度保持不变, 以旋转直径为一个变量, 如图1c所示。
d. 随机排布
以360°为一个旋转周期。在每个旋转周期的过程中, 半径和角度的值都随机递增, 即在每次的旋转过程中半径、角度的增量都是一个随机数, 如图1d所示。
3 基于PRO/E的金刚石磨粒运动轨迹仿真
利用Pro/E软件对金刚石颗粒在磨削加工过程中的运动轨迹进行仿真, 通过观察金刚石磨粒在相同的时间内及不同的转速和进给速度下轨迹的均匀程度和重合度来分析不同排布形态对加工性能的影响。为了便于观察对比, 本文选取的转速和进给速度均在较小的数值范围内变化, 且后面的轨迹对比图片次序从上到下依次为同心圆、纵横、螺旋线和随机排布。
a.同心圆排布;b.纵横排布;c.螺旋线排布;d.随机排布
3.1 不同转速、相同进给速度时磨粒的运动轨迹对比
当进给速度V=10mm/s 时, 转速N分别为100rad/min、150rad/min和200rad/min时四种排布方式的轨迹如图2所示。通过观察四种排布方式下金刚石颗粒运动轨迹的均匀程度和重合度, 发现随机排布的均匀程度最差, 有许多金刚石未加工过的地方, 也就是说轨迹的重合度较高, 有些金刚石没有真正发挥作用, 只是参与了上一颗金刚石的重复加工过程, 这样被加工材料的表面质量就差, 这种规律在转速越低时越明显 (图2a) 。有序排布中纵横排布最好, 轨迹的均匀性最好, 几乎所有金刚石都参与了工作, 被加工材料表面质量最好。其次是螺旋线分布和同心圆分布, 螺旋线分布的轨迹均匀性较好, 但加工材料的边缘出现了波浪形的轨迹。同心圆分布的轨迹有一定的重合度, 但比随机排布的重合度均匀, 被加工材料表面质量较好。随着转速的增大, 四种排布方式轨迹的均匀程度都越来越好, 重合度越来越低, 加工后的材料表面质量越高。
(a) N=100rad/min, V=10mm/s; (b) N=150rad/min, V=10mm/s; (c) N=200rad/min, V=10mm/s
(a) N=100rad/min, V=10mm/s; (b) N=150rad/min, V=10mm/s; (c) N=200rad/min, V=10mm/s
3.2 相同转速、不同进给速度时磨粒的运动轨迹对比
当转速N=200rad/min, 进给速度V分别为10mm/s、15mm/s 和20mm/s时四种排布方式的轨迹如图3所示。通过观察四种排布方式下金刚石颗粒运动轨迹的均匀程度和重合度, 发现随着进给速度的增大, 四种排布方式金刚石磨粒轨迹的均匀程度都越来越差, 重合度越来越高, 被加工材料表面质量越来越差。总体来看, 随机排布的均匀程度最差, 重合度最高, 被加工材料表面质量最差。有序排布中纵横排布最好, 轨迹的均匀性最好, 被加工材料表面质量最好。其次是螺旋线分布和同心圆分布的工具。
(a) N=200rad/min, V=10mm/s; (b) N=200rad/min, V=15mm/s; (c) N=200rad/min, V=20mm/s
(a) N=200rad/min, V=10mm/s; (b) N=200rad/min, V=15mm/s; (c) N=200rad/min, V=20mm/s
综上分析, 仅通过金刚石磨粒运动轨迹的均匀程度和重合度来衡量加工后材料的表面质量从而判定工具的性能来看, 金刚石有序排布工具比随机排布工具的性能要好, 且三种有序排布工具的性能从高到低依次为纵横排布、螺旋线排布和同心圆排布, 这与文献[3,4,5]的实验结果相吻合。此外, 金刚石工具性能随着转速的减少、进给速度的增大而降低。
4 结论
本文采用Pro/E软件设计出纵横、螺旋线和同心圆三种常见的有序排布金刚石工具和随机排布金刚石工具, 然后对不同排布工具的金刚石磨粒的运动轨迹进行仿真。在一定的时间内, 不同的转速和进给速度下模拟金刚石工具的加工过程, 通过观察金刚石磨粒运动轨迹的均匀程度和重合度分析不同排布方式对加工性能的影响。总体来看, 有序排布工具性能要优于随机排布工具, 有序排布工具中纵横排布的加工效果最好。本文通过对金刚石磨粒的运动轨迹仿真可以在不做任何实验的情况下获得工具的加工效果, 省时省力, 对实际生产有一定的指导作用。但在仿真过程中许多因素如磨削力和金刚石的磨损等都没有考虑, 仅从轨迹的均匀程度和重合度来判定工具性能好坏也有些片面。因此这种手段还需要进一步的完善, 并需要开展实验进一步的验证。
参考文献
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