cBN高速砂轮（通用7篇）
cBN高速砂轮 篇1
1 前言
陶瓷结合剂cBN砂轮因其具有磨削效率高,形状保持性好、耐用度高、易于修整等优点,在各种结合剂类型的cBN砂轮中,成为发展最快的一个品种,从1980年至1993年在世界范围内cBN砂轮的结合剂构成比例中,陶瓷结合剂由4%增加到37%,呈大幅度上升的趋势。
在高速回转下进行磨削的陶瓷cBN砂轮,加大砂轮的进给速度和磨削深度,可大幅提高磨削效率;如只提高砂轮速度,而不增加进给,则可提高砂轮的耐用度,并能改善工件的加工精度和表面粗糙度。陶瓷结合剂cBN高速砂轮具有上述一系列优越性,因而受到世界广泛关注,成为世界上磨削工具产品开发的热点。
强度尤其是抗拉强度是影响陶瓷cBN高速砂轮使用的关键性因素。若强度不够,砂轮在磨削加工时易产生回转破裂现象,这将对人身及设备造成危害,因此对砂轮在高速回转下进行受力分析至关重要[1,2,3]。
2 陶瓷基体整体式结构砂轮的受力分析
砂轮磨削是一个相当复杂的过程,磨削力是磨削过程中产生的切削力和摩擦力的总和。在高速磨削条件下,砂轮的径向和切向磨削力都大为减小,由磨削作用引起的砂轮周面受力仅占砂轮旋转引起的离心应力的极小一部分,可以不予考虑,进行受力分析时,按工作速度的1.6倍(回转强度检查时的速度)进行计算[4]。
陶瓷基体整体式结构的砂轮,是将工作层部分与基体层部分一起成型。这种结构的砂轮目前占据了cBN陶瓷砂轮的主要部分。现制造一个工作速度V工作=80m/s的薄片砂轮,其形状及尺寸如图1所示。
由于基体层与工作层采用相同成分的结合剂,其密度(ρ)、泊松比(μ)等各参数非常接近。因此,我们可以假定砂轮材料是连续、均质、各向同性的,从而把它简化成弹性理论中回转盘问题,其应力分布如图2所示[5]。
根据砂轮中应力分布特点,可以推测砂轮回转时产生破裂现象首先从内孔开始,因为这跟切应力在砂轮孔径处最大相对应。内孔边上切向应力超过砂轮本身的抗拉强度时,砂轮就破裂。
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σθ:切向应力;
ρ:砂轮密度,取2.2×103kg/m3;
ν:砂轮的破裂速度,ν=V工作×k,k为安全系数取1.6;
μ:砂轮材料的泊松比,陶瓷材料取0.3;
a:砂轮内孔半径,m;
b:砂轮外圆半径,m;
因此,砂轮在V工作=80m/s状态下工作,砂轮抗拉强度不得低于(σθ)max。要达到如此高的强度,对于高温烧成(烧成温度约1300℃)的陶瓷砂轮也许可以解决,而对于低温烧成(cBN砂轮的烧成温度不高于900℃)的砂轮则很难实现[6]。因此,陶瓷基体很难满足80m/s及更高回转速度的砂轮,而必须用金属基体予以取代。
3 铝合金基体cBN陶瓷砂轮的受力分析
铝合金基体cBN砂轮的尺寸与陶瓷基体的相同,见图1,基体与工作层之间用具有足够强度的胶沾剂进行粘结。
一般铝合金的密度ρAl=2.7×103kg/m3,弹性模量EAl=7.50×1010Pa,泊松比μAl=0.34;工作层的密度ρ=2.2×103kg/m3,E=4.00×1010Pa,μ=0.30。由于铝基体与工作层之间各参数相差较大,而不能把砂轮简化成连续、均质的回转盘问题。我们可以使用ANSYS有限元分析软件,对高速旋转的砂轮进行受力分析,切向应力分布示意如图3所示[7]。
可得孔壁处的切向应力为3.66×107Pa,铝基体外围的应力为1.0×107 Pa;工作层内围的切向应力为5.66×106Pa,工作层的切向应力为4.62×106Pa。此时砂轮的抗拉强度只需满足5.66×106Pa,就能达到要求,远远小于3.00×107Pa;而一般的镁铝合金抗拉强度都能达到170MPa,许用应力[σ]=94.4 MPa(取安全系数ns=1.8),远远大于3.00×107Pa,从而使砂轮在高速条件下进行磨削成为可能。只需解决的问题是胶沾剂的选择,或同时使用机械的方法对基体与工作层之间进行加固。
4 结论
通过以上分析可知,对于低温烧成陶瓷cBN砂轮,在80m/s的工作条件下进行磨削,陶瓷基体强度很难满足要求;金属基体能有效提高砂轮的工作速度,降低对工作层的强度要求。本文所得到的结论,对于指导陶瓷结合剂cBN砂轮基体选择,保证砂轮安全工作具有重要的理论指导意义。
参考文献
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cBN高速砂轮 篇2
高性能砂轮的优势主要体现在高加工效率、高加工质量和高安全性能几个方面[1]。从1970年贴片式砂轮诞生以来,虽然近年来众多学者和专家围绕陶瓷立方氮化钅朋(CBN)砂轮设计进行了一系列研究,然而大部分设计依据仍沿用整体式砂轮设计依据,优化目标以控制砂轮基体最大应力为主[2,3],这样虽保证了砂轮的安全因素,却忽视了砂轮节片结构优化对砂轮加工质量和加工效率的影响。超高速陶瓷CBN砂轮作为一种高性能磨具,在设计中除了要保证砂轮超高速运行安全外,还应该综合考虑其加工质量和性价比。
1 超高速砂轮受力分析
目前超高速砂轮基体多采用变截面形状,等厚度砂轮截面应力计算模型并不适用于截面形状变化的情况。超高速砂轮主要受离心应力作用,离心力作用使砂轮发生一定的结构变形,使得节片式超高速陶瓷CBN砂轮发生径向和轴向位移,而径向位移量大小将直接影响砂轮的加工表面质量。因此,节片式超高速陶瓷CBN砂轮设计优化应以控制径向位移为优化设计目的之一。
图1所示是旋转砂轮的应力及其分布。其中,σr为径向应力,MPa;σθ为切向应力,MPa;rs为外径,mm;rk为内孔径,mm。由图1可以看出,随着孔径比的增加,砂轮内应力逐渐减小,而且砂轮内任意一点上的切向应力都远比径向应力大,最大应力出现在砂轮孔壁上,其应力的性质是拉应力。因此,在砂轮的强度设计中,校核抗拉强度是很重要的。
(a)砂轮微元应力方向 (b)旋转砂轮应力分布
由于超高速旋转离心力作用使得砂轮内部产生径向应力及切向应力,不同于等厚度砂轮,变厚度砂轮的厚度t是按照t(r)函数随半径变化呈指数分布的(t=Cr-λ,C为常数,λ为正数),因此高速砂轮等角速度转动时,砂轮中任一点r处的应力平衡方程可表示为[4]
式中,F为离心力函数;ν为泊松比;ρ为砂轮密度,kg/m3;ω为砂轮回转角速度,rad/min。
根据其边界条件δr|r=rk=0,δr|r=rs=0,解出方程的奇异解:
式中,a、b为常系数。
同时,可得出相应的砂轮径向位移量计算式:
式中,E为弹性模量。
可见当λ=0、a=1和b=-1时方程即变成等厚度砂轮的应力分布计算式。
2 超高速砂轮基体优化设计分析
2.1 基体截形选择
合理的砂轮基体截形能有效地减小砂轮旋转时的径向位移量,保证砂轮磨削加工精度,并且能减小集中应力以保证砂轮超高速旋转的安全性。目前砂轮采用的截形主要为锥形、阶梯形、双曲线形[5]。对三种砂轮基体截形的总形变量、最大等效应力(内孔)、最小等效应力(径向)、最大等效应变分别进行有限元分析,结果图2所示。
砂轮基体材料预选为钛合金,其泊松比为0.31,弹性模量为192GPa,加载线速度为100~500m/s,砂轮特征标记为370×20×80-CBN。由分析结果可知,双曲线截形的径向位移量最小,在300m/s的线速度加载下,双曲线截形砂轮的最大总形变量发生在砂轮基体圆周且为径向位移,仅为0.0432mm。相反,阶梯形截形砂轮基体径向位移量最大,比双曲线截形砂轮最大径向位移量还大0.01mm,显见此形变量已足以影响到砂轮的磨削精度。锥形截形砂轮径向位移量约为0.0485mm,比双曲线截形砂轮径向位移量大约0.005mm,对于精加工而言,同样也是不可忽视的加工精度影响因素。
砂轮基体应力校核是保证砂轮安全性的指标之一,通过对钛合金砂轮基体加载连续线速度进行有限元分析,分别考察在线速度加载条件下砂轮基体的最大等效应力、最小等效应力以及最大等效应变,结果如图3所示。
由有限元实验结果分析可知,随着线速度的增加,砂轮基体的等效应力和应变相应呈平方数增加,这与变厚度砂轮应力及应变计算式中砂轮应力与砂轮速度平方成正比是一致的。锥形和阶梯形砂轮基体的最大等效应力和等效应变差别极小,而双曲线形基体砂轮在这两方面优于其他截形砂轮。砂轮基体最大等效应力的减小意味着砂轮具有更好的安全性。而基体等效应变的减小则有助于减小砂轮径向位移变形,从而提高磨削精度。阶梯形基体砂轮虽然因为有阶梯结构的存在使得砂轮外圆等效应力有明显减小,但在阶梯处会出现很大的集中应力,同样不利于砂轮高速旋转的安全。
综上所述,双曲线截形基体在内孔处等效应力最小,完全在钛合金强度范围内,砂轮不易发生破坏,且在砂轮外圆的等效应力的最大值也较优,使砂轮贴片承受应力较小从而不易剥离。虽然阶梯形基体在外圆处应力较小,但在阶梯处存在严重应力集中,存在安全隐患。因此,双曲线砂轮无论是对于控制砂轮基体径向位移量以提高磨削精度,还是在减小基体内部应力方面都有着明显优势,因此建议在可能的加工工艺条件下超高速砂轮基体采用双曲线形为佳。
2.2 砂轮空气制动功率分析
砂轮外的空气流动引起的砂轮摩擦功耗在普通砂轮速度下一般可以忽略,但是在超高速磨削中必须考虑。对于高速旋转的砂轮,其制动功率为[6]
式中,ρa为砂轮密度;va为砂轮线速度;Ds为砂轮直径;ns为砂轮转速。
图4所示是根据式(4)得出的不同砂轮转速下的空气制动功率变化状况以及与之相应的空转砂轮线速度从0提升至250m/s期间砂轮表面与空气摩擦所产生的温度变化(室温20℃即293K)情况。
从图4可以知道,砂轮周边空气对普通砂轮的影响很小,即使砂轮直径增加到600mm,空气对砂轮的摩擦功率也仅有几十瓦,随着砂轮速度的不断提高,空气制动功率逐渐增大。而大直径砂轮在超高速下砂轮表面与空气摩擦产生热量使砂轮的温升达30℃,而且砂轮周围的气流场运动也发生急剧湍流变化,加大了砂轮冷却液浸入磨削区的难度,这同样也是不可忽视的。所以,从功耗上讲,我们应选取提高砂轮转速的方法获取期望的超高速度。综上,对高速砂轮的直径和砂轮转速进行优化组合是完全必要的。一般可取砂轮直径约250~400mm。
2.3 砂轮基体材料选择与分析
基体材料的物理及力学性能同样对超高速旋转砂轮的应力及径向位移有影响。砂轮基体材料选择的标准既要符合安全要求又要保证加工精度同时兼顾绿色经济性。表1所示是本次实验分析所选择的几种砂轮基体材料的机械性能。
对不同材料的砂轮基体应力及变形进行有限元分析。砂轮截形采用之前分析中得出的最适宜的双曲线截形,有限元中基体材料定义采用表1数据,砂轮加载速度范围为100~500m/s。分别分析基体最大变形量与等效应力,结果如图5所示。
砂轮基体所采用的材料分别为合金钢、铝合金、钛合金、铍合金以及CFRP。由结果分析可知,就抑制砂轮基体径向位移来说,CFRP和铍合金是最好的基体制造材料,铝合金和钛合金材料基体比合金钢更好。由于铍合金中的铍是一种有毒的稀有材料,而碳纤维复合材料价格昂贵且国内制造技术不成熟,采用钢基体则会使砂轮惯性力矩过大导致主轴系统负荷增加,因此,铝和钛基体才是最合适的超高速砂轮基体材料。考虑到铝合金耐热性较差(400℃或以下)以及抗疲劳强度较差,本文最终选择钛合金材料。
2.4 砂轮基体形状优化
在确定基体材料和截形后应对基体具体形状进行优化,利用ANSYS优化设计钛合金双曲面截形基体的最终截形。设定优化目标为基体径向位移和径向应力最小,加载速度为250m/s,取连续分布样本数量为40个,初始基体截形为双曲线,基体形状优化过程如图6所示,其中优化变量为双曲线截形在相应基体半径处半厚度,优化目标为基体最大变形(径向位移)、最大和最小等效应力(即内孔处集中应力和外圆周径向应力)最小。
根据样本优化三维视图及优化结果所示,砂轮半径为135mm、截面处半厚度为2.875mm(即双曲线弧面厚度为5.75mm)的双曲弧面为最优,此时砂轮基体径向位移仅为0.041 471mm,相应的内孔处最大等效应力为101.51MPa,除此外还有3.325mm(此处对应双曲线截形厚度为6.65mm)和3.775mm(此处对应双曲线截形厚度为7.55mm)两个最优半厚度点。
由于钛合金基体砂轮的强度完全满足双曲线基体最大等效应力要求,因此可进一步以抑制基体径向位移和基体外圆处等效应力为主要优化目标。通过对双曲线截形厚度变化对基体径向位移的影响进行分析,由图7等效变形曲线分析可知,基体径向位移在截形D处半厚度从2mm增至3.475mm范围内呈急剧下降趋势,而经过厚度极值点后逐渐上升;相应的砂轮基体最小等效应力在经过2.875mm这个半厚度极值点后上升趋势趋缓。因此当砂轮双曲面厚度值在135mm半径处取5mm砂轮截面厚度时可使得砂轮基体径向位移和等效应力都取到较小值,同时节约钛合金材料并便于砂轮基体生产制造。另外,根据双曲线弧面的3个特征点C、D、E,可以计算出与之相应的弧面半径,为实际加工工艺提供指导或作为检验砂轮尺寸是否符合标准的一个指标。
3 超高速砂轮贴片优化设计
超高速陶瓷CBN砂轮的性能不但取决于砂轮基盘形状、材料等方面,还取决于砂轮节块形状、数量、强度和基盘与砂轮节块之间的粘胶强度[7,8]。径向应力和切向应力都可能造成砂轮破坏,切向应力变化主要是由砂轮基体的膨胀和砂轮贴片伸长引起的,径向应力变化除了受砂轮基体膨胀影响外同时受砂轮贴片质量和厚度变化影响。以往的研究中很少涉及砂轮贴片影响问题,然而这实际上是一个不可忽略的因素。在之前砂轮基本材料与结构的基础上对砂轮贴片几何特征进行优化,主要包括砂轮贴片数量和砂轮贴片厚度优化。
3.1 超高速贴片式砂轮有限元建模
与以往对砂轮节块进行的ANSYS有限元分析不同,本实验对完整的基体、贴片和粘胶一起进行整体建模分析,即对整个超高速磨削砂轮进行分析。同时将砂轮贴片与基体粘结的粘胶力的影响也考虑进去,贴片有限元材料模型符合CBN磨料特性。有限元单元采用SOLID45三维六面体结构实体单元。砂轮有限元材料模型库中有钛合金、CBN和东丽-300型环氧树脂金属粘胶几种材料,具体材料参数见表2。
砂轮整体模型由砂轮基体、粘胶层和砂轮贴片组成。基体尺寸为之前实验分析所得,粘胶层厚度为0.5mm,贴片数量预设为50,均匀分布在砂轮基体圆周,贴片厚度为5mm。因为主要分析对象为砂轮径向位移量和应力,所建立砂轮模型中粘胶层只存在于贴片和基体之间,因此对贴片与贴片之间的粘胶层加以忽略。对砂轮基体加载绕轴向、大小为1621.6rad/s的旋转角速度,内孔柱面约束。
3.2 贴片数量优化设计
在对贴片式超高速砂轮进行有限元建模基础上,进一步进行贴片数量的优化分析。优化分析的已知条件:砂轮直径370mm,基体直径360mm,基体孔径160mm,基体内孔处厚20mm,基体材料为钛合金。设砂轮贴片厚度、块数为优化变量,其中,贴片初始厚度为5mm,初始贴片数量为50。多目标优化函数为:砂轮的径向位移、圆周应力以及内孔应力最小。
图8所示为超高速陶瓷CBN砂轮贴片数量的优化趋势,当切片数量大于10后,随着贴片数量的增加砂轮径向位移和等效应力都呈减小趋势,但贴片数量达到一定程度时径向位移量和等效应力变化趋于平缓,因此贴片数量不宜超过70,优化贴片数量为65时最佳,考虑工艺加工的方便可以取为60。
3.3 贴片厚度优化设计
砂轮贴片厚度对砂轮的径向位移量和等效应力也有相当影响,因此本文在贴片数量优化基础上对贴片厚度进行了优化设计。图9所示为60贴片砂轮最大径向位移量与贴片外径处等效应力变化曲线,加载线速度为300m/s,取样本数量为20。
(b)贴片厚度与砂轮等效应力变化
经有限元优化分析,贴片径向位移量与最小等效应力随着贴片厚度增加呈线性增加,而最大等效应力则相应减小,根据优化曲线取4mm厚度为最优值。
4 讨论
砂轮基体上粘结贴片后砂轮外圆等效应力会显著地减小,一方面原因是贴片使得砂轮直径变大,另一方面是因为粘胶层材质的作用。而粘结贴片的砂轮径向位移会比基体径向位移大是因为:虽然贴片的弹性模量很小使得贴片变形量很小,然而贴片与砂轮基体之间的粘胶层因为离心力作用而产生的膨胀变形却大于基体变形。因此设计高性能贴片式陶瓷CBN砂轮时还需考虑选用合理的砂轮贴片磨料、结合剂成分及用来粘合贴片的粘胶。
5 结语
采用有限元方法进行了超高速陶瓷CBN砂轮的结构设计。研究表明,以控制砂轮径向位移和最大等效应力为目标的优化设计方法优于传统单一的以减小最大应力为目标的设计方法,既保证了砂轮磨削加工精度,又保证了砂轮的安全性。双曲线截形砂轮具有径向位移量、等效应力及质量小的多种优势,同时砂轮贴片数量和厚度也应该给予适当控制。CFRP是当前制造基体的最好材料,CFRP在国外的应用不断扩大,虽然目前国内制造技术还不成熟,但我国应加快研究和应用。最终确定超高速砂轮优化结果为钛合金基体、双曲线截形,其中双曲线基体截形为优化点在基体半径135mm处厚度为5mm的可精确计算曲率的弧线,经有限元优化分析,贴片数量取60,贴片厚度以4mm为佳。
参考文献
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cBN砂轮磨削技术 篇3
压缩机螺杆磨削
cBN和金刚石工具磨损的降低与砂轮形状关系密切, 这在成形磨削中尤为重要。在磨削压缩机螺杆的过程中, 有一个很重要的要求即螺杆与砂轮接触区需要有效散热, 否则易导致磨削烧伤。当指定接触长度约为lg≈60mm时, 磨削区的散热由砂轮的高气孔率来保证。本应用实例中使用的陶瓷结合剂cBN砂轮只有通过使用高强度玻璃料和大气孔才能进行上述磨削。
运用环形砂轮进行NC成型磨削
这是一个陶瓷结合剂cBN环形砂轮成形磨削的过程。在这一要求极高的过程中, 需要保持很好的柔韧性, 以便于对材料表面进行机械加工, 这也意味着即使工具的磨损较低, 其使用寿命较长, 但在其后仍需对砂轮进行再次修整操作。通过工件与砂轮接触面的不断变化, 材料的去除成一直线。为了顺利进行成形磨削, 利用模拟实验, 确保材料的去除既符合几何运动学要求, 又符合动力学要求, 并且可以得出砂轮在进出区域的可靠结果。
滚压螺纹模具的磨削
在最初的磨削方案中, 使用SiC砂轮需要中间修整, 而采用大气孔陶瓷结合剂砂轮则不再需要这种操作。但使用陶瓷结合剂砂轮时面临的最大问题是要对带有一个金刚石仿形滚轮的80mm宽的cBN砂轮进行修整, 这一过程将产生很高的磨削力并且在现有的磨削设备和修整装置上才能实现。与之前使用SiC砂轮的方法相比, cBN砂轮可节约40%的磨削时间。
多区切削砂轮和复合磨削工具的发展
目前, 砂轮的开发主要表现在工具的功能结构上, 以适应特殊的加工需要。其优点是可以代替分开的制造过程, 并将各独立加工步骤结合成一个加工步骤, 这就意味着不仅可以避免夹具误差, 还可以节约成本, 也因此得以提高生产效率。在工具开发的过程中, 应区分差异化工具结构和创新工具结构, 即区分所谓的多区切削砂轮和多种工具结合成一体的复合磨削工具。
用cBN丸片砂轮进行精磨
cBN高速砂轮 篇4
经济活动的全球化正在迅速发展, 从与廉价进口产品竞争的必要性来看, 日本的制造业一方面要生产富有吸引力的产品, 一方面要有比以往更高的低成本意识。
在这种要求降低生产成本的背景下, 在磨削加工领域, 作为适合提高生产率、减轻劳动强度和自动化等要求的磨具, 积极地引进了超硬磨料砂轮。
超硬磨料砂轮, 尤其是陶瓷结合剂cBN砂轮, 虽然需要修锐器等专用装置, 但在机床上便于整形和修锐, 因此其应用现已扩大到汽车部件、轴承等各种领域。
则武 (ノリタケ) 集团一直生产这种cBN砂轮, 向用户供货, 同时积极致力于cBN砂轮应用技术的开发[1,2]。并在过去积累起来的cBN砂轮磨削机理研究的基础上, 开发出一种新型陶瓷结合剂cBN砂轮-MUSCLE砂轮 (图1)
1 MUSCLE砂轮的结构与特征
cBN磨料等超硬磨料的成本远远高于氧化铝等普通磨料, 如何将各种磨料有效地应用于磨削作业, 对发挥磨具的性能特别重要。
作为磨具的cBN砂轮, 从开始使用到报废, 期间磨粒切削刃的修整和伴随磨削的磨粒切削刃的钝化反复发生。图2为砂轮工作面磨粒切削刃变化的模拟图。
1.1 砂轮工作面的变化
从以往cBN砂轮磨削机理的研究获悉, 由于修锐形成的磨粒切削刃在磨削作业中受到载荷的作用, 一方面发生切削刃尖端微破碎 (情况①) , 一方面发生切削刃整体脱落或严重破碎 (情况②) 。
如果砂轮工作面变化很大, 不能维持要求精度, 为了恢复磨具的性能, 应进行修整 (情况③) 。情况①和情况②分别用模拟图表示, 但在实际磨削作业中同时发生。
由于情况①～情况③所示的这种砂轮工作面变化反复发生, 砂轮逐渐损耗, 可用磨料层一旦耗光, 砂轮就沦为报废品。
情况①的切削刃尖端的微破碎, 从保持磨具锋利度的连续性方面来看, 这种变化反倒令人喜欢, 而情况②的那种切削刃整体脱落或严重破碎, 导致cBN磨料在磨削中处于不能充分发挥作用的状态, 最后完全失效, 缩短了磨具的寿命。因此, 作为磨具来说, 这种变化是非人所愿望的。
情况②所出现的那种磨粒脱落, 从cBN砂轮的结构可以看出, 是由于把持磨料的陶瓷结合剂发生折损所致。陶瓷结合剂折损的原因, 首推的是施加的磨削载荷超过了陶瓷结合剂的强度。
其它原因则有:修整磨粒切削刃和磨削作业时结合剂表面生成微小缺陷, 由于反复施加磨削载荷, 促进缺陷生长, 导致结合剂发生折损。
1.2 反复载荷所致折损的对策
鉴于上述情况, 针对磨削作业中反复施加的载荷, 开发目标则放在提高结合剂的强度上, 以防其发生折损, 除了传统上cBN砂轮中存在气孔的排屑功能外, 尝试进行一种处理, 以具备补强或保护陶瓷结合剂的功能。
在各种不同的尝试中, 本文介绍的MUSCLE砂轮则以特殊树脂补强或保护陶瓷结合剂, 从而大幅度提高磨削性能。
与cBN砂轮一样, 对于具有气孔的磨具, 作为试图提高性能的手段, 过去提出过各种方案, 尤其是人工处理磨具, 文献中可找到有关的实例[3]。
人工处理磨具的代表则是在磨具的气孔中, 用物理方法充填润滑剂和极压添加剂。这种润滑剂的作用在磨削中逐渐显现出来, 对磨粒切削刃起着润滑作用。
MUSCLE砂轮的开发目标是, 通过赋予磨具这种润滑作用, 提高磨料的把持强度, 以最大限度地发挥出cBN磨粒切削刃的卓越能力。
1.3 用树脂对结合剂表面进行补强处理
图3为MUSCLE砂轮的结构模拟图。
传统cBN砂轮由磨料、结合剂和气孔 (空隙) 组成, 而MUSCLE砂轮的结构特点则是陶瓷结合剂的周围用树脂进行过补强处理。
这种处理的目的在于, 通过用树脂覆盖陶瓷结合剂的表面, 既可提高结合剂的强度, 有助于提升磨料的把持强度, 又可防止结合剂表面生成的微小缺陷对反复载荷引起的强度下降带来影响。
图3以疲劳强度与反复载荷的关系的形式比较了传统cBN砂轮和MUSCLE砂轮磨料层部分的强度。两者的强度按反复载荷次数104时, 传统cBN砂轮的强度为100的指数来表示。
可以看出, 与传统cBN砂轮相比, MUSCLE砂轮在反复载荷次数104时, 强度提高了3%, 在反复载荷次数106时, 强度则提高了6%。
载荷的反复次数越多, MUSCLE砂轮的效果越明显。这一点特别重要是因为延长了cBN砂轮在报废前的使用寿命, 可在工作期间进行高速磨削。在cBN砂轮的实际应用中转速高达1万转每分钟也并非罕见, 由于处在这种工作环境, MUSCLE砂轮作为实际磨具其效果有望超过这里所介绍的强度比较。
从强度评价结果可以看出, MUSCLE砂轮不仅磨料的把持强度得到提高, 而且结构有望抑制在反复载荷作用下发生的磨粒切削刃脱落。
2 MUSCLE砂轮的性能与加工实例
MUSCLE砂轮的磨削加工性能经公司内部试验得到了证实。图4为该砂轮的磨削性能试验结果。
横坐标取为修锐后的磨削量, 表示磨削余量断面积 (每砂轮单位宽度的磨削量) 除以砂轮圆周长度所得数值。纵坐标取为砂轮磨损尺寸、加工表面粗糙度和砂轮轴的耗电量, 这些参数均随着磨削余量断面积的增加而变化。表1为磨削性能试验条件。
这里, 例如将加工表面粗糙度 (Ry) 达3μm时的修锐寿命定为砂轮寿命, 可以看出, 传统cBN砂轮的寿命为12.5mm2/mm (磨削余量断面积) , 而MUSCLE砂轮则为20.5mm2/mm, 寿命提高了0.6倍。在磨削余量断面积为0.5mm2/mm时, MUSCLE砂轮的耗电量高于传统cBN砂轮, 加工表面粗糙度却小于传统cBN砂轮。这表明, 在修锐后的砂轮工作面上, MUSCLE砂轮所留下的磨粒切削刃多于传统cBN砂轮。另外, 即使增加磨削余量断面积, 因MUSCLE砂轮的砂轮磨损尺寸小, 耗电量也高, 磨粒切削刃的脱落也少。
对于MUSCLE砂轮, 正如磨料层的强度比较所示, 即使在实际磨削加工中也能确认, 在提升磨料把持强度的同时, 提高了抗反复载荷的强度, 这有助于抑制磨粒切削刃的脱落。
图5介绍了MUSCLE砂轮在实际生产现场的应用事例。该砂轮在各种应用场合都取得了以下令人满意的效果:
(1) 应用MUSCLE砂轮加工汽车凸轮轮廓, 修锐寿命提高了1倍;
(2) 加工微型轴承的内套, 修锐寿命提高了0.6倍;
(3) 无心磨削加工滚针和滚柱, 修锐寿命则提高了1倍。
3 结语
作为一例能有效地降低生产成本的超硬磨料砂轮, 介绍了一种结构新颖的陶瓷结合剂cBN砂轮MUSCLE砂轮, 并列举了其应用实例。
超硬磨料砂轮除了能提高生产效率等优点外, 也有可能适应有利于环保的新型加工技术。对于本文所介绍的MUSCLE砂轮等超硬磨料砂轮, 今后应努力加以普及, 以适应用户的要求。
参考文献
[1]株式会社ノリタケカンパニリミテド:ビトリフアイドcBNホイルのドレツシング条件と研削性能, ノリタケ技报, 1989.1.
[2]株式会社ノリタケカンパニリミテド:ビトリフアイドcBNホイルのドレツシング条件と研削性能 (との3) , ノリタケ技报, 1992.46.
cBN高速砂轮 篇5
砂轮磨削是一个相当复杂的过程,磨削力是磨削过程中产生的切削力和摩擦力的总和。我们一般采用将磨削力分解成互相垂直的三个力来研究,磨削力(undefined)的三个分力分别为法向磨削力(undefinedn)、切向磨削力(undefinedt)、轴向磨削力(undefineda),其中,undefined,总磨削力的大小和方向是不断变化着的,这就给磨削力的测量和分析带来很大不便。在高速磨削条件下,陶瓷cBN砂轮的径向和切向磨削力都大为减小,由磨削作用引起的砂轮周面受力仅占砂轮旋转引起的离心应力的极小一部分,在进行受力分析时,可以不予考虑;同时,高速砂轮多采用薄层陶瓷结合剂工作层(一般为5mm),由于磨料层厚度相对很小,因此高速砂轮设计遇到的主要是基体强度问题[1,2]。
旋转砂轮根据使用要求一般都要在中心开孔,特别是大型或特大型锻件,由于中心处材料存在缺陷,在中心开孔以消除隐患。开孔所引起的应力增长,比材料缺陷对构件强度危害要小些。
通过计算,对于中心有孔的砂轮基体,其最大应力随孔径大小的变化幅度不大,极薄的圆环的环向应力值ρω2R2只比中心有小孔的基体中的最大环向应力值(3+μ) ρω2R2/4大
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当μ=0.3时,该值约为21%。因此,在进行砂轮基体设计时,不应过多地考虑减少孔径比来提高基体强度,而应根据磨床的要求及基体加工的可操作性来设计基体[3]。
基体设计的原则:
①保证砂轮中心孔及周面强度;
②有利于砂轮的中心定位及动平衡;
③改善砂轮的应力分布状态,外径的径向应变最小化;
④减轻砂轮的重量,降低对轴的负荷。
2 陶瓷cBN砂轮基体材料的选择
由于砂轮厚度对称于基体的中心面,当基体绕通过其中心并垂直于中心面的轴旋转时,在惯性力作用下,其上任意一点均要产生径向应力和环向应力,且二者均对称于旋转轴分布。由于基体厚度较薄,在旋转轴方向的应力分量可以略去不计,于是任意一点均处于平面应力状态。
为了有效地减小基盘应力及变形,基体材料一般选用合金钢和硬铝合金,常用的材料有LY12铝合金和45号钢;同时,由于砂轮工作状态与汽轮机有很多相似之处,可以采用汽轮机转子材料制作砂轮基体,供选用的各材料许用应力及主要机械性能列于表1、表2[4]。
因此,我们在进行基体材料选择时,应根据材料的性价比,选择密度小、离心变形小,而且高速回转时因空气摩擦发热引起的热膨胀小,比强度、比模量大的基体材料[5]。
3 陶瓷cBN砂轮基体截形优化
CYYQ-16型电脑显示硬支承动平衡仪所测砂轮最大直径可达300mm,提供平衡轴的轴径有Ф25.4 mm和Ф20.0mm两种规格,但考虑到设备电动机功率有限,砂轮基体质量不宜过大。综合考虑国内外砂轮规格,及其自身条件,现设计一个外径为190mm,中心孔为25.4mm,工作层宽度为15mm,厚度为5mm的砂轮基体。
在市场上出售的各种国内外砂轮产品,其基体形状有等厚度平行砂轮基体、孔壁和周面厚中间薄的砂轮基体及近似等强度砂轮基体,现在分别对这三种砂轮基体进行对比分析。
(1)等厚度平行砂轮基体(如图1)
等厚度平行砂轮基体易于加工,成本低,且动平衡性能好,因此,上海豪德公司、郑州三磨所及上海二和公司所生产的砂轮都采用这种规格的基体;但这种砂轮基体孔壁较薄,不利于中心定位,安全系数较低。
(2)孔壁和周面厚中间薄的砂轮基体(图2)
此规格的砂轮基体孔壁和周面厚、中间薄,可以大大减轻砂轮的重量,降低对轴的负荷,此种规格的砂轮基体,孔壁厚有利于中心定位和提高抗开裂强度,因此,东风汽车公司安装在兰迪斯磨床上的和郑州金贝公司生产的砂轮都是此规格的砂轮。
(3)近似等强度砂轮基体(图3)
在弹性失效准则中是以最大应力不超过材料的许用应力为依据的,因而在等厚度圆盘中,只有中心孔附近的材料得到充分利用,这样不仅是不经济的,而且由于其余部分材料在旋转过程中产生附加惯性力的影响,使中心部分应力增大,因而大大限制了圆盘所允许的旋转速度。
从强度要求考虑,最理想的情形是,基体旋转时所产生的径向应力在任意处均等于环向应力,即所有点处于二向等拉的应力状态。此外,还要求这些应力沿径向均匀分布。等强度圆盘可以通过改变厚度来实现,即靠近孔壁处较厚,向外逐渐变薄,为保持应力连续性,厚度变化曲线应该是连续、光滑的。
在中心有孔的圆盘中,由于在孔边σr=0,因而不符合等强度条件。但作为一种近似,在工程中还是允许的,所以可以采用等强度设计公式计算其厚度[σ]=材料的许用设计应力
利用边界条件确定中心处厚度to约为20mm[3]。
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近似等强度陶瓷cBN砂轮充分利用了基体各部分的材料,对提高砂轮中孔强度、中心定位都很有好处,但此基体难于加工,加工成本较高。
4 结论
为满足陶瓷cBN砂轮中心孔及周面强度,减轻砂轮的重量,获得安全有效的砂轮定心及安装形式的要求,我们必须选择高强度的基体材料,并对基体截形进行优化。
(1)通过对比材料性能,LY12铝合金和45号钢价格便宜,密度较小,能有效减轻对轴的负荷;35CrMo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加工。
(2)优化高速陶瓷cBN砂轮的截形可以大大降低和均化基体应力,充分利用材料,提高砂轮的临界转速,但应考虑加工的难易程度和成本。
摘要：陶瓷cBN高速砂轮一般都采用金属基体材料,为了保证基体强度,改善应力分布,获得安全有效的砂轮定心及安装形式,对其基体材料进行选择和截形优化非常关键。文章对各种金属材料的物理机械性能进行了对比,确定了适合高速磨削的砂轮基体材料;同时,列举了三种规格的砂轮基体,可以根据需要进行选择。
关键词：陶瓷结合剂,cBN砂轮,基体,优化
参考文献
[1]王德泉,陈艳.砂轮特性与磨削加工[M].北京:中国标准出版社,2001:182-184.
[2]宋贵亮,蔡光起.浅谈高速及超高速砂轮设计中的几个问题[J].磨床磨削,2000(2):25-27.
[3]范钦珊.轴对称应力分析[M].北京:高等教育出版社,1985:195-233.
[4]《汽轮机、锅炉、发电机金属材料手册》编写组.汽轮机、锅炉、发电机金属材料手册[M].上海:上海人民出版社,1973:120-217.
cBN高速砂轮 篇6
目前,常用的金刚石 / cBN砂轮制作工艺方法主要是电镀工艺法和钎焊工艺法。
电镀工艺法:镀层采用表镶法,用电镀层的金属材料将金刚石颗粒包裹镶嵌。
钎焊工艺法:钎焊层采用孕镶法,钎焊层材料与金刚石表层产生某种“冶金”或“化学”结合,由这种结合产生把持力将金刚石颗粒镶嵌在砂轮上。
在超硬材料制品中,至今还没有找到某一种方法解决金属元素与金刚石在电镀环境中的“化学”或者说“冶金”结合。谋求解决把持力问题之前,电镀工艺方法存在致命的弱点:金刚石颗粒对电镀层的凸露量(图1所示的容屑空间)是钎焊层的三分之二左右。因此,为了提高金刚石/cBN 砂轮的磨削性能,我们还只能离开电镀方法,寻找新的方法。钎焊方法有凸露量大的优点,从而提升磨削性能,因此,被广泛采用。按砂轮地貌优化思想设计砂轮可使磨料磨具具有最佳切削负荷,便于磨削过程的优化和磨削结果的预估。
目前采用的钎焊工艺方法包括以下两种:
(1)高温感应钎焊方法:南京航天航空大学,在研究了金刚石 / cBN砂轮制造技术的新发展后认为,从现有技术特点看,高温钎焊技术可提供磨料的最佳把持能力[1]。
(2)激光钎焊方法:图2是激光钎焊的示意。激光钎焊扫描速度快,对基体,钎料层及金刚石的热影响小,甚至于对钎焊的热影响区的金相组织有好的影响,因此,有利于通过欧盟的砂轮安全标准EN 13236。[2]
1 试验及数据
日前,经过对两种金刚石 / cBN砂轮的实际试验检测,反映出采用钎焊工艺方法制作存在以下问题:
(1)高温感应钎焊温度对基体金属作用时间量级为10～20min,温度为700℃以上,会引起砂轮基体金属热处理状态的改变,从而降低基体机械强度。经实测:45#钢材和40Cr金刚石/cBN砂轮基体的金相组织为回火珠光体,硬度在180HB以下,刚性很差,不能满足使用中对精度和强度的基本要求。
(2)高温造成基体变形,几何精度降低,精度保持性不稳定。经实物测定:砂轮基体的内孔Φ22缩小0.004～0.01mm,端面跳动值由原来的0.002mm变形为0.008mm。
(3)钎焊过程对金刚石颗粒磨削性能产生影响。
要想改善以上不足,就要对砂轮基体及其材料进行探讨。显然,砂轮基体是砂轮磨削功能的载体,砂轮的几何精度,磨削力的承受,砂轮允许的安全运行转速等,最后都由砂轮基体的性能承受和决定。[3]
2 分析及结论
就用于高速磨削和高精度磨削的金刚石/ cBN砂轮而言,钎焊温度对工具强度的影响用焊接专业的术语讲就是焊接过程的热影响区的强度问题。 钎焊砂轮基体基本都采用碳钢,因此,探讨钢材在不同温度热处理表现,对寻找到适合的钢材基体具有十分重要的意义!
从理论上说,钢材在淬火以后要回火。回火过程中一旦遭遇高温其硬度就下降,回火温度与回火后钢材硬度关系见图3,图中横坐标是参数T×(c+log t)。
其中T -加热温度,单位:开氏温标,度。c -与钢的性质有关的常数,这里取14.3。t- 加热时间,单位,秒。log t与常数c比较甚小,其相加数几乎与回火的钢材遭遇高温的时间无关。钎焊的感应加热与保温过程是10～20min,从这一点来看材料硬度下降是必然的。
但是,存在几种合金钢,合金元素Mn或Ni降低了Ac温度,又因为这些合金都是从回火温度急冷下来,因而在660℃以上存在残余奥氏体又形成新的马氏体。如图4所显示的四种钢材,在温度660℃上回火,其硬度又会有明显的上升趋势。[4,5]
图4中提及的四个美国钢种,可以找到1340、4340和5140的化学成分。力学性能,以及与之接近的中国钢种牌号,相继是40Mn2、40CrNiMoA和40CrMn,从图中可以看出:只有1340(中国40Mn2)钢种在回火后的硬度是在HRC30-40之间,最适合cBN/金刚石砂轮基体的需要。其余3种钢材的回火硬度要么偏高要么偏低,不适合做砂轮基体。因此,砂轮基体如能采用40Mn2这种材料,就能满足cBN / 金刚石砂轮基体的力学性能需要。我们通过试验证明,采用40Mn2材料,在700℃左右回火,其硬度可以达到HRC38左右,能够满足高速磨削和高精度磨削的要求。
通过以上试验,我们提出在钎焊的工艺制造过程中,其温度不应该大于750℃,最佳温度应该在700℃左右。
钎焊过程对金刚石颗粒磨削性能的影响: 为了金刚石的热稳定性,人造金刚石颗粒要用磁选法剔除含(Ni/Mn/Co)的包裹体。同样,在钎料中要杜绝这几样元素的存在。这几样元素会加剧金刚石颗粒表面的石墨化,金刚石表面会被腐蚀,出现黑色麻坑。为此,金刚石表面涂覆是必要的手段。用保护气氛,或者在真空的环境下,用涂层涂覆金刚石/cBN颗粒,可以改善金刚石/cBN磨粒的高温性能。[6]
钎焊技术已经在部分领域应用,但是由于存在许多不足,其应用领域受到很大限制,希望通过以上的分析和论述,能够为行业人士提供参考。
参考文献
[1]傅玉灿,徐鸿钧.从电镀到钎焊——国外单层超硬磨粒砂轮制造技术新发展[J].工具技术,1998(8).
[2]唐霞辉.激光焊接金刚石工具[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.
[3]仇健,巩亚东,修世超.超高速点磨削砂轮的结构优化设计与制备[J].中国机械工程,2009(24).
[4][美]布瑞克,等.工程材料的组织与性能[M].河北工学院译.北京:机械工业出版社,1983,4.
[5]干勇等主编.中国材料工程大典-钢铁材料手册[M].北京:化学工业出版社,2009,6.
cBN高速砂轮 篇7
近年来各种硬脆性材料 (如K9玻璃、高速钢、硬质合金、宝石、硅晶体等) 在军用和民用装备中获得了越来越广泛的应用, 原因在于这些材料的硬度、耐磨性、抗蚀性、抗氧化性都明显高于其它材料。但同时这些材料比较高的脆性、较低的断裂韧性, 使得这些硬脆材料的加工存在着很大难度, 加工时稍有不甚就会引起工件表面的损伤或者破坏。因此, 为了解决这些加工问题, 需要研究一种新型、高效、经济的方法。目前, 磨削仍然是硬脆材料最有效的精加工手段, 而加工表面质量影响因素很多, 国内外研究表明超细磨料超硬砂轮 (如金刚石砂轮、CBN砂轮等) 已经开拓了磨削领域崭新的前景, 尤其是采用超声辅助振动修整的CBN砂轮, 因其表面形貌明显优于普通方法修整的CBN砂轮, 允许的砂轮转速高 (磨削速度高) , 所以其磨削效果明显优于普通方法修整的砂轮, 这点已被业内所公认。本文仅通过超声振动修整的CBN砂轮对光学K9玻璃及高速钢进行精密磨削加工实验, 研究磨削参数、试件材料特性对磨削表面质量的影响。
1 试验条件与方案
试验在M6025C平面磨床上进行, 工件材料是K9玻璃与高速钢, CBN砂轮安装在磨床主轴上, 工件用平口钳固定在床面上, 磨削参数如表1所示。
2 对超声振动修整CBN砂轮磨削表面形貌的评价分析
目前对于硬脆材料的加工, 磨削仍然是最有效的方法, 尤其是采用超硬磨料砂轮进行磨削几乎是一种唯一可行的方法。砂轮的表面形貌在很大程度上决定了磨削质量, 已有研究证明, 超声振动修整的砂轮比普通修整的砂轮具有较好的表面形貌, 因此本实验采用的磨削刀具是经过超声振动修整的CBN砂轮。磨削效果通过工件的表面形貌进行评价, 表面形貌的主要评价指标是工件的表面粗糙度[1]。
假设砂轮为理想砂轮, 砂轮圆周方向磨粒均匀分布, 磨粒间距为L, 砂轮径向突出高度相似。砂轮磨削表面轨迹如图1所示[2]。
磨粒进给量与切削轨迹间距相等, 即
根据图中廓形, 工件的峰谷粗糙度为
将式 (1) 代入到式 (2) 中, 可得
算术平均粗糙度为
式 (4) 表明, 理想砂轮磨削时, 工件表面粗糙度与工件速度和砂轮转速的比值成正比, 与磨粒间距成正比。因此, 选用表面形貌优良的砂轮和合理的磨削参数可以提高工件的磨削质量。但在生产实际中, 砂轮表面形貌非常不规则, 粗糙度与磨粒间距L值并不是线性关系, 影响极其复杂。因此提高砂轮表面形貌对工件的磨削质量非常重要。
光学k9玻璃在各种光学仪器及瞄准镜镜头方面有着广泛的应用, 其加工方法也在不断改进。本试验中, 采用超声振动修整CBN砂轮分别对光学K9玻璃和硬质钢进行精密磨削, CBN砂轮磨削K9玻璃以及高速钢的表面形貌如图2所示。
图2结果显示, 在同样的磨削条件下, 光学K9玻璃轮廓纹路不够整齐, 表面形貌波动较大, 而高速钢的纹路细致, 表面形貌起伏不大, 比较光整, 表面形貌比光学K9玻璃好。可见, 采用超声振动修整CBN砂轮对不同材料的工件进行磨削时, 工件的表面形貌表现出巨大的差异性。
图3所示为白光干涉仪扫描下的工件表面粗糙度轮廓图。从图3可以看出, 高速钢的表面粗糙度远远小于光学K9玻璃, 这说明采用超声振动修整CBN砂轮对光学K9玻璃和硬质钢磨削, 高速钢的表面质量要好于光学K9玻璃, 这与图2结果一致。另外图3中光学K9玻璃的粗糙度值为Ra0.75μm, 图3 (b) 光学K9玻璃的粗糙度值为Ra0.45μm;图3 (c) 高速钢的表面粗糙度为Ra0.09μm, 图3 (d) 高速钢的表面粗糙度为Ra0.06μm, 通过比较, 可以看出, 通过提高砂轮转速和减小工件速度, 可以减小光学玻璃K9和高速钢的表面粗糙度, 这与相关资料理论分析情况相符。
图2和图3实验结果表明, 磨削时, 工件表面粗糙度值的大小在很大程度上取决于工件速度和砂轮转速的比值, 比值越小工件表面粗糙度值越小。这是由于砂轮转速快, 工件速度慢, 砂轮工作面与工件磨削面接触的时间增加, 磨削充分。另外在相同的磨削条件下, 超声振动修整的CBN砂轮对不同材料进行磨削所获Ra值会有很大的区别, 这主要是因为材料的硬度和脆性等力学性能不同, 脆性材料在磨削过程中, 磨削表面会出现细小破碎现象, 从而降低磨削表面质量。所以脆性材料在精密磨削之后要再进行研抛处理。
3 结语
本文通过超声振动修整CBN砂轮对不同硬脆材料的可磨削性进行了试验。影响磨削质量的因素除大家熟知的砂轮修整方式外, 还包括如下两个主要因素:1) 工件速度和砂轮转速的比值, 比值越小工件表面粗糙度值越小;2) 被磨材料的硬度与脆性, 硬度与脆性越高工件表面粗糙度值越大。
参考文献
[1]马尔金.磨削技术理论与应用[M].沈阳:东北大学出版社, 2002.