砂轮磨削（精选7篇）
砂轮磨削 篇1
摘要：提出了一种带有粗磨区倾角θ的陶瓷结合剂CBN点磨削砂轮,这种新型砂轮具有磨除率高、加工精度好等优点。研究了磨削热产生与分配理论和红外测温原理。分别用不同θ角的砂轮在一系列磨削参数条件下磨削QT700材料的阶梯轴,用Thermovision A40M热像仪测量砂轮磨削工件时接触区的平均温度,得出了偏转角α、磨削深度ap、工件轴向进给速度vf和砂轮速度vs在磨削过程中对磨削温度的影响规律,并且比较了在同一组磨削参数下,三种不同θ角砂轮对磨削温度的影响情况。
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。
参考文献
[1]巩亚东,仇健,李晓飞,等.超高速点磨削相关机理研究[J].机械工程学报,2010,46(17):172-178.Gong Yadong,Qiu Jian,Li Xiaofei,et al.Study on the Correlative Mechanism of Super High-speed Point Grinding[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(17):172-178.
[2]徐鸿钧.磨削温度的测量技术[J].磨料磨具与磨削,1986,36(6):11-15.Xu Hongjun.Grinding Temperature Measurement Technology[J].Diamond&Abrasives Engineering,1986,36(6):11-15.
[3]Malkin S.磨削技术理论与应用[M].蔡光起,巩亚东,宋贵亮,译.沈阳:东北大学出版社,2002.
[4]Quo C,Malkin S.Heat Transfer in Grinding[J].Journey of Materials Processing&Manufacturing Science,1992,1(1):16-27.
[5]Kuriyagawa T,Syoji K,Ohshita H.Grinding Temperature within Contact Arc between Wheel and Workpiece in High-efficiency Grinding of Ultrahard Cutting Tool Materials[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,136(1):39-47.
[6]张国华.超高速磨削温度的研究[D].长沙:湖南大学,2006.
[7]Rowe W B,Morgan M N,Black S C E.A Simplified Approach to Control of Thermal Damage in Grinding[J].Annals of the CIRP,1996,45(1):299-302.
[8]Chen Xun,Rowe W B.Analysis and Simulation of the Grinding Process—Part I:Generation of the Grinding Wheel Surface[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,1996,36(8):871-882.
[9]Rowe W B,Black S C E,Mills B,et al.Experimental Investigation of Heat Transfer in Grinding[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,1995,44(1):329-332.
[10]孙丽,宦克为,邸旭,等.距离对红外热像仪测温精度的影响及校正方法研究[J].长春理工大学学报(自然科学版),2008,31(1):33-35.Sun Li,Huan Kewei,Di Xu,et al.Research on the Influence Upon Accuracy of IR Thermal Temperature Measuring in Distance and Correction Method[J].Journal of Changchun University of Science and Technology(Natural Science Edition),2008,31(1):33-35.
[11]张先明.红外热像仪测温功能分析[J].激光与红外,2007,37(7):648-649.Zhang Xianming.Study on the Measurement Temperature Function of Infrared Imaging System[J].Laser&Infrared,2007,37(7):648-649.
[12]Hwang J H,Kompella S,Chandrasekar S.Measurement of Temperature Field in Surface Grinding Using Infrared(IR)Imaging System[J].ASME Transactions Journal of Tribology,2003,125:377-383.
cBN砂轮磨削技术 篇2
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
针对特殊材料的磨削砂轮研制 篇3
某设备上一种特殊的机械零件采用一种特殊金属材料 ( 成份类似弹簧钢) 制成, 设计形状为薄壁圆盘状, 圆盘直径约 Φ100mm, 厚度约1mm, 设计尺寸和形位公差精度要求较高。 其中薄壁圆盘零件材料成分类似弹簧钢 ( 含Mn) , 特点是硬度高, 韧性大, 弹性好, 较难产生塑性变形。 该材料硬而粘, 磨削性不好, 而且加工工艺采用“ 切磨”的方式, 磨削时砂轮与工件接触面积较大, 磨削力很大, 砂轮脱粒也很快, 因而砂轮的工作条件比较恶劣, 使用普通砂轮较难保证大批量、连续生产的要求。
为了提高工件合格率, 提高加工效率, 并适当延长砂轮使用寿命, 进行了磨削该工件专用砂轮的研制工作, 并经实验验证该专用砂轮研制的可行性, 解决了原砂轮使用寿命短, 磨削效率低的问题, 并成功应用于大批量生产加工中。
1 专用砂轮的研制
1.1 砂轮分类及选用原则
砂轮也叫固结磨具, 是采用结合剂将磨料固结为要求的形状 ( 大多数为圆形, 中部有通孔) , 并有一定强度的固结磨具。一般由结合剂、磨料和气孔组成, 此三种组成长称为砂轮的三要素。 按照结合剂不同分类常有陶瓷结合剂砂轮、树脂结合剂砂轮和橡胶结合剂砂轮。 砂轮在制造过程中是在磨料中加入不同的结合剂, 经压坯、干燥和焙烧等工序制成的内部有很多气孔的物体。 由于原材料和制造工艺的不同, 砂轮的加工性能有很大差别。 砂轮的特性主要优磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等因素决定。 具体选用原则如下:
1.1.1 磨料的选择
最常用的磨料是棕刚玉 ( A) 和白刚玉 ( WA) , 然后是黑碳化硅 (C) 和绿碳化硅 ( GC) , 其余还有单晶刚玉 ( SA) 和铬刚玉 ( PA) 等。 白刚玉适宜于制造精磨淬火钢、高碳钢、高速钢等;绿碳化硅砂轮磨粒锋利、导热性好, 适合于磨削硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。
1.1.2 粒度的选择
用粗粒度砂轮磨削时, 生产效率高, 工件表面粗糙, 用细粒度砂轮磨削时, 工件表面质量好, 而效率较低。
一般平蘑、外圆磨和无心磨选用36#-46#。
1.1.3 硬度的选择
磨削软材料时要选用较硬的砂轮, 磨削硬材料则选用软砂轮。
1.1.4 结合剂的选择
陶瓷结合剂是一种无机类型的结合剂, 化学性能非常稳定, 这种结合剂制造的砂轮磨削效率较高、磨削损耗较小, 能很好地保持砂轮的几何形状和尺寸, 因而应用范围较广, 是一种非常常用的结合剂。适用于磨削加工普通碳钢、合金钢、不锈钢等。 但是, 陶瓷结合剂砂轮脆性较大, 容易损坏, 不能受剧烈震动。 一般只能在线速度为35m/s内磨削加工情况下使用。 树脂结合剂则是一种有机类型的结合剂, 使用它制造的砂轮强度很高, 并且具有一定弹性, 耐热性低, 自锐性好, 不易损坏, 因而可制作工作速度高于50m/s的砂轮和很薄的特殊用途的砂轮。
1.1.5 大气孔砂轮的选择
大气孔砂轮在磨削加工时具有不堵塞、耐用度好和切削力大等优点。 适用于软金属、塑料和皮革等非金属材料的粗、精磨削加工。 同时由于空隙比较大, 利于热量的散发, 它还具有散热快的特点, 所以在磨削加工一些热敏性大的材料、薄壁工件和干磨工序中有良好的效果, 得到了比较广泛的应用。 大气孔砂轮的生产范围是:磨料一般选用碳化物和刚玉等, 磨料粒度 ( 36#-180#) , 气孔尺寸 ( 0.7-1.4mm) 。
1.2 工艺简介
磨削过程是砂轮刀具与工件相互作用, 磨削中磨粒与工件材料之间的作用既包括磨粒与工件之间的刮擦, 又包括磨粒与工件之间的高速冲撞。 作为刀具的砂轮稳定性对加工的精度起主要作用。 本工艺中砂轮端面磨削工件为面接触, 参与切削工件材料的磨粒数量众多, 用于制造砂轮的磨粒晶体的生长机理不同及制粒过程的破碎方法不同, 使得磨料几何形状极不规则, 由于砂轮结构和制造工艺的原因, 磨粒在砂轮端面上呈随机分布状态, 磨削速度及磨削区的温度高, 在这种高应变和高温下呈现出的材料性能尤为复杂, 砂轮磨粒的磨损、磨粒的切削性能也受到很大的影响。 工件材料特殊, 材料韧性大, 硬度高, 磨削性不好, 工件薄磨削面积大, 在磨削中一次去屑率大, 磨削力大, 磨削引起的磨削热易使零件过热烧伤纹。
1.3 砂轮配方及实验
砂轮粒度的大小、磨料的配方和粘结剂的选用、砂轮硬度和气孔率的确定直接影响砂轮的使用。 根据磨削经验, 砂轮磨料粒度小所承载的磨削力小, 对于材料韧性大, 磨削性不好的工件不能进行磨削, 粒度太大, 单位面积内磨料减少, 砂轮锋利度下降, 对大面积工件磨削性不好;选用大硬度的砂轮, 砂轮脱粒性低, 磨屑易将砂轮表面粘结, 由于零件较硬, 磨削时易产生“ 打滑”现象, 砂轮硬度小, 磨削力小, 脱粒太快, 对工件则无法进行磨削, 综合考虑选用粒度为46#、中软, 树脂结合剂的砂轮, 考虑工件材料, 砂轮磨料分别选用单晶刚玉、铬刚玉和绿色碳化硅进行对比试验, 从中选取适合此种材料加工的磨料。 根据上面的试验方案, 选用每种类型的砂轮按照不同的磨削参数进行磨削试验, 以修正一次能加工合格工件的数量作为评判标准。 结果如表1。
从上述表中可以很明显的做出判断, 绿色碳化硅磨料的砂轮试验数据比较理想, 因而最终选用性能优异的绿色碳化硅材料的砂轮。
1.4 砂轮结构设计
磨削时接触面积大, 一次磨削去屑率高, 磨屑不能及时由磨削液带走, 工件属超薄壁, 未带走的磨屑直接影响的表面质量, 单靠选用较大气孔已经难以解决上述问题。 为了解决该问题, 在砂轮成型时端面上特制40 个容屑孔, 研制的砂轮结构如图1, 使用该结构的砂轮磨削过程中砂轮较易被冲刷干净, 从而保证工件的表面质量和加快砂轮磨削时散热, 从而提高砂轮的使用寿命。
2 专用砂轮使用效果
在正式生产中, 使用专门研制的此种砂轮, 磨削过程中砂轮耐磨度、脱粒程度、磨削进给量、磨削速度均能满足工艺要求, 并且加工的工件变形较小, 合格率高, 同时提高了磨削效率2 倍以上。
3 结论
( 1) 通过对工件特殊原材料及磨削工艺技术分析, 根据经典砂轮选用原则, 研制了磨削加工该零件的专用砂轮, 通过加工验证表面, 该砂轮满足了工艺要求。
( 2) 在批量生产中采用此种砂轮进行加工, 大幅度的提高了零件合格率和磨削效率。
参考文献
硬磨机砂轮磨削系统优化设计 篇4
关键词：砂轮磨削,枢转速度,钢球精度
硬磨工艺水平对保证钢球生产质量和生产效率至关重要, 但我们普遍使用的卧室硬磨机的加工原理不尽合理, 使得钢球经一次循环切削其切削带为一球带, 严重的影响了钢球的球形精度, 且一些加工参数不尽合理, 也影响了钢球的加工效率。本文主要从加工原理模型的角度来改善目前硬磨机存在的问题, 使硬磨钢球的精度得到提高。
一、硬磨钢球精度的重要性
众所周知, 在加工精度方面, 如果钢球的两极也能进入磨削区, 钢球的球形精度就能得到提高, 为此就要保证钢球获得绕z轴的进给速度 (即ω4) 。在理想状态下, 钢球经一次循环, 枢转ω4越大, 磨削对表面金属的击除量越均匀, 球形精度越高。因此提高硬磨精度的主要矛盾集中在如何提高ω4上;在加工效率方面, 钢球的进给速度和切削深度在钢球硬磨模型中是影响效率的主要因素;在能源的消耗方面, 又与压力P和进料系统的循环模式密不可分。
目前硬磨机在精度上面的缺陷是显而易见的, 所以在效率不会有太大影响的情况下, 我们应该考虑提高钢球精度。
二、沟槽对称方案
国内现有硬磨机的工作原理可简化为如图1所示:
图a为现硬磨机广泛使用的加工模型, 其固定板中的钢球与滚道底部接触, 但该接触方向为钢球加工的误差敏感方向, 容易导致钢球的尺寸误差。图b是在原模型的基础上进行改进, 即将固定盘沟道底部加工成方形对称沟心槽, 沟心槽宽度为加工球径1/3【1】, 这样由原来的两点 (线) 接触点变成三点 (线) 接触.使球的受力点改变。为分析三点受力状态时, 钢球运动状态, 试建立钢球的运动学模型进行分析:
将固定盘开槽模型简化为三点受力简化模型 (见图2)
设固定盘、砂轮与钢球都是理想化的点接触, 接触点分别为A0、A1、A2, 设钢球在固定盘和砂轮的作用下无滑动进行硬磨运动 (称为钢球的无滑动硬磨运动) , 砂轮盘的角速度为ω0, 三个接触点A0、A1、A2, 其公转半径分别为L0、L1、L2。钢球半径为R, 球心Oˊ的公转半径为L;过Oˊ点作经度剖面 (通过公转轴) 和纬度剖面 (垂直于公转轴) , 经度剖面随钢球公转, 纬度剖面恒与公转轴交与点0, 于是三个接触点都落在经度剖面的大圆上, 三个接触点A0、A1、A2与相应轴的夹角分别为α0、α1、α2。钢球的硬磨运动由公转和自转组成, 钢球公转角速度为ω1, 自转角速度为ω2。对钢球的无打滑硬磨运动, 钢球的自转轴恒保持在其经度剖面大圆平面内, 自转角速度矢量ω2在此平面上的方向用表示β, β为ω2矢量与直线O`O所夹锐角。这样, 钢球的无打滑硬磨运动规律便由三个参数ω1、ω2、β完全确定。应用刚体运动学普遍定理, 可建立方程:
应用MATLAB数学工具, 得到如下解析式:
在固定盘开对称槽的状态下, 即取按上述算法, 代入公式3、公式4和公式5中, 得到|ω4=ω2sinβ|>0, 发现在此状态下钢球是具有枢转速度的, 但因为R<<L, 则ω4仍然没有得到明显的提高。因此, 此方案对钢球的两极现象的改善并不明显。应用此公式进行分析时, 需要注意以下几点: (1) 钢球与砂轮、固定盘的接触实际并非是三个点接触, 而是三个有限面接触。但最基本的理论应该是按理想化的三点接触情形予以建立。 (2) 实际上钢球不单在上述三点受到砂轮和固定盘的作用, 在砂轮弧的包络面内钢球的其他质点受到磨削力的作用, 此外, 处在同一条弧形槽中的钢球还可能存在着相邻球之间的相互作用。这些, 在运动学分析上都是次要因素予以略去, 并在动力学中加以分析和考虑。 (3) 此算法中的重要参数α1、α2, 须根据动力学模型确定。
三、沟槽不对称方案
如果将沟槽向左或右偏置, 形成不对称沟槽 (见图3) , 就可以改变钢球的受力点, 从提高精度的角度入手, 来改变上面公式中α1和α2的大小, 再借助MATLAB工具, 分析ω4的值是否会得到较明显的提高。
因工程上固定盘大约包住钢球直径的三分之一, 所以α1的实际范围是 (200, 700) 【2】, 让α1在此范围内变化, 再带入到公式3中, 得到如下解析式, 观察枢转ω4的变化 (见图2)
将 (公式1) ~ (公式3) 代入ω4=ω2Sinβ中, 得到:
根据公式8, 可得到ω4的曲线变化图 (见图4) .观察图的变化趋势, 可得到如下结论: (1) 当α1=450时, ω4为最小, 近乎为0;当00<α1<450, ω4正向增大;当450<α1<700, , ω4反向增大; (2) 沟槽不对称对小直径的钢球影响更大, 直径越小, 获得的ω4越大。 (3) 在实际工程当中, 沟槽的位置范围很小, 即α1和α2的实际变动量不大, α1大约在 (350, 450) 之间, 因此应用此方法时, 应注意对大直径的钢球 (R>10mm) , ω4并不能得到显著的提高。
总之, 在固定盘上开不对称沟槽, 对加工直径较小的钢球 (R≤10mm) 效果较为明显, 球形精度也可随ω4的提高而改善。值得注意的是, 此方案与参数α1和α2有直接关系, 在实际加工中, 钢球的直径和固定盘的沟槽形状因磨损会发生不同程度的变化, 会导致α1和α2的实际变化量不可控
参考文献
[1]徐正龙.论磨球盘沟形角度对加工钢球几何精度的影响[J].宁夏机械, 2010 (04) .
解析超高速磨削砂轮技术发展 篇5
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.
砂轮磨削 篇6
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。
砂轮磨削 篇7
磨削加工作为典型的精密和超精密加工方法, 在工业上得到广泛的应用。但在磨削加工时, 由于砂轮与工件间的高速滑擦, 磨削区会产生大量的磨削热, 形成很高的磨削温度, 造成工件表面的烧伤, 并导致砂轮的严重磨损, 在工件表面产生变质层, 从而影响零件的使用性能[1]。
降低磨削区温度, 改善磨削加工质量最通常的方法就是浇注合适的磨削液, 借磨削液的润滑、冷却和清洗作用, 改善砂轮的磨损和堵塞, 从而改善磨削加工的工件质量[2]。但在只能进行干磨削即不方便甚至不能采用磨削液的场合, 如何有效降低磨削温度, 保证磨削加工的表面质量便成为一个突出的问题。将固体润滑剂有效引入磨削弧区, 减少干磨削条件下磨削区热量的产生, 降低磨削温度, 保证磨削加工的质量逐渐成为了一个重要的研究方向。例如:文献[3]设计了由泵和导轮组合成的专用装置将由石墨和可溶性油混合成的糊状物不断地压涂到磨削中的棕刚玉砂轮表面;文献[4]设计了专门的料斗装置将石墨粉料送入金刚石砂轮磨削Si C陶瓷的弧区;文献[5]用手动喷枪将由石墨和异丙醇制成的混合液喷射到磨削加工弧区;文献[6]直接在树脂砂轮制备配方中加入一定量的固体润滑剂 (石墨或Ca F2) ;文献[7-12]以浸渍的方式将固体润滑剂引入砂轮中。尽管不同学者将固体润滑剂引入磨削加工的方式不同, 但都起到了较好的抑制磨削热产生、降低磨削温度和提高磨削加工质量的作用。
上述将固体润滑剂引入磨削弧区的方法, 或需要设计专门的附加试验装置, 或需要采用特殊的砂轮制备工艺, 前者需要考虑附加装置的合理性, 即如何装配到磨削试验设备上的问题, 后者需要考虑砂轮制备工艺的合理性, 即如何简单易行。采用喷枪喷射的方法, 存在大量固体润滑剂还没有到达磨削弧区就直接消散到周围环境中的不足, 而制备浸渍砂轮的方式也仅对存在大孔隙且为联通孔类砂轮有效。本文提出一种更易于操作的将固体润滑剂引入磨削加工弧区的方法, 即用在砂轮表面涂覆固体润滑剂的方法, 以达到降低磨削加工过程中砂轮与工件间的摩擦因数、减少磨削热的产生、降低磨削温度、改善磨削加工质量的目的。
1 试验条件和方法
1.1 有机粘结固体润滑剂涂层砂轮的制备
有机粘结固体润滑剂涂层砂轮, 是在碳化硅砂轮 (GC60EV) 的表面涂覆由有机粘结剂与固体润滑剂粉末按一定比例经超声振动制备成的悬浮液干燥而成。有机粘结固体润滑剂涂层厚度为30~50μm。有机粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛, 该粘结剂能够保证涂层在砂轮表面具有足够的黏着强度, 固体润滑剂为具有层片状晶体结构且润滑性能良好的六方氮化硼和石墨。因悬浮液的均匀性会影响到涂层砂轮的使用性能, 故配制试验用悬浮液时, 特别注意了其中固体润滑剂 (六方氮化硼和石墨) 颗粒粒径的选择和它们在聚乙烯醇缩丁醛中的配比, 以保证获得相对均匀且沉降平衡的悬浮液。悬浮液中的固体润滑剂颗粒平均粒径为25μm (460目~500目) , 固体润滑剂为六方氮化硼时, 其在聚乙烯醇缩丁醛中的质量分数为5.7%, 固体润滑剂为石墨时, 其在聚乙烯醇缩丁醛中的质量分数为9.6%。
1.2 磨削试验条件
试验加工用机床、磨削工艺参数等条件如表1所示。
1.3 检测方法
试验采用半人工夹丝热电偶法测量磨削温度, 工件的装夹及热电偶丝的布置原理如图1所示, 实际磨削测温装置如图2所示。首先在两块30mm×30mm×5mm的TC4工件之间夹入截面尺寸约为0.5mm×0.1mm的细康铜丝, 工件和康铜丝间加入厚度为0.02mm的云母片以保证热电偶丝与工件的绝缘, 然后将工件和中间的夹丝部分安装在绝缘胶木制成的夹具上, 最后将以上部分安装在虎钳上, 并固定在机床工作平台上。虎钳的夹紧力可以使两块工件之间的夹丝部分夹持紧密, 作为夹具的绝缘胶木上加工有两个通孔, 以便分别从工件和康铜丝引出铜导线, 导线再与采集热电势信号的采集卡NI USB-6211相连, 当砂轮磨削弧区经过康铜丝顶端时, 康铜丝顶端两侧的绝缘层云母片被破坏, 康铜丝搭接在工件上, 从而康铜丝与工件材料构成半人工热电偶回路, 康铜丝与工件的搭接点形成热电偶测温节点。试验完成后, 将试验记录的热电偶热电势通过康铜-TC4标定曲线转换为温度值即可得到磨削温度。
图3所示为无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件时所采集的磨削温度信号, 其磨削参数为vs=20m/s、vw=5m/min、ap=0.02mm。图3中的曲线尖脉冲峰值代表磨粒切过半人工热电偶节点时的瞬时温度, 对应磨粒与工件表面接触点的温度, 温度记录曲线的内包络线代表磨削区工件表面的平均温度。试验中不同砂轮不同磨削工艺参数下的磨削温度都是取内包络线的最高温度。
磨削后工件表面粗糙度由TR110粗糙度仪测定。工件表层的微观组织形貌采用Hirox KH-7700三维视频显微镜观察, 工件表层微观组织腐蚀剂由质量分数分别为w (HF) =2%和w (HNO3) =4%的水溶液构成。
2 试验结果和分析
2.1 磨削温度
图4所示分别为无润滑剂涂层砂轮、有机粘结六方氮化硼涂层砂轮和石墨涂层砂轮在不同磨削工艺参数下干磨削TC4工件的表面磨削温度对比曲线。
由图4a可见, 砂轮线速度越高, 涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度相对于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度降低的幅度越大。如:当砂轮线速度从10m/s增大到25 m/s时, 有机粘结六方氮化硼涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度与无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度的差值从约125℃增大到近175℃;石墨涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度与无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度的差值从约145℃增大到近300℃。上述结果表明, 在同一砂轮线速度下, 干磨削加工TC4工件时, 有机粘结石墨润滑剂涂层砂轮比其他两种砂轮更具有加工优势。图4b显示, 随着工件进给速度的增大, 涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度与无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度降低幅度基本相同。如:当工件进给速度从3m/min增大到7m/min时, 有机粘结六方氮化硼涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度相对于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度降低约100℃;石墨涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度相对于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度降低约150℃。图4c显示, 磨削深度越大, 涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度相对于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度降低的幅度越大。如:当磨削深度从10μm增大到25μm时, 有机粘结六方氮化硼涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度与无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度的差值从约40℃增大到近180℃;石墨涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度与无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度的差值从约80℃增大到近220℃。上述结果表明, 涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度都能控制在450℃以下, 避免了TC4工件加工时的表面烧伤[13]。
有机粘结固体润滑剂涂层砂轮在相同磨削用量条件下干磨削TC4工件的表面磨削温度要低于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度, 是由于固体润滑剂在磨粒磨削工件过程中发挥了明显的润滑减摩作用, 其作用机理如图5所示。图5a和图5b分别为无润滑剂涂层砂轮和有机粘结固体润滑剂涂层砂轮磨粒磨削过程示意图。分图中的 (Ⅰ) 和 (Ⅱ) 又分别为新出刃砂轮磨粒和有一定磨损量砂轮磨粒的磨削情况。
由图5a和图5b可以看出, 在磨削加工区, 磨屑与结合剂、磨屑与磨粒前刀面、磨耗的磨粒与工件和结合剂与工件间构成了摩擦副, 摩擦副间的摩擦为磨削热的主要来源之一。在磨削加工过程中, 随着砂轮线速度的提高, 单颗磨粒切削厚度减小, 在磨粒划擦、耕犁和切削的过程中, 划擦和耕犁的比重增大, 即摩擦作用加剧, 同时单位时间内切除相同体积材料所需的磨粒划擦、切削路径更长, 亦增大了材料去除过程的摩擦, 这也就是磨削加工工件的表面磨削温度随砂轮线速度的提高而增大的主要原因。在采用有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削加工时, 由于摩擦挤压和摩擦热的作用, 涂层向砂轮表面提供润滑介质 (六方氮化硼和石墨) , 减小了磨削热的产生, 工件的表面磨削温度比无润滑剂涂层砂轮干磨削工件的表面磨削温度显著降低, 且随着砂轮线速度的提高, 固体润滑剂的作用越明显, 工件表面的磨削温度降低的幅度越大。随着工件进给速度的增大, 尽管磨削弧区产生的热量是增大的, 但由于热源与工件间的接触时间变短, 使得涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度与无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度大致相同。随着磨削深度的增大, 磨削加工弧长也增加, 单颗磨粒与工件的摩擦增强, 使得加工工件的表面磨削温度随之增大。采用有机粘结固体润滑剂涂层砂轮进行工件加工时, 由于润滑剂在磨粒与工件间的减摩作用, 涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度低于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度, 且降低幅度随着磨削深度的增大而增大。
2.2 工件表面粗糙度
图6所示的3个分图分别为无润滑剂涂层砂轮、有机粘结六方氮化硼涂层砂轮和石墨涂层砂轮在不同磨削工艺参数下干磨削TC4工件的表面粗糙度对比曲线。
由图6a可知, 当砂轮线速度从10m/s增大到25m/s时, 无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面粗糙度从0.88μm降低至0.68μm, 而采用有机粘结六方氮化硼涂层砂轮干磨削TC4工件的表面粗糙度从0.76μm降低至0.65μm, 石墨涂层砂轮干磨削TC4工件的表面粗糙度从0.74μm降低至0.6μm, 表明有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件时, 由于固体润滑剂的润滑和减摩作用, 使砂轮保持了良好的磨削加工性能, 降低了磨削力、减少了磨削热的产生、防止了工件已加工表面粗糙度的恶化。由图6b、图6c可以看出, 有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件时的表面粗糙度比无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件时的表面粗糙度要低一些。
2.3 单位宽度砂轮材料去除量与磨削温度的关系
图7所示为无润滑剂涂层砂轮、有机粘结六方氮化硼涂层砂轮和石墨涂层砂轮在vs=20m/s, vw=3m/min, ap=15μm磨削用量条件下, 单位宽度砂轮材料累计去除量与磨削温度关系的对比曲线。单位宽度砂轮材料累计去除量Qv为砂轮在两次修整之间累计去除工件材料的体积, 其反映砂轮加工的耐用度。
由图7可知, 磨削温度随着Qv的增大呈逐渐上升的趋势, 且无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的磨削温度上升幅度大于有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的磨削温度上升幅度。这是因为无润滑剂涂层砂轮在磨削一定体积的工件材料之后, 一方面磨粒钝化, 另一方面磨屑黏附在砂轮表面, 砂轮与工件间的摩擦因数增大, 导致磨削温度上升加剧了砂轮的磨损, 而有机粘结固体润滑剂涂层砂轮磨削工件时, 其磨粒与工件、磨粒与磨屑和结合剂与工件间存有的固体润滑膜, 能有效减小砂轮与工件间的摩擦因数, 降低其磨削温度和磨损量, 也即表明有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的耐用度高于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的耐用度。
2.4 表层微观组织
图8所示为无润滑剂涂层砂轮、有机粘结六方氮化硼涂层砂轮和石墨涂层砂轮在vs=25m/s, vw=3m/min, ap=15μm磨削用量下干磨削TC4工件时的表层微观组织。
由图8a可以看出:试验条件下表层微观组织晶粒沿着磨削方向被明显拉长;图8b、图8c显示, 涂层砂轮干磨削TC4工件的表层微观组织与基体的组织相比较没有明显的变化, 说明涂层砂轮干磨削TC4工件时, 涂层中的固体润滑剂 (六方氮化硼和石墨) 在摩擦和挤压的作用下, 在磨粒与工件、磨粒与磨屑以及结合剂与工件之间起到减摩作用, 降低了磨削温度, 改善了磨削弧区的工作条件, 工件的塑性变形程度小, 磨削后工件表层显微组织无明显变化。
3 结论
(1) 在相同磨削工艺条件下, 有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度比无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度明显降低;在相同的磨削用量条件下, 无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度为360~700℃;有机粘结六方氮化硼涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度为300~520℃;石墨涂层砂轮干磨削TC4工件的表面磨削温度为280~480℃。
(2) 在干磨削TC4工件的过程中, 有机粘结固体润滑剂涂层砂轮的耐用度高于无润滑剂涂层砂轮的耐用度。
(3) 有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面粗糙度相较于无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件的表面粗糙度要稍低一些。在给定的磨削用量条件下, 无润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件时的表层微观组织出现晶格扭曲、晶粒被拉长的纤维化变化, 而有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削TC4工件时的表层显微组织无明显变化。
摘要：采用有机粘结固体润滑剂 (六方氮化硼和石墨) 制备的涂层砂轮对钛合金进行了干磨削试验, 研究了有机粘结固体润滑剂涂层砂轮在不同磨削工艺参数下对钛合金的磨削温度和工件表面质量的影响规律。试验结果表明, 所制备的有机粘结固体润滑剂涂层砂轮干磨削钛合金工件时, 磨削温度比无润滑剂涂层砂轮干磨削钛合金时下降11%40%, 工件表层显微组织未见明显变化。
【砂轮磨削】推荐阅读：
超硬磨料砂轮磨削的概述07-07
磨削加工中砂轮排屑难题探讨09-26
砂轮修整器08-29
cBN高速砂轮06-01
砂轮专用英文对照07-01
高速砂轮的研究现状06-02
磨粒有序化砂轮07-02
精密磨削05-18
磨削参数06-24
磨削精度07-02