高速砂轮的研究现状（共7篇）
高速砂轮的研究现状 篇1
0 引言
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。
高速公路的发展现状探析 篇2
【关键词】 运输；高速公路；发展
“世上本没有路，走的人多了，也便有了路。”路与人的关系是非常密切的，我们的身边，随时随刻都可以看到，城市与城市，城市与乡村，乡村与乡村之间及内部都是由道路连接在一起的。道路的修建促进了人类文明的进步，同时人类进步又促进了道路的建设。在未来的建设中面临着机遇与挑战。包括：社会经济快速发展，运输需求更加旺盛；汽车爆发性增长；城镇化发展；现代物流业，特别是集装箱运输今后将有迅速的发展；解决三农问题迫切要求加快农村公路建设，提高农村公路通达、通畅程度。公路运输的技术经济特性能更好地适应未来运输需，公路运输是综合运输的重要组成部分。
一、公路建设方面呈以下特点
全国有一半以上的省份高速公路里程超过1000公里。全年新增公路通车里程4.6万公里，总里程达到181万公里；其中新增高速公路4600公里,高速公路通车里程近3万公里。同江至三亚、北京至珠海、连云港至霍尔果斯、上海至成都四条国道主干线基本贯通,从而实现了“五纵七横”国道主干线系统第一阶段建设目标，即“两纵两横三个重要路段”的全部贯通。山东省高速公路突破3000公里,江苏、广东省高速公路突破2000公里,河北、山西、辽宁、浙江、河南、湖南、湖北、江西、安徽、广西、四川、云南、陕西13个省区高速公路突破1000公里。
近年来，规模宏大的农村公路建设作为解决“三农”问题的一个重要方面以及“三个代表”思想的重要体现，为农民带来了实实在在的实惠。2003、2004两年，全国建设农村公路35.2万公里，其中；沥青路、水泥路19.2万公里，超过了1949年至2002年53年间全国共建成沥青路、水泥路的综合。2005年，交通部继续实施“通达”和“通顺”工程，中央投资补助项目计划建设15万公里，并抓紧做好实施农村公路建设“五年千亿元计划”的前期准备工作，力争到2010全国所有具备条件的行政村通公路。
二、高速公路的建设与中国的经济发展息息相关
中国发展需要大批高速公路。改革开放以来，我国的经济建设步入了快车道，高速公路建设发展迅速。从1988年上海至嘉定高速公路建成通车至今17年间，在“国道主干线系统规划”的指导下，中国高速公路的道路快速发展，年均通车里程超过了4000公里。京沈、京沪、西南出海通道、京珠等国道高速公路相继建成通车。高速公路的发展，极大提高了中国公路网的整体技术水平，优化了交通运输结构，对缓解交通运输对国民经济的“瓶颈”制约发挥了重要作用，有力的促进了中国经济发展和社会进步。目前，高速公路已经覆盖了我国28个省份，辽东半岛、山东半岛、京津地区、长江三角洲、珠江三角洲和东南沿海地区都有高速公路，是公路运输的主通道。高速公路的快速发展顺应了我国社会和经济发展的需要，不但缓解了交通拥挤，而且具有巨大的经济和社会效益。较早通车的高速公路沿线已初步形成了经济发带。21世纪，我国高速公路建设的前景是辉煌的。这世纪前十年，公路建设仍是基础设施建设的重点之一。高速公路是实现交通现代化进程的重要基础，是社会主义市场经济发展的需要。中央对西部地区实施大开发战略的重点之一就是加快公路建设。这为西部地区加快公路建设带来了新的发展机遇。
高速公路网，为中国构筑起飞跑道。从高速公路上流过的不仅仅是人流物流，而且是商业流、金融流、信息流、文化流。大量新兴产业群体以高速公路为依托，以外向型经济为主体，成为改造我国传统产业、调整产业结构、带动传统企业发展的新的经济增长点。
三、高速公路网——国家综合交通运输体系的基石
高速公路促进了交通运输业的发展。现阶段我国的高速公路大都建在运输需求量大、原有一般公路通过能力超饱和的国道主干线上。高速公路一通车，便缓解了出行难。如今从沈阳驱车至北京，行程从原来的17个小时缩短为６个小时；西南公路出海大通道出四川，经贵州，进广西，直达我国海边城市北海。原来需走数天的路程，如今20多个小时就可到达；京沪高速公路通车后，不少人驾车从北京直达上海，只需要１天时间。据交通部最新统计，全国公路通畅路段达到6.23万公里。高速公路远辐射和快捷舒适的运输环境，还促进了我国运输组织结构的改善和运输领域的拓展。长途卧铺客车客运和冷藏保鲜运输、集装箱运输、大件运输等特种运输迅速发展。它的发展还带动了客运市场上铁路、民航等运输方式的竞争，老百姓从中得到更多的实惠。国运兴，交通兴；经济繁荣，交通发达。正是由于综合国力的不断提升，正是由于党和政府始终把解决百姓出门难放在心头，发挥了社会主义制度集中力量办大事的优越性，我国才能办许多以前想也不敢想的大事。
推进中国的高速公路建设，同时也确实需要统筹考虑其他运输方式的发展。一月份出台的国家高速公路网规划一个特点就是它和铁路以及其他重要运输方式进行相互衔接。从中国目前的实际情况看来，整个交通仍然是制约中国国民经济和社会持续、健康、快速发展的一个重要瓶颈。从这点来讲，几种主要交通运输方式，不论是公路、铁路、水运、港口，还是航空，和我们目前的需要，和全面小康目标相比还有很大的差距。因此，各种交通方式都需要有进一步的发展。各种交通运输方式都有各自的优势，服务的对象也有差别的。比如说铁路的特点是运输能力大，运输成本低，高速公路具有快速、灵活、机动、实现门到门的特点，而航运运输体现的是长距离的快捷，短时间到达。各种运输方式一方面存在着一定的竞争，但还是同时存在着优势互补的特点。在规划中只要能够注意带这种差异性和互补性，使得各种运输方式各得其所，就可以实现各种运输方式都有健康和协调的发展，最终形成一个综合效率高的国家综合交通运输体系。
参考文献：
[1]刘瑞波，我国高速公路融资方式的局限性及其创新[J]，财经问题研究，2005
[2]郝晓慧、许云飞，试论山东省高速公路建设规模和速度的合理性[J]，山东交通科技，2002
[3]刘瑞波，我国高速公路企业融资结构现状及变革思路[J]，山东经济，2006
[4]陈建军，高速公路建设融资实施资产证券化创新研究[J]，中国西部科技，2004
高速砂轮的研究现状 篇3
关键词：陶瓷结合剂,CBN砂轮,凸轮轴,表面粗糙度
0 引言
立方化硼(Cubic Boron Nitride,简称CBN)具有仅次于金刚石的硬度,优于金刚石的耐热性和对铁族金属的化学惰性,是代替刚玉磨料磨削淬硬钢,高强度钢等高硬度、高韧性难加工金属的最佳磨料;尤其是陶瓷结合剂CBN砂轮(以下简称陶瓷CBN砂轮)的优越磨削性能,不仅表现在高磨削比、高生产率方面,更重要的是能够获得高的零件表面质量[1]。
磨削加工后的零件表面质量包括表面粗糙度、残余应力、磨削烧伤等指标,而表面粗糙度是考察零件是否合格的一项重要指标,因此,本文进行了陶瓷CBN砂轮高速磨削45淬硬钢工件的表面粗糙度试验研究。
1 工艺参数关系的试验研究
普通磨削的砂轮速度为30～35m/s,当砂轮速度超过45m/s或更高超过50m/s即为高速磨削[2]。高速磨削条件下的磨削加工影响因素复杂,许多认识尚不深入,有关文献资料表明,陶瓷CBN砂轮高速磨削工艺具有不同于普通磨削加工的特殊工艺要求。因此,针对汽车凸轮轴常用的45淬硬钢进行了模拟凸轮轴材料的磨削试验,探索了磨削工艺参数对45淬硬钢工件已加工表面粗糙度的影响,揭示了CBN高速磨削在一定加工对象上表面粗糙度的变化规律和机理,为特定材料在CBN高速磨削条件下合理选择和优化磨削用量提供了参考依据。
磨削试验条件如表1所示。
由于磨削过程是一个十分复杂的过程,影响因素很多,在实际工程计算中,目前仍以采用经验公式为主,这些公式都是以磨削条件的幂指数函数形式表示的。本试验采用正交试验法,通过对CBN高速磨削条件下大量试验数据的三元线性回归处理,得出45淬硬钢工件在陶瓷CBN砂轮高速磨削条件下的已加工表面粗糙度经验公式:
式中:Ra为表面粗糙度值,µm;Vs为砂轮线速度,m/s;Vf为砂轮进给速度,µm/s;nw为工作转速,r/min。
公式(1)表明,在陶瓷CBN砂轮高速磨削过程中,工件已加工表面粗糙度值随砂轮进给速度,工件转速的增大而增大,随砂轮线速度的提高而减小,其中砂轮线速度(Vs)和砂轮进给速度(Vf)对工件已加工表面粗糙度的影响都很显著,而工件转速(nw)对工件已加工表面粗糙度的影响非常小。砂轮线速度越高,单位时间内掠过工件表面的磨粒就越多,所以工件表面粗糙度就越小;砂轮进给速度提高,即金属磨除率增大,就会使单颗磨粒的未变形切屑厚度增大,反映到工件表面上就是工件表面的沟槽较深,隆起较高,所以工件表面粗糙度就越大。
由公式(1)还可知,砂轮线速度的权值最大,也就是说,提高砂轮线速度可显著减小表面粗糙度数值,从而验证了CBN高速磨削的优越性。
为了进一步验证上述试验的结论,又采用单因素试验法研究了磨削用量(Vs和Vf)对工件已加工表面粗糙度的影响规律,试验参数及结果如表2所示。
为了便于清晰、直观地观察工件已加工表面粗糙度与磨削工艺参数的关系,将表2中的试验数据绘成图1中的工件已加工表面粗糙度变化曲线。经对比分析表2的试验数据和图1中的曲线,并结合经验公式(1),可进一步发现:
1)陶瓷CBN砂轮在定进给切入外圆磨削45淬硬钢工件的过程中,随着砂轮线速度的提高,在本试验设定的各个不同的砂轮进给速度下获得的工件已加工表面粗糙度均呈现了较显著的减小;尤其是当砂轮线速度(Vs)从35m/s提高到60m/s(砂轮进给速度Vf均为20µm/s)时,工件的表面粗糙度由1.75µm降为1.25µm,减小了0.5µm,降幅达到28.6%,这一方面说明,陶瓷CBN砂轮磨削中,砂轮线速度对工件已加工表面粗糙度有显著影响,另一方面更说明了陶瓷CBN砂轮在高速磨削条件下,既可获得较高的砂轮进给速度,又能保证较好的工件表面质量,充分体现了陶瓷CBN砂轮高速磨削高生产率、高磨削质量的优越性。
2)当陶瓷CBN砂轮的线速度较低时(本试验中为35m/s、50m/s),随着砂轮进给速度(Vf)的增加,工件的表面粗糙度呈现出近于线性增大的趋势;而当砂轮线速度较高时(本试验中为60m/s),随着Vf的增大,工件已加工表面粗糙度呈缓慢且均匀地小幅增加,基本能维持在一个比较良好的数值上。这表明,陶瓷CBN砂轮磨削中,Vf在较低砂轮速度下对工件已加工表面粗糙度有显著影响,而在高速磨削条件下对工件已加工表面粗糙度的影响并不显著,从而充分说明,陶瓷CBN砂轮磨削为了既能保证高的磨削质量,又能获得高的生产率,则必须在高速下工作。
2 表面粗糙度变化规律的试验研究
陶瓷CBN砂轮是一种半永久性磨具,非常耐磨,所以工件已加工表面粗糙度在磨削过程中应当非常稳定;为此,进行了陶瓷CBN砂轮磨削45淬硬钢工件的已加工表面粗糙度变化规律的试验研究,将CBN砂轮累计磨除一定量的金属体积后检测得到的表面粗糙度值与金属磨除体积一一对应,得到如表3所示的试验结果。
综合分析表3中的试验数据可知:
1)在各种磨削条件相匹配的合理工况下,陶瓷CBN砂轮的表面形貌保持性好,非常耐磨,所以工件已加工表面粗糙度在磨削过程中非常稳定,可长时间维持在一个比较稳定的数值上。
2)在适合的磨削条件下,陶瓷CBN砂轮在磨削过程中始终存在自励现象,这反映在工件已加工表面粗糙度上就是,当累计磨除的金属体积达到一定量时(本试验中为∆Vw=68万mm3),表面粗糙度值相对会有一个明显的增幅(本试验中为Ra从0.57µm明显增大到0.67µm),但在随后的磨削过程中,表面粗糙度值又会迅速回落到一个较稳定的数值上。
3 结论
通过试验研究,可以得到以下结论:
1)在定进给量外圆切入磨削过程中,随着砂轮线速度(Vs)的提高,磨削条件得以改善,从而有利于工件已加工表面粗糙度的改善。
2)在定进给量外圆切入磨削过程中,砂轮线速度(Vs)越高,越有可能通过提高砂轮进给速度(Vf)来提高CBN砂轮磨削的生产效率,而且还能保证获得高的磨削质量。
3)随着砂轮线速度(Vs)提高到一定的数值(本试验中为Vs=60m/s),磨削过程中陶瓷CBN砂轮会出现稳定工作阶段和自励现象,在该阶段获得的工件已加工表面粗糙可长时间稳定维持在一较理想的数值上。
4)陶瓷CBN砂轮具有极高的抗磨损能力,耐磨性很好,因此,在磨除相当多的金属体积后,工件已加工表面粗糙度仍能保持非常稳定的状态。
参考文献
[1]瞿晓波.陶瓷结合剂CBN砂轮在凸轮轴加工中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程.
高速砂轮的研究现状 篇4
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。
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高速砂轮的研究现状 篇5
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。
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高速砂轮的研究现状 篇6
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:
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
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
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高速砂轮的研究现状 篇7
以CBN (立方氮化硼) 为主要磨料的砂轮切削锋利, 磨削力小且磨削件表面温度较低, 大大高出金刚石砂轮的磨削效率, 且其尺寸保持性好, 加工精度高, 修整周期长, 提高了在实际生产中砂轮的使用寿命, 在粉末冶金行业有较为广泛的应用。以此为出发点, 设计适合于本产品的专用砂轮, 着重减少磨削过程中产生的热量, 改善散热条件。
1 砂轮基体的设计
依据现有立式圆台平面磨床的基本参数, 设计砂轮基体的外形尺寸。主要考虑以下因素:
(1) 与磨头部件连接安装尺寸、加工件的外形尺寸与装夹位置;
(2) 考虑砂轮直径大小与切削线速度, 以求尽量提高磨削效率;
(3) 镶块的外形尺寸与摆放形式, 减少磨料堵塞, 提高散热性;
(4) 高转速下, 减小砂轮自身质量所产生的离心力对加工产生的不利影响。
综合考虑, 基体选用质轻的金属铝作为原材料, 砂轮外圆直径定为320 mm, 磨块设计为横截面尺寸 (25×7) mm2, 有效磨损高度为10 mm, 分为30个小磨块均布镶嵌 (见图1) 。
2 砂轮粒度的选择
CBN磨料粒度作为砂轮的一个重要参数, 主要影响工件的表面粗糙度以及加工的效率。
细颗粒CBN易于切入工件表面, 磨削比较平稳, 颗粒受力较小, 不易磨钝, 表面粗糙度也较低。但是由于闸片要采取干式磨削, 用细颗粒CBN进给速度较慢, 加工时间长, 没有冷却液的加入, 闸片表面的温度会急剧升高导致结构热变形。
再则闸片本身质软, 硬度较低, 细颗粒的CBN磨料更加不易磨钝, 自砺脱落更慢, 容易形成积屑瘤。因此在满足加工要求的前提下, 尽量选择颗粒大一些的CBN磨料, 综合考虑, 选取粒度在60～80目的CBN磨料。
3 砂轮结合剂的选择
按照加工工艺和结合剂成分的不同, 砂轮结合剂可分为陶瓷结合剂、金属结合剂、树脂结合剂, 其中金属结合剂按工艺又可分为电镀法金属结合剂和烧结法金属结合剂。适合的结合剂不但会很好地包裹着磨料颗粒, 更重要的是保证磨料颗粒的棱角在磨损到一定程度的时候, 会使磨粒碎裂或者脱落, 以形成新的锋利的切削刃或露出新的磨粒, 从而保证砂轮继续正常的磨削, 减少修整次数。
由于本铜基粉末冶金闸片加工中不可加入冷却液, 只能采取干式磨削。从砂轮本身的使用性能方面来考虑, 通常选用金属材料作为结合剂。这样做的目的是为了提高砂轮的强度, 增加其韧性, 减缓热冲击, 从而提高砂轮的使用性能。进一步考虑, 铜基粉末冶金属于中软材料, 且该粉末冶金材料中含有相当的石墨成分。石墨的熔点较高, 在磨削的过程中, 容易弥留在砂轮的表面, 如果结合剂过硬, 不能及时磨损露出新的磨削刃, 砂轮将会被堵塞, 影响磨削质量。因此进一步选择了质软的青铜作为结合剂, 来保证及时地产生新的磨削刃或露出新磨粒, 同时散热性也随着磨料与结合剂的磨损得到了相应的提高。
4 砂轮浓度的选择
砂轮浓度要综合考虑其结合剂与磨料粒度的大小, 通过两组试验选择适合的CBN砂轮浓度。
试验条件:给定磨床主轴转数970 r/min, 进给速度0.05 mm/r, 相同的磨削量, 加工等数量的闸片。
试验1:选用浓度为75%的CBN砂轮。
试验现象:闸片表面的颜色与磨削之前几乎没有变化;磨削表面留有较明显的磨削刃痕迹 (见图2) ; 闸片表面温度在30℃左右;随着加工件数的增加, 磨削效果没有明显变化, 刃口状况较好。
试验2:选用浓度为100%的CBN砂轮。
试验现象:闸片侧表面出现明显的高温变色;磨削表面没有明显的磨削刃痕迹, 表面比较光亮 (见图3) ;闸片表面温度在70℃左右;随着加工件数的增加, 磨削效率降低, 切削刃钝化严重;砂轮磨料镶块被黑色积屑瘤堵塞。
分析原因:砂轮浓度的增大, 单位面积上磨料颗粒的数目增多, 相当于单位面积切削刃增多, 从而提高了砂轮的强度, 使得在与质软的铜基粉末冶金互磨的时候, 磨料颗粒不易碎裂形成新的磨削刃。磨削刃没有得到及时的更新, 又使得一些磨削下来的粉末弥留在了砂轮的表面, 进一步钝化了砂轮的磨削刃, 造成磨削效率大幅下降, 磨削热量大幅上升。
试验结论:试验1较为理想, 基本可以达到加工要求。
5 结束语