超高速點(diǎn)磨削砂輪的設(shè)計(jì)與磨損仿真①

鞏亞東,劉月明,韓廷超,程軍

(東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化研究所,沈陽110004)

超高速點(diǎn)磨削砂輪的設(shè)計(jì)與磨損仿真①

鞏亞東,劉月明,韓廷超,程軍

(東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化研究所,沈陽110004)

文章詳細(xì)闡述了超高速點(diǎn)磨削中砂輪的應(yīng)用狀況,介紹了超高速點(diǎn)磨削砂輪的應(yīng)用范圍,通過這種新型砂輪的基體和cBN磨料層的設(shè)計(jì),介紹了砂輪基體和磨料層的設(shè)計(jì)原則,介紹了cBN磨料層中粗磨區(qū)和精磨區(qū)中的磨料對(duì)于去除材料的磨削效率的作用,引入了這種新型砂輪中的粗磨削區(qū)傾角的概念,推導(dǎo)出粗磨削區(qū)傾角的大小在超高速點(diǎn)磨削中對(duì)于磨削參數(shù)的影響趨勢,并且設(shè)計(jì)了適用于本實(shí)驗(yàn)的粗磨削傾角的大小,制造了適用于超高速點(diǎn)磨削實(shí)驗(yàn)的砂輪,介紹了由于粗磨削傾角的存在對(duì)磨削時(shí)切屑的流動(dòng)狀態(tài)及傾角對(duì)于磨削效率的影響,利用超景深顯微鏡觀測砂輪磨料層的微觀結(jié)構(gòu),分析表面的氣孔率和cBN磨料的分布狀態(tài),通過磨粒的分布預(yù)測加工后的表面形貌,仿真出新型砂輪的磨損趨勢,得出了有關(guān)超硬磨粒層制造和磨損的相關(guān)結(jié)論,砂輪的制造與設(shè)計(jì)直接關(guān)系超高速點(diǎn)磨削的廣泛推廣,為實(shí)現(xiàn)超高速點(diǎn)磨削的高效率和高精度的加工提供必要的設(shè)備支持,為其理論研究提供可供參考的依據(jù)。

超高速點(diǎn)磨削;cBN新型砂輪;粗磨削區(qū)傾角;磨損;仿真

0 引言

高速與超高速切削技術(shù)已經(jīng)開始廣泛地被應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域,不僅帶來高的生產(chǎn)效率,更提高了所加工零件的精度,超高速磨削技術(shù)的研究工作在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛開展起來[1-3],對(duì)于超高速磨削條件下的磨削機(jī)理及高速磨削的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了討論,在超高速磨削的技術(shù)上,利用砂輪軸線與工件軸線之間的夾角α改變了砂輪與軸線的接觸形式,實(shí)現(xiàn)了理論上的點(diǎn)接觸,砂輪的線速度在90～160m/s之間選擇,對(duì)于超高速點(diǎn)磨削技術(shù)的相關(guān)理論,國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了一些研究[4,5],對(duì)于傳統(tǒng)的磨削參數(shù)給出了理論上的推導(dǎo),對(duì)指導(dǎo)關(guān)于超高速點(diǎn)磨削實(shí)驗(yàn)方面的研究起了一定的指導(dǎo)作用。

超高速點(diǎn)磨削應(yīng)用與推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一在于砂輪的制作,磨具的制作對(duì)于一種磨削方法來說起著重要的作用,尤其對(duì)于超高速磨削技術(shù)而言。本文將主要介紹目前用于超高速點(diǎn)磨削技術(shù)的新型砂輪,闡述這種新型砂輪對(duì)于磨削過程帶來的影響,這種砂輪的寬度一般小于6mm,一定范圍內(nèi)擴(kuò)大了點(diǎn)磨削的工藝范圍。引入了“以磨代車”概念,使超高速點(diǎn)磨削技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度和高效率加工成為可能,結(jié)合高速砂輪的制造和分析理論[6],給出了這種新型砂輪的應(yīng)用特點(diǎn)和磨損形式。

1 新型砂輪的應(yīng)用及模型

1.1 新型砂輪的介紹

圖1 點(diǎn)磨削的原理布局圖Fig.1 Sketch of principle of point grinding

在超高速點(diǎn)磨削的加工過程中,砂輪軸線與工件軸線之間存在變量角α,其布局如圖1所示,使兩者之間的接觸處于理論上的點(diǎn)接觸狀態(tài)。在存在變量角度α的基礎(chǔ)上,用于點(diǎn)磨削的新型砂輪的形狀如圖2所示,這種砂輪為了適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)對(duì)自身帶來的大離心力,所以砂輪由基體和磨料層兩部分組成,其中磨料層存在傾角θ,使砂輪與工件的接觸狀態(tài)完全發(fā)生了變化。

圖2 新型砂輪外圓磨削示意圖Fig.2 Sketch of new grinding wheel in cylindrical grinding

在這種新型砂輪的應(yīng)用下,砂輪與工件的接觸區(qū)域可以分為圖3中所示的區(qū)域A和區(qū)域B,其中A屬于粗磨削區(qū),其主要作用是去除工件上的多余材料,決定著磨削的效率;B屬于精磨削區(qū)和無火花磨削區(qū),其主要的作用是去除剩余的材料來達(dá)到要求的零件尺寸并對(duì)已加工表面進(jìn)行光整,決定著磨削的精度。其中θ的大小對(duì)于磨削效率存在著影響,并間接影響著磨削的精度。對(duì)于這種新型砂輪的設(shè)計(jì)就包含了磨料層傾角θ的設(shè)計(jì),精磨削區(qū)寬度的設(shè)計(jì)及砂輪磨粒的一些常規(guī)設(shè)計(jì)。

1.2 新型砂輪對(duì)于磨削過程的影響

新型點(diǎn)磨削砂輪由于傾角θ的存在,導(dǎo)致磨削模型發(fā)生了一系列的變化。首先在切削深度方面,對(duì)于普通砂輪的外圓往復(fù)磨削,其砂輪切深為恒定值。在不考慮砂輪磨損的情況下,可認(rèn)為工件多余的材料都是由工件每轉(zhuǎn)的砂輪軸向進(jìn)給量S去除的[7],其中剩余的砂輪寬度屬于光整和無火花磨削區(qū)域,其中S的表達(dá)如式1所示,式中dw為工件的直徑,vf為砂輪的軸向進(jìn)給速度,vw為工件的速度。其中這種普通外圓磨削砂輪的磨損和破壞形式在表面呈階梯狀,嚴(yán)重影響了零件的尺寸精度[8],并且砂輪磨損的速度直接與切削深度a相關(guān)。如圖3所示,點(diǎn)磨削砂輪的切削深度不再由寬為S的砂輪前緣完成,而是由砂輪斜面部分(粗磨削區(qū)域)和斜面之后的一段寬為S的砂輪(精磨削區(qū)域)完成的,因此對(duì)于這種砂輪的切深需要一個(gè)重新的計(jì)算。

為了簡化計(jì)算模型,如圖3所示將整個(gè)砂輪從寬度上分為砂輪1和砂輪2,其中砂輪1類似于車刀,去除大部分的多余材料,砂輪2與普通外圓磨削相似,主要的作用是精磨和光整。對(duì)于徑向切深為a的點(diǎn)磨削砂輪加工中,在磨削過程中,砂輪1由位置1進(jìn)給到位置2的時(shí)候,如圖3所示,即砂輪的位移為一個(gè)S的時(shí)候,兩區(qū)域干涉的多余材料(m部分)將被去除,砂輪粗磨削區(qū)部分的法向切深直接影響了砂輪的磨損狀態(tài),與普通外圓切入磨削相似。因此,此時(shí)在粗磨削區(qū)的法向切深可用式2來表達(dá),即粗磨區(qū)去除材料的過程與傾角θ和式1中涉及到的磨削參數(shù)都有關(guān)系。

砂輪1磨削過后剩余材料(n部分)將由砂輪2進(jìn)行去除,從剩余材料的截面來看,剩余材料的形狀為一個(gè)三角形,即與普通外圓磨削有了明顯的區(qū)別。其中n部分的最大高度amax可以通過式3來得到,精磨區(qū)砂輪去除材料的切深是不同的,沿砂輪的軸向進(jìn)給方向線性增加。為了比較兩者切深的大小,因此需要求出精磨區(qū)的平均切深aave,可用式4來表示。

因此,粗磨削區(qū)(即砂輪1)和精磨削區(qū)(即砂輪2)的等效切深之間的比例K由式5表示。由式5可以看出,當(dāng)傾角θ減小的時(shí)候,兩者之間的比例越大,即留給精磨削區(qū)加工的剩余材料越少,間接地提高了磨削的效率。但是為了保持這種新型砂輪的特殊性能,θ的值必須大于零度。兩個(gè)磨削區(qū)域的得到為這種新型砂輪的磨損仿真提供了理論上的支持。

1.3 點(diǎn)磨削砂輪的設(shè)計(jì)原則

點(diǎn)磨削應(yīng)用的新型砂輪在上節(jié)已經(jīng)做了簡單的介紹,這種砂輪應(yīng)用在超高速磨削中,其轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到了很大的離心力的作用,因此砂輪是由金屬基體和磨料層兩部分組成的[9]。本節(jié)將主要探討磨料層部分的設(shè)計(jì)原則。這種砂輪主要用于汽車軸類零件的加工,切削比較硬的淬火鋼,為了避免砂輪的經(jīng)常性磨損對(duì)尺寸造成的誤差,因此磨料層采用超硬磨料金剛石或立方氮化硼(cBN)。其中需要設(shè)計(jì)的參量主要有以下幾個(gè):粗磨區(qū)高度h,傾角θ的大小,磨料層的寬度和厚度,氣孔率及結(jié)合劑的種類等等。

為了便于修整砂輪,降低砂輪的制造成本而同時(shí)做比較實(shí)驗(yàn),因此砂輪首先設(shè)計(jì)成傾角θ為零度,做完一批實(shí)驗(yàn)后,然后修整成帶有傾角的砂輪,其中粗磨削區(qū)的高度需要比徑向切深高30%～50%,磨料層呈中等氣孔率,以便有足夠的排屑空間,采用陶瓷結(jié)合劑和cBN磨料以便修整。為了增大點(diǎn)磨削的工藝應(yīng)用范圍,可以磨削溝槽,磨料層的寬度設(shè)定為6mm。制造的用于超高速點(diǎn)磨削的砂輪和表面的形貌如圖4所示,從表面形貌看,完全滿足排屑空間的需求。制造的砂輪已經(jīng)成功應(yīng)用于超高速磨削中,實(shí)驗(yàn)證明磨料層表面的磨粒之間具有足夠的間隙來流動(dòng)冷卻液和切屑。

圖3 點(diǎn)磨削砂輪干涉示意圖Fig.3 Sketch of new grinding wheel in super-high speed point grinding

圖4 砂輪及磨料層表面Fig.4 The surface of grinding wheel and abrasive layer

3 點(diǎn)磨削砂輪的磨損仿真

在實(shí)際的超高速點(diǎn)磨削中,為了減少砂輪的磨損而采用超硬磨料來制作砂輪。本文中介紹的砂輪磨料層是利用cBN制作而成的,這種砂輪的磨損的測量必須經(jīng)過磨削大量的試件,顯然作為研究工作很難實(shí)現(xiàn),為了從理論上分析這種新型砂輪的磨損狀態(tài),因此利用ABAQU S仿真來討論其磨損狀態(tài)。

3.1 模型的建立和邊界條件施加

砂輪的磨損主要分為摩擦磨損、磨粒破碎和結(jié)合劑斷裂。對(duì)于應(yīng)用于精密加工的砂輪來說,假定加工工藝系統(tǒng)比較穩(wěn)定,即在砂輪粗磨削區(qū)和精磨削區(qū)的磨損量與去除材料的體積成正比。根據(jù)上節(jié)計(jì)算的兩個(gè)區(qū)域切深的不同來仿真砂輪的磨損量,即沿砂輪表面的兩個(gè)區(qū)域法向磨損量的比例符合式中給出的比例。采用有限元的方法,在兩個(gè)區(qū)域分別給出沿法向的壓力[10],仿真出兩者合成對(duì)砂輪磨損的位置,即砂輪首先產(chǎn)生破損的位置,并查看不同傾角下得到的結(jié)果,得出傾角的不同對(duì)砂輪磨損量的影響。

圖5 有限元模型Fig.5 Fin ite elem en tm odel

因?yàn)槠骄鶋毫κ谴怪庇谄渥饔妹娴?因此施加壓力的時(shí)候不用考慮傾角θ的大小對(duì)施加載荷的影響,載荷的大小按照式2和式3的比例關(guān)系給出,考慮到磨粒與磨粒之間靠結(jié)合劑連接,因此本次仿真除了施加載荷的部分外,其余位置全部采用全固定的方式。建立的有限元模型如圖5所示,圖中給出了單元格劃分,載荷施加和邊界條件等。圖中所示的傾角θ為12度,為了得出傾角對(duì)其影響的明顯差異性,因此將傾角的大小分別設(shè)置為12度和20度作為比較。

3.2 仿真的過程及結(jié)果分析

圖6 有限元仿真的結(jié)果Fig.6 The results of finite element simulation

在有限元分析的過程中,采用靜力學(xué)分析。為了更加接近實(shí)際的情況,得出可利用的結(jié)果,因此設(shè)置材料屬性時(shí)輸入cBN材料的特性。在實(shí)際加工時(shí),必須留有足夠的排屑空間,因此兩種不同的傾角下采用相同的徑向切深,圖6顯示了在兩個(gè)區(qū)域按照上節(jié)中的分析施加壓力后的位移變形圖,其中U表示了X和Y向的合成位移。從圖中可以看出,不同傾角的兩種砂輪磨損都主要發(fā)生在粗磨區(qū),并且傾角變小的時(shí)候,磨損量變大,即單位時(shí)間內(nèi)去除工件材料變多。符合上文中分析得到傾角變小時(shí)可以提高磨削效率的理論。并且從圖中還可以看出,磨損主要發(fā)生在粗磨區(qū),雖然精磨區(qū)也發(fā)生了磨損,但是由于數(shù)量級(jí)的顯示原因,表現(xiàn)不是特別明顯,因此需要對(duì)兩個(gè)區(qū)域單獨(dú)施加載荷分別觀測傾角θ不同對(duì)其造成的影響。

圖7和圖8分別顯示了點(diǎn)磨削砂輪的粗磨削區(qū)和精磨削區(qū)單獨(dú)施加載荷后的磨損仿真結(jié)果,結(jié)果顯示,點(diǎn)磨削砂輪的磨損主要產(chǎn)生在粗磨區(qū)。對(duì)整體施加載荷產(chǎn)生的磨損和單獨(dú)對(duì)粗磨區(qū)施加載荷產(chǎn)生的磨損差別不太大,而粗磨削區(qū)的磨損在12度和20度時(shí)很多,傾角增大時(shí),磨損量減小。由于磨損主要產(chǎn)生在粗磨削區(qū)域,砂輪短期內(nèi)的磨損不會(huì)對(duì)磨削精度產(chǎn)生影響,保證了加工的尺寸,而傾角不同時(shí)對(duì)精磨削區(qū)產(chǎn)生的影響不是十分明顯,基本上是相同的。變形位移而在軸向上的分布趨勢也是大致相同的,從圖8可以看出,當(dāng)磨損到達(dá)砂輪邊界的時(shí)候才會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。

通過分析有限元得到的結(jié)果可以得出,設(shè)計(jì)砂輪時(shí),要充分考慮兩個(gè)區(qū)域磨損的均勻性而不至于由于一個(gè)區(qū)域過度磨損而使砂輪提前進(jìn)行修整。粗磨削區(qū)的磨損導(dǎo)致磨削區(qū)的寬度減小,因此當(dāng)建立合適的理論模型,考慮傾角θ的大小,根據(jù)有限元的仿真結(jié)果,完全可以設(shè)計(jì)出合理尺寸的點(diǎn)磨削砂輪。由于有限元分析將模型過于理論化,因此需要設(shè)計(jì)砂輪磨損的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證理論和仿真,來得出正確的砂輪設(shè)計(jì)原則,但是有限元仿真結(jié)果的磨損趨勢是正確的。

圖7 粗磨區(qū)磨損仿真的結(jié)果Fig.7 The results of wear simulation of rough g rinding area

圖8 精磨區(qū)磨損仿真結(jié)果Fig.8 The results of wear simulation of fine grinding area

4 結(jié)論

介紹了超高速點(diǎn)磨削砂輪的應(yīng)用狀況和形狀,分析了這種新型砂輪對(duì)磨削過程帶來的影響,并建立合理的有限元模型,仿真出了點(diǎn)磨削砂輪粗磨削區(qū)和精磨削區(qū)的砂輪磨損,可以得出以下結(jié)論:

(1)超高速點(diǎn)磨削砂輪的切削深度在兩個(gè)區(qū)域發(fā)生了明顯的變化,其兩者的比例是傾角θ的函數(shù)。傾角θ大小影響了磨削效率,相同參數(shù)下,當(dāng)θ減小的時(shí)候磨削效率提高,并且傾角θ間接影響了點(diǎn)磨削后的表面質(zhì)量。

(2)利用有限元的仿真結(jié)果可以得出,當(dāng)徑向切削深度相同的前提下,砂輪的磨損主要發(fā)生在粗磨削區(qū)域。并且傾角θ減小的時(shí)候,砂輪的磨損量增大,粗磨削區(qū)和精磨削區(qū)的磨損量相差一個(gè)數(shù)量級(jí),精磨削區(qū)的磨損量明顯小,且傾角θ對(duì)它影響不大。

(3)利用有限元間接仿真的方法,可以得出點(diǎn)磨削砂輪的磨損趨勢,為理論分析提供了參考的依據(jù),為設(shè)計(jì)合理的cBN砂輪的磨料層尺寸提供了支持,為下一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證點(diǎn)磨削砂輪磨損指明了方向。

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Design and wear simulation of the grinding wheel used in super-high speed point grinding

GONG Ya-dong,LIU Yue-ming,HAN TiNg-chao,CHENG Jun
(Northeastern Unverisity,Shenyang 110004)

In the paper,the application status and applied scope of the grinding wheel used in super-high speed point(SHSP)grinding is introduced in details.Th rough Designing the base and the cBN layer of the new wheel,the Designing principle is inferred according to the specific shape.the grinding productivity is analyzed in the course grinding zone and the finished grinding zone,introducing the angle of course grinding field,which affects the grinding parameters in SHSP grinding,the value of the angle is Designed to be suited to the point grinding,and manufacturing the wheel,introducing the changed state of chip flowing grinding used in the new wheel,the micro-surface of the wheel is observed th rough microscope,whose the ratio of air hole and the layer of CBN are analyzed,simulating thew ear trend of the new wheel,the conclusions about super hard abrasives and wearing are d raw n at last,the application of SHSP grinding is related to Designing and manufacturing of the wheel,which provides the equipment for realizing high precision and productivity processing and offers the referred basis for the theoretical research.

super-high speed point grinding;new type cBN grinding wheel;angle of course grinding field;wear;simulation

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0037-06

2010-08-16

鞏亞東東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化研究所,教授,博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榫ヅc超精磨加工。Em ail:gongyd@mail.neu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50775032)