硬質(zhì)合金弧面磨削方法試驗(yàn)研究

高建,趙云,葉茂,吳翔,鐘雙有

自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司

1 引言

硬質(zhì)合金耐磨零件是由碳化鎢、鈷、鎳等粉末按照一定比例混合,通過壓制、燒結(jié)、加工得到的硬度高、耐磨性好的合金材料,目前主要采用磨削和線切割加工硬質(zhì)合金。

近年來,關(guān)于硬質(zhì)合金零件的磨削加工工藝研究主要集中在加工參數(shù)的優(yōu)化、材料組織性能對(duì)加工的影響和材料去除方式等方面,黃向明等[1]通過分析砂輪單顆磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度和最大未變形切屑厚度的關(guān)系,建立了磨削力學(xué)模型。舒良超[2]提出一種磨削加工寬弧面的方法,在一般中小設(shè)備上利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定位分段成形磨削。鄭清等[3]提出一種結(jié)合簡(jiǎn)化砂輪表面形貌的磨削力計(jì)算模型,可以計(jì)算各磨粒軌跡互相干涉下的實(shí)際切深。張東生等[4]利用有限元數(shù)值仿真的方法對(duì)硬質(zhì)合金磨削溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。詹友基等[5]對(duì)納米晶粒硬質(zhì)合金的磨削力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),磨削力隨砂輪線速度增加而減小,隨磨削深度和進(jìn)給速度增大而增大。盧繼等[6]研究了不同加工參數(shù)對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響。蘇偉等[7]提出用雙端面磨床加工帶臺(tái)階或高徑比大的產(chǎn)品的裝夾改善措施。江湘顏等[8]和蘇珍發(fā)等[9]利用Fluent軟件進(jìn)行磨削點(diǎn)的有限元仿真,并分析了工藝參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律。張磊[10]通過測(cè)量不同加工參數(shù)下的磨削力發(fā)現(xiàn),磨削力和磨削比能與單顆磨粒最大未變形切屑厚度、切削長(zhǎng)度、材料的物理機(jī)械性能和材料去除方式有關(guān)。Zhang Yuzhou等[11]建立了基于砂輪表面形貌的綜合模型,并利用建立的模型對(duì)硬質(zhì)合金的磨削過程進(jìn)行仿真分析,得到基于未變形切屑厚度分布的表面粗糙度模型和比磨削能量模型。Yang J.等[12]利用聚焦離子束(FIB)層析成像技術(shù)對(duì)WC-Co類材料的磨削損傷進(jìn)行表征,識(shí)別出硬質(zhì)合金加工過程中產(chǎn)生的微裂紋遵循不同的顯微結(jié)構(gòu)路徑。詹友基等[13]研究了加工參數(shù)對(duì)納米晶粒硬質(zhì)合金磨削表面質(zhì)量的影響。楊淮文等[14]探究了CFRP砂輪與鋼基體砂輪在高速磨削過程中的動(dòng)力學(xué)特性,并在數(shù)控凸輪軸磨床上開展磨削過程的動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)。

目前,對(duì)硬質(zhì)合金零件的加工仍然以磨削為主,在實(shí)際加工過程中,往往除了常規(guī)的內(nèi)孔、外圓和倒角磨削之外,還會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)倒圓弧面磨削加工。目前磨削圓弧的工藝大多采用成形法,把砂輪修整成需要磨削的形狀尺寸,采用切磨或靠磨的磨削方法接觸工件直接成形,此種加工方式操作簡(jiǎn)單,但進(jìn)刀量小,加工效率低,同時(shí)硬質(zhì)合金材料硬度高,砂輪消耗快,砂輪形狀保持性低。另一種磨削方法是采用砂輪軸帶旋轉(zhuǎn)頭的數(shù)控磨床,通過旋轉(zhuǎn)頭帶動(dòng)砂輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并在機(jī)床上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成加工,此種加工方法磨削效率較高,但設(shè)備往往價(jià)格昂貴,普通中小型加工企業(yè)配備較少。

本文提出一種硬質(zhì)合金倒圓弧磨削走磨法,并通過建立弧面磨削走磨法磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和磨削動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)Nd方程,利用試驗(yàn)研究了砂輪不同修整半徑R對(duì)磨削圓弧r加工效率的影響,分析了砂輪不同修整半徑R對(duì)砂輪的保持性的影響,為硬質(zhì)合金弧面磨削加工提供一種參考依據(jù)。

2 建立磨削模型

2.1 砂輪修整半徑R與工件接觸長(zhǎng)度

圓弧磨削磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。將砂輪外圓修整成半徑為R的圓弧,確保砂輪修整半徑R>磨削圓弧半徑r。以o′為原點(diǎn),建立磨削過程坐標(biāo)系。磨削時(shí),砂輪端面圓弧點(diǎn)A為砂輪起始點(diǎn),其磨削過程由點(diǎn)位A走磨到點(diǎn)位B,剛好走完一個(gè)砂輪修整半徑R的1/4圓弧,這樣砂輪實(shí)際磨削部位對(duì)應(yīng)完成從C到D的一個(gè)1/4圓弧磨削過程。加工過程類似平面磨削過程,圓弧r是按照走磨的進(jìn)刀方式加工而成,砂輪在x方向和y方向均有一個(gè)較小進(jìn)刀速度。

圖1 圓弧磨削磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡

砂輪表面與工件接觸的單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

(2)

式中,R為砂輪修整半徑;V為砂輪進(jìn)刀速度;VS為砂輪線速度;φ為砂輪接觸點(diǎn)與x軸方向的夾角。

磨削時(shí),砂輪與工件接觸單元的長(zhǎng)度為

(3)

(4)

(5)

由于V遠(yuǎn)小于VS,接觸角φ較小,φ≈sinφ。

根據(jù)磨削原理[15],有

(6)

式中,ap為砂輪進(jìn)刀量。

2.2 動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)Nd

動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)Nd是指砂輪與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)加工過程中,在砂輪和工件的接觸弧上測(cè)得的有效磨刃數(shù)。單位面積內(nèi)有效磨刃數(shù)越多加工效率越高,相關(guān)研究證明,加工過程中動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)比靜態(tài)有效磨刃數(shù)少,因此在進(jìn)行弧面走磨磨削時(shí)需要提高動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)Nd。

動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)的計(jì)算方式為

(7)

式中,Ag為與靜態(tài)磨刃數(shù)的比例系數(shù);c1為與磨刃密度有關(guān)的系數(shù);ads為動(dòng)態(tài)切入加工表面的深度。

(8)

式中,ks為與砂輪磨刃形狀有關(guān)的系數(shù);de為與砂輪當(dāng)量直徑;ap為磨削深度;vs為砂輪速度;vw為工件速度。

將式(8)代入式(7),可得沿砂輪與工件實(shí)際接觸弧的動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)為

(9)

其中

式中,p,q,α均為指數(shù),p=2,q=1,α=1/3。

即

(10)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及條件

以閥座φ50×φ32×12-r3為例。設(shè)備采用帶數(shù)控系統(tǒng)的M2110C內(nèi)圓磨床,如圖2所示。采用夾具體裝夾,方便重復(fù)定位更換閥座工件。由于磨削過程中砂輪會(huì)接近工件端面,所以不能用端蓋壓緊的方式,而是采用螺釘徑向鎖緊。根據(jù)工件尺寸計(jì)算軌跡起點(diǎn)至終點(diǎn)行程并選擇砂輪規(guī)格,以不干涉磨削為條件盡可能選擇大外徑砂輪,以增加砂輪可磨削時(shí)間,減少修整次數(shù),同樣在不影響砂輪軸剛度的條件下,盡量選小一些的砂輪孔。砂輪半徑R>5mm,方便修整,這里選砂輪35mm×20mm×6mm,并在光學(xué)曲面磨床上把砂輪磨削區(qū)域R修整到10mm。

1.夾具體 2.閥座 3.螺釘 4.砂輪 5.砂輪軸

3.2 試驗(yàn)過程

通過畫圖計(jì)算程序磨削的起點(diǎn)及終點(diǎn)坐標(biāo),并驗(yàn)證其軌跡過程是否安全,無干涉、過切等現(xiàn)象,如圖3所示。以o點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,此處起點(diǎn)坐標(biāo)A(0,-10),其軌跡為逆時(shí)針半徑為R7的1/4圓弧段。加工過程中,需要考慮工件高度、內(nèi)孔存在制造誤差等因素,且為了避免砂輪倒圓弧過程中過切到工件內(nèi)孔及端面(見圖3),將內(nèi)弧r3延長(zhǎng)線長(zhǎng)度設(shè)定為1.5mm。

圖3 磨削軌跡模擬

砂輪軸裝夾好后,用砂輪最大外圓和夾具體對(duì)刀,接觸后輸入夾具的理論值50,砂輪端面接觸工件端面處,對(duì)刀數(shù)值輸入0,完成對(duì)刀并輸入編制好的程序即可進(jìn)行磨削加工。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析

為了更直觀地對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析,以成形磨削法作為對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 磨削試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

兩組試驗(yàn)均采用砂輪規(guī)格35mm×20mm×6mm,磨削圓弧半徑r均為3mm。采用成形法磨削時(shí),砂輪修整半徑R由3mm磨耗至3.2mm,砂輪磨粒體積減少約221mm3;而采用倒圓弧磨削方法加工時(shí),砂輪修整半徑R由10mm磨耗至10.2mm,體積減少了95mm3。因此同等磨削工況下,倒圓弧磨削方法的砂輪保持性是成形法磨削的2.33倍。

假設(shè)加工余量為0.4mm,采用成形法磨削,進(jìn)給速度0.12mm/min,每件需3.33min。采用倒圓弧磨削方法加工,往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度為800mm/min,單行程進(jìn)給量為0.005mm,即80次行程完成磨削加工。

一次磨削行程總長(zhǎng)度l為

(11)

總行程長(zhǎng)度L為

L=K×10.99×80=1004mm

(12)

式中,K為磨削行程系數(shù),一般取1.1～1.2。

單件產(chǎn)品加工時(shí)間t為

(13)

倒圓弧磨削加工方法的實(shí)質(zhì)是砂輪采取走磨方式對(duì)倒角進(jìn)行加工,在磨削過程中工件有一個(gè)作用力反作用在砂輪修整圓弧R上,此作用力不停對(duì)砂輪進(jìn)行修整,砂輪不會(huì)磨削出溝槽且砂輪不易變形,從而減少砂輪的修整次數(shù)和砂輪消耗,節(jié)約成本。

與成形法(見圖2)相比,由于砂輪修整半徑R>磨削圓弧半徑r,砂輪有效磨削面積增加,提高了砂輪的利用率,并減少了砂輪修整次數(shù),圓弧磨削走磨法單件產(chǎn)品的加工時(shí)間是成形磨削法的37.5%,由此可見,圓弧磨削走磨法在內(nèi)圓弧r的磨削上有較大優(yōu)勢(shì)。

3.4 保持性和磨削加工效率

在倒圓弧磨削加工過程中,研究不同砂輪修整半徑R對(duì)磨削效率的影響,試驗(yàn)記錄見表2。根據(jù)表2繪制砂輪修整半徑R與砂輪保持性和單件產(chǎn)品加工時(shí)間的關(guān)系(見圖4和圖5)。

表2 不同砂輪修整半徑的磨削加工試驗(yàn)記錄

圖4 砂輪修整半徑R與砂輪保持性的關(guān)系

圖5 砂輪修整半徑R與加工時(shí)間的關(guān)系

從圖4可以看出,在磨削圓弧r3時(shí),隨著砂輪修整半徑R增大,砂輪保持性也隨之增強(qiáng)。當(dāng)砂輪修整值在R4～R10時(shí),砂輪保持性與砂輪修整半徑R基本呈正比遞增關(guān)系。當(dāng)R>10mm時(shí),砂輪修整半徑R與砂輪保持性的遞增速度變緩。從圖5可以看出,隨著砂輪修整半徑R增大,單件產(chǎn)品的加工時(shí)間基本穩(wěn)定在75s左右,這是因?yàn)槟ハ鞯膔值未發(fā)生變化,磨削長(zhǎng)度未發(fā)生變化,故磨削時(shí)間基本不發(fā)生變化。從微觀上看,在R=8mm時(shí)圓弧磨削時(shí)間最小,這是由于此種情形的進(jìn)刀量下動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)最多,加工效率相對(duì)較高。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)建立了弧面磨削磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和弧面磨削動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)Nd方程,并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了弧面磨削加工方法的有效性。

(2)在同等磨削工況下,加工磨削r3圓弧面時(shí),采用倒圓弧磨削方法的單件產(chǎn)品加工時(shí)間是成形磨削法的37.5%,倒圓弧磨削方法砂輪保持性是成形磨削法的2.3倍。

(3)在磨削r3的圓弧面且R>r時(shí),隨著砂輪修整半徑R的增大,砂輪保持性遞增,當(dāng)R>10mm時(shí),遞增速度變緩;砂輪修整半徑R的增大對(duì)磨削加工效率基本無影響。

(4)在磨削r3的圓弧面且R>r時(shí),砂輪修整值為R8時(shí),砂輪動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)最多。