鞏亞東,劉月明,韓廷超,程軍

(東北大學先進制造與自動化研究所,沈陽110004)

超高速點磨削砂輪的設計與磨損仿真①

鞏亞東,劉月明,韓廷超,程軍

(東北大學先進制造與自動化研究所,沈陽110004)

文章詳細闡述了超高速點磨削中砂輪的應用狀況,介紹了超高速點磨削砂輪的應用范圍,通過這種新型砂輪的基體和cBN磨料層的設計,介紹了砂輪基體和磨料層的設計原則,介紹了cBN磨料層中粗磨區(qū)和精磨區(qū)中的磨料對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,推導出粗磨削區(qū)傾角的大小在超高速點磨削中對于磨削參數(shù)的影響趨勢,并且設計了適用于本實驗的粗磨削傾角的大小,制造了適用于超高速點磨削實驗的砂輪,介紹了由于粗磨削傾角的存在對磨削時切屑的流動狀態(tài)及傾角對于磨削效率的影響,利用超景深顯微鏡觀測砂輪磨料層的微觀結構,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,得出了有關超硬磨粒層制造和磨損的相關結論,砂輪的制造與設計直接關系超高速點磨削的廣泛推廣,為實現(xiàn)超高速點磨削的高效率和高精度的加工提供必要的設備支持,為其理論研究提供可供參考的依據(jù)。

超高速點磨削;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已經(jīng)開始廣泛地被應用于機械加工領域,不僅帶來高的生產(chǎn)效率,更提高了所加工零件的精度,超高速磨削技術的研究工作在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛開展起來[1-3],對于超高速磨削條件下的磨削機理及高速磨削的實現(xiàn)過程進行了討論,在超高速磨削的技術上,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,實現(xiàn)了理論上的點接觸,砂輪的線速度在90～160m/s之間選擇,對于超高速點磨削技術的相關理論,國內(nèi)已經(jīng)進行了一些研究[4,5],對于傳統(tǒng)的磨削參數(shù)給出了理論上的推導,對指導關于超高速點磨削實驗方面的研究起了一定的指導作用。

超高速點磨削應用與推廣的關鍵技術之一在于砂輪的制作,磨具的制作對于一種磨削方法來說起著重要的作用,尤其對于超高速磨削技術而言。本文將主要介紹目前用于超高速點磨削技術的新型砂輪,闡述這種新型砂輪對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)擴大了點磨削的工藝范圍。引入了“以磨代車”概念,使超高速點磨削技術實現(xiàn)高精度和高效率加工成為可能,結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用特點和磨損形式。

1 新型砂輪的應用及模型

1.1 新型砂輪的介紹

圖1 點磨削的原理布局圖Fig.1 Sketch of principle of point grinding

在超高速點磨削的加工過程中,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接觸狀態(tài)。在存在變量角度α的基礎上,用于點磨削的新型砂輪的形狀如圖2所示,這種砂輪為了適應高速旋轉對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到要求的零件尺寸并對已加工表面進行光整,決定著磨削的精度。其中θ的大小對于磨削效率存在著影響,并間接影響著磨削的精度。對于這種新型砂輪的設計就包含了磨料層傾角θ的設計,精磨削區(qū)寬度的設計及砂輪磨粒的一些常規(guī)設計。

1.2 新型砂輪對于磨削過程的影響

新型點磨削砂輪由于傾角θ的存在,導致磨削模型發(fā)生了一系列的變化。首先在切削深度方面,對于普通砂輪的外圓往復磨削,其砂輪切深為恒定值。在不考慮砂輪磨損的情況下,可認為工件多余的材料都是由工件每轉的砂輪軸向進給量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的表達如式1所示,式中dw為工件的直徑,vf為砂輪的軸向進給速度,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。如圖3所示,點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,因此對于這種砂輪的切深需要一個重新的計算。

為了簡化計算模型,如圖3所示將整個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。對于徑向切深為a的點磨削砂輪加工中,在磨削過程中,砂輪1由位置1進給到位置2的時候,如圖3所示,即砂輪的位移為一個S的時候,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,此時在粗磨削區(qū)的法向切深可用式2來表達,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)都有關系。

砂輪1磨削過后剩余材料(n部分)將由砂輪2進行去除,從剩余材料的截面來看,剩余材料的形狀為一個三角形,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,當傾角θ減小的時候,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 點磨削砂輪的設計原則

點磨削應用的新型砂輪在上節(jié)已經(jīng)做了簡單的介紹,這種砂輪應用在超高速磨削中,其轉動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計原則。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)。其中需要設計的參量主要有以下幾個: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做比較實驗,因此砂輪首先設計成傾角θ為零度,做完一批實驗后,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,采用陶瓷結合劑和cBN磨料以便修整。為了增大點磨削的工藝應用范圍,可以磨削溝槽,磨料層的寬度設定為6mm。制造的用于超高速點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)成功應用于超高速磨削中,實驗證明磨料層表面的磨粒之間具有足夠的間隙來流動冷卻液和切屑。

圖3 點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 點磨削砂輪的磨損仿真

在實際的超高速點磨削中,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、磨粒破碎和結合劑斷裂。對于應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)計算的兩個區(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,在兩個區(qū)域分別給出沿法向的壓力[10],仿真出兩者合成對砂輪磨損的位置,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果,得出傾角的不同對砂輪磨損量的影響。

圖5 有限元模型Fig.5 Fin ite elem en tm odel

因為平均壓力是垂直于其作用面的,因此施加壓力的時候不用考慮傾角θ的大小對施加載荷的影響,載荷的大小按照式2和式3的比例關系給出,考慮到磨粒與磨粒之間靠結合劑連接,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,為了得出傾角對其影響的明顯差異性,因此將傾角的大小分別設置為12度和20度作為比較。

3.2 仿真的過程及結果分析

圖6 有限元仿真的結果Fig.6 The results of finite element simulation

在有限元分析的過程中,采用靜力學分析。為了更加接近實際的情況,得出可利用的結果,因此設置材料屬性時輸入cBN材料的特性。在實際加工時,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),并且傾角變小的時候,磨損量變大,即單位時間內(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)量級的顯示原因,表現(xiàn)不是特別明顯,因此需要對兩個區(qū)域單獨施加載荷分別觀測傾角θ不同對其造成的影響。

圖7和圖8分別顯示了點磨削砂輪的粗磨削區(qū)和精磨削區(qū)單獨施加載荷后的磨損仿真結果,結果顯示,點磨削砂輪的磨損主要產(chǎn)生在粗磨區(qū)。對整體施加載荷產(chǎn)生的磨損和單獨對粗磨區(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度時很多,傾角增大時,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)的磨損不會對磨削精度產(chǎn)生影響,保證了加工的尺寸,而傾角不同時對精磨削區(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,當磨損到達砂輪邊界的時候才會對加工精度產(chǎn)生影響。

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

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

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

4 結論

介紹了超高速點磨削砂輪的應用狀況和形狀,分析了這種新型砂輪對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,可以得出以下結論:

(1)超高速點磨削砂輪的切削深度在兩個區(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θ減小的時候磨削效率提高,并且傾角θ間接影響了點磨削后的表面質(zhì)量。

(2)利用有限元的仿真結果可以得出,當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)的磨損量相差一個數(shù)量級,精磨削區(qū)的磨損量明顯小,且傾角θ對它影響不大。

(3)利用有限元間接仿真的方法,可以得出點磨削砂輪的磨損趨勢,為理論分析提供了參考的依據(jù),為設計合理的cBN砂輪的磨料層尺寸提供了支持,為下一步進行實驗驗證點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

鞏亞東東北大學先進制造與自動化研究所,教授,博士生導師。研究方向為精磨與超精磨加工。Em ail:gongyd@mail.neu.edu.cn

國家自然科學基金項目(50775032)