（机械制造及其自动化专业论文）9sicr超高速磨削试验研究与磨削温度仿真.pdf

9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 摘要 9 s i c r 合金钢韧性较好，具有较好的回火稳定性、热处理时变形小，经淬火 后硬度能达到h r c 6 0 ，它这一系列优良的机械物理性能预示了它在以后的工业 生产中将继续得到大量的应用。在机床行业中，经过淬火的9 s i c r 合金钢因为拥 有较高的硬度和较好的耐磨性，所以9 s i c r 合金钢在机床制造行业中经常作为耐 磨件的加工原始材料。在传统的加工方法中，磨削加工的加工效率很低，所以一 般只对9 s i c r 进行精加工。 超高速磨削加工技术作为一种先进的现代加工技术，以超乎一般想象的极高 磨削效率，极大的砂轮磨削比，良好的工件表面完整性，给传统的磨削领域带来 了一场革命，展现了现代磨削技术发展的巨大潜力和广阔应用前景。将超高速磨 削加工技术应用到9 s i c r 合金钢磨削加工中不仅扩大了超高速磨削加工技术的 应用范围，也在探寻9 s i c r 合金钢材料超高速磨削加工技术的应用潜力等方面具 有重要意义。 本文采用湖南大学3 1 4 m s 超高速磨削试验台对9 s i c r 合金钢实验材料进行 了超高速磨削试验。采用正交法制定了实验方案，根据所检测的结果来研究在超 高速磨削下材料的去除机理、磨削力的变化趋势和影响因素、磨削面的形貌变化 及特点，从而探讨了各磨削用量分别对磨削加工过程和试件加工质量的影响，并 据此来优化加工方法，给以后的磨削加工提供更有效的建议。并采用有限元分析 软件a n s y s 对高效深磨下的磨削温度场进行了仿真，对磨削温度的测量结果进 行了验证。 通过研究发现，在超高速磨削下，相比于传统的磨削加工技术，材料的去除 率得到了极大的提升。磨削力的变化趋势与最大未变形切削厚度之间有很好的关 系。当最大未变形切削厚度较小时，垂直力和切向力的比值会变大。当磨削深度 加大时，由于材料内部的机械物理性能不一样会导致磨削力陡降的现象，但是磨 削力比并没有阶跃现象，即磨削力比与材料在深度方向的硬度变化并不敏感。研 究还发现，在不同的材料去除率下，加大切深和提高工作台速度所消耗的加工功 率并不相同，依此可以作为优化加工工艺的一个考虑因素。通过采用3 d 显微镜 对磨削表面进行拍照研究发现砂轮修整的质量对于磨削表面的影响很明显；对不 同工作台速度和磨削深度下磨削表面测得的表面粗糙度进行分析发现材料特性 在不同磨削用量下对表面质量影响不同。本文还通过采用热电偶对磨削过程进行 了测温：测温结果表明，提高砂轮转速、工作台速度和磨削深度都会引起磨削温 度的升高。 本文通过有限元法，借助a n s y s 有限元软件，结合对磨削温度场传热机制 i i 硕士学位论文 的研究，对磨削传热过程进行了仿真。仿真结果发现提高工作台速度对磨削温度 场的影响较大；当加深磨削深度时，磨削温度场的形状变化也不大；当提高砂轮 转速时，磨削区的最高温度有较大的提高，但是磨削温度场的分布状况和磨削最 高温度比值并没有什么变化。借助仿真结果对测温实验结果数据进行了分析。 关键词：9 s i c r ；超高速磨削；有限元仿真 i i i 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 a b s t r a c t t h et o u g h n e s so f 9 s i c ra l l o ys t e e li sb e t t e ra n dh a sag o o dt e m p e rs t a b i l i t y ，t h e d e f o r m a t i o na f t e rh e a tt r e a t m e n tiss m a l l ，t h eh a r d n e s sa f t e rq u e n c h i n gc a na c h i e v e h r c 6 0 ，a l lo ft h i se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n d i c a t et h a tt h e9 s i c ra l l o ys t e e l w i l lc o n t i n u et oh a v eal o to fa p p l i c a t i o n a f t e rq u e n c h i n gt h eh a r d n e s so f9 s i c r a l l o ys t e e li sg o o da n dh a v eag o o dw e a rr e s i s t a n c es o9 s i c ra l l o ys t e e lo f t e na st h e m a t e r i a l so fw e a rp a r t si nm a c h i n et o o l si n d u s t r y i nt h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o n ， g r i n d i n gm a c h i n i n ge f f i c i e n c yi sv e r yl o w , t h e9 s i c ro f t e np r o d u c tb yp r e c i s i o n g r i n d i n g h i g he f f i c i e n td e e pg r i n d i n ga so n em e t h o do fh i g he f f i c i e n c yg r i n d i n g t e c h n o l o g ya n ds t u d yt h ee f f e c to ft h ea p p l i c a t i o ni n 9s i c ra l l o ys t e e lm e c h a n i c a l p r o c e s s i n gh a v eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a so n eo ft h ea d v a n c e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，u l t r a - h i g hs p e e dg r i n d i n gi s f a m o u sf o rh i g he f f i c i e n c y , l o n gl i f eo fg r i n d i n gw h e e la n dg o o ds u r f a c ei n t e g r i t y a l lt h ev a n t a g eo fh e d gb r o u g h ta b o u tar e v o l u t i o nt ot h et r a d i t i o n a lg r i n d i n gf i e l d a n db r o a dt h e a p p l i c a t i o nf i e l d o fg r i n d i n g s op u tt h eu l t r a - h i g hs p e e dg r i n d i n g m e t h o di n t o9 s i c rp r o d u c t i o nb e c o m ev e r ys i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fm a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e m o v a lm e c h a n i s m so f9 s i e ra l l o ys t e e li nh i g hs p e e dd e e pg r i n d i n gw a sc a r r yo u ti n h u n a nu n i v e r s i t y314 m su l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gt e s t - b e d w eu s i n go r t h o g o n a l m e t h o de s t a b l i s h e de x p e r i m e n t a lp l a na n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha s g r i n d i n gf o r c et r a n s f o r m a t i o nt r e n d sa n di n f l u e n c ef a c t o r s ，t h es u r f a c em o r p h o l o g y c h a n g ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fg r i n d i n g a f t e rt h ed i s c u s s i o na n dg i v et h ep r o c e s s i n g m e t h o dm o r ee f f e c t i v es u g g e s t i o n s a tl a s t ，w eu s et h ef e mt os i m u l a t et h eg r i n d i n g p r o c e s sa n da n a l y s i st h et e m p e r a t u r ef i e l di nh e d g t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g ，w ef o u n d t h a tt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t eg o th u g ea s c e n s i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lg r i n d i n g t h e c h a n g e t r e n do fg r i n d i n gf o r c eh a sag o o dr e l a t i o n s h i pw i t ht h em a x i m u m d e f o r m a t i o no fc u t t i n gs w a r f w h e nt h et h i c k n e s so fc u t t i n gs w a r fd e c r e a s et h er a t i o o ft h ev e r t i c a lf o r c ea n dh o r i z o n t a lf o r c ew i l li n c r e a s ea n dw h e ng r i n d i n gd e p t h i n c r e a s et h ef o r c ew i l lr a p i dr e d u c ei ns o m ee n v i r o n m e n tb u tt h er a t i oo fv e r t i c a l f o r o ea n dh o r i z o n t a lf o r c ec h a n g es m o o t h l y t h r o u g ht h es t u d y , w ea l s of o u n dt h a t t h ep o w e rb ec o n s u m p t i o ni nt h ep r o c e s s i n gw a sd i f f i d e n ti nd i f f e r e n tm a t e r i a l r e m o v a lr a t et h r o u g hi n c r e a s et h ed e p t ho fg r i n d i n go rt h ev e l o c i t yo fw o r k t a b l e w e a l s of o u n dt h a tt h es u r f a c er o u g h n e s si sd i f f e r e n tw h e nu s i n gd i f f e r e n tg r i n d i n g i v w h e e le v e nt h r o u g ht h es i z ei sa l i k e t h eq u a l i t yo fw h e e lf i n i s h i n gi sv e r y i m d o r t a n t f o rt h eg r i n d i n gs u r f a c et h r o u g ht h es t u d yo ft h es u r f a c ep h o t o g r a p hg e tb yt h e3 - d m l c r o s c o p e t h ee x p r e s s i o no fm a t e r i a lp r o p e r t i e sf o rt h es u r f a c eq u a l i t yi sd i f f e r e n t i nt h ed i f f e r e n tw o r k t a b l ev e l o c i t ya n dg r i n d i n gd e p t h w ea d o p t e dt h e r m o c o u p l et o m e a s u r et h e g r i n d i n gt e m p e r a t u r e t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h ei n c r e a s eo ft h e v e l o c i t yo ft h ew h e e la n dw o r k t a b l ec a nc a u s et h er i s eo ft e m p e r a t u r e t h i sa r t i c l eu s et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eo fa n s y st os i m u i a t e dt h e h e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mi ng r i n d i n g t h er e s u l ti n d i e a t et h a tt h ec h a n g e o f w o r k t a b l e v e l o c i t y h a v e v e r ys i g n i f i c a n te f f e c t f o rt h e t e m p e r a t u r ef i e l d t h eg r i n d i n g t e m p e r a t u r ei n c r e a s es l o w l yw h e no n l yi n c r e a s et h eg r i n d i n gd e p t h ，t h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r ef i e l dn o to b v i o u s w h e nt h es p e e do fw h e e li n c r e a s et h em a x i m u m t e m p e r a t u r eo ft h eg r i n d i n ga r e aw i l li n c r e a s es i g n i f i c a n ta n dt h et e m p e r a t u r ef i l e d c h a n g en o to b v i o u s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h e e x p e r i m e n td a t aa n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ef i n dt h ew a yt od e t e r m i n et h er a n g eo fm a x i m u mt e m p e r a t u r e i ng r i n d i n gs u r f a c eu s et h em e a s u r e m e n ts i g n a l k e yw o r d s ：9 s i c r ；u l t r a h i g hs p e e dg r i n g d i n g ；s i m u l a t i o n v 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 插图索引 图2 19 s i c r 材料沿深度方向硬度变化曲线( h v ) 5 图2 2 高效深磨试件图片8 图2 33 1 4 m s 超高速平面磨削实验台8 图2 4 试验用超高速砂轮图片9 图2 5 砂轮修整装置照片1 0 图2 6j b 4 c 精密粗糙度仪1 0 图2 7 磨削力测量系统装置示意图1 1 图2 8k i s t l e r9 2 5 7 b a 测力仪1 1 图2 9 磨削力信号示意图1 1 图2 1 0 磨削表面微观图像1 2 图2 1l 微观硬度测试仪1 2 图2 1 2 硬度计压痕微观图像1 2 图2 1 3 镍铬镍硅丝k 型可磨削热电偶1 3 图2 1 4 测温装置1 3 图2 1 5 磨削温度信号1 3 图2 1 6 磨削力夹角0 1 5 图2 17 磨削力与最大未变形切削厚度之间的关系1 6 图2 1 8 由砂轮转速引起的最大未变形切削厚度的变化的表面微观图像1 6 图2 1 9 由工作台速度引起的最大未变形切削厚度变化的表面微观图像1 6 图2 2 0 由磨削深度引起的最大未变形切削厚度的变化的表面微观图像1 6 图2 2 l 磨削力随砂轮速度的变化1 7 图2 2 2 工作台速度对垂直磨削力的影响一1 8 图2 2 3 工作台速度对水平磨削力的影响1 8 图2 2 4 工作台速度对磨削力比的影响1 8 图2 2 5 磨削深度对垂直磨削力的影响1 9 图2 2 6 磨削深度对水平磨削力的影响1 9 图2 2 7 磨削深度对磨削力比的影响2 0 图2 2 8 切向磨削力与材料去除率之间的关系2 0 图2 2 9 不同型号的砂轮对表面粗糙度的影响一2 1 图2 3 0 砂轮微观形貌2 1 图2 3 1 砂轮引起的微观形貌变化2 l 图2 3 2 砂轮转速对磨削粗糙度的影响2 2 图2 3 3 砂轮转速引起的表面微观形貌变化2 3 v i i i 硕士学位论文 图2 3 4 砂轮转速对磨削表面形貌的影响2 3 图2 3 5 工作台速度对磨削粗糙度的影响2 3 图2 3 6 工作台速度引起的表面微观形貌变化2 4 图2 3 7 磨削深度对磨削粗糙度的影响2 4 图2 3 8 磨削深度引起的表面形貌变化2 5 图2 3 9 砂轮转速对磨削温度的影响2 5 图2 4 0 工作台速度对磨削温度的影响2 5 图2 4 l 磨削深度对磨削温度的影响2 6 图2 4 2 热电偶节点微观图像2 6 图2 4 3 磨削温度信号2 7 图2 4 4 工作台速度引起的表面形貌2 7 图2 4 5 表面波纹形成图示2 8 图2 4 6 表面波纹微观图像2 8 图2 4 7 比磨削能与最大未变形厚度之间的关系2 9 图3 1 几种磨削接触区模型3 6 图3 2 两种接触区热源分布模型3 6 图3 3 切屑去除等效模型3 7 图3 4 材料去除模型3 7 图3 5 高效深磨热源加载模型3 8 图3 6 磨削区热源加载模型一3 8 图3 7 表面对流施加方式3 9 图3 8 三维热分析单元4 0 图3 9 建立的几何体模型一4 0 图3 1 0 划分完网格后的模型一4 1 图3 1 1 三维磨削温度场仿真模型4 2 图3 1 2 对称面磨削温度场分布4 2 图3 1 3 不同砂轮转速下的温度场分布4 3 图3 1 4 表面节点温度在不同砂轮转速下的变化曲线一4 3 图3 1 5 不同工作台速度下的温度场分布4 4 图3 1 6 表面节点温度在不同工作台速度下的变化曲线4 4 图3 1 7 不同磨削深度下的温度场分布4 5 图3 1 8 表面节点温度在不同磨削深度下的变化曲线4 6 图3 1 9 磨削宽度上节点分布4 6 图3 2 0 节点温度随时间变化曲线4 7 图3 2 1 磨削生成面上的磨削温度场分布一4 7 i x 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 附表索引 表2 19 s i c r 合金钢材料组成及性能5 表2 2 粗磨磨削加工工艺参数表7 表2 3 精磨磨削加工工艺参数表7 表2 4 砂轮参数9 表2 5 砂轮修整参数表9 表2 6 砂轮修锐参数表9 表2 7 不同砂轮相同磨削用量下的表面硬度对比( h v ) 2 2 表3 1 材料的热性能参数一3 9 x 硕士学位论文 1 1 论文研究与选题背景 第1 章绪论 随着国民经济的发展，我国的工程技术水平和工业生产能力得到了极大的提 升，人们对机械产品及其零部件的使用性能的要求也越来越高，比如要求零件要 有高的可靠性，这就需要加工零件的材料具有较高的机械物理性能；因此机械物 理性能优异、材料组织稳定的材料在以后的工业生产中必然会受到更广泛的应 用。9 s i c r 合金钢韧性较好，具有较好的回火稳定性、热处理时变形小，经淬火 后硬度能达到h r c 6 0 ，它这一系列优良的机械物理性能预示了它在以后的工业 生产中将继续得到大量的应用。在机床行业中，经过淬火的9 s i c r 合金钢因为拥 有较高的硬度和较好的耐磨性，所以9 s i c r 合金钢在机床制造行业中经常作为耐 磨件的加工原始材料。在传统的加工方法中，磨削加工的加工效率很低，所以一 般只对9 s i c r 进行精加工。 鉴于9 s i c r 合金钢材料的广泛应用，对该材料的加工精度和加工效率的研究 就变得越来越重要。通过学习查找资料发现，超高速磨削作为一种高效磨削加工 方法，该加工方法所具有的高效率和高质量的加工特点可以很好的应用到现有的 加工要求中来。超高速磨削加工技术作为一种先进的现代磨削技术，以超乎一般 想象的极高磨削效率，极大的砂轮磨削比。良好的工件表面完整性，给传统的磨 削领域带来了一场革命，展现了现代磨削技术发展的巨大潜力和广阔应用前景。 本课题针对所提供的零件材料9 s i c r 进行了超高速磨削实验，该实验不仅扩大了 超高速磨削技术的应用范围，也在探寻9 s i c r 合金钢超高速磨削技术的应用潜力 等方面具有重要意义。 本文还在超高速磨削加工试验的基础上采用有限元法对磨削温度进行了仿 真。在采用有限元法进行温度仿真的过程中，通过分析研究真实的磨削加工环境 来选择确定好合理有效的加载方式和边界条件可以使仿真的结果很好的逼近真 实的磨削温度的传导过程，从而可以更方便快捷的得到所需的温度场分布情况和 磨削表面最高温度等的信息。 本课题来源于国家“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项 m k w 5 2 3 0 a 3 1 6 0 大型精密数控龙门导轨磨床。该课题要求根据提供的几种零 件材料和技术要求，进行相应的磨削工艺实验并对取得的磨削数据进行优化处 理，改善现有的磨削加工工艺。湖南大学在对传统磨削工艺进行研究的基础上发 现，9 s i c r 材料的传统加工方法可以改善的空间并不是很大，通过采用新式的砂 轮或购买较贵的磨削液对现有材料的加工质量并没有太明显的提升，所以采用新 的加工系统进行先进磨削技术实验就变得很有必要。 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 1 2 超高速磨削试验与有限元仿真的内容及目的 9 s i c r 材料作为典型的合金钢，具有较高的力学性能、高的耐磨性，在机床 导轨、手用丝锥、圆板牙、滚丝模和环塞规等工具类产品方面广泛采用。然而这 类材料的切削加工性较差，特别是用此材料制作复杂形状切削加工刀具更为困 难，因此需要研究新的磨削工艺来改善9 s i c r 材料的磨削加工性。 本文通过对9 s i c r 合金钢试件的淬火表面和淬火亚表面的硬度分析及结合 本课题的研究目标，借助普通磨削加工中已有的经验和方法，系统地进行了9 s i c r 合金钢的超高速磨削工艺试验。根据所检测的结果来研究在超高速磨削下材料的 去除机理、磨削力的变化趋势及影响因素、磨削表面的形貌变化及特点，从而判 断在不同加工状况下的材料加工特点。此外，本文还将针对磨削过程中的磨削热 进行研究。在保证工件加工质量的前提下，在加工设备的额定功率范围内寻找使 加工效率最高的加工方法，优化工艺参数，为9 s i c r 合金钢的广泛应用提供技术 支撑。 本课题在湖南大学3 1 4 m s 超高速磨削试验台上对9 s i c r 合金钢实验材料进 行了超高速磨削试验。采用正交法制定了实验方案，根据所检测的结果研究了在 超高速磨削下材料的去除机理、磨削力的变换趋势和影响因素、磨削面的形貌变 化及特点，从而探讨了各磨削用量分别对磨削加工过程和试件加工质量的影响， 并据此来优化加工方法，给以后的磨削加工提供更有效的建议。 和别的机加工过程比较，磨削去除相同体积材料的比磨削能高，这经常导致 砂轮和工件的温度过高。磨削区最高的温度可能导致工件不同类型的热损伤，比 如烧伤、回火、残余应力、微裂纹等。因此，深入的研究磨削温度引起的问题对 于控制和防止工件的热损伤非常必要。通过利用有限元法对磨削温度场进行仿真 模拟，可以直接直观地看出温度场内部的温度分布与温度变化曲线，并能对磨削 表面的最高温度和温度梯度进行预测。 通过对有限元法的研究，采用a n s y s 有限元软件，结合对磨削温度场传热 机制的研究，建立了磨削温度分析有限元模型【2 2 1 。通过分析磨削过程和参考文 献，讨论了磨削区的热源接触形状和热源分布模型。对仿真结果进行了分析研究。 本试验采用可磨削双节点k 型热电偶对磨削过程的磨削温度进行了测量。将测 得的磨削温度信号结合仿真得到的磨削温度场进行了分析。 1 39 s i c r 超高速磨削试验研究的意义 在传统的9 s i c r 加工方法中，磨削加工的加工效率很低，所以一般只对9 s i c r 进行精加工。为提高9 s i c r 合金钢材料的加工效率、改善磨削质量，本论文进行 了大量的实验研究。 2 硕士学位论文 超高速磨削加工为实现9 s i c r 合金钢的高效率加工提供了一条有效途径。随 着砂轮转速的提高，可以在不降低材料去除率的前提下使单颗磨粒的切削厚度变 小，切屑的截面积变小；这将导致有效磨粒的磨削力随之降低，砂轮的损耗也会 减弱，砂轮的耐用度得到了增强。相应地，在保持单颗磨粒的切削厚度不变的情 况下，提高砂轮转速就意味着要提高工作台速度或者是磨削深度，这样就达到了 提高加工效率的效果；当采取提高工作台速度的方式来提高加工效率的加工方法 的情况下，随着工作台速度的提高，磨削区在磨削工件表面快速移动，从而使磨 削热主要传入到切屑和磨削液当中，使磨削形成表面的最高温度得到了降低，减 小了磨削烧伤，是工件的表面质量得到提高【1 , 2 , 3 , 4 】。 可以将高效深磨技术看成是对缓进给磨削进行提高砂轮转速和提高工作台 进给速度后的发展。相比于缓进给磨削，高效深磨在砂轮线速度和工作台进给速 度上进行了较大的提高，并且也极大的提高了磨削过程的比磨除率，改善了磨削 区的传热条件，改变了磨粒与工件材料的接触变形和摩擦机制；出现了许多用传 统的磨削理论很难解释的现象，如磨削新形成表面出现临界磨削速度效应、磨削 力的临界速度效应、磨削区热源的倾斜运动角度对磨削温度的影响等。为了更加 深入的开发出高效深磨的潜力，需要对高效深磨试验的系统进行深入的研究与分 析，特别是机床系统及其主轴系统的设计制造，这需要我们不断的深入研究和完 盖f 5 ，6 ，7 ，8 ，9 】 口。 在高效深磨领域，德国的发展处于世界领先地位，尤其是b r e m e n 工业大学 的几位学者对该领域的发展作出了突出的贡献。其中，gw e r n e r 在理论上确认 了高效深磨区的存在，并总结出了在高效深磨条件下工件表面磨削温度的经验公 式1 2 。t a w a k o l i 在高效深磨的试验研究方面开展了卓有成效的工作，并提出接 触层理论用来解释高效深磨中的临界磨削速度效应 1 0 , i i 】。a c h e n 工业大学、 b r a u n s w e i g 大学和b e r l i n 工业大学等对难磨金属材料的高效深磨工艺，陶瓷材 料的高速及超高速磨削工艺，高速及超高速下磨削液的供给技术，砂轮状态在线 测量，高效深磨过程的监测、计算机仿真与控制等都开展了大量的研究工作 【1 2 ，1 3 】 东北大学是我国国内最早开展高速及超高速高效深磨技术研究的单位，并成 功研制出了我国第一台用于高效深磨试验的超高速大功率磨削试验台，据此对高 速及超高速下的高效深磨技术进行了一系列理论和试验研究工作。在超高速磨削 领域，金滩老师提出了冲击成屑理论，并针对高效深磨传热机制进行了一系统的 理论研究，建立了倾斜移动热源的三种传热模型【1 4 , 1 5 , 1 6 l 。黄含老师针对工程陶瓷 在超高速高效磨削方面的磨削去除机理方面作了大量的研究工作，并结合断裂力 学和陶瓷材料的显微结构等方面对陶瓷材料的磨除机理进行了分析 1 7 , 1 8 , 1 9 】。湖南 大学的谢桂芝、郭力等老师系统开展了工程陶瓷高效深磨的工艺试验研究，较深 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 入地探讨了工程陶瓷高效深磨下的磨削力和比磨削能的特征及形成机理i z u 引j 。 另一方面，磨削加工的质量也是本文重点研究的内容之一。磨削加工的任务 是要保证产品零件能够达到设计图纸所要求的精度和表面质量，一般作为机械加 工的最终工序。产品的表面质量与产品是否能达到所需的工作性能，尤其是它的 可靠性、安全性和使用寿命都方面都密切相关。其中表面粗糙度则是评价表面质 量最重要的参数。影响表面粗糙度的因素很多，其中包括磨削用量( 砂轮速度断 砂轮进给速度，w 、及磨削深度) 和砂轮的选择。 1 4 本课题进行的主要工作 根据以上分析，紧密结合课题项目研究，选用课题提供的材料9 s i c r 为研究 对象，并开展了一系列的研究工作。为了以后更好的研究磨削温度，从理论上对 磨削烧伤的机制进行了分析，并得到温度传递的数学模型。采用有限元软件对高 效深磨过程进行了仿真。 ( 一) 试验部分 1 ) 通过对磨削力和磨削表面质量的分析，确定各磨削用量与磨削力和表面 质量之间的关系，并力求在保证一定磨削加工表面质量的前提下，获得最大的加 工效率。 2 ) 通过分析磨削表面和磨屑的微观形貌，研究不同工艺参数下的材料去除 机理，并得出不同去除机理与磨削表面质量的关系。 3 ) 不同型号砂轮在磨削中的区别，并对此做出分析。从而对不同砂轮的磨 削状况进行预测。 4 ) 对不同材料不同砂轮下的磨削参数进行对比获得材料和砂轮对磨削状态 和磨削质量的影响。 5 ) 对采集到的磨削力信号进行分析，根据信号的变化来判断磨削弧长、磨 削机理等。 ( 二) 有限元仿真和测温实验对比分析部分 1 ) 根据热传导理论及在现有的研究状况的基础上，确定磨削温度场仿真中 的各参数，包括热源分布模型、热源区域的大小、时间步长等。 2 ) 运用有限元软件a n s y s 对磨削对象进行参数化数学建模。包括单元的 选择、网格的划分。 3 ) 对磨削过程进行求解。包括时间步长的确定、生死单元的应用、求解方 法的选择、边界条件的设定。 4 ) 对仿真的结果进行观察分析，并于采用热电偶测得的温度进行对比研究。 根据仿真的温度变化曲线对磨削温度进行预测。 4 硕士学位论文 第2 章试验研究内容及结果分析 2 1 试验材料和磨削机理分析 9 s i c r 合金工具钢，韧性较好，具有较好的回火稳定性，热处理时变形小。 该钢中碳化物分布均匀，不易析出碳化物网，并易于正火消除，通过正火可以消 除网状以及粗片碳化物组织。经正常加热淬火以后表面硬度仍可以达到6 0 一 6 2 h r c 。9 s i c r 合金钢可用于制造形状复杂、变形小、耐磨性高、低速切削的工 具，如钻头、螺纹工具、铰刀、板牙、丝锥、搓丝板和滚丝轮等。然而这类材料 的切削加工性较差，所以研究采用新的加工工艺来扩大这一材料的加工范围，对 于9 s i c r 的广泛应用具有较高的科研价值。其材料组成如下表所示： 表2 19 sic r 合金钢材料组成及性能 图2 19 s i c r 材料沿深度方向硬度变化曲线( h v ) 超高速磨削加工这一概念是由德国的切削物理学家s a l o m o n 博士于1 9 3 1 年 首先提出的，并发表了著名的s a l o m o n 曲线。他在研究中提出，在高速磨削中 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 存在“热沟”区，在热沟区内，开始时切削温度随切削速度的提高会急剧上升， 当切削速度超过一定值以后，切削温度会随切削速度的提高呈现下降的趋势，当 切削速度超过“热沟后，如果继续提高砂轮的切削速度就会使磨削温度出现明 显的降低，在高的切削速度下不仅可以使刀具越过切削过程中的高温死谷，还可 以使大幅度的减小加工工时，使机床的生产率得到成倍的提高【l 2 j 】。这一理论为 以后超高速磨削的发展提供了理论支持，也为超高速磨削加工技术的研究开阔了 更广阔的空间。 根据最大未变形切削厚度这一参数知道，当磨削其它参数不发生变化的加工 条件下，单位时间内去除的材料体积不变，当砂轮的线速度大幅度的提高，会使 单位时间内经过磨削区的磨粒数量增大，从而使每一颗磨粒所切下的磨屑厚度变 小，每个磨粒所承受的磨削力也随之快速变小，结果使总的磨削力会打打的降低。 在超高速磨削中，由于砂轮的转速很高，单颗磨粒的形成时间就会变得很短，根 据材料的特性知道，在高的材料应变率( 可以看成等于砂轮的磨削线速度) 下材 料的脆性或塑性去除方式会发生变化，在磨削表面的形貌上表现为磨削表面的弹 性变形层变浅，磨削表面的塑性流动引起的隆起高度会变小，磨削表面的耕犁划 痕及其长度也会变小，磨削表面的加工硬化和残余应力趋势会变弱。在高速、超 高速磨削加工中，磨削区的磨削温度会快速的在工件表面移动，所以磨削区的温 度会积聚在磨削去除层材料中，髓着磨屑的去除而去除，这样就可以使磨削新形 成表面的磨削温度得到降低，因而能越过容易发生磨削烧伤的区域，从而使超高 速磨削的应用可以得到实现。而且超高速磨削还有砂轮磨损少，使用寿命长；实 现对难加工材料的磨削加工【4 】的优势。 2 2 超高速磨削试验计划 进行超高速磨削试验之前，首先对要磨削的试件进行检测，包括采用 4 0 2 m v a 自动转塔显微维氏硬度计对试件的硬度进行检测及亚表面的微观结构 等物理性能。然后根据制定的试验方案对试件进行磨削加工，磨削加工中采用 k i s t l e r 9 2 5 7 b a 型压电晶体测力仪在线测量磨削力。根据所测磨削力可以计算当 前机床的工作功率，在机床的额定功率和保证加工材料质量的条件下内追求最大 的材料去除率，并通过磨削力、磨削工件的表面质量来确定砂轮的磨削状态，并 对砂轮进行及时的修整。最后对磨削完的试件进行检测，包括采用j b 4 c 精密 粗糙度仪检测磨削表面的粗糙度，采用超景深3 d 显微镜对磨削表面和亚表面 的微观形貌进行观察，观察不同工艺参数下材料的表面微观形貌，并推断相应工 艺参数下的材料去除机理和表面质量、有无裂纹、有无烧伤等；根据检测得到的 数据和资料确定加工质量和磨削用量之间的关系。 6 硕士学位论文 2 39 s i c r 超高速磨削工艺试验方案 表2 2 粗磨磨削加工工艺参数表 表2 3 精磨磨削加工工艺参数表 为了研究9 s i c r 合金钢在高效深磨加工中各磨削量，如磨削力、表面粗糙度、 表面形貌等，随磨削加工工艺参数的变化情况，本文制定了表2 2 和表2 3 所示 的加工工艺参数。 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 2 3 1 试件材料准备 根据超高速磨削实验台的加工范围、工艺实验方案及便于装夹的原则，试件 尺寸选定为10 0 6 0 2 0 m m 的方块，如图2 2 所示 图2 。2 高效深磨试件图片 2 3 2 实验装备及检测仪器 1 )磨床 试验在湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心自行设计和开发的3 1 4 m s 超高速平面磨削实验台上进行如图2 3 所示。该实验台采用s i e m e n s8 0 2 d 数控 系统与瑞士i b a g 公司的高速精密电主轴磨头，最高转速可达2 4 ，0 0 0 r p m ，额 定功率为4 0 k w ，额定扭矩为7 1 7 n m ，静刚度为：径向3 4 0 n g m ，轴向3 0 5 n g m 。 机床可采用金刚石、c b n 等超硬磨料砂轮，采用s b s 4 5 0 0 动平衡系统对砂轮进 行实时平衡。工作台纵向、横向和垂直进给机构均采用交流伺服电机滚珠丝杠 副系统，三向导轨均采用有预加载荷的直线滚动导轨副，并能实现超高速磨削和 自动磨削循环，工作台驱动电机功率5 k w 。 2 ) 砂轮 图2 33 1 4 m s 超高速平面磨削实验台 硕士学位论文 针对9 s i c r 合金钢的材料特性和高效深切磨削工艺的要求，需要选用超硬磨 料砂轮进行磨削。超硬磨料砂轮包括金刚石和立方氮化硼( c b n ) 砂轮，金刚石 是目前已知最硬的磨料，但是由于金刚石由碳原子构成，当采用金刚石刀具加工 铁族材料时，摩擦产生的热量会使金刚石中的碳原子扩散到铁中从而在工件中形 成碳化物并且也会使金刚石发生损耗，导致砂轮的损耗加快。本试验分别采用不 同的c b n 砂轮进行粗磨和精磨研究。砂轮参数如下表所示： 表2 4 砂轮参数 w i n t e rb 1 5 1w i n t e rb 1 2 6z k s1 2 0 图2 4 试验用超高速砂轮图片 表2 s 砂轮修整参数表 每次进刀量吼 2 u r n 滚轮与砂轮的转速比q d 修整重叠比u d 冷却 o 5 2 低压冷却 每次修锐深度a 。 修锐次数 冷却 0 1 m m 2 0 0 低压冷却 9 9 s i c r 超高速磨削试验研究与磨削温度仿真 a ) 砂轮整形装置b ) 砂轮修锐装置 图2 s 砂轮修整装置照片 陶瓷结合剂c b n 砂轮一般可采用单颗粒金刚石或滚轮进行修整，实验中采 用金刚石滚轮进行修整。采用金刚石滚轮对c b n 砂轮进行修整时，修整效率很 高，但是被修整的c b n 砂轮表面显得很光滑，砂轮上单位面积的有效磨粒较少， 从而导致了砂轮的磨削能力降