（机械设计及理论专业论文）面向绿色制造的快速点磨削供液系统参数研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g n i n ga n d t h e o r y r e s e a r c ho np a r a m e t e r so ff l u i ds u p p l ys y s t e mi n q u i c k p o i n tg r i n d i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g b yg e n gz h i j i e s u p e r v i s o r ：x i us h i c h a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ：-k 一 1 i 、 卜，j飞f 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：正 恧。 学位论文作者躲私当老 日 期： 删汐，7 , 3 学位论文版权使用授权书 学位论文作者躲。私f 易- 孝新躲勿亨岩 签字嗍乒椰t 7 了 签字日期。印 一 iirro-。l- ，jl1 ，j 东北大学硕士学位论文 摘要 面向绿色制造的快速点磨削供液系统参数研究 摘要 快速点磨削技术( q u i c k - p o i n tg r i n d i n g ) 是集c b n 超硬磨料，c n c 技术和超高速 外圆磨削等先进技术于一身的高效率、高柔性磨削加工工艺。其核心部件是配有三个磨 削轴的数控回转砂轮架，采用三个磨削轴，实现在一次装夹中完成一个复杂轴类工件的 综合加工。然而在国内外对其磨削机理，磨削质量控制等方面的研究及相关技术信息鲜 有报道。因此关于该项磨削新工艺的许多关键技术及理论、新的应用领域还有待进一步 开发研究。 快速点磨削工艺的工作原理是：在水平和垂直两个方向上，要求砂轮轴线与工件轴 线形成一定的角度。目的是使砂轮与工件之间在理论上形成点接触，由数控装置控制砂 轮精确进给，完成整个外圆表面的磨削。 由于快速点磨削过程中点磨削变量角的存在，其磨削层几何参数，磨削液注入方式 等与常规磨削方式有很大的区别。点磨削变量角将显著影响磨削区形状和接触面积，因 而也将影响磨削力、磨削热、磨削液供液流量、供液压力以及工件表面完整性等。本文 对点磨削工艺特性及相关技术进行了理论分析和实验研究。根据点磨削侧边完成去除材 料的工艺特性，建立了点磨削区的效当量直径、接触弧长、周边及侧边接触区域面积以 及磨削功率等数学模型，推导了砂轮与工件周边接触面积、侧边接触面积与磨削功率的 关系以及磨削液供给系统参数及关系的数学模型。总结全文，本论文的主要工作包括以 下几个方面： ( 1 ) 论述和分析了快速点磨削的工艺特征和国内外发展现状，磨削液供给方法及原 理，阐述了本课题的研究背景及意义。 ( 2 ) 根据磨削几何学与运动学原理，分别建立了砂轮和工件的当量直径以及动态接 触弧长等磨削参数的理论模型；分析了快速点磨削存在两个磨削区域，即侧边接触区和 周边接触区，建立了侧边和周边接触区面积数学模型。分析了接触面积与磨削功率的关 系，建立了点磨削功率的数学模型。 ( 3 ) 在分析了高速超高速磨削砂轮周围旋转空气带动压力及速度分布特点的基础 上，根据热力学原理及快速点磨削特点，分析并建立了磨削液的供给流量的理论模型， i i i l l p 摘要 i v ：供液系统 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho np a r a m e t e r so ffl u i ds u p p l ys y s t e mi nq u i c k p o i n t g r i n d i n gf o rg r e e nm a n u f a c t u r i n g a bs t r a c t t h eq u i c k p o i n tg r i n d i n gi sm o r ea d v a n c e da n dm o r ee f f i c i e n c y 嬲am e t h o do fh i g ha n d s u p e r - h i g hs p e e dg r i n d i n g ，w h i c hi n t e g r a t e ss u p e ra b r a s i v ew h e e l ，s u p e r - h i g hs p e e dg r i n d i n g a n dc n ct e c h n o l o g y i t sm a i ng r i n d i n gp r o p e r t i e sa r el o wg r i n d i n gf o r c e sa n dt e m p e r a t u r e a n dn o wi ti sm a i n l yu s e di ng r i n d i n gs h a f t s h o w e v e r , t h e r ea r en o te n o u g hr e s e a r c ha b r o a d ， a n dw ea l s oh a v en o tp o s s e s s e do ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h et h e o r i e so ft h eq u i c k - p o i n t g r i n d i n gi nc h i n a t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h eq u i c k - p o i n tg r i n d i n gb o t hi n t h e o r ya n di na p p l i c a t i o n s t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fq u i c k - p o i n tg r i n d i n gi s ：t h e r ea r ea n g l e sb e t w e e nt h ea x i s o fw o r k p i e c ea n dt h ea x i so fw h e e li n d i r e c t i o n s ，b o t hi nt h eh o r i z o n t a lp l a n ea n di nt h e v e r t i c a lp l a n e t h ep u r p o s ei sm a k i n gt h ec o n t a c ta r e ao ft h ew h e e la n dt h ew o r k p i e c eb e i n g o n l yap o i n t a n dt h eg r i n d i n gw h e e lc a nb ec o n t r o l l e db yc n cs y s t e mt og r i n dt h ew h o l e c o m p l i c a t e dc y l i n d r i c a ls u r f a c e b e c a u s eo ft h ea n g l e se x i s t e n c ei nt h eq u i c k p o i n tg r i n d i n gp r o c e s s ，i ti st h ep o i n t c o n t a c tb e t w e e nt h ew h e e la n dw o r k ，w h i c hm a d ei tb i gd i f f e r e n ti ni t sg r i n d i n gg e o m e 衄a n d t h ep o u r i n gw a yo ft h eg r i n d i n gf l u i df r o mt h ec o n v e n t i o n a lg r i n d i n g s t h ea n g l e se x i s t e n c e w i l lo b v i o u s l yv a r yt h eg r i n d i n ga r e as h a p e ，t h ec o n t a c t e da r e a , t h e r e f o r ew i l la f f e c tt h e g r i n d i n gs t r e n g t h ，t h eg r i n d i n gh e a t ，t h ef l o wc u r r e n to ft h eg r i n d i n gf l u i df e e d ，t h ep r e s s u r eo f t h ef e e df l o w ，t h es u r f a c eq u a l i t ya n dc o m p l e t eo ft h ew o r kp i e c e ，a n ds oo n t h i sa r t i c l eh a s c a r r i e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya b o u tt h eq u i c k - p o i n tg r i n d i n g c r a f tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h eq u i c k - p o i n tg r i n d i n g c r a f t c h a r a c t e r i s t i ct h i sa r t i c l eh a se s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eq u i c k p o i n tg r i n d i n g a r e a se q u i v a l e n td i a m e t e r , t h ec o n t a c tl e n g t h ，t h ep e r i p h e r a l sa n ds i d e sc o n t a c ta r e a sa n dt h e g r i n d i n gp o w e r , a n ds oo n t h ea r t i c l eh a sa l s oi n f e r r e dt h ep e r i p h e r a lc o n t a c t e da r e ao ft h e g r i n d i n gw h e e la n dt h ew o r kp i e c e ，t h er e l a t i o no f t h ec o n t a c t e da r e aa n dt h eg r i n d i n gp o w e r , a n dt h eg r i n d i n gf l u i ds u p p l ys y s t e m sb a s i cc o e f f i c i e n ta n dt h er e l a t i o n s s u m m a r i z e st h ef u l l v k e yw o r d ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ；p o i n tg r i n d i n g ；g r i n d i n ga r e a ；g r i n d i n gf l u i d ；f e e df l o w s y s t e m v i 7 i k ? 二 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第l 章绪论l 1 1 选题依据和背景情况1 1 2 数控快速点磨削的工艺特征1 1 3 磨削液供给系统的概述3 1 3 1 普通供液法3 1 3 2 喷射供液法。4 1 3 3 穿流供液法5 1 3 4 喷雾冷却法7 1 3 5 浸渍砂轮7 1 4 课题研究目的8 第2 章快速点磨削接触区几何形态研究9 2 1 快速点磨削的几何特性研究9 2 1 1 接触区磨削参数9 2 1 2 砂轮与工件周边接触区面积模型1 4 2 1 2 1 快速点磨削周边接触层形状1 5 2 1 2 2 接触区的面积计算。l5 2 1 2 3 实例计算1 8 2 2 磨削功率与接触面积的关系1 9 2 2 1 快速点磨削侧边接触面积的计算1 9 2 2 2 快速点磨削的磨削功率的计算2 1 2 2 2 1 磨削力的计算2 l 2 2 2 2 磨削功率的计算2 6 2 3 本章小结2 9 v i i 目录 研究。3l ：；1 ：；：! 3 4 ：；! ； 3 7 ： 9 4 3 4 5 实验研究4 7 4 7 4 7 l l ； 4 8 z 1 8 4 9 4 9 ! ；o 4 4 结果分析5 2 第5 章结论与建议5 5 5 1 结论5 5 5 2 建议5 5 参考文献5 7 致谢6 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目6 3 v i i i i， i i f 二 东北大学硕士学位论文第1 章 第1 章绪论 1 1 选题依据和背景情况 磨削加工是一种高精度、高效率的机械加工方法，其加工精度高以及能加工高 材料等方面的优点，是其它机械加工方法所不能替代的。在机械制造领域，磨削加 对环境污染和资源影响最大的一种机械加工工艺。由于磨削发热量大，磨削温度高，加 工时需要在砂轮和工件表面之间注入大量磨削液来起到冷却、润滑、消尘和冲洗等作用， 因而对环境造成较大污染。我国机械行业每年排放的冷却液达数亿吨【l 】。因此在磨削加 工中如何减少使用或不用磨削液，同时减少粉尘对环境的污染，以达到磨削加工的绿色 制造，是制造业努力的目标。报废的磨削液须集中经油水分离后排放，还要消耗大量的 能源。但现在大多数工厂中的磨削液供给系统单纯的注重冷却效果，而忽视了磨削液在 循环利用中对资源能源的浪费以及磨削液本身对环境的污染。磨削液供给仅凭经验或是 只考虑保证加工质量而大量使用磨削液，不能根据实际加工条件做到合理地选取磨削液 供给系统的供给参数，减少资源能源的浪费。面对人类社会向可持续发展战略目标的转 变，实施绿色设计制造已经势在必行。 本课题来源于辽宁省科学技术基金项目( 2 0 0 7 2 0 3 0 ) 和教育部科学技术研究重点项 目( 1 0 4 1 9 0 ) ，针对快速点磨削的加工特点而提出的。点磨削的接触区处于理论上的点接 触，点热源的热传导方向不再指向已加工表面，磨削发热量少，散热冷却效果好，因此 磨削温度低，能够实现少磨削液的磨削加工，甚至可以实现“冷态 加工、干式磨削。 如和常规磨削加工一样的使用磨削液，同样会消耗大量的有限资源和能源，同时也会对 环境造成很大程度的污染。因此需要根据快速点磨削的磨削加工特点，对快速点磨削磨 削液供给系统参数进行理论与实验研究，优化磨削液供液系统的参数，充分合理地利用 资源与能源，减少磨削加工对环境的污染，以提高磨削工艺的绿色水平。 1 2 数控快速点磨削的工艺特征 数控快速点磨削技术是由德国j u n k e r 公司研究开发，磨削速度9 0 - 1 4 0m s 。德国 j u n k e r 公司在数控快速点磨削技术工艺方面居世界领先地位，并独家技术垄断。自1 9 8 5 年以来，j u n k e r 公司一直在开发快速点磨系列的数控外圆磨床，它是一种以“点接触 磨削的磨削加工方式，磨削效率与传统磨削方法相比成倍提高的外圆磨床。实现了在一 1 章绪论 业中应用 转一定的 角度，以实现砂轮和工件在理论上的点接触。砂轮对工件的磨削加工类似于一个微小的 刀尖对工件的车削加工，磨削力和磨削热都非常小，并且砂轮总是保持同一吃进状态， 其工作过程见图1 1 ( a ) 。 j u n k e r 公司的数控快速点磨机床，在水平方向，砂轮轴线与工件轴线的点磨变量角 有三种位置关系，见图1 1 ( b ) ，而在垂直方向砂轮轴线与工件轴线则根据工件母线特征 在0 。- 3 0 。范围内变化，以最大限度减小砂轮与工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩 干涉例。 义b 一_ 一 斗一一：一琢 ( a )( b ) 图1 1 快速点磨削原理图 f i g 1 1p r i n c i p a ld i a g r a mo f q u i c k - p o i n tg r i n d i n g 位置l ：摆角为0 。，砂轮轴线与工件轴线平行并等高( 砂轮中置) ，这时可对工件的 2 i 、 。1。11。1。11。1。1。_-。1。_ 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 | ! 目| 自| _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 端面进行磨削，与传统磨削方法相同。 位置2 ：摆角为口( 逆时针转动) ，砂轮轴线转角后上移，使砂轮左端面与工件外 圆的接触点和工件轴线等高。砂轮从尾座顶尖向主轴顶尖方向进给磨削，可对工件外圆进 行点磨。 位置3 ：摆角为+ 口( 顺时针转动) ，砂轮轴线转角后下移。目的仍是使砂轮左端面 与工件外圆的接触点和工件轴线等高，砂轮从主轴顶尖向尾座顶尖方向进给磨削，同样 可对工件外圆进行点磨。 通过数控系统来控制两个方向的角度值，以及在x y 的轨迹来实现对不同形状表面 的点磨削加工。 1 3 磨削液供给系统的概述 磨削加工由于较高的磨削力并消耗较高比磨削能，在磨削区产生大量的磨削热。磨 削加工的一个显著特点就是磨削热量大，大量的热量聚集在工件的表层，有时可以达到 1 0 0 0 ( 2 1 4 1 ，极易烧伤工件，其中大约6 0 - 9 5 的热量被传入工件，仅有不到1 0 的热 量被切屑带走【5 】。这些传入工件的热量在磨削过程中常来不及传入工件深处，而聚集在 表面层里形成局部高温，特别是当温度在界面上超过某一临界值时，就会引起表面热损 伤( 表面氧化、烧伤、残余应力和裂纹) ，其结果将会导致零件的抗磨损性能降低，应力 锈蚀的灵敏性增加、抗疲劳性能变差，从而降低了零件的使用寿命和工作可靠性。此外， 磨削周期中工件的累积温升，也常导致工件产生尺寸精度和形状精度误差【5 】。随着砂轮 线速度的不断提高，磨削液在磨削加工中扮演角色的重要性更加明显，正确使用磨削液 能提高工艺稳定性、提高工件质量、延长刀具使用寿命1 6 j 。 在高速磨削时，气流屏障的影响是很大的。砂轮内部由离心力喷出的气体对砂轮外 围气流几乎没有影响。气流屏障主要是圆周方向的气流。由于气流屏障，磨削液在砂轮 前受到阻碍，进入磨削区的有效磨削液减少。因此，为使磨削液穿过气流屏障进入磨削 区，常常采取一些措施，减少砂轮周围气流屏障的影响，提高磨削液进入磨削区的比率。 目前在工业中常用的磨削液注入方法一般有以下几种：普通供液法、喷射供液法、 穿流供液法、喷雾供液法和浸渍供液、法i 7 1 。 1 3 1 普通供液法 所谓普通供液法( 又称浇注法) 如图( 1 2 ) 所示。就是利用齿轮泵或低压泵 - 3 - 第1 章绪论 喷 喷嘴同隙 图1 3 喷射清洗装置 f i g1 3s p r a y i n gc l e a n i n gi n s t a l l m e n t 用磨床在常规磨削 由变更，供液装置 高速回转的气流屏 上的高压液压力供 m 锚蛐 巢勃 喷射供液法与普通供液法相比较，由于供液充分，其砂轮的耐用度几乎可以延长到 普通供液法时的3 倍。如图1 4 所示。此外，喷射供液法由于磨削时的冷却效果显著， 致使磨削区温度下降，图1 5 为喷射压力与磨削温度的分布关系。由图1 5 可见，喷射压 力越大，磨削温度越低。 4 0 i 。 【 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 q 篁 善 譬 液 i i c 图1 4 喷射供液与普通供液的比较 f i g1 4c o m p a r i s o no fs p r a y i n gf e e d f l o wa n do r d i n a r y s 1 3 3 穿流供液法 p 、 鞭 赠 歪 氍 l l 一峨碍 撕力o p a 1淀i f l i l ， 2 5 l ) j p a 淀手油 i 2 3 5 l f，i ，a n b ho ： 3 水浴i i i c 一 ，vv_ 一一一r 一 零譬2 虻跖辫，佃m 图1 5 喷射压力与磨削温度的分布关系 ( 喷射方向与工件成5 。角，距磨削点l o o m m ) f i g1 5r e l a t i o no fi n j e c t i o np r e s s u r ea n d g r i n d i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 穿流供液法又称砂轮内冷却法。该方法是利用砂轮自身的多孔性，从砂轮的中心供 给磨削液，由于砂轮回转离心力的作用使砂轮工作时从其圆周喷射出直接进入磨削区的 一种供液方法，如图1 6 所示。利用离心力渗漏作用将磨削液通过砂轮气孑l 从周边甩出， 进人磨削区。系统需配置高精度的过滤装置，以免砂轮堵塞。对于象电镀砂轮或陶瓷结 合剂砂轮可采用砂轮基体上的径向孔提供内磨削液。提高供液压力，将高压液体射流引 入内冷却，可突破成膜沸腾的障碍，提高弧区换热效率【8 】。频繁启动时，应先注意排净 滞留砂轮内的磨削液，以免偏心振动。高速下应用时，应充分考虑动静环的可靠性。 东北大学利用高压低温二氧化碳进行内冷却，试验装置如图1 7 所示1 9 1 。在砂轮体 上共开1 0 0 个3 孔，分布在5 个沿砂轮轨线方向上均布的截面上。每个截而上沿圆周均 布着2 0 个通孔。气体内冷却效果很好，避免了采用液体内冷却时，由于滞留液体，引起 的启动偏心振动。高速下应用时，也要充分考虑动静环的可靠性。 - 5 - 学硕士学位论文 第1 章绪论 7 图1 6 穿流供液法 f i g 1 6p u to nt h ec l a s sf e e d i n gf l o w l 一砂轮轴2 一砂轮3 一法兰盘4 一螺母5 一滚珠轴承 6 一供液管7 一磨削液8 一砂轮轴与供液装置连接装置 图1 7 电镀c b n 砂轮冷气内冷却示意图【9 l f i 9 1 7s k e t c hm a p o fa i rc o n d i t i o n i n gt oc o o l i nc b nw h e e l 9 】 普通供液与穿流供液相比较，穿流供液显示出比普通供液更优异的效果。如图1 8 所示。 e e _ 稠 链 姻 图1 8 供液方法与磨除量的关系 f i 9 1 8r e l a t i o nb e t w e e nf e e df l o wm e t h o da n dr e m o v a l 这种供液方法适合磨削耐热钢、耐热合金材料以及磨削内圆和重磨削。在使用该方 法时，必须将磨削液送至砂轮中心的主轴装置和中空主轴。尤其重要的是为了不使从砂 轮外周喷出的通道堵塞，必须除去磨削液中3 x m 粒径以上的杂质，因此需要精密的磨 削液过滤装置。这使得此供液系统成本很高。此外，与喷射供液法一样，必须考虑解决 6 y ， 、- l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 雾状的气氛的问题，增设防护装置和措施以防止污染环境。 1 3 4 喷雾冷却法 所谓喷雾冷却法是利用压缩空气使磨削液细化成雾状，随着高温气流注射到磨削区。 由于这些细小的液滴在磨削区高温作用下会很快汽化，因此吸收大量磨削热，提高了冷 却性能和效果。为了提高喷雾效果，喷嘴应尽可能靠近磨削区，这是由于喷射口附近的 温度最低。采用喷雾冷却时，磨削区应封闭，以免污染环境。 喷雾冷却与其他供液方法的比较见图1 9 ，由图1 9 可见，对于水基磨削液，喷雾冷 却效果最好，但对于油基磨削液，效果不十分理想。 1 儡； 牡 链 整； 厚 捌 口鲜通浇j 争法 z j t p - r 冷点l l 口喷舅岭娜 图1 9 喷雾冷却与其他供液方法的比较 f i g1 9c o m p a r i s o nb e t w e e nm i s tc o o l i n ga n d o t h e rf e e df l o wm e t h o d s 1 3 5 浸渍砂轮 浸渍砂轮就是把液态的固体润滑剂渗入砂轮空隙中，使固体覆盖在磨粒表面上，磨 削时形成磨粒与切屑以及磨粒与加工表面间的润滑作用。通常采用的固体润滑剂有树脂、 石墨、碘化钾、硫磺和二硫化钼等。 最常用的浸渍方法就是利用砂轮气孔毛细管自动吸升的方法。陶瓷结合剂砂轮的气 孔较多，中等密度的砂轮气孔率为2 0 4 0 ，大气孔砂轮的气孔率为4 0 - 6 0 或更高1 1 0 1 。 由于砂轮的气孔大小、形状和排列是随机的，所以通路十分复杂。利用这种方法浸渍砂 轮时，由于砂轮体内的重叠网孔会形成多孔过滤，往往使固体润滑剂只浸渍在砂轮表面 7 - 北大学硕士学位论文第1 章绪论 ，只有液体浸渍到砂轮内部，因而浸渍效果欠佳。为了提高浸渍效果，近年来研究出 利用真空浸渍，真空加压浸渍以及超声和振荡浸渍等方法。 所谓真空浸渍是使放置被浸渍砂轮的容器形成一定的负压，将预先配制好的浸渍液 入容器而浸渍砂轮。真空加压浸渍是利用真空泵将放置被浸渍砂轮的容器连续不断地 气，而使浸渍液渗入砂轮空穴中。超声和振动浸渍可进一步克服砂轮重叠空穴的过滤 用，在振动作用下，浸渍液极易渗入砂轮内部的空穴中。 为提高冷却润滑效果，高速高效磨削以及难加工材料磨削时，常将多种方法综合使 。如前面的石墨管浮动喷嘴将磨削液辅以固态磨削剂并与气流挡板结合起来。射流内 却，将射流与砂轮内冷却结合起来，用径向射流冲击，达到强化换热的效果。高低压 嘴联合应用，采用高压喷嘴和空气挡板向砂轮及磨削区供液，低压喷嘴冷却工件。也 采用环状喷嘴冷却工件，润滑喷嘴向砂轮及磨削区供液，以降低工件整体温度，提高 件尺寸精度i l 。 4 课题研究目的 磨削热主要来自于磨削加工中材料的剧烈变形和摩擦，热量集聚产生的高温能够造 工件表面热损伤。磨削的热效应对工件表面质量和实用性能有极大的影响。温度过高 起的表面热损伤将会导致零件的抗磨损性能降低，应力腐蚀灵敏性的增加，抗疲劳性 的下降，从而降低了零件的使用寿命和工作可靠性。一般磨削加工过程必须要有可靠 磨削液供给系统，使磨削液能够充分充足的进入磨削区，实现对接触区的冷却、润滑 和清洗，以及对砂轮的冲洗作用，保证加工质量。 在机械制造领域，磨削是对环境影响和资源消耗比较大的一种机械加工工艺。磨料 磨具本身的制造、磨料在加工中的消耗、磨削加工所造成能源及材料的消耗、以及加工 中大量使用的磨削液和磨削粉尘等都对环境污染和资源消耗都产生了严重的影响。目前， 世界上一些工业发达国家都在力图降低超硬磨料磨具的产量和消耗，以获得良好的经济 和资源效益。我国是世界上磨料、磨具产量及消耗的大国，超硬磨料价格昂贵、资源有 限，因此大幅度提高磨削加工的绿色度意义重大。 快速点磨削技术具有良好的绿色加工性能，因此在绿色制造的框架体系下，跟踪这 项先进制造技术，通过深入开展磨削液供给系统的理论和实验研究，在保证工件磨削加 工质量的前提下，控制磨削液的供给参数，既减少对环境的污染，又不浪费资源和能源， 以实现符合绿色制造模式的快速点磨削加工的技术和工艺。 8 - 东北大学硕士学位论文 第2 章快速点磨削接触区几何形态研究 第2 章快速点磨削接触区几何形态研究 快速点磨削集成了c b n 、数控车削、超硬磨料、超高速磨削技术，可实现对多种形 状表面及多种材料的高性能加工。快速点磨削加工外圆时，由于点磨变量角的存在，使 在水平和垂直两个方向上轴线倾斜的砂轮与回转形工件形成理论上的点接触。快速点磨 削与工件的接触区不同于一般的高速超高速外圆磨削，它存在两个磨削区，即侧边磨削 区和周边磨削区。侧边磨削区主要完成材料的去除，周边磨削区完成工件表面的精加工 和光磨过程。因此快速点磨削具有车磨合并，粗精加工合一的工艺特点。由于两个磨削 区的存在，材料去除和砂轮磨损机理，加工表面的几何创成机理，以及磨削过程中的物 理表现等与常规外圆磨削方式有很大的区别。 快速点磨削加工属于一种新型的磨削加工工艺，要深入研究其加工过程和机理，必 须建立与之接触状态相符合的接触区模型，并在此基础上建立快速点磨削的接触层参数 模型，为研究和揭示快速点磨削过程中接触层面积与磨削功率以及供液系统参数关系等 提供理论基础。 。 2 1 快速点磨削的几何特性研究 2 1 1 接触区磨削参数 快速点磨削砂轮在两个方向的倾角将显著影响磨削区形状、面积和方位，这对未变 形切屑形状和厚度、磨削热模型、磨削力及砂轮磨损等都有相当大的影响。本文把在垂 直平面内砂轮轴线偏转角度口定义为砂轮偏转角( d e f l e x i o na n g l e ) ，本文把在水平面内 砂轮轴线偏转角度定义为砂轮倾斜角( i n c l i n ea n g l e ) 。 砂轮切入工件会产生一个接触作用区域，这一接触区的弧长在图2 1 中用i 表示。 根据磨削几何关系【1 2 l ： 乞= ( 口p 吃) 2 吐= 去 式中：也砂轮当量直径( 姗) ，在任何形式的磨削中， 接触弧长； 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 求得当量直径，即可求得 北大学硕士学位论文第2 章快速点磨削接触区几何形态研究 和一磨削深度( i 衄) ； 蟊一轮直径( i n f l l ) ； 么一工件直径( 蛐n ) ： “ _ 当砂轮与工件逆向转动时取“+ ”，砂轮与工件同逆向转动时取“一 。 工件 图2 1 磨削接触区弧长 f i g2 1a r c - l e n g t hi nc o n t a c tz o n e 在快速点磨削中，计算点磨变量角存在时的弧长。对于外圆表面的磨削，由于点磨 转角口0 ，倾斜角= 0 ，砂轮轴线与工件轴线不再平行，现从垂直于砂轮轴线的侧 影面上得到工件长轴屯c o s a ，短轴丸，砂轮直径t 。 a a l 彳 图2 2 考虑变量角口的工件当量直径 f i g 2 2w o r k - p i e c ee q u i v a l e n td i a m e t e rr e l a t e dt ot 在磨削接触点处工件曲率半径： 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章快速点磨削接触区几何形 工件当量直径： p = 彘 d w c = c 。d s w i 工件等效圆周速度屹方向一致的分量： 砂轮的等效圆周速度： 砂轮当量直径【1 2 1 ： v w e2 k c o s 。匕 吃= 圭 1 + 一d , , 鱼c o s 2 a f _ 一d w d ， = - - - - - - - - - - - - = - - - 二二- - - - - 一 d - + d s c o s 2 仅 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 快速点磨削过程中，根据被加工表面的曲率大小和台肩尺寸及方位砂轮轴线与工件 轴线的垂直平面的夹角一般在0 。3 0 。范围变化，现暂不考虑口的影响。 b _ ：8 图2 3 考虑的工件当量直径 f i g 2 3w o r k p i e c ee q u i v a l e n td i a m e t e rr e l a t e dt o8 现从垂直于砂轮轴线做剖面b - b ，工件长轴丸c o s 口，短轴丸，砂轮直径吃。在磨 叱= 斟= 筹 泣 砂轮圆周等效速度： 名2 鬈 工件等效圆周速度：在砂轮速度方向的分量，即 1 k2 c o s 口 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章快速点磨削接触区几何形态研究 ：。巫塑掌下 ( 2 1 1 ) 丸c o s p + 以c o s 2 口 。 当砂轮直径反取3 0 0n l l t l ，工件直径巩取2 5m n l ，偏转角口取0 。或倾斜角取 0 。时，砂轮当量直径与倾斜角或偏转角口的关系 恐挚a v 2 d 。d , c o s , b 丫： 晓 = ( + 半) ( 一) i ，2 1 3 点磨削圆柱表面时，一般为零，所以，在以下的研究中仅对外圆磨削加工的情 况进行研究，所涉及的当量直径都有式( 2 7 ) 求得。 2 1 2 砂轮与工件周边接触区面积模型 点磨削加工外圆表面时，通过在垂直方向上轴线倾斜的砂轮与回转形工件形成理论 上的点接触，因此接触区形态特别是周边接触区不同于常规外圆磨削，属于一种新的接 触区模型。磨削过程中，加工表面的几何创成模型取决于周边接触层要素。因此根据点 磨削的接触区域的几何学特征，深入研究周边接触区形态和面积及对磨削过程的影响规 律，建立周边接触区域的面积计算公式，并对影响参数进行理论分析，为磨削液供给系 统的参数研究、工件表面完整性指标及工件表面几何创成机理提供理论基础。 1 4 、 东北大学硕士学位论文第2 章快速点磨削接触区几何形态研究 2 1 2 1 快速点磨削周边接触层形状 在点磨削中，砂轮与工件的接触面积是分析磨削力，磨削功率以及磨削热的一个极 为很重要的因素。现以加工细长轴为例，来分析点磨削时周边接触模型及面积计算模型。 根据点磨削原理，假设砂轮偏转角口为o 5 。，进给方向如图2 7 所示 件 c 一轴线 + 一+ 一v ， 图2 7 快速点磨削三维立体图 图2 8 快速点磨削周边接触区域 f i g 2 7t h r e ed i m e n s i o n a ld i a g r a m f i g 2 8p e r i p h e r a lc o n t a c ta r e ao f o fp o i n t - g r i n d i n g p o i n t - g r i n d i n g 借助p r o e 软件的造型功能，把砂轮模型实体处理掉，把砂轮和工件发生干涉的周 边接触区域显现出来，如图2 8 所示。为了便于计算，把这个区域进行几何处理，以砂 轮的轴线作为参考基准，把原来不规则的周边接触区域转化成类似“半椭圆”的规则几 何形状，工件轴线与砂轮轴线的夹角即倾斜角口，如图2 9 所示。 砂 磨 补 图2 9 快速点磨削周边接触区域 f i g 2 9p e r i p h e r a lc o n t a c ta r e ao f p o i n t g r i n d i n g ：1 2 图2 1 0 角度空间几何关系 f i g 2 10r e l a t i o no f a n g u l a rr e g i o n g e o m e t r y 2 1 2 2 接触区的面积计算 由于偏转角口很小，一般取( o 5 。6 。) ，点磨削周边接触区域是近似的半椭圆 形，与常规外圆磨削的接触区域形态不同，面积显著减小。如图2 1 0 所示，阴影部分为 周边接触区，此处将弧形面简化为平面，虚线l 为工件轴线，虚线2 为砂轮轴线，设砂 - 1 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章快速点磨削接触区几何形态研究 于计算，取x = 口。 根据以上分析，周边接触面积就可以简化成椭圆面积的一半，假定b 为c b n 砂轮的 厚度，当椭圆的长半轴口= 口p s i n a b 时，由椭圆面积的计算公式，可建立快速点磨削 的周边接触区面积计算模型为 = 扣= 1 2 万( 孟，c = 纠孟( 驯佗) = 丢万( 孟一一) l ，2 q j 4 = 三 b 时，则椭圆的长半轴口= 口j 口s i n a 应该取砂轮的厚度b ，则快速点磨 削的周边接触区面积计算模型应为 ：丢万口6 ：丢万( 巩) = 吾万( b ( 口p 吃) 2 ) =吾万(b(一aascosp j 2 2 1 5 ) 土皓b 2 a p d 丽d , c o sf 12c o s f lc o s i ，2i 丸+ 或2 口j 图2 i i 为当砂轮直径以为3 0 0m m ，工件直径屯为2 5m l n ，砂轮厚度b 为6m m ， 切削深度为0 0 0 2m i l l 时，砂轮与工件周边接触面积与偏转角口的关系： 图2 1 2 为当砂轮直径以为3 0 0m m ，工件直径以为2 5m n l ，砂轮厚度b 为6m i l l ， 切削深度为0 0 0 2t o n i 时，砂轮与工件周边接触面积晶与倾斜角的关系； - 1 6 - 东北大学硕士学位论文第2 章快速点磨削接触区几何形态研究 - 一i i _ _ _ _ _ _ _ 薯_ 墨_ i _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 墨_ _ _ _ 墨皇皇鲁_ - 置| 昌量皇覃墨墨量_ 一 图2 1 1 周边接触面积与偏转角关系 f i g 2 1lr e l a t i o nb e t w e e np e r i p h e r a lc o n t a c t e d a r e aa n dd e f l e x i o na n g l e 图2 1 2 周边接触面积与倾斜角关系 f i g 2 12r e l m i o nb e