超高速点磨削相关机理研究-

1、第46卷第17期2010年9月机械工程学报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.46 No.17Sep. 2010DOI:10.3901/JME.2010.17.172超高速点磨削相关机理研究*巩亚东1仇健1, 2李晓飞3刘昌付1(1. 东北大学机械工程与自动化学院沈阳 110004;2. 沈阳机床(集团有限责任公司沈阳 110142;3. 沈阳北方交通重工集团沈阳 110015摘要:结合超高速磨削技术和点磨削工艺,给出对点磨削及其相关技术的理解。建立砂轮磨损和承载等模型,研究发现,与传统外圆磨削相比,点磨削砂轮承载更均匀,寿命更长,磨削性能更佳。由点磨削参

2、数条件下的单颗磨粒成屑试验发现,磨粒的实际切深要比理论切深小,并由单颗磨粒成屑机理给出合理解释。由砂轮连续成屑机理和砂轮相对工件运动轨迹的分析发现,工件轴向进给速度应低于保证良好磨削表面的最小旋切圈数的临界值。点磨削是一种优质的旋切工艺,能够实现较大切深的磨削加工,兼具高材料去除率和高表面质量的优点。由于主轴偏摆,砂轮和工件接触无闭合磨削区,经湿磨试验发现,点磨削接触区内有更大流量的磨削液通过。关键词:超高速点磨削磨削机理成屑机理磨削轨迹砂轮磨损中图分类号:TG580.614Study on the Correlative Mechanism of Super High-speed Point

3、 GrindingGONG Yadong1 QIU Jian1, 2 LI Xiaofei3 LIU Changfu1(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004;2. Shenyang Machine Tool (Group Limited Company, Shenyang 110142;3. Shenyang North Traffic Heavy Industry Group, Shenyang 110015Abstract:By combini

4、ng super high-speed grinding and point grinding technologies, a comprehension of super high-speed point grinding and its correlative technologies is given. Models of grinding wheel wear and loading are built. It is found that the point grinding wheel has more even loading, longer life and better gri

5、nding performance in comparison to the traditional cylindrical grinding. In the chip formation test of single abrasive grain under the condition of point grinding parameters, it is found that the actual cutting depth of abrasive grain is less than the theoretical one, and the reasonable explanation

6、is given by the chip formation mechanism of single abrasive grain. From the analysis of successive chip formation mechanism of wheel and the motion trajectory of wheel relative to the workpiece, it is found that the workpiece axial feed speed should be lower than the critical value of the least rota

7、ry-cutting cycles for ensuring fine grinding surface. Point grinding is a superior rotary-cutting process which can realize large cutting depth, high material removal rate and good surface quality. As wheel spindle swivels, the grinding zone between wheel and workpiece is not closed, it is found in

8、wet grinding experiment that there is larger grinding fluid passing though the grinding contact zone.Key words:Super high-speed point grinding Grinding mechanism Chip formation mechanism Grinding trajectory Grinding wheel wear0 前言传统车削在加工汽车轴类零件时,经常会遇到* 国家自然科学基金资助项目(50775032。20090909收到初稿,20100426收到修改稿

9、淬硬件等材料难加工的问题或加工精度和表面质量不高等问题。此时,通常采用磨削方法。但是磨削加工余量有限,生产率极低。硬车削是在这样一个背景下产生的“以车代磨”的方法。硬车削的金属切除率通常是磨削的34倍,并且可以完成复杂回转表面的加工。点磨削则是应用薄砂轮“以磨代车”2010年9月巩亚东等:超高速点磨削相关机理研究173的思想。通过砂轮轴线相对水平工件轴线倾斜而在垂直面内形成“倾斜角”(图1a 1,砂轮和工件之间的接触从传统外圆磨削的砂轮全宽与工件呈“线接触”变为砂轮周面沿轴线方向与工件沿轴线方向的表面相交而呈“点接触”。同时,结合机床数控技术,砂轮始终处于加工表面的法平面内,借此实现复杂回转表

10、面的加工。工件轴线和砂轮轴线在水平面内的夹角为点磨削“偏转角”(图1b。 图1 点磨削工艺的磨削角超高速磨削(线速度v s150 m/s在加工性能、效率和经济性等方面都要明显好于高速磨削(90 m/sv s150 m/s。超高速点磨削(以下简称点磨削是超高速磨削和普通点磨削工艺的结合,其良好的加工性能可使工件转速成倍提高,在砂轮速度不足150 m/s 时,砂轮工件的相对速度也能达到超高速范围,使操作更安全2。点磨削兼具磨削的高表面质量和车削的高生产率,是一种优质加工工艺。自德国勇克公司取得专利并成功开发出Quick-point系列机床以来,已成功应用于宝马、V olvo、Scania、大众、T

11、ATA等主要汽车生产企业。其配套砂轮主要由NORTON、TYROLIT等国外企业生产。近些年Saint-Gobain和Cinetic-Giustina Grinding等企业也陆续开发出了点磨削概念试验台,并在磨削液供给、配套砂轮以及加工柔性等方面的研究有了更大进展。目前,国内外研究还需在立方氮化硼(Cubic boron nitride, CBN磨料质量、更高的绝对磨削速度、滑动工作台系统的精确控制、微量修整装置可靠性、修整系统跟踪砂轮尺寸和修整器砂轮工件的相对位置、砂轮状况监控、机床动力学特性、检测砂轮工件接触状况、加工循环优化、砂轮头分度系统和轴承刚度等方面加以改进。勇克的Quick-p

12、oint系列机床加工效率和精度高,但价格昂贵,目前国内只在中国第一汽车集团公司、上海汽车工业(集团总公司、华晨宝马汽车有限公司和奇瑞汽车股份有限公司等少数有大批量生产需求的具有经济背景的大型企业中3应用,核心技术还是由国外少数企业掌握。研究点磨削工艺及其加工机理对打破技术垄断,尽早开发出国产点磨削概念机床,实现国内相关企业,特别是中小企业的应用是十分有意义的。1 点磨削工艺的优点加工相同数量的零件,硬车削的刀具成本是点磨削的2.2倍。点磨削省去了硬车削因刀具磨损而频繁更换的时间。工件夹持用顶尖驱动,零件更换方便快捷,既简化了夹具,又节约了加工时间。点磨削的加工精度和表面质量要明显优于硬车削。应

13、用CNC数控技术,点磨削弥补了传统外圆磨削在加工复杂回转表面时的局限。点磨削相比传统外圆磨削的优势见下表2, 4。表点磨削与传统外圆磨削比较传统外圆磨削点磨削加工时间长,多工歩、多次装夹一次装夹完成工件全部加工表面,加工精度高,尺寸公差甚至可达±0.000 1易造成工件表面烧伤高材料去除率,不易产生热损伤,磨削力小砂轮磨损大、修整频繁砂轮修整周期长,CBN薄砂轮有更长使用寿命加工复杂型面较难,成形加工不便于临时改变磨削型面容易完成复杂回转曲面的磨削加工,通过CNC技术和伺服系统实现类似车削中心的x-z轴联动和砂轮架旋转难保证一致的精度高生产率时也能保证一致的加工精度生产率低,周期长,

14、成本高不需要多台机床共同完成,比普通磨削快6倍,小批和大量生产都具更好的经济性在加工复杂回转曲面时,点磨削在3个方面取代了硬车削5和成形磨削。(1 锋利CBN薄砂轮技术和机床数控技术使点磨削砂轮和精磨区工件的接触区域极小,并且薄砂轮可以始终垂直被加工表面,避免了成形磨削必须将宽砂轮仿形修整的繁琐和效率降低,以及因成形砂轮磨损而形成轮廓误差。(2 优异的磨削性能和高砂轮速度可允许更高的工件转速,磨粒和工件的相对接触时间很短,磨削温度更低,避免了工件烧伤。(3 加工余量几乎都由很小的砂轮周面宽度完成,与工件的接触长度不足1 mm,具有极大的材料去除率和极小的比磨削能。2 薄砂轮磨损机理点磨削砂轮直

15、径受最高转速限制,金属基陶瓷CBN砂轮直径一般在300400 mm,东北大学开发的点磨削砂轮直径为370 mm,磨料层厚度6 mm,分为直边砂轮(图2a和前端有导向角的倾斜型砂轮(图2b,其中,后者按磨削区域分为粗磨、精磨和机 械 工 程 学 报 第46卷第17期174光整3个阶段。粗磨区位于砂轮前端导向区域,精磨区为随后的直边表面,其他砂轮表面为光磨区。导向区域粗磨倾角(简称导向角大小依实际切深而定,一般10°15°。材料去除几乎都由粗磨区和精磨区前端完成,精磨区实现对加工表面的修形和毛坯余量的去除。光磨区实现光整加工并获得最终表面,其形状精度要求严格。 (a 直边砂轮

16、(b 倾斜型砂轮图2 点磨削砂轮种类及倾斜型砂轮磨削区划分点磨削一定时间后,砂轮导向角磨损,粗磨区形成阶梯状轮廓(图3a 曲线1。随着磨削进行,因磨损形成的明显阶梯表面消失,一定时间内形成的连续轮廓对获得良好表面和减小磨削力有利(图3a 曲线2。当砂轮磨损到一定程度后则无法保证足够的精磨和光整加工宽度(图3b 曲线3,需要进行 修整。 图3 砂轮磨损过程1. 阶梯磨损2. 圆弧磨损3. 圆弧扩大 图3a 中砂轮磨损过程的第m 个台阶处的砂轮总磨损量2p p 1exp cos tm K r a a K =+×(1120cos 1!=+i mi K K t i (1式中,p a 是磨削深

17、度,11(2K C =,212K C =,1w s (C Cd d =,C 为常数,s d 和w d 是砂轮直径和工件直径。与普通磨削相比,在砂轮磨损相同时点磨削具有更大的材料去除率。砂轮的径向磨损量因改善磨料层结构和砂轮倾斜而减小,角度越小磨损量越小,在0.5°,+0.5°时,砂轮更耐磨。3 单颗磨粒划擦试验及成屑机理3.1 点磨削参数下的单颗磨粒划擦试验研究点磨削参数条件下的单颗磨粒作用机理可以帮助了解点磨削加工机理。点磨削试验中砂轮和工件的合成速度可轻易达到140 m/s 。单颗磨粒在临界速度下的切削试验原理如图4。图4 单颗磨粒点磨削划擦试验从磨粒形貌的物理特征可知

18、,实际应用中的单颗磨粒一般包括多个切削刃。切深一定时,这些切削刃对工件同时发生划擦和切削作用。图5为过砂轮所在平面经砂轮工件接触区剖切工件所得截面,理想情况下,砂轮周边磨料层可以看作是无数等间距的微小切削刃,在砂轮轴高速旋转时,这些切削刃去除工件材料,前一磨粒留下的余量由后续磨粒去除,最终形成磨削表面。同一砂轮平面内的磨粒间隔越小,因切削刃间隔造成的残留余量越小,磨削表面粗糙度越理想。工件转速越低,经过同一工件表面的磨粒数越多,残留余量也越小。若磨粒分布均匀,则磨粒等高性好,相邻磨粒切削工件残留的表面凸峰高度越小,凸峰形态越规整,如图5中A 、B 点。图5 同一砂轮截面内的连续切削刃切削模型

19、为了方便观察单颗磨粒的划擦痕迹,先将外圆试件表面磨光,在此基础上再进行划擦试验,图6为试验后获得的扫描电镜(Scanning electricmicroscope, SEM图像,其中标记区域为划擦痕迹和材料塑性隆起。从图6a 可知,由于磨削加工中的工件砂轮系统的弹性变形和振动存在,造成相邻两转单颗磨粒的切削深度和划擦位置不一致,形成的划痕宽度和长度也不相同,这也可以解释为磨削加2010年9月 巩亚东等:超高速点磨削相关机理研究 175工的随机性6。但只要砂轮切深相同,获得的划擦痕迹的长度、宽度和深度就基本一致。当大量磨粒在点磨削参数条件下磨削时,形成众多相互交错、随机分布的切削划痕,最终表面就

20、更均匀。图6b 为图6a 中标记划痕在500倍放大得到的图像,可以看出磨粒划痕两侧出现隆起和材料扩散。 图6 单颗磨粒点磨削参数下划痕SEM 图用Keyence 激光位移传感器测量磨粒划擦工件 表面的试验结果如图7,其中连续曲线为实测数据的二次拟合,其轮廓与理想磨粒相似,但要比理论的磨粒划擦深度小,而理论切深应与磨粒突出高度(120/140号磨粒尺寸125 m 的40%50%相当。这主要是由于磨粒在切削工件时砂轮工件系统间的弹性变形造成的。因此,单颗磨粒在切削时切削刃的前刀面会产生弹性应变,当其应力增加并超过材料屈服强度时,部分工件材料向切削刃两侧和前端隆起,切深和磨粒切削速度足够时,最终在切

21、削刃前端形成切屑。 图7 单颗磨粒划擦轮廓及其拟合曲线点磨削单颗磨粒在工件上划擦留下的划痕比 磨粒轮廓稍浅且圆滑,其切深范围030 m ,因 此切向力分布不是定值。因磨粒始终绕圆盘中心转动,其切削刃前角始终在变化,会对磨粒比切削能有影响。磨削加工中比切削能可看作众多磨粒对工件的机械做功。对于单颗磨粒切削作用的计算可以通过单颗磨粒的比切削能来表述,式(2用定量表述单颗磨粒的连续切削行为和间断切削行为s t e 0(d lE F x x V = (2a 或s e 0(nti i E F x V = (2b式中,F t 是磨粒的切向力,V e 为材料去除体积,l 是单颗磨粒的划擦长度。式(2中材料去

22、除体积总量一定,但是磨粒的切向力不恒定,所以单颗磨粒的比切削能的变化趋势与磨粒的切向力趋势相同6。磨粒切削速度增加时,比切削能降低,这也很好地从微观角度解释了高速/超高速磨削的砂轮速度提高时,磨削力反而降低的现象。 3.2 切屑生成机理点磨削的理论切屑厚度和面积与相邻两个连续切刃的运动轨迹有关。图8为砂轮第n 1,n ,n+1个切刃在过砂轮平面剖切工件所得截面内参与切削的轨迹。阴影区域为单位宽度砂轮周边第n 个磨粒的切削面积,h max 为最大切屑厚度7,表达式为1/2/2max gw w s p e (cos /(/e e g h c v v a d (3 式中,w v 是工件速度,s v

23、是砂轮速度,gw c 是与砂轮形貌有关的系数,e 为相应正指数,e s w /d d d = 2w s (cos d d +是砂轮当量直径。图8 点磨砂轮连续切刃切削轨迹由式(3可知,在其他磨削参数不变时,增大砂轮速度可以降低单颗磨粒的切屑厚度,减小磨削力,改善磨削质量,并且可以增加材料的整体去除率。在砂轮的整体材料去除率一定时,增大磨削速度可以减小单颗磨粒的磨削力,减少砂轮磨损,改善工件表面粗糙度和加工精度。在单颗磨粒的切屑厚度一定时,增大砂轮速度可以提高材料去除率。4 点磨削运动轨迹分析 4.1 工件临界轴向进给速度 相对于每转的轴向进给量,点磨削精磨区域要有足够的宽度以保证充足的旋切圈数

24、以生成光整磨 后表面,即工件轴向进给速度f v 应小于其临界值 f v 。但是f v 太小或砂轮太宽会增加磨削力和颤 振8。因此,保证最小旋切圈数的fv 满足f w w v v b d = (4机 械 工 程 学 报 第46卷第17期176式中,b 为精磨区宽度。点磨削外圆时,砂轮工作在高速/超高速范围,工件许用转速提高,最高可达10 kr ·min 12,有利于在使用薄砂轮时保证充足的旋切圈数。图9为工件相邻两转对应砂轮在其表面上的轨迹。其中,s d 为相邻转的砂轮轨迹间隔,反映在磨后表面上就是 零件的加工余量宽度,s s 为相邻转的砂轮重合宽度,s s 大则相当于增加了光磨行程,增加了单位时间内经过同一表面的有效磨粒数,有利于获得良好加工表面。但是s s 太大则材料去除率低,并且