1、第46卷第17期2010年9月機械工程學報JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.46 No.17Sep. 2010DOI:10.3901/JME.2010.17.172超高速點磨削相關機理研究*鞏亞東1仇健1, 2李曉飛3劉昌付1(1. 東北大學機械工程與自動化學院沈陽 110004;2. 沈陽機床(集團有限責任公司沈陽 110142;3. 沈陽北方交通重工集團沈陽 110015摘要:結合超高速磨削技術和點磨削工藝,給出對點磨削及其相關技術的理解。建立砂輪磨損和承載等模型,研究發現,與傳統外圓磨削相比,點磨削砂輪承載更均勻,壽命更長,磨削性能更佳。由點磨削參

2、數條件下的單顆磨粒成屑試驗發現,磨粒的實際切深要比理論切深小,并由單顆磨粒成屑機理給出合理解釋。由砂輪連續成屑機理和砂輪相對工件運動軌跡的分析發現,工件軸向進給速度應低于保證良好磨削表面的最小旋切圈數的臨界值。點磨削是一種優質的旋切工藝,能夠實現較大切深的磨削加工,兼具高材料去除率和高表面質量的優點。由于主軸偏擺,砂輪和工件接觸無閉合磨削區,經濕磨試驗發現,點磨削接觸區內有更大流量的磨削液通過。關鍵詞:超高速點磨削磨削機理成屑機理磨削軌跡砂輪磨損中圖分類號: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 前言傳統車削在加工汽車軸類零件時,經常會遇到* 國家自然科學基金資助項目(50775032。20090909收到初稿,20100426收到修改稿

9、淬硬件等材料難加工的問題或加工精度和表面質量不高等問題。此時,通常采用磨削方法。但是磨削加工余量有限,生產率極低。硬車削是在這樣一個背景下產生的“以車代磨”的方法。硬車削的金屬切除率通常是磨削的34倍,并且可以完成復雜回轉表面的加工。點磨削則是應用薄砂輪“以磨代車”2010年9月鞏亞東等:超高速點磨削相關機理研究173的思想。通過砂輪軸線相對水平工件軸線傾斜而在垂直面內形成“傾斜角”(圖1a 1,砂輪和工件之間的接觸從傳統外圓磨削的砂輪全寬與工件呈“線接觸”變為砂輪周面沿軸線方向與工件沿軸線方向的表面相交而呈“點接觸”。同時,結合機床數控技術,砂輪始終處于加工表面的法平面內,借此實現復雜回轉表

10、面的加工。工件軸線和砂輪軸線在水平面內的夾角為點磨削“偏轉角”(圖1b。 圖1 點磨削工藝的磨削角超高速磨削(線速度v s150 m/s在加工性能、效率和經濟性等方面都要明顯好于高速磨削(90 m/sv s150 m/s。超高速點磨削(以下簡稱點磨削是超高速磨削和普通點磨削工藝的結合,其良好的加工性能可使工件轉速成倍提高,在砂輪速度不足150 m/s 時,砂輪工件的相對速度也能達到超高速范圍,使操作更安全2。點磨削兼具磨削的高表面質量和車削的高生產率,是一種優質加工工藝。自德國勇克公司取得專利并成功開發出Quick-point系列機床以來,已成功應用于寶馬、V olvo、Scania、大眾、T

11、ATA等主要汽車生產企業。其配套砂輪主要由NORTON、TYROLIT等國外企業生產。近些年Saint-Gobain和Cinetic-Giustina Grinding等企業也陸續開發出了點磨削概念試驗臺,并在磨削液供給、配套砂輪以及加工柔性等方面的研究有了更大進展。目前,國內外研究還需在立方氮化硼(Cubic boron nitride, CBN磨料質量、更高的絕對磨削速度、滑動工作臺系統的精確控制、微量修整裝置可靠性、修整系統跟蹤砂輪尺寸和修整器砂輪工件的相對位置、砂輪狀況監控、機床動力學特性、檢測砂輪工件接觸狀況、加工循環優化、砂輪頭分度系統和軸承剛度等方面加以改進。勇克的Quick-p

12、oint系列機床加工效率和精度高,但價格昂貴,目前國內只在中國第一汽車集團公司、上海汽車工業(集團總公司、華晨寶馬汽車有限公司和奇瑞汽車股份有限公司等少數有大批量生產需求的具有經濟背景的大型企業中3應用,核心技術還是由國外少數企業掌握。研究點磨削工藝及其加工機理對打破技術壟斷,盡早開發出國產點磨削概念機床,實現國內相關企業,特別是中小企業的應用是十分有意義的。1 點磨削工藝的優點加工相同數量的零件,硬車削的刀具成本是點磨削的2.2倍。點磨削省去了硬車削因刀具磨損而頻繁更換的時間。工件夾持用頂尖驅動,零件更換方便快捷,既簡化了夾具,又節約了加工時間。點磨削的加工精度和表面質量要明顯優于硬車削。應

13、用CNC數控技術,點磨削彌補了傳統外圓磨削在加工復雜回轉表面時的局限。點磨削相比傳統外圓磨削的優勢見下表2, 4。表點磨削與傳統外圓磨削比較傳統外圓磨削點磨削加工時間長,多工歩、多次裝夾一次裝夾完成工件全部加工表面,加工精度高,尺寸公差甚至可達±0.000 1易造成工件表面燒傷高材料去除率,不易產生熱損傷,磨削力小砂輪磨損大、修整頻繁砂輪修整周期長,CBN薄砂輪有更長使用壽命加工復雜型面較難,成形加工不便于臨時改變磨削型面容易完成復雜回轉曲面的磨削加工,通過CNC技術和伺服系統實現類似車削中心的x-z軸聯動和砂輪架旋轉難保證一致的精度高生產率時也能保證一致的加工精度生產率低,周期長,

14、成本高不需要多臺機床共同完成,比普通磨削快6倍,小批和大量生產都具更好的經濟性在加工復雜回轉曲面時,點磨削在3個方面取代了硬車削5和成形磨削。(1 鋒利CBN薄砂輪技術和機床數控技術使點磨削砂輪和精磨區工件的接觸區域極小,并且薄砂輪可以始終垂直被加工表面,避免了成形磨削必須將寬砂輪仿形修整的繁瑣和效率降低,以及因成形砂輪磨損而形成輪廓誤差。(2 優異的磨削性能和高砂輪速度可允許更高的工件轉速,磨粒和工件的相對接觸時間很短,磨削溫度更低,避免了工件燒傷。(3 加工余量幾乎都由很小的砂輪周面寬度完成,與工件的接觸長度不足1 mm,具有極大的材料去除率和極小的比磨削能。2 薄砂輪磨損機理點磨削砂輪直

15、徑受最高轉速限制,金屬基陶瓷CBN砂輪直徑一般在300400 mm,東北大學開發的點磨削砂輪直徑為370 mm,磨料層厚度6 mm,分為直邊砂輪(圖2a和前端有導向角的傾斜型砂輪(圖2b,其中,后者按磨削區域分為粗磨、精磨和機 械 工 程 學 報 第46卷第17期174光整3個階段。粗磨區位于砂輪前端導向區域,精磨區為隨后的直邊表面,其他砂輪表面為光磨區。導向區域粗磨傾角(簡稱導向角大小依實際切深而定,一般10°15°。材料去除幾乎都由粗磨區和精磨區前端完成,精磨區實現對加工表面的修形和毛坯余量的去除。光磨區實現光整加工并獲得最終表面,其形狀精度要求嚴格。 (a 直邊砂輪

16、(b 傾斜型砂輪圖2 點磨削砂輪種類及傾斜型砂輪磨削區劃分點磨削一定時間后,砂輪導向角磨損,粗磨區形成階梯狀輪廓(圖3a 曲線1。隨著磨削進行,因磨損形成的明顯階梯表面消失,一定時間內形成的連續輪廓對獲得良好表面和減小磨削力有利(圖3a 曲線2。當砂輪磨損到一定程度后則無法保證足夠的精磨和光整加工寬度(圖3b 曲線3,需要進行 修整。 圖3 砂輪磨損過程1. 階梯磨損2. 圓弧磨損3. 圓弧擴大 圖3a 中砂輪磨損過程的第m 個臺階處的砂輪總磨損量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 為常數,s d 和w d 是砂輪直徑和工件直徑。與普通磨削相比,在砂輪磨損相同時點磨削具有更大的材料去除率。砂輪的徑向磨損量因改善磨料層結構和砂輪傾斜而減小,角度越小磨損量越小,在0.5°,+0.5°時,砂輪更耐磨。3 單顆磨粒劃擦試驗及成屑機理3.1 點磨削參數下的單顆磨粒劃擦試驗研究點磨削參數條件下的單顆磨粒作用機理可以幫助了解點磨削加工機理。點磨削試驗中砂輪和工件的合成速度可輕易達到140 m/s 。單顆磨粒在臨界速度下的切削試驗原理如圖4。圖4 單顆磨粒點磨削劃擦試驗從磨粒形貌的物理特征可知

18、,實際應用中的單顆磨粒一般包括多個切削刃。切深一定時,這些切削刃對工件同時發生劃擦和切削作用。圖5為過砂輪所在平面經砂輪工件接觸區剖切工件所得截面,理想情況下,砂輪周邊磨料層可以看作是無數等間距的微小切削刃,在砂輪軸高速旋轉時,這些切削刃去除工件材料,前一磨粒留下的余量由后續磨粒去除,最終形成磨削表面。同一砂輪平面內的磨粒間隔越小,因切削刃間隔造成的殘留余量越小,磨削表面粗糙度越理想。工件轉速越低,經過同一工件表面的磨粒數越多,殘留余量也越小。若磨粒分布均勻,則磨粒等高性好,相鄰磨粒切削工件殘留的表面凸峰高度越小,凸峰形態越規整,如圖5中A 、B 點。圖5 同一砂輪截面內的連續切削刃切削模型

19、為了方便觀察單顆磨粒的劃擦痕跡,先將外圓試件表面磨光,在此基礎上再進行劃擦試驗,圖6為試驗后獲得的掃描電鏡(Scanning electricmicroscope, SEM圖像,其中標記區域為劃擦痕跡和材料塑性隆起。從圖6a 可知,由于磨削加工中的工件砂輪系統的彈性變形和振動存在,造成相鄰兩轉單顆磨粒的切削深度和劃擦位置不一致,形成的劃痕寬度和長度也不相同,這也可以解釋為磨削加2010年9月 鞏亞東等:超高速點磨削相關機理研究 175工的隨機性6。但只要砂輪切深相同,獲得的劃擦痕跡的長度、寬度和深度就基本一致。當大量磨粒在點磨削參數條件下磨削時,形成眾多相互交錯、隨機分布的切削劃痕,最終表面就

20、更均勻。圖6b 為圖6a 中標記劃痕在500倍放大得到的圖像,可以看出磨粒劃痕兩側出現隆起和材料擴散。 圖6 單顆磨粒點磨削參數下劃痕SEM 圖用Keyence 激光位移傳感器測量磨粒劃擦工件 表面的試驗結果如圖7,其中連續曲線為實測數據的二次擬合,其輪廓與理想磨粒相似,但要比理論的磨粒劃擦深度小,而理論切深應與磨粒突出高度(120/140號磨粒尺寸125 m 的40%50%相當。這主要是由于磨粒在切削工件時砂輪工件系統間的彈性變形造成的。因此,單顆磨粒在切削時切削刃的前刀面會產生彈性應變,當其應力增加并超過材料屈服強度時,部分工件材料向切削刃兩側和前端隆起,切深和磨粒切削速度足夠時,最終在切

21、削刃前端形成切屑。 圖7 單顆磨粒劃擦輪廓及其擬合曲線點磨削單顆磨粒在工件上劃擦留下的劃痕比 磨粒輪廓稍淺且圓滑,其切深范圍030 m ,因 此切向力分布不是定值。因磨粒始終繞圓盤中心轉動,其切削刃前角始終在變化,會對磨粒比切削能有影響。磨削加工中比切削能可看作眾多磨粒對工件的機械做功。對于單顆磨粒切削作用的計算可以通過單顆磨粒的比切削能來表述,式(2用定量表述單顆磨粒的連續切削行為和間斷切削行為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 為材料去除體積,l 是單顆磨粒的劃擦長度。式(2中材料去

22、除體積總量一定,但是磨粒的切向力不恒定,所以單顆磨粒的比切削能的變化趨勢與磨粒的切向力趨勢相同6。磨粒切削速度增加時,比切削能降低,這也很好地從微觀角度解釋了高速/超高速磨削的砂輪速度提高時,磨削力反而降低的現象。 3.2 切屑生成機理點磨削的理論切屑厚度和面積與相鄰兩個連續切刃的運動軌跡有關。圖8為砂輪第n 1,n ,n+1個切刃在過砂輪平面剖切工件所得截面內參與切削的軌跡。陰影區域為單位寬度砂輪周邊第n 個磨粒的切削面積,h max 為最大切屑厚度7,表達式為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、是砂輪速度,gw c 是與砂輪形貌有關的系數,e 為相應正指數,e s w /d d d = 2w s (cos d d +是砂輪當量直徑。圖8 點磨砂輪連續切刃切削軌跡由式(3可知,在其他磨削參數不變時,增大砂輪速度可以降低單顆磨粒的切屑厚度,減小磨削力,改善磨削質量,并且可以增加材料的整體去除率。在砂輪的整體材料去除率一定時,增大磨削速度可以減小單顆磨粒的磨削力,減少砂輪磨損,改善工件表面粗糙度和加工精度。在單顆磨粒的切屑厚度一定時,增大砂輪速度可以提高材料去除率。4 點磨削運動軌跡分析 4.1 工件臨界軸向進給速度 相對于每轉的軸向進給量,點磨削精磨區域要有足夠的寬度以保證充足的旋切圈數

24、以生成光整磨 后表面,即工件軸向進給速度f v 應小于其臨界值 f v 。但是f v 太小或砂輪太寬會增加磨削力和顫 振8。因此,保證最小旋切圈數的fv 滿足f w w v v b d = (4機 械 工 程 學 報 第46卷第17期176式中,b 為精磨區寬度。點磨削外圓時,砂輪工作在高速/超高速范圍,工件許用轉速提高,最高可達10 kr ·min 12,有利于在使用薄砂輪時保證充足的旋切圈數。圖9為工件相鄰兩轉對應砂輪在其表面上的軌跡。其中,s d 為相鄰轉的砂輪軌跡間隔,反映在磨后表面上就是 零件的加工余量寬度,s s 為相鄰轉的砂輪重合寬度,s s 大則相當于增加了光磨行程,增加了單位時間內經過同一表面的有效磨粒數,有利于獲得良好加工表面。但是s s 太大則材料去除率低,并且