内冷式砂轮的理论研究

四川理工学院毕业设计（论文）四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目 内冷式砂轮的理论研究 学 生 雷 志 江 系 别 机 电 工 程 系 专 业 班 级 机械设计制造及自动化03.2班学 号 030110409 指 导 教 师 张 捷 摘 要该设计通过对各种构想理论的分析筛选，初步设计出内冷式砂轮的结构。设计对于内冷式砂轮的内部结构，流道设计，流道布置等问题作了比较完整的分析，该次设计的内冷式砂轮，主要是通过改造传统砂轮结构而来的，易实现理论的现实转化，该设计有效的解决了砂轮加工中，磨削热导致的磨削烧伤和磨削裂纹的问题，具有很高的实用价值。但该设计还有不够完善的地方，需要更进一步的研究，于实践中得到不断改进并成型。关键词：内冷式砂轮、喷液流道、切开线、开槽式砂轮、蜂窝式内冷式砂轮ABSTRACTThe design concept of the various theoretical analysis of the screening, preliminary design cooling-wheel structure. Design for the Cold-wheel within the internal structure, the design flow, flow layout made more complete analysis, The design of the cooling-wheel, mainly through the transformation of traditional structures from the wheel, easy realization of the theory into reality. The design of an effective solution to the wheel machining, grinding thermal burns caused by the grinding and grinding cracks, has high practical value. But the design also not perfect and needs further study, the practice has been continually improving and molding.Keywords : cold-wheel, jet flow, the incision line, slot-type wheel, cellular cooling Wheel I目 录中文摘要I英文摘要II前言1第1章 绪论4第2章 内冷式砂轮设计构想与材料的现实分析82.1 设想1：利用泡沫金属82.2 设想2：利用粉末冶金生产一种适合的材料92.3 设想3：利用黏土和高硬磨粒混合烧结102.4 设想4：利用传统工艺制作内冷式砂轮13第3章 内冷式砂轮的结构设计143.1 开槽式内冷式砂轮结构的初步构想143.1.1渐开线流道分析153.1.2冷却方式的分析183.2蜂窝式内冷式砂轮结构设计20 3.2.1内冷式砂轮流道设计研究21 3.2.1.1切开线的发现与分析21 3.2.1.2切开线流道的数学分析22 3.2.2 蜂窝式内冷式砂轮结构初步构想23 3.2.3蜂窝式内冷式砂轮的内部结构设计 243.2.3.1蜂窝式内冷式砂轮的内部容液及密封结构设计 253.2.3.2孔道大小的确定263.2.3.3砂轮的流道布置分析273.2.3.4砂轮孔道的成型303.2.3.5内冷式砂轮的制作工艺情况说明32第4章 结论33参考文献34致谢35附录A：切削液选用参考表36附录B：塑料浇铸情况简介37附录C：磨削弧区采用径向射流冲击强化换热的试验研究3951前 言随着现代机械加工的不断发展及各种新型材料的出现，对其加工精度表面粗糙度要求越来越高，磨削加工有很大的发展，已广泛应用于机械加工行业，磨削的机械零件有很高的精度和极低的表面粗糙度。随着机械制造的精度提高，一个国家的磨削工艺水平，往往地反映了国家机械制造的水平。磨削加工除能磨削外圆，内圆，平面外，还能磨削螺纹、齿轮，以及刀具、模具等复杂零件表面加工。磨削技术不断研制和使用新型的超硬的磨料磨具，开发和推广超精密磨削，高效的磨削工艺和研制，应用在高精度、高刚度的磨床和磨削加工中。一、新型和超硬磨料磨具1、陶瓷刚玉磨料砂轮陶瓷刚玉磨料经过化学陶瓷化处理，晶体瓷胶仪后破碎成颗粒，最后烧结成磨料，陶瓷刚玉砂轮韧性比普通刚玉砂轮好，其自锐性、锋利性形状保持及寿命比普通砂轮高22.5倍，但这种砂轮目前的制造成本高，通常多与白刚玉或棕刚玉砂轮混合体，这种混合砂轮仅在发达国家被普遍使用。 2、人造金刚石砂轮 人造金刚石砂轮，由磨料层、过渡层和基体三部份组成，人造金刚石砂轮用于磨削超高硬度的脆性材料，如硬度合金，花岗岩，宝石，光学玻璃，和陶瓷等。 3、立方氮化硼砂轮 立方氮化硼砂轮的立方氮化硼颗粒粘在普通砂轮表面只有很薄一层，其磨粒韧性、硬度、耐用度是刚玉类砂轮的100倍，适用于高速或超高速磨削，以及难加工材料如高速纲，耐热钢等。它不能用普通切削液，需要特殊的切削液。在机械加工中砂轮磨削作为磨削加工一个重要的组成部分，不仅从砂轮材料方面得到不断的发展，各种技术改革一时间成为一种热点。其相应的各种砂轮磨削方式不断出现来满足现代工业的不断发展。二、砂轮磨削特点砂轮是由磨料和结合剂粘结而成的特殊多刃刀具，在砂轮表面每平方厘米面积上约有601400颗磨料，每颗磨粒相当于一个刀齿，磨粒是一种高硬度的非金属晶体，它不但可磨削铜，铸铁等较软的材料，而且还可以加工各种淬火钢的零件，高速钢刀具和硬质合金等硬材料以及超硬材料。它与其它加工方式比较具有自己的特点：（1） 磨削速度很高，每秒可达 30m50m；磨削温度较高，可达1000 C1500 C；磨削过程历时很短，只有万分之一秒左右。（2） 磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值。（3） 磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁和有色金属等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料，如瓷件、硬质合金等（4） 磨削时的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金属层很薄。（5） 砂轮磨削具有自锐性，磨削效率高，磨削稳定。砂轮磨削的现状磨削温度高，在磨削过程中常规的冷却方法在某些精度及表面质量要求高的场合下已经明显不能达到冷却要求，经常出现冷却不足，造成磨削裂纹等质量问题。为了解决磨削裂纹，便出现了各种理论和改进方法。各国科研人员对此进行了广泛地研究，有的提出了设计制造特别疏松组织的砂轮，利用其内部空隙通以一定压力的磨削液，温度相对较低的磨削液通过砂轮内部达到磨削区，起到减少磨削热，降低磨削温度的作用。但该方法很不好控制砂轮内部疏松状况，因而不能很好控制磨削液，进入磨削区的磨削液实际是间断的，因而砂轮高速旋转时甩出的磨削液不能形成水流状，而是雾状，影响冷却效果，很难控制磨削质量；有的研制出带通液孔的CBN砂轮，这一方案虽然保证了进入磨削区的磨削液是连续的，但由于喷嘴工作时喷出液体到达砂轮内时压力不稳，并且较小。另外通液孔尺寸较小，形状、位置不佳，使磨削液从砂轮内部出来时成雾状，也不能达到良好的降温效果。从国际上的研究情况表明，内冷式砂轮在这方面具有很好的效果，由于其在冷却过程中有即时冷却的特点，也使我们对这一设计有了自己的一些想法。内冷式砂轮的设计目的及思路1、 内冷式砂轮作为砂轮磨削中的一种新技术，其本身的设计目的就是为了使磨削过程中的冷却变得更充分，以达到快速降低磨削区温度，从而减少因磨削热导致的磨削裂纹等情况的发生。国际上的相关研究也取得了一些相应的成果，市场上也出现了一些相关的产品，但在技术方面还处于起步阶段，内冷式砂轮的结构还不十分理想，从这一点来看仍然还有广阔的研究空间和研究价值。2、 在内冷式砂轮方面，中国目前还没有相应的产品，国际市场中的内冷式砂轮其价格又较高，以中国国情来看很难进行规模化，因此，有必要研究设计出一种价格便宜，冷却性能好，适应中国国情推广和使用的内冷式砂轮。3、 国内的磨削加工水平不足，在许多加工质量要求较高的地方，我们不得不采用国外的先进技术，这也从一定程度上制约了我国的机械加工水平的发展。由于要实现砂轮的内冷，砂轮的结构就会比较复杂，制造工艺也就相对变得复杂，必然使砂轮的制作成本增加。在设计时我们要考虑到我国目前的国情，以及砂轮在国内的可推广性，在这个设计中，无论我们是试图通过何种方式来实现内冷式砂轮这一设计，我们都应以减少制作的工艺，降低砂轮的成本为出发点。并经过筛选分析，选择一种最适合的方式入手来进行设计。第一章 绪论磨削与常规的机械加工相比，砂轮表面的微小磨粒切削刃的几何形状是不确定的（负前角为- 60 - 85，刃口楔角为80145，刃端钝圆半径为328m），而且切削刃的排列（凹凸、刃距）是随机分布的，磨削厚度非常薄，在几个微米以下；磨削速度高达10007000m/min，磨削点的瞬时温度可达1000以上，因此去除相同体积的材料所消耗的能量达到车削时的30倍。磨屑的形成过程磨屑的形成大致分三个阶段，下图用单个磨粒磨削时磨屑的形成过程。图11单个磨粒磨削过程示意图第阶段（弹性变形阶段）由于磨削深度小，磨粒以大负前角切削，砂轮结合剂及工件、磨床系统的弹性变形，当磨粒开始接触工件时产生退让，磨粒仅在工件表面上滑擦而过，不能切入工件，仅在工件表面产生热应力。第阶段（塑性变形阶段）随着磨粒磨削深度的增加，磨粒已能逐渐刻划进入工件，工件表面由弹性变形逐步过渡到塑性变形，使部分材料向磨粒两旁隆起，工件表面出现刻痕（耕犁现象），但磨粒前刀面上没有磨屑流出。此时除磨粒与工件的相互摩擦外，更主要是材料内部发生摩擦。磨削表层不仅有热应力，而且有因弹、塑性变形所产生的应力。第阶段（形成磨屑阶段）此时磨粒磨削深度、被切处材料的切应力和温度都达到一定值，因此材料明显地沿剪切面滑移而形成切屑从前刀面流出。这一阶段工件的表层也产生热应力和变形应力。但是由于磨粒在砂轮表面上排列的随机性，磨削时，每个磨粒与工件在整个接触过程中，作用情况可分如下三种：1、 只有弹性变形阶段；2、弹性变形阶段+塑性变形阶段+弹性变形阶段；2、 弹性变形阶段+塑性变形阶段+切屑形成阶段+塑性变形阶段+弹性变形阶段。磨削热和磨削温度 磨削过程中所消耗的能量几乎全部转变为磨削热。试验研究表明根据磨削条件的不同磨削热约有6085进入工件1030进入砂轮0.530进入磨屑另有少部分以传导对流和辐射形式散出。磨削时每颗磨粒对工件的切削都可以看作是一个瞬时热源在热源周围形成温度场。磨削区的平均温度约为4001000至于瞬时接触点的最高温度可达工件材料熔点温度。磨粒经过磨削区的时间极短一般在0.010.1毫秒以内在这期间以极大的加热速度使工件表面局部温度迅速上升形成瞬时热聚集现象会影响工件表层材料的性能和砂轮的磨损。 磨削精度和表面质量 大多数情况下磨削是最终加工工序因此直接决定工件的质量。磨削力造成磨削工艺系统的变形和振动磨削热引起工艺系统的热变形两者都影响磨削精度。磨削表面质量包括表面粗糙度波纹度表层材料的残余应力和热损伤(金相组织变化烧伤裂纹)。影响表面粗糙度的主要因素是磨削用量磨具特性砂轮表面状态(也称砂轮地形图)切削液工件材质和机床条件等。产生表面波纹度的主要原因是工艺系统的振动。由于磨削热和塑性变形等原因磨削表面会产生残余应力。残余压应力可提高工件的疲劳强度和寿命残余拉应力则会降低疲劳强度当残余拉应力超过材料的强度极限时就会出现磨削裂纹。磨削过程中因塑性变形而发生的金属强化作用使表面金属显微硬度明显增加但也会因磨削热的影响使强化了的金属发生弱化。例如砂轮钝化或切削液不充分在磨削表面的一定深度内就会出现回火软化区使表面质量下降同时在表面出现明显的褐色或黑色斑痕称为磨削烧伤。 一、 磨削裂纹的产生机理 磨削裂纹的产生是磨削热引起的，磨削时零件表面的温度可能高达820840或更高。淬火钢的组织是马氏体和一定数量的残余奥氏体，处于膨胀状态(未经回火处理尤为严重)。如果将其表面快速加热至100左右并迅速冷却时，必然将产生收缩，这是第一次收缩。这种收缩仅发生在表面，其基体仍处于膨胀状态，从而使表面层承受拉应力而产生微裂纹，这是第一种裂纹。当温度升至300时，表面再次产生收缩，从而产生第二种裂纹。马氏体的膨胀收缩随着钢中含碳量的增加而增大，故碳素工具钢和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。 淬火钢中的残余奥氏体，在磨削时受磨削热的影响即发生分解，逐渐转变为马氏体，这种新生的马氏体集中于表面，引起零件局部体积膨胀，加大了零件表面应力，导致磨削应力集中，继续磨削则容易加速磨削裂纹的产生；此外，新生的马氏体脆性较大，磨削也容易加速磨削裂纹的产生。另一方面，在磨床上磨削工件时，对工件既是压力，又是拉力，助长了磨削裂纹的形成。如果在磨削时冷却不充分，则由于磨削而产生的热量，足以使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后再次淬火成为淬火马氏体。因而使表面层产生附加的组织应力，再加上磨削所形成的热量使零件表面的温度升高极快，这种组织应力和热应力的迭加就可能导致磨削表面出现磨削裂纹。 二、磨削裂纹的特征 磨削裂纹与一般淬火裂纹明显不同，磨削裂纹只发生在磨削面上，深度较浅，且深度基本一致。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向的平行线，且规则排列的条状裂纹，这是第一种裂纹。较严重的裂纹显龟甲状(封闭网络状)，其深度大致为0.03-0.15mm。用酸腐蚀，裂纹明显易见。这是第二种裂纹。三、磨削裂纹的防止措施磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。1、 一般所采用传统的湿磨法，无论如何注入切削液，切削液都不可能在磨削的同时进入磨削面，因而无法降低磨削点位置的磨削热。切削液只能是使砂轮和零件的磨削点在磨削走过后瞬时受到冷却，同时切削液对零件的磨削点起淬火作用，因而事实上加大了磨削裂纹的产生。2、 如果采用背吃刀量选择较浅的磨法，可减少磨削裂纹。但是这种方法效果不是很显著，而且灰尘飞扬，影响工作环境，不宜采用。3、 选用硬度较软、粒度较粗的砂轮来磨削，可以降低磨削热。但如果粒度太粗时会影响工件的表面粗糙度。对于表面粗糙度质量要求高的工件，不能采用此法，因而受到一定的限制。4、 分粗精磨，即粗磨选用粒度较粗的软砂轮磨削，便于强力磨削，提高效率，然后再用粒度细的砂轮进行精磨(背吃刀量较浅)。分开两台磨床进行粗磨和精磨，这是一种比较理想的方法。加工过程相对变长，效率降低。5、 选用粒度较为锋利的砂轮，PA3646K，及时清除砂轮表面积屑，减少背吃刀量，增加走刀(磨削)次数，减小工作台速度，取=12m/min，也是一种有效的减少磨削裂纹的途径。6、 采用内冷式砂轮磨削。所谓内冷式，即有砂轮内部向外喷冷却液，使其由磨削区向外流动，在磨削的过程中有效保持磨削区的温度 ，使磨削裂纹的产生条件得不到满足，从而有防止了磨削裂纹的产生。磨削液的选择削液的正确应用对于成功的磨削十分重要。磨削液的作用是对切削弧区进行冷却和润滑。水基磨削液的作用主要是冷却，也有一定的润滑作用。而冷却油的作用主要是润滑，有点冷却作用。全合成添加剂的水基磨削液，最适用于锋利的强力磨削砂轮，这种砂轮通常工作时切削弧较长，需要较好的冲刷作用。 半合成添加剂的磨削液，最适用于磨削复杂形状和要求润滑性能良好，以防止烧伤的场合。单纯的油剂适于磨削复杂形状，切削弧较短、磨削光洁度要求较高的场合。而乙二醇基的磨削液适用于采用立方氮化硼砂轮而又要避免使用单纯油剂的场合。具体情况参见附录A。第二章 内冷式砂轮设计构想与材料的现实分析2.1 设想1：利用泡沫金属在查阅资料时，我们发现了一种称为泡沫金属的材料。泡沫金属是一种通过特殊的工艺制成的多孔金属，具有不规则孔洞，并可以在一定范围内控制孔洞的密集度和孔洞的大小。优势分析：1、 泡沫金属的多孔特性十分利于磨削冷却液的驻存，可以使冷却变得容易，能有效的提高冷却速度和冷却质量。2、 泡沫金属是在现有的常见金属为基础的特殊工艺下的产品，取材也较为方便，对于金属的强度等机械性能可以较好的控制，也便于实现后继的工艺。3、 作为常用金属的特殊工艺形式，其易于实现铸造等加工方式，便于制作成各种复杂形状。存在问题：1、 经过对泡沫金属的特性进行分析发现，泡沫金属的切削性能不足，可应用于切削的适用范围不大，作为切削工具的价值不足。2、 泡沫金属在制作砂轮时不能满足磨削原理。关于泡沫金属应用于砂轮切削的可能性构想：虽然在现在对于泡沫金属在砂轮切削应用方面无法实现，但对于泡沫金属应用于切削，我还是认为有可能的。对此我个人一直存在一种构想，在制作泡沫金属的过程中，加入高硬材料粒子，以加强泡沫金属的切削性能。这不仅使泡沫金属具有了较大的切削适应范围，同时也可以充分利用泡沫金属的多孔特性提高切削的冷却质量，从而实现加工质量的提高。多孔泡沫金属简介：多孔泡沫金属材料是近年发展起来的一种结构功能一体化材料，也是一种金属与气体的复合材料，正是由于这种特殊的结构，使之表现出能量吸收性(如吸音、减震等)、渗透性、阻燃耐热性、轻质等特点，故在吸音材料、减震材料、过滤器材料以及电池电极材料等方面具有广泛的应用。2.2 设想2：利用粉末冶金生产一种适合的材料粉末冶金的概念及特点粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。但其模具和金属粉末成本较高，批量小或制品尺寸过大时不宜采用。粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比，具有以下特点： 1、 粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的，因此可以获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品。2、 提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。3、 利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。要生产一种适合的材料，达到砂轮理想的形态，我们考虑采用粉末冶金技术。利用耐高温磨粒与一定量的结合金属微粒混合，然后通过粉末冶金的方式压制成。在这里应该注意一个问题，在磨粒与结合剂微粒混合时的比例控制上，应该找出一个最佳点，使混合粉粒在压制烧结成形后，即能达到一定结合强度和其它机械性能外，还能在金属内部形成大量的微孔，以利于让金属在制作成砂轮后可以实现存贮冷却液的作用。优势分析：1、 利用粉末冶金技术，使砂轮在制造过程中，工艺大为简化，可以实现规模化、批量化、流水线生产，大大提高生产效率，降低生产成本。2、 在复杂结构成形方面将变得简单，可以更容易的实现较复杂的设计结构。3、 由于采用了粉末技术，使得在砂轮质量的控制方面更轻松，使砂轮自身的精度和加工质量更好。在材料的制作过程中，我们首先要解决的问题是材料混合过程中的结合剂的选择。结合剂选择铝、铜等软金属粉粒材料工艺分析：1、 铝、铜等金属的溶点低，在选择磨粒的时候可以有更大的选择范围，加工的要求较低。2、 铝、铜等金属原料的来源方便，质量也更容易得到保障。存在问题：从砂轮的切削原理分析发现，铝、铜等软金属结合的材料无法实现完整的磨削过程，因为当磨粒在磨削过程中脱离砂轮后，软金属结合剂会在磨削过程中发生塑性流动，将磨粒脱落后形成的孔点填平，砂轮表面会在磨削过程开始后迅速形成油光表面，使砂轮失去切削功能。通过对软金属材料的分析，发现的问题使得我们前面的设想无法实现，问题出在结合剂上面。因此我们也设想通过脆性材料做结合剂，如果材料的性能可能满足制成砂轮后有足够强度，并且可以实现完整的磨削过程，那么前面的设想仍然可能成为现实。但在此限于我们的资料有限，暂时没有找到合适的脆性材料，故暂时放弃这一设想。以上构想作为一种参考，等以后有条件再做进一步探讨。2.3 设想3：利用黏土和高硬磨粒混合烧这种砂轮的制作方法制作的砂轮，一般情况下也称为陶瓷砂轮。优势分析：1、 目前的砂轮行业中，陶瓷砂轮也有一定的应用，相对而言也就有了可以借鉴的东西。2、 考虑使用这种方法制作内冷式砂轮，另一原因主要也是因为，这种方法在制作过程中可以方便的实现较为复杂的工艺结构。3、 同时黏土在我国大部分地区都可以方便的找到，便于就地取材，原料成本低。存在问题：1、 虽然这种方法的取材方便，原料成本低。这种方法在砂轮的制作工艺上却相对要复杂许多。2、 原料成份的控制比较困难，要保证砂轮的生产质量就需要更多相应的投入，不利于成本控制。3、 由于内冷式砂轮的内部结构相对复杂，采用这一方式制作砂轮，烧结时较易产生裂纹，影响内冷式砂轮的结构实现。相关材料对这种砂轮有了相对较为全面的分析，同时也表明这种结构不适宜使用冷却液进行冷却。以下是来自网上的相关分析：对普通磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已经开展了广泛而深人的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削特别是针对有特殊加工性能的陶瓷和玻璃等工程材料的磨削机理和磨削工艺方面，国内外开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整的理论体系，还需要进行更深入的研究，找出其内在的规律。1 材料的基本去除机理 在陶瓷材料加工过程的研究中，最复杂的便是材料的去除机理。研究表明，在陶瓷磨削加工过程中，材料去除主要基于以下几种去除机理：晶粒去除、剥落、脆性断裂、破碎、晶界微破碎等脆性去除方式，粉末化去除和塑性去除方式等。 a. 材料的脆性去除机理 通常情况下，陶瓷磨削过程中，材料脆性去除是通过空隙和裂纹的成形或延展、剥落及碎裂等方式来完成的，具体方式主要有以下几种：晶粒去除、材料剥落、脆性断裂、晶界微破碎等。在晶粒去除过程中，材料是以整个晶粒从工件表面上脱落的方式被去除的。1990年，K.Subramanian等指出晶粒去除的同时有材料的剥落去除。剥落去除方式是陶瓷材料磨削中十分重要的去除方式工 。1992年，D.W.Richerson提出在材料剥落去除机理中，材料是因磨削过程中所生的横向和径向裂纹的扩展而形成局部剥落的。该方式的主要缺陷是裂纹的扩展会大大降低工件的机械强度。1995年、1996年Xu、H.H.K，、Jahamir.S等人相继指出，对氧化铝、玻璃陶瓷、氮化硅、碳化硅等陶瓷材料的加工表明，在陶瓷磨削过程中晶界微破碎和材料晶粒状位错在材料去除过程中也起了关键作用。1998 年，德国Achen生产工程研究所V Sinhoff对杯形金刚石砂轮磨削光学玻璃进行了研究，重点是研究脆性了延性转变的特性，并将材料中的应力分布，裂纹几何形状等损伤看成是磨粒几何形状，材料特性和外载荷等因素的函数，建立磨削评价模型，然后用T.G.Bifano能量守恒定律来描述材料的脆性去除向延性去除过程的转变过程。b. 材料的粉末化去除机理 在精密磨削过程中，当磨削深度在亚微米级时，碎裂和破碎不会发生，此时主要可能产生材料粉末化现象。材料粉末化去除机理认为，磨削过程中磨粒会引起流体静态压应力，该压应力所包围的局部剪切应力场引起晶界或晶间微破碎，从而产生材料粉末化现象。陶瓷材料晶粒因粉末化去除被碎裂成更细的晶粒，并形成粉末域。c. 材料的塑性去除机理 塑性去除方式类似于金属磨削中的切屑成形过程，其中涉及了滑擦、耕犁和切屑成形，材料是以剪切切屑成形方式去除的。塑性去除机理主要是指陶瓷磨削的延性域磨削。在一定的加工条件下，任何脆性材料均能够以塑性流动的方式被去除。压痕断裂力学模型预浏了产生横向裂纹临界载荷，在低于这一临界载荷加工条件时，材料将以塑性变形去除为主。目前国内外许多专家学者在研究对陶瓷实现延展性磨削和半延展性磨削技术，以减少工件表面的微裂纹、裂缝，提高工件的使用性能。 1989年，T.G Bifano 明确提出加工脆性材料的延性域磨削新工艺，认为采用高刚度高分辨率精密磨床，通过控制进给率，就可使硬脆材料以延性域模式去除材料，并给出了临界磨削深度表达式：DC=0.15 (E/H)(KC)2，并根据能量守恒是律描述了延性域磨削时，进给率和材料特性的关系阅。1991年，BifanoT、DowTA 、ScattergoodRO采用配有超精密进给控制装置的专用磨床对陶瓷材料的延性域磨削进行了系统的研究。研究结果表明，对于各种脆性材料在对应的脆性转变时的磨削进给量与材料性能(如断裂韧性、硬度、弹性模量)之间存在一定的关系。在磨削深度足够小的情况下，所有脆性材料将以塑性流动的方式去除而不是以脆性断裂方式去除的 。 延性域磨削方式虽能获得相当好的表面质量，但效率较低且加工成本高。采用高的砂轮磨削速度可以增加塑性流动并可得到高磨除率。1993年，Inoue 等人用120#金刚石砂轮磨削RESN的实验结果表明，在170m/s 速度下，工件表面崩裂的比例由25m/s的48%降到12%。1994年，KOvch等使用陶瓷结合剂金刚石砂轮在160m/s速度下磨削陶瓷，获得5100的高磨削比。1996年，Malkin 等进行的研究则进一步说明，高速超高速磨削中的表面破碎减少和塑性流动的显著增加可能与在较高磨削温度下所形成的玻璃相有关。实际磨削过程的影响因素很多，如机床刚度、磨削深度、砂轮速度、磨粒尺寸、形状、几何角度及温度等。要实现延展性磨削，其条件相当苛刻。目前大多数采用半延展性磨削，这时加工表面是由微破碎面和塑性变形完成切削的大平面交互混合形成的，能使表面缺陷减少到最低限度，获得良好的加工表面完整性，提高工件的强度等使用性能。半延展性磨削过程中，陶瓷材料通过磨粒作用处大量的微破碎和塑性变形被去除。当磨粒的切削刃切入工件引起的应力场比缺陷小时，材料将以塑性变形的方式被去除；相反当应力场大于缺陷时，裂纹扩展引起的局部集中的脆性破坏将起主要作用。由于砂轮上磨粒的钝锐、高度分布之别，各个磨粒的磨削深度不同，使得材料通过脆性破坏和塑性变形的共同作用而被去除，从而实现了半延展性磨削。 柯宏发等人提出，在对陶瓷进行半延展性磨削时，由于陶瓷的导热性能较差，冷却液的迅速冷却会加大陶瓷的脆性，导致表面产生微裂纹。如果要获得良好的加工表面，应不使用冷却液，以使陶瓷尽可能的以塑性变形的方式去除。,2.4 设想4：利用传统工艺制作内冷式砂轮优势分析：1、 传统工艺有成熟的工艺方法，完整的制作设备和场地，实验和制作方便。2、 对于制作材料的性能和变化把握更准确合理，可以更好的避免制作过程中出现不必要的问题。3、 易于实现设计在行业内迅速推广，可以更快的实现价值转换。存在问题：传统方法的问题主要在于结构设计过程中必需要考虑结构的实现可能，在设计砂轮的内部结构时要考虑砂轮自身的可实现性。方案总结：通过对以上几个设想的分析发现，各种方法都或多或少的存在这样那样的问题。其中对于现有的材料来讲要实现铸造的方法制作砂轮还不大可能，不过作为一种构想，也许在将来出现某种材料的时候也许会成为一种可能实现的技术。而关于利用粉末冶金的构想，个人认为可行性较大。最主要的是找到合适的结合剂，实现不是不可能的。但就目前而言，由于我们的知识面还不够，以及相关知识的不足，无法对上术的设想做进一步的研究，但在这里仍然作为一种思路提出来，希望给后来的研究一些参考，或者给个思路的借鉴。对于这次的课题设计我们在最终考虑各方案的可性度后，决定采用传统的砂轮制作方法作用突破口，主要的工作放在结构的设计上来考虑，希望能找到一个较为合理的结构方案来实现砂轮的内冷式结构。如果以后有条件实现前面的设想，完全可以把传统结构应用于新的技术方法上。第三章 内冷式砂轮的结构设计要解决的主要问题：1、设计砂轮内部冷却结构，提高砂轮冷却液的利用效率。2、解决外冷方式冷却不足的问题。3、保持冷却液在砂轮使用过程中的冷却方向一致。内冷式砂轮的工作原理内冷式砂轮工作原理：通过液压系统提供带有一定压力的冷却液，经过主轴上的供油通道输送到砂轮内部，然后经由砂轮内部的送液通道，最后从砂轮的各出液口喷出。从而实现砂轮工作面的快速冷却。3.1 开槽式内冷式砂轮结构的初步构想1、 为了使冷却液从砂轮内部向外冷却，砂轮与主轴接触面绕轴开封闭槽，使冷却液在砂轮内部形成压力液腔，使冷却液能实现由砂轮内送液通道向外的喷射过程。2、 为了保证冷却液的喷射方向始终保持不变。准备采用径向直通道。设计内冷式砂轮简图如下： 直喷口砂轮示意图砂轮的喷液口径向开口可以使砂轮在磨损的过程中始终保持出液方向不变，不过同时我们也发现一个问题，由于喷液口是径向开的，磨削过程中，喷液口迎向切削方向的一侧，与工件待切削面接触时，其接触角度较大，因此与工件的碰撞会产生较大的振动，并且会导致磨损加快，使加工质量不稳定，砂轮寿命缩短。我们考虑是否可以将这个接触角度变得很小，而又让喷液口在砂轮磨损的过程中角度不发生改变，这样就可以避免振动，克服砂轮使用寿命的制约。3.1.1渐开线流道分析我们首先从保持喷液口的角度在磨削过程中不发生变化这一点着手。经过分析后我们觉得渐开线可能满足要求。渐开线的产生原理如下：由图我们可以得出，渐开线上任一点的法线都与基圆相切，但我们得到的结论渐开线的走向不能满足每一点的方向在该点为半径的圆上方向一致，但如果取较少的磨削层里，可以近似认为一致，这里我们先使用这种曲线，并且继续寻找别一种更为合适的曲线，于是我们将最初的砂轮结构进行了修改。把径向直通道改为渐开线通道，这样一来，开口与工件接触边的角度减小，可以有效的避免径向开口产生的振动，从而提高砂轮的使用寿命。为了绘制渐开线砂轮的示意图进行分析，但由于我们对于模拟绘图知识的不足，所以利用AutoCAD软件进行了近似作图，最终形成的渐开线是利用近似的渐开线的点在曲线连接下产生的近似曲线 ，其具体的绘图过程如下：3-2渐开线绘制原理图我们在这里把圆等分为若干份（理论上来讲），每一份弧长近似等于L，从圆周起始，角度每增加一份，切线增加长度L，便得到一条近似的渐开线。3-3渐开线喷口砂轮示意图同时在修改的同时我们也对开口的方向做了一定调整，因为我们发现沿轴线平行开喷液口仍然存在问题，我们可以看到，砂轮磨削区并不是在每一个时间都能得到冷却，当砂轮的一条喷液口移开工作区而另一条喷液口还没有移入工作区的时候，工作区在这一时刻处于无冷却状态，会使磨削工件冷却不充分，影响磨削质量。为了让磨削过程中的各个时刻都能得到充分的冷却，我们考虑采用斜渐开线来制作喷液口。这样在各个时刻都会有1条以上的喷液口在磨削区，这样就不至于出现冷却盲区，更利于磨削的冷却。 图（1） 图（2）3-4砂轮开槽线形示意图第一次改为图（1）的单侧斜纹，但由于中间的喷口喷液时，前趋的一侧则由于转动的关系会出现冷却液冷却不到位的无冷却地带，故无法完成设计要求，经过再一次改进得到图（2）的人字斜纹，这样在中间喷液时，冷却液从两侧流出，整个过程中都会得到十分均匀的冷却。经过修改后，砂轮的喷液口与工件之间接触角过大导致碰撞振动的问题解决了。但同时也出现了新的问题，砂轮的工磨削层不能太厚，太厚的话磨削层上开的渐开线喷液口角度变化会较大，同时会将砂轮分割得很狭长并且越近砂轮中心会变得越小，砂轮的磨削层强度就不足，当砂轮在磨削过程中出现的轻微的接触碰撞，都可能会导致砂轮的磨削层崩落。同时由于砂轮磨削层被分割成许多个块，这些块之间是完全分开的，中间的间隙使砂轮在整个磨削过程中会因为与工件的接触而产生振动，使磨削表面产生振纹。这样的情况下不仅砂轮的使用寿命无法保证，同时加工表面的质量也无法得到可靠的保证。在这个地方我们的设计进入了一个比较困难的时期，如何解决这个问题呢。在与指导老师商量后，又从网上查了一些内冷式砂轮的相关资料后，我们对砂轮结构进行了一定的调整，将砂轮的减小魔削层厚度，加大了砂轮内衬垫的直径，这样在渐开线的分割下砂轮也不会出现强度不足的问题。不过也因为砂轮的磨削层太少，使得砂轮的利用率变得很低，对于我们的设计，无疑是一个巨大的难题，我们在设计时的设计是从现实应用角度来考虑的，但现在的情况却让我们的设计开始偏离了设计的目的。在这种情况下我们重新开始思考我们的设计，我们的设计出的问题在那里？怎么样才能够必变现在的这种状况？在遇到一系列的问题后，我们突然发现这一段的课题研究我们都在围绕这个最初的内冷式砂轮结构的方案进行改进，但我们忽略了几个问题：1、 这种开槽式内冷结构是不是完全意义上的内冷式结构？2、 对于这种冷却方式我们能不能通过外冷的方法来达到同样的结果？喷液方式上是否可用外喷液进行等效替换？3、 如果用外冷其冷却情况与内冷有什么差别？ 3.1.2冷却方式的分析通过罗列出以上的这些问题，我们再次考虑这个结构的冷却方式，该内冷式砂轮的结构在内冷式砂轮的工作原理上已经作了一些简要说明，在磨削的冷却过程中，冷却液从主轴受压后由开好的喷液口顺通道流出，其结构来讲已经具备了内冷的结构要求，已经可以称之为内冷式结构。这一点也说明我们最初的设计方向还是走对了的，只是我们是设计结构和方式可能还存在问题。于是我们对前面发现的问题继续进行分析。外冷却方式与内冷却方式的分析在分析这种冷却是否可以用外冷方式来实现等效替换时，我们选择了外喷这种针对开槽砂轮使用的冷却方式。在这个比较过程中，我们主要从以下三个方面来看：1、 单侧喷液冷却单侧喷液时，冷却液从开槽的一侧喷向砂轮，但我们知道砂轮在工作时处于高速旋转中，我们假设砂轮的轴向尺寸较大时，冷却液还未能到达砂轮磨削区的别一侧时，砂轮的旋转已经将冷却液带离了磨削区，这样一来，磨削区的冷却必然出现一侧得到冷却而另一侧没有得到冷却的冷却不均现象。冷却情况示意图如下：3-5单侧喷液冷却示意图2、 两侧同时喷液当在开槽两侧同时喷液时，由于开槽很窄（在这里说明一下开槽的问题，为了保证加工精度，必需让开槽口小于加工的最小切削余量，否则的话砂轮的加工精度降低，那么内冷式砂轮为了提高加工精度的设计意义也就不存在了。我们初步的设想是通过线切割的方式来完成这个开槽的工序，因此这个地方的开槽是非常窄的，准确点来说，只是开缝而已。）冷却液可能会堵塞两边的槽口，使中间形成气泡。同时砂轮的磨削过程中产生的切削热会使少量的冷却液气化，再两侧的冷却液堵塞槽口，气化体不能顺利排出，与开槽中间的空气混合，会将两侧的冷却液挡在槽口外，使砂轮的中部出现冷却死角，同样也达不到良好的冷却效果。冷却情况示意图如下：1区、3区为冷却液冷却区，2区为无冷却液汽泡区3-6液冷却示意图3、 从前后侧喷液前后侧喷液时，砂轮的开槽内可以存留少量的冷却液，但由于离心力的作用，这个存留量是相当少的，冷却相对来说比较均匀，但内于冷却液的量太少，冷却效果并没有多大的改善。4、 内喷液冷却内喷液冷却这种内冷方式的原理在前面我们已经多次提到，主要是通过内部的冷却液的压力把冷却液压出，通过砂轮的喷口通道喷出，为了让内喷液冷却的效果分析更加清楚直观。这里用我们初步设计的内冷式砂轮侧面剖切图示意图进行冷却液的喷液冷却分析：3-7冷却液流向示意图从上图我们可以看到。砂轮内部的冷却液在压力作用一从喷液口向外喷出，在喷到工件上时，冷却液受阻向两侧流出，由于砂轮内部不断有冷却液喷出，使得砂轮开槽内各处时刻处于冷却状态，不仅使冷却变得更充分均匀。同时开槽内不断流出的冷却液还可以带走开槽内的切屑，有利于提高磨削加工的表面质量。冷却方式比较分析通过以上的几种冷却方式来看，内冷喷液冷却方式的效果明显比外喷冷却液的方式更高效，冷却中基本可以实现均匀冷却，没有明显的冷却盲区。内冷却的冷却方式优于外冷却，我们要解决的问题是寻找一种更合理的冷却结构来更好的实现砂轮的内冷。设计思考：我们是不是走入了一个设计的思维局限，我们最初的设计结构在不断的分析和改进过程中出现了更多的问题，而且有一些问题是我们目前无法解决的，如利用渐开线开槽制作喷液口时，就出现了砂轮利用率不足这个目前来说无法调和的矛盾。有没有一种更好的结构可以同样实现内冷而又不会导致砂轮强度不足，这样就可以很好的解决砂轮的利用率问题。3.2 蜂窝式内冷式砂轮结构设计经过对前面的设计结构的总结分析，以及对我们所遇到问题思考，我们放弃了开槽式内冷式砂轮这一结构，而是在开槽式内冷式砂轮的结构基础上设计了一种更为合理的形式，我称之为蜂窝式内冷式砂轮结构，其结构正如名称一样，如同一个蜂窝的形状，在这一设计中我们吸收了一部分开槽砂轮的结构，流道的布置依然打算采用了渐开线流道，但把渐开线槽口改成了许多渐开线孔道，整个砂轮的磨削面就是个蜂窝状，这样，砂轮在各个切削过程中，磨削区都可以同时有一个渐开线孔道喷出冷却液，而由于不再有槽口对砂轮进行整体分割，砂轮的强度也得到很大提高。既然解决了砂轮的强度问题，砂轮的利用率方面也就不再强度影响，可以极大的得到改善和提高。3.2.1内冷式砂轮流道设计研究我们一开始的时候选择了几种流道都是以经验为基础的 。并没有经过系统分析，所以在设计过程中出现了这样那样的问题。为了保证我们接来的设计工作更有效的进行，我们决定对流道进行一个系统的分析研究。关于内冷式砂轮磨削区换热效率的情况说明内冷式砂轮的换热效率与砂轮的冷却液流量，流速，冷却液成份等众多原因有关，在本次设计过程中的流道大小设计与砂轮磨削区的换热情况也有直接关系，但鉴于设计时间，设计实验条件，自身知识面等原因考虑，我们只能在这里作简要说明，条件允许再作进一步后续研究。这里的内冷式砂轮在原有的传统砂轮基础上采用了喷液孔高压喷液原理，冷却情况比传统砂轮外冷却以及疏松组织内冷却砂轮磨削相比有很多提高，从理论上分析来看，冷热效果与磨削弧区采用径向射流冲击强化换热方式的情况类似，散热效果对于改善磨削烧伤及磨削裂纹有很大改善，相关情况参见附录C。3.2.1.1切开线的发现与分析由于我们的模拟绘图水平不足，在这个地方我们通过在CAD上近似绘制曲线来代替，经过我们反复绘制曲线图发现，当我们把两个不同直径的圆之间再分出若干圆（理论上认为），以每个圆的切线与下一圆的交点为基点，并以光滑曲线连接这些点，形成的曲线比渐开线更为理想。下面把我们发现的这个曲线绘制如下： （a） （b）3-8绘制原理示意图这个地方我们绘制了两组曲线，因为我们在绘制的过程中，作了多次比较发现分隔数量对曲线的形状有很大影响，如上图所示，（b）图的分隔数量比（a）图更多，曲线也变得更长，但我们得到的曲线也更为符合方向的一高致性。从理论上分析，当无限分隔后，我们可以得到一条曲线，以这条曲线上的任何点为半径做圆，曲线与圆周形成的夹角都是一致的。这条是否已经有定义我们还需查证，在这里我们把这条曲线暂时称为切开线。我们接下来的设计将原有的渐开线改为我们新发现的这条切开线。但由于实际的设计过程中我们不可能按照理论上分析的情况来无限分隔，而近似切开线的形状与分隔数量有很多关系，故在后面的设计中我们以圆半径间隔1为标准来等量分隔绘制曲线，并以这条近似的切开线作为我们后面使用的切开线。3.2.1.2切开线流道的数学分析假如在任意一点上砂轮切削方向与冷却液流出方向二者的夹角始终保持不变，则对流道和砂轮的冲击最小，为最佳状态。而此时，该流道曲线应该如图所示，其极坐标方程为：r = r ()在其上任选一点A，令切削液和砂轮在该点的速度分别为V液和V砂，且夹角为，那么可得：tg(90o-)=r()/r()该式经推导后可为：r()=etg由于为常数，故可令tg=C，则上式又可表达为：r()=etg C如果C小，则小，流道所占砂轮空间大，不利于多条流道布置；又由于V砂较大，故不可能取较大值，应根据砂轮速度来确定一合理值3.2.2 蜂窝式内冷式砂轮结构初步构想1、 为了改善砂轮的强度，防止因开槽导致的砂轮工作振动，我们将砂轮的开槽改为规律布置的孔道。2、 把砂轮的喷液孔道线型改为我们前面所绘制的切开线，使冷却液的出液方向能更好的保持其一致性。3-10构示意分析简图如图所示，我们采用了切开线来设计喷液通道，使冷却液的喷出方向在整个砂轮使用的过程中都能更好的保持方向的一致性。图中冷却液的喷液通道的切开线蜂窝状设计结构，由于实际砂轮需要的孔道直径很小，因此这些规律分布的大量切开线孔道并不影响砂轮的整体结构和使用性能。而又由于砂轮其它地方是连接的整体，砂轮的强度并不会因为这些孔道而有太大的变化。使得我们在实际设计砂轮结构的时候可以不再担心砂轮强度问题。同时，由于砂轮的喷液口为大量的微小孔道，磨削过程中还具有了缓冲吸振的作用，不再因为喷口与工件之间的接触而产生振动，影响磨削加工表面的