（机械制造及其自动化专业论文）新型汽车刹车泵主缸体研磨磨具研制.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，新型汽车刹车泵主缸体研磨磨具研制 是本人在指导教师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研宄做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名：她闽 壁坠年土月监日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”同意长春理工大学保留并向中国科学信息研宄所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版允许论文被查阅和借阅。奉人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名：i ! 翌! ! 丛年土月韭日 摘要 在应用周着磨料高速研磨技术时如何保障磨具的轮廓几何精度，一直是一个难点 与重点e 本文的主要目的是建立固着磨料高速研磨圆柱内表面的磨具保型蹭损理论 井通过建立的理论t 研制出适合圆柱内表面研磨加工的磨具，保证磨具豹轮廓几何精 度并对高速研磨工艺进行优化。 本文利用电脑仿真，分析现有圆柱内表面研磨工具所存在问题的原因井提出解 决方案。同时利用力学和高等数学等知识建立圆柱内表面摸具保型磨损理论，采用此 理论设计并制造了圆柱内表面研磨加工磨具通过实际研磨加工进行研磨工艺的优化。 通过新的研磨磨具在实际生产中的应用表明磨具研磨质量较高稳定性较好， 使用寿命长t 加工工件表面粗糙度为r a 0 1 8 u m 证明了圆柱内表面的磨具保型磨损理 论的正确性生产加工成本显著降低。 关键字：磨具圆柱内表面研磨固着磨料 a b s t r a c t l l o w t oe n s u r e t h eg e o m e t r i ca c c u r a c y o f l a p p i n g t o o l s p r o f i l e s i sa l w a y sd i f f i c u l t ya n d k e y 、w h e nw eu s ch i g hs p e e dl a p p i n gw i t hs o l i da b r a s i v e st e c h n o l o g yt h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri st os e tu pa b o u tl a p p i n gt o o lw e a r i n gw i t h o u ts u r f a c es h a p ea c c u r a c yd e c r e a s i n g w i t hh i g hs p e e dl a p p i n gw i t hs o l i da b r a s i v e st e c h n o l o g yl a p p i n gc y l i n d r i c a li n t e rs u r f a c e a n da c c o r d i n gt ot h i st h e o r y w ec a nd e v e l o pal a p p i n gt o o lt h a ts u i t e sc y l i n d r i c a li n t e r s u r f a c et oe n s u r et h eg e o m e t r i ca c c u r a c yo fl a p p i n gt o o l sa n do p t i m i z et h eh i g h s p e e d g r i n d i n gp r o c e s s t h ea r t i c l eu s e sc o m p u t e rs i m a l m i o nt oa n a l y s i st h ec a u s e so ft h ep r o b l e m st h a te x i s t c y l i n d r i c a li n t e rs u r f a c el a p p i n gt o o l sw i t h i na n dh a sg i v e nt h es o l u t i o n s a tt h es a i l et i m e u s i n gm e c h a n i c sm a da d v a n c e dm a t h e m a t i c sa n ds oo n t h ep a p e rs e t su pac y l i n d r i c a li n t e r s u r f a c em o d e li nt h et y p ew e 2 f ft h e o r y a n du s e st h i st h e o r yt od e s i g na n dp r o d u c ec y l i n d r i c a l i n t e rl a p p i n gs u r f a c eo f t h el a p p i n gt o o l s a n df u r t h e ru po p t i m i z i n gt h el a p p i n gp r o c e s sb y a c t u a ll a p p i n g b yb e i n gu s e di np m c t i c a lp r o d u c t i o n t h en e wt o o lh a ss h o w ns u p e r i o rq u a l i t ya n d b e t t e rs t a b i l i t y s u r f a c er o u g h n e s sa c h i e v e sr a o18i tc e r t i f i e st h ev a l i d i t yo f t h ea b r a s i v e w e a rt h e o r yt y p eo ft h ec y l i n d r i c a li n t e rs u r f a c ea n di tr e d u c e st h ep r o d u c t i o np r o c e s s i n g c o s t k e ) w o r d s ：l a p p i n g t o o l c y l i n d r i c a li n t e rs u r f a c el a p p i n g s o l i da b r a s i v e s 目录 摘要 a b s t r c t ， 目录 第一章绪论 i 1 研磨技术在国内外的研究现状及发展趋势， i2 本文研究意义 13 本论文研究的主要内容 第二章研磨磨具保型磨损理论的建立 2 1 磨具的保型磨损理论 2 2 研磨运动时磨具上磨粒运动轨迹分析 23 相对运动对表面加工质量的影响 2 4 研磨磨具保型磨损理论的建立 2 5 本章小结 第三章研磨磨具底板受力弯曲变形分析及解决方案 31 磨具底板受力变形仿真分析 32 改变塘具底板结构 3 3 改变磨具底板结构的意义 3 4 本章小结 第四章研磨磨具参数的选定 4 1 研磨磨料的选择， 42 研磨蘑具固着培料的硬度的选择 4 3 固着磨料的结台剂与浓度的选配， 4 4 磨具切削部分的制作 45 本章小结 第五章磨具央持部分设计 5 1 夹持部分的工作要求 5 2 夹持部分的结构设计， 5 3 研磨头设计方案选定， 5 d 研磨液的选配及部分研磨缺陷的分析 j 5 本章小结 第六章在磨具保型磨损理论指导下制造的研磨磨具的试验 6l 研磨机床参数设定 62 工件质量檎铡 63 磨具的蘑损及保型磨损理论的验证 6 4 保型磨损理论的不足及解决方向 6 5 本章小结 结论 致 谢 参考文献 n ，0 6 6 ，0 8博培肌控sj鹧船跖孙鹧；肌弛聃钾船鞠北拈船鲥帖拍 第一章绪论 1 1 研磨技术在国内外的研究现状及发展趋势 研磨是一种加工方法在工件和工具之间无强制导引，利用研磨剂，在不断变更 方向的情况下相互滑动。研磨加工的主要特点是可获得很高的尺寸、形状及位置精度。 可获得较低的表面粗糙度值t 可改善表面加工质量，加工材料广，几乎可以加工所有 的固态材料。 由于研磨加工针对性非常强从而有着针对各种各样的加工表面而产生的研磨机 床的研制。如研磨圆柱外表面的圆柱内表面的。各种球面的特种研磨机。同时根据 不同面形采用不同的研磨加工方法，许多学者进行了不同的探索。对于圆柱面的研 究，杉浦修等人研究采用磁力研磨法加工圆柱面的研磨机取得了很好的效果。j e o n g - d u k i m i n - s e o gc h o i 和t a k e os h i n m u r a , t o s h l os i z a w a 等人也做了很多圆柱面的研磨加工 研究。我国也有一些学者从事这方面的研兜朱长茂研究了高精度小轴的研磨加工 邓广敏等人对陶瓷圆柱面的研磨进行了研究。日本的t o s h i r o hk a r a k i - d o g 等人还研宄 了积面研磨加工工艺为双面研磨的应用创造良好的条件i1 。 就现阶段而言超精密加工技术仅加工方面主要有三个技术领域一为超精密切 削加工一二为特种加工三为超精密磨削、研磨加工吼在超精密加工中，超精密切削、 超精密磨削的实现在很大程度上依赖于加工设各，加工工具以及其他相关技术的支持 井受其加工原理及环境因素的影响和限制，要实现更高精度的加工十分困难。而超精研 磨由于具有独特的加工原理和对加工设备、环境因素要求不高等特点撤它可以实现纳 米级甚至原子级的加工已成为超精密加工技术中的一个重要部分。超精密研磨技术是 指进行亚微米纽( 尺寸误差为03 o0 3pm ，表面粗糙度为r a o0 3 o0 0 5pm ) 和纳米 级( 精度误差为0 0 3um 表面粗糙度小于r a 0 0 0 5um ) 精度的加工技术“。本文主要讨 论的是超精密研磨加工技术，这也是研磨技术主要发展方向与趋势。超精密研磨加工 技术主要的原理与普通的研磨技术是相通的只是在超待密加工中工件的去除量是微 世的。超精密研磨技术利用磨具把材料的一层或多层原予去除，其本质就是把表面的 原子与内部原子切开其间必然会发生大量的物理与化学反应如放热、元素的重新 组台等。 超精密珩磨是用带有微细磨粒的油石，作高频率短行程往复运动并以组小压力 对运动的工件表面进行加工。其加工余量为3 2 0u m超精珩磨加工可获得根低的表 面粗糙度值r 丑为03 2 00 4um 但只能政变表面的光槽程度不能改变宏观几何形状。 研磨技术经过长时间的发展，新的超耩密研磨技术已与传统的研磨加工有了很大 不同p i 。基于机械作用的超精密研磨是靠微细磨粒对被加工表面进行微量击除达到高 槽度的加工表面。由于加工要求的提高人们开发了很多新的研磨加工技术。 ( 一) 、施加特殊研磨力的研磨 ( 1 ) 振动研磨，即在研磨过程中使磨抖与工件间产生相对运动的同时附加振动产 生台力- 雌提高加工速度与效率。哈尔滨工业大学糖密工程研究所的潘洪平、粱迎春 等提出超声振动研磨法，通过对氮化硅陶瓷球进行超声振动研磨试验证明超声振动研 磨与传统的研磨相比加工效率可提高2 3 倍。 ( 2 ) 磁性流体研磨口1 利用磁性流体所具有的液体流动性和磁性材料的磁性以及外磁 场的作用，来保持磨料与工件之间产生相对运动而达到研磨和光整工件表面的一种精加 工新技术。它能高效、快速地对各种材料、尺寸和结构的零件进行超精密加工是一种 投资少、效率高、用途广和质量好的研磨加工方法。山东理工大学的肖作义从宏观和 微观两方面对磁性磨粒的受力和运动分别进行了全面的分析，从理论上首次提出采用提 高磁场强度和磁场梯度的方法来提高加工的效率和质量。最终提出磁粒研磨的交形机 理是磁粒的切削作用、塑性变形作用和研磨液的化学反应的共同作用。其特点是加工 表面质量好、精度高、光洁度敬果好，其缺点是加工速度慢效率偏低。 ( 二) 、用微粒子进行冲击去除材料的研磨 ( 1 ) 弹性发射加工，发明者m o r i 和t s u w a l 描述，它是一种新的“原子级尺寸加工 方法”1 2 3 1 。即利用微粒子在材料表面上滑动去除材料微粒子以接近水平的角度与材 料发生碰撞，产生微量的“弹性破坏”，进行击除加工。这种加工的去除量可以控制在 几个到几十个原子数这一技术取得了一定进展但尚未完全成熟，有待后来者进一步 研宄完善。 ( 2 ) 非接触研磨t 是将磨料混入研培液中通过磨具带动研磨液，研磨液带动其中 的微细磨粒，对工件加工表面进行微细研磨加工其磨具始终不接触工件加工表面。 这种加工的特点是加工质量高、效率低。 ( 三) 、基于机械和化学作用的超精密研磨方法是通过微细磨粒的撞击与研磨液 的化学作用去除微量材料的加工方法。日本名古屋工业技术研宄所生产的超精密研 脖机s p 4 6 使用02 微米的二氧化硅磨料磨 ! 盘加工硅片其表面粗糙度可达纳米级。 在现代研磨技术中还可以采用砂带研磨、液体结合剂砂轮研磨、研磨膜研磨、 机械化学研磨等研磨方法其优缺点各有不同但都存在着加工效率低得缺点。 目前，国内外研磨加工主要还是采用散粒暗料在慢速研磨机上研磨。其特点是加 工精度高、加工设各简单、投资少。但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低：加工 效率足限制传统研磨技术发展和广泛应用的最主要原因与障碍景；响加工效牢的最主 要的因素就是大多研磨技术为散料研磨速度加快会使磨料飞溅浪赞磨料，这一问 题在圃着磨料研磨技术中可以容易解决。磨料固结后相当于将蘑料镶嵌在辔具上，使 得参与切削的磨料数量大大提高：且蘑料被固定后避免了磨粒在摩具下面的挤压及滚 动作用r 提高了工件的表面质量研磨后不存在由于散料挤压形成的凹坑所以囿着 磨料高速研磨技术一经出现就得到了关注。同着磨料高速研磨技术是现代研磨技术 的一个新的方向是根据传统的离散磨料研磨法的缺点进行改进、创新得来的。 固着麝抖高速研磨技术国外在2 0 世纪6 0 年的提出并发展起来的，我国的发展是 在2 0 世纪7 0 年代虽然时问上稍晚但其发展还是很快速的。长春理工夫学从2 0 世 纪7 0 年代就开始从事同着磨料研磨加工技术的研究与探索。长春理工大学的李撼和老 师与刘桂玲老师分别研究了在平面研磨和球面研磨中工件与磨具间的相对运动，刘绍 东老师则从力学角度对磨具磨损的原因进行了分析和研宄，杨建东老师研宄井完善了 磨具均匀磨损理论并应用均匀磨损理论设计制造了固着磨料高速积面研睁机、固着 磨料高速球面研磨机，其精度与技术均位于国际先进行列。机床出口很多国家。这两 种研磨机采用均匀磨损理论进行设计制造，使磨具加工中具有正确的面型精度，避免 了修整与浪费其平面度可达到00 3 m 表面粗糙度可达到2 3 r i m 。 现今超精密研磨技术处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的精 密超精密研磨技术不仅在技术上处于颁先地位，在技术商品化程度上也是非常高的【“。 英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研宄所( 简称c u p e ) 生产的 n a n o c e n t r e ( 纳米级加工中心) 即带超精密车削又带有超精密磨头。其加工工件的表 面粗糙度可达r a 1 0 n m 形状精度可达到o lu m 。在我国也进行了很多这方面的研究， 取得了很多成果井有相应的产品丽市。但总体来说与美日英等国还是有很大差距的。 所以我国要大力发展超精密研磨技术发展新技术、创造新理论。 现代研磨技术的发展越来越趋向干信息化、智能化、自动化、糟密化、复台化。 研磨技术是项系统工程要想大力发展研磨技术就必须以创新为导向完善现有 的超精密研磨技术开发新的超精密研磨方法。 1 2 本文研究意义 随着科技的进步，对于机械加工精度提出了越来越高的要求无论对于国防建设 还是对于民用超精密加工的都是关键性拄术超精密加工技术成为在国际竞争中取得 成功的关键技术。 国防科学技术现代化是保障一个国家和平发展的重要基础。而武器装备的制造是 国防科技的一个重要组成部分，超精密研磨技术是武器装备制造的基础与关键。如果 说过去战争主要靠数量与速度的话那么小米加步枪的时代己经结束现代战争主要 靠高效率与高精度打击t 高精度打击必定要求武器的高精度武器的高精度必定要求 其元部件的高精度而高精度的元部件必须应用高精度制造技术生产出来，而超精密 加工技术是其t 扣最重要的部分之一。同时要作为现代高科技的基础技术和重要的组成 部分，不断的推动着材料科学、光电技术、半导体电子技术等先进技术的进步与发展 也是把这些技术应用于实际应用中的基础平台。它还是一个衡量国家科技发展水平的 重要标志。 作为制造业的基础超精密加工在民用方面也是重中之重。如在汽车制造业中 随着社去的进步人民生活水平的提高汽车已经广泛地进入了家庭。我国的汽车保 有量快速增长伴随着汽车保有量的大幅度增长汽车安全问题越来越严螋。汽车剥 车系统直接关系到汽车的安全性和交通的安全性关系人身安全因此我们一定要保 证汽车刹车系统的质量和性能。 刹车总泵是汽车油压刹车系统中的重要部件它直接影晌着汽车刹车性能因此 提高刹车总泵的质量就显得十分重要。在刹车总泵中，主缸体是一个关键件，它的质 量影响着整个刹车总泵的质量，影响着整个汽车刹车性能。对于主缸体的技术要求也 越来越高。 由于超精密研磨加工的针对性比较强对于不同的加工工件要做出不同的研磨 加工方法和相应的研磨加工工具【7 埘。我国现有的主缸体内表面加工方法是采用传统的 珩磨加工。表面粗糙度为r a 02 6u m ，而且加工质量不稳定，有时候甚至会超过r a 0 3 0 um 。而主缸体内壁的加工标准为r a 02 0ui l l ，现有的加工达不到要求，其合格标准只 能放宽为r a 03 0um 。其加工质量不稳定。表面粗糙度值较高导致内表面与活塞间 的配合不好- 在刹车时，刹车油会在它们的配合间隙中流过。这将减小刹车供油压力 降低刹车性能。同时括塞与缸体间的摩擦大，加大活塞和缸体工作表面的磨损，降低 刹车泵的使用寿命。影响着汽车性能及安全。 本文采用超精密研磨技术来改进现有的加工方法，保证主缸体的加工质量，保证 汽车的刹车性能保证人们的安全。固着磨抖研磨拄术过去主要用于光学加工由于这 种加工方法具有加工质量好、成本低、敬率高、环境清洁及易于实现自动化生产等特 点目前己在硬脆材料的精密加工方面获得了极好的效果f g - t l l 。所以本文的改进加工方 法t 就是用固着磨料高速研磨技术对主缸体内壁进行加工，用固着磨料高速研磨技 术研制出相应的磨具达到主缸体内壁加工标准r a o2 0u m 的同时稳定加工产品的质 量一尽可能的提高汽车刹车总泵主缸体内壁的加工质量和加工精度。 1 3 本论文研究的主要内容 本文来源于吉林省科技发展计划项目：新型汽车刹车泵主缸体加工设备研制。本 文研宄的主要目的是采用固着磨料高速研磨技术建立固着磨料高速研磨内圆柱表面 的磨具保型磨损理论改进现有的加工工艺，研制出适合加工主缸体内表面研磨加工 磨具。 在现有加工中，珩磨磨具出现一种现象即油石条两端有剧烈磨损而中间部分 几乎没有任何磨损，这意味着，在研磨加工过程中主要是油石条两端参与了珩磨加 工。 如图l - 1 所示油石条由于两端给予工作压力使其与被加工面相互作用但由 于底扳细长受集中载荷产生向下的弯曲变形。 唐具衰面受力 产生形变 唐具表面束受力 前的形态 图1l 磨具底拉受力弯曲示意圈 另一问题是在研磨过程中由于瑭具油石条两头的宽度都是相同的而磨具两头 的磨损量是不同的选就使磨具的菜一端出现了过度磨损的情况，使磨具的几何轮廓 发生改变，影响被加工工件表面的精度。 根据以上情况分析本文进行以下研究，解决现有的问题提高被加工工件表面 精度： l 、通过对磨具磨损量的研究，建立圃着磨料高速研磨内圆柱表面的磨具保型磨损 理论使磨具在研磨过程中始终保持较高的面型精度。 2 、利用仿真软件分析研磨磨具油石条受力及弯曲变形，并提出相应的解决方案。 3 、对磨具的材料进行选择及参数醴置井制作研磨磨具。 4 、研磨头的研制 ( 1 ) 提出夹持部分的设计方案井进行优化 ( 2 ) 设计制造研磨头井对其动力系统提出要求 5 、在实际生产中对在磨具保型磨损理论下制造的研磨头及磨具进行试验检测新 磨具制造下的加工工件是否符台企业预定标准验证磨具的保型磨损理论。 第二章研磨磨具保型磨损理论的建立 本章探讨的研磨部分为研磨磨具上的固着磨料。研具主要由三部分组成分别是 安装夹持部分、支撑部分和切削部分忙“j 。在本文中安装夹持部分要具有执行自身 旋转和提供磨削力的功能称为研磨头；支撑部分要求将磨削力传递给切削部分称 为底板；切削部分因采用固着磨料技术，称为固着磨料，其主要作用是对被加工工件 表面进行微量的切削。固着磨料固结在底板上形成的整体称为磨具。 由于经过多次加工固着磨料都会产生不同程度的磨损，使磨具形状轮廓发生改 变磨具加工表面接触的压力也不均匀，导致被加工表面产生形状误差。要能做到磨 具在加工过程中保持轮廓形状就能保证在批量加工过程中，在较长时间内加工的工 件都能具有较好的面形精度从而降低磨具的修整频率，提高加工效率和产品合格率 井降低成本。本章的主要任务是建立磨具保型磨损理论。 2 1 磨具的保型磨损理论 固着磨料是由磨粒、结台剂经过烧制固结在一起再通过胶水，固定在磨具上。 当加工时固着磨科上的磨粒与加工表面上的凸点接触，进行磨削作用形成研磨过 程。如图2 l 所示。 磨具运动方同 詹再 结台痢 图2 l 研踌加工机理 圈2l 中t 磨粒由结合剂固定在磨具上。当研磨时磨粒1 与被加工表面接触较深， 发生磨削作用- 产生切屑承担切削任务：磨粒2 由于与被加工表面接触较拽产生 抛光作用改善被加工袭面的表面质量。由于磨粒被结合荆固定在磨具上的每一颗 磨粒的运动都是与磨具的运动相对应，是可预知的。 对于固若磨料研磨技术，也存着在一个不可忽视的问题，那就是磨具在研磨中会 出现不同的磨损损耗这会导致磨具轮廓产生变形。使模具的面型精度下降从而使 被j j n i i 件表面的形状、位置精度下降。这就必然要求工人要经常的及时的修整研磨 磨具使其轮廓达到要求。在以往的传统研磨中由于使用的是散牲的磨料进行研磨， 加工所用的磨盘加工性能好容易修整。使用同着蔚料研磨的磨具，由于表面上固结 着耐磨坚硬的磨料，这会使得磨具的修整变得十分困难和不方便。限制着固着磨料研 磨技术的发展与应用。这就要研究相应的固着磨料磨损保型磨损理论，以减小磨具的 修整和研麝精度下降。 固着磨抖高速研磨的磨料密度足可控的这给我们带来了一个契机那就是能番 利用磨料密度可控性这一点，通过分折研磨磨具与工件间相对运动轨娅，来合理的设 计磨料在磨其上的分布密度虬选到保证磨具面型精度避免研磨磨具的频繁修整 以达刘提高n i 效率，减小工人工作强度的目的。因此，依据蘑具保型磨损理论进行磨 具设计具有十分重要的意义。只要能做到磨具在加工过程中保持廓形精度，就能保证在 批量加工过程中，在较长时间内加工的工件都能具有较好的面形精度，从而降低磨具 的修整频率，提高加工效率和产品合格率井降低成本。 在一般的固羞磨料高速研磨中，都是采用浮动研磨。工件与研磨磨具间是相对运 动的不确定的。但在本文中磨头的尺寸及磨具对于内缸体的研磨是相对固定的，当 磨具伸入内缸体时自动伸出切削部分。使切削部分紧贴缸孔内壁，同时给予加工时 的工作压力。本文中采用的是四组磨具在研磨过程中同时与缸体内表面接触研磨。 我们利用研磨中工件对于磨具产生的磨损来主动控制磨具自身的磨损分布，从而控 制磨具在磨损后不会丧失掉原有的面形精度避免对磨具的修整碱少磨料的消耗和 损先。 2 2 研磨运动时磨具上唐粒运动轨迹分析 在固着磨料研磨中由于磨粒固结在磨具上，分析单个磨粒运动轨迹即分析整个 磨具的运动轨迹。 在分析中我们假定工件不动磨具做左右往复运动及旋转运动。磨粒在研磨中 由于受磨具的带动，会产生往复速度h 及旋转速度形成磨粒运动的合成速度v 如 图22 所示。 hh 唐头向左运动 嘲2 2 磨粒运动分析 瘩头向右运动 2 3 相对运动对表面加工质量的影响 由图2 2 中可咀看出，磨具的运动主要有往复行程运动与旋转运动其速度分别表 示为h 和吐1 15 - 1 7 1 其中 。：垃 。1 0 0 0 ：p d n 2 1 0 0 0 一如+ e 其中月为麝具的往复行程数f d m 其中也为磨县的自身转数( r m ) 其中d 为蹭具的赢径( ，r n m ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 23 ) 口22 a r e t a n “v 一其中为磨具远行的单程长度( m m ) ( 24 ) 公式2 3 中可以看出，磨具的速度v 由磨具的行程数、转数、单程长度及自身的 直径来控制但这些均为磨床的自身设定所以我们暂时可以把磨其速度v 看成已知 量。 当然，在机床设定中，速度的考虑是非常关键的一般来说，速度与磨具对加工 表面的压力成反比当压力较大时磨粒对加工面的磨削深度较大磨削量较大同 时加工表面对磨粒的反作用力也越大容易使磨粒碎裂对整个磨具夹持部分产生的 力矩很大这就要减小运动速度，这样的加工一般应用于工件己加工表面粗糙度要求 较低时。在超精研磨中往往只会改变表面的粗糙度不会改变加工表面的面型精度 这就要求在前面的工序中有较好的面型精度。想要获得很好的表面粗糙度就要使加 工后加工表面徽观的波峰与波咎问的数值较小。想要达到这种效果在加工前的表面 就要有一定的波峰与波谷之间的高差。 当压力较小时磨粒与工件的接触力小，磨削深度也很小磨削量较小。工件对磨 粒的作用力也比较小，能够进行较高速的研磨。超精研磨主要是为了将波峰较高部分 蘑平使波峰波谷有较小的高度差，提高表面质量l 吩”i 。 2 4 研磨磨具保型磨掼理论的建立 相应的结合研磨磨具的运动轨迹和研磨过程中的磨具磨损量来进行分析，建立磨 具保型磨损理论。 2 4 1 研磨磨具的运动轨迹分析 在分析前我们假定，工件不动，只是磨具在运动，由于是进行盲孔研磨为了方 便加工中加工深度的定位，磨具自盲孔底部开始进行加工。固着磨粒的形状为长方形 的长条状困为在缸体内表面加工中研磨头进行自转，其磨具的宽度应较小，以免 产生的磨屑和掉落的磨钝磨粒堵塞磨具表面同时能减小热量产生。工件加工表面为 缸体内圆柱表面其面型为一圆弧型曲面，因为磨具宽度较小，所对应的工件加工表 面较小其弧度也较小为便于分析我们将带有弧骺截面( a ) 假设为矩形截面( b ) 如图2 3 所示 圈2 3 原磨具截面与假设磨具截面图 夹持部分研磨头上安装有四组磨具磨具由底板与固着磨料组成。每组磨具是一 样的而且是相对固定的t 所以以下均用一个磨具进行运动过程分析。由于磨削过程 中磨具做相同的往复运动，我们将其分解开只研究其中磨具由底部开始加工，到最 大行程的加工过程。如图2 4 所示。 从图2 4 ( a ) 中我们可以看出当磨具位于缸体底部e 截面时，研磨头旋转开始 加工t 在旋转过程中，磨具向右运动因为缸体是脚柱状，磨具沿着缸体运动，始终 保持与缸体接触井加工，这个时候整个磨具工作面都在加工都有磨损。 当磨具右端面运动到缸体右端面时如图2 4 ( b ) 圈中所示磨具所有工作面同 样在加工中都是等量的磨损。当磨具右端面从缸体右端面脱离出来，如图2 4 ( c ) 所示右端部分开始逐渐不再进行加工不产生磨损。这部分囡停止加工而比其它部 分少产生的磨料磨损称为m 。假定固着磨料高为h 磨具与工件表面相互作用的面积 不变的情况下- a 实际磨损磨料部分为加工中磨具实际的损耗的磨料；m 部分为因伸 出缸体停止接触而比其它部分少磨损的磨料：c 剩余磨料为理论上磨具均匀磨损所剩余 的磨料：a 实际磨损磨料部分加m 部分为磨具b c 段假设在缸体内和缸体外都进行了 加工而产生磨损的磨料。如图25 所示 率文磨具保型磨损理论即通过计算伸出缸体外长度为l 3 部分磨损的磨料来分析 固着磨料的分布密度。 yj 竺竺竺：? 一、 兰刍l y 一l 一一 r l 二二一 r a l 一 一 ，m ，l _ 吨d c 囤2 4 磨具运动示慝圈 一曲娃硝i 二厶锚 。 r t i rx 围2 5 磨具e i c 部分唐料磨掼示意圈 2 4 2 同着磨料保型磨损理论原理分析 假设b c 段在整个研磨过程中都处于加工状态即b c 段在伸出缸体时也柯磨料磨 损的产生，则理论磨损的磨料由缸体内产生磨损的膊料加缸体外产生磨损的磨料组成， 可计算出理论磨损的磨料即图2 4 中a 磨损磨料部分加m 部分。理论磨损的磨料减 去圈25 中m 部分，得出b c 段在整个研磨过程中的实际磨损的磨料图25 中a 实际 磨损磨料部分。如图26 所示。 磨具在缸体内研磨假设磨具在缸体外同样进 理论磨损 钐镰阏 曲蘑料 m 鼋砭圈：嚣? i ；瓣嚣 部分少产生磨报的蘑料 实际磨损 钐钐兹瀚 的蜃料 部分在缸体内研部分在伸出缸体过 磨产生厝损的磨料程中严生摩拯的蜃料 图2 6b c 段辟损磨事斗示意图 由圈2 6 可以看出b e 段实际磨损的磨料是由磨具在缸体内研磨产生磨损的磨料 和假设磨具在缸体外同样进行研磨产生磨损的磨料组成。 在研磨加：【中影响磨具磨损的因素有报多如压力、媪度，速度，时间等。到目 前为止被科学界普遍得以接受的表面材料去除的数学模型是p r e s t o n 方程： h = c v p t ( 2 5 ) 2 5 式中h 工件某点的研蘑去除量： c - - 与被加工材料，工艺参数等有关的系数也称p r e s t o n 系数； v 工件某点的研磨速度： p 工件某点的研磨压强； t 一一工件某点的研磨时间。 由2 5 式中可以看出，决定着工件去除量大小的主要因素是速度、压强和时间。在 研磨中工件表面材料去除的同时磨具本身也进行着磨损其比例与工件去除量成正 比。磨具的磨损也可用数学模型是p r e s t o n 方程进行分析。磨具单位面积上的磨损量大 小与压强有关，压强越大，在相同的时间内的磨损量越大。 圈2 4 中，磨具a b 段始终在缸体内处于加工状态磨损的磨料较多：磨具b c 段t 由缸体内研磨和缸体外研磨两部分组成，磨损量相对较少。当研磨压力一定时 磨损量的大小和磨具所受的压强有关为了使磨具能够均匀磨损我们减，j 、b c 段面 积- 增加单位面积上的压强，柬增加磨损量。通过这样的方式来保证a b 段和b c 段在 一次导程中的磨损厚度相同即均匀磨损。 现将b c 段长度不变通过改变宽度改变b c 段的截面形状，来调整磨具单位面 积上的压强。设b c 段轮廓曲线为函数h ( x ) 应用保型磨损理论后磨具的轮廓，如图 27 所示。 添祗州对 通过巡刘 一 i tc 酬27 应用保型厝桐理论后磨具轮廓示意圈 2 43 磨具加工时磨损磨料的计算 磨具单位面积磨损量即单位面积上磨粒脱落的程度。与加工表面的工作压力有关 与磨粒脱落难易程度即结合剂有关，与磨牲硬度及自锐性有关。但这个值我们可以求 出。在固定的工作压力下首先确定磨粒材料结合剂材料然后让磨具在不同的材 料上进行研磨t 在一定时间内一定转数下期4 出磨具的磨损量。再由这个磨损量除 以检测所用的时间和转数即行程，再除以磨具磨损的总面积。可得到单位时间，单位 面积单位行程下的磨具磨损量在这里简称为单位磨损量记为a 。 现设磨具单位磨损置为a ，磨具假设为矩形长为与，宽为b ，缸体长度为厶在 理论上磨具的磨损都是均匀的，在每个点的单位磨损的磨料是相同的磨具的每个截 面也是均匀磨损的。但在如图2 4 ( c ) 时磨具固着磨料伸出长度为厶留在缸体内继 续加工长度为( 如- k ) 如图2 8 所示 圈2 8 磨具加工长度示意圈 对于磨具整体来说从图2 4 中的( a ) 图到( b ) 图整个蘑其工作面a c 均在加工。 从( b ) 图到( c ) 图a b = 【厶- 厶) 部分始终进行着加工其每个截面磨损的磨科是 相等的设每个截面的长度为单位1 则每个截面磨损的磨料每秒为a b 。图2 4 中的( a ) 图中鼯具从左端e 截面移动到( c ) 圈f 截面所经过的路程即图2 8 中l 为磨具单次 运动的行程。 3 厶- 岛+ 与 ( 2 7 ) 因为磨其为匀速运动，速度为v 则时间t 为 ，：兰 ( 2 8 ) v 其每个截面在t 间内总磨损的磨料为 q i w = 加垃等土丝 ( 2 9 ) a b 段长度内总瞎损的磨料为 口。= 口t m ( 岛厶) = 垃土些垫生丝 ( 2l o ) 2 4 4 磨具b c 段m 的计算 因为在b c 中会出现不参与研磨加工的时间，所以要对b c 段进行单独计算。 我们对于b c 段坐标体系进行设定，在b 截面。与磨具纵向为y 轴与磨具横向 为x 轴以磨具底边与b 截面交点为原点0 如图2 9 所示。 、 h x 一”d 、 岛 - 圈2 9b c 段坐标体系 如图2 9 所示沿x 轴在距离原点为x ( 0 “ 厶) 处，取一截面x 宽为d ) 【 其高度印磨具截面宽为b 面积为b d x ，其单位磨损量为a 这样在其围成的面积内的 磨损的磨料为a b d x 设其中d x = 1 则x 截面在宽为b 的一小截面磨损的磨料为a b 。 磨具右端面到选图2 4 ( b ) 中i 截面时，开始停止接触停止磨损其由i 截面到 图2 4 ( c ) j 截面的行程b c = l 其速度v 不变则时间为 ， ，= 兰 ( 2 1 1 ) v 对于b c 段上x 截面来说其从距离原点为x 处开始停止接触，所经过的 亍程为 x 。其横向导程速度v 不变则时间为， ，；二( 0 厶) ( 2 1 2 ) 在x 截面上经过，时间的停止接触，比正在加工部分少磨损的磨料为 村( x ) = a b t , ( 0 勺c 厶) ( 2 1 3 ) 图2 8 中由c 截面开始，向b 截面，直到b 截面结柬时间照着导程的增加， 其截面m 增加。如图21 0 所示，截面x 因为随着导程的增大，停止加工时间的增加， 从而m 增大。 f ( 对 r 圈2 i o x 截面磨损的磨料随着导程的变化图 即x 截面的m 为 肘( t ) = = a bf 0 ( x 厶)( 21 4 ) 34 5 磨具b c 段在参与全部研磨过程中理论磨损的磨料 假设b c 段参与了整个导程的研磨，即在缸体内和缸体外都与工件接触，有磨料 磨损的发生其磨损的磨料称为理论蘑损的磨料。如图2 6 所示 b c 段总行程长度为 2 厶也! + 厶 ( 2 1 5 ) 磨具速度、，不变则时间为 ，：生刍：生 ( 21 6 ) x 截面在t 间内总磨损的磨料为 。 c x ) = 口6 ，：监上些鲨 ( 2 1 7 ) 2 4 6 磨具b c 段实际磨损的磨料 磨具b c 段x 截面在参与研磨过程中实际磨损的磨料，是理论磨损的磨料减去在 生产中园停止接触而投有磨料磨损的m 。即2 1 8 式减21 4 式，代入得 口( ) 2 ( x ) m ( x ) = 堕立生唑! 曲( o “厶) ( 2 1 8 ) 由2 2 0 式可以看出b c 段x 截面的实际磨损的麝料为一次函数其图形形状应 为梯形而且当x 郇时t 其实际磨损的磨料最多当x ；厶时实际磨损的磨料擐少。 2 4 7 建立者具保型磨损理论 现设计新截面其截面轮廓曲线为h ( x ) ，如图27 所示， 在新截面中，设单位磨损量为q b c 段x 截面的宽度表示为h ( x ) ，刚x 截面磨损 的磨料应为 口( ) ：鱼垃 ( x )( o 。x 。厶) ( 21 9 ) x 截面实际磨损的磨料应于新截面宽为h ( x ) 磨损的摩料相等，即 口( j ) = 口( )( 22 0 ) 代入22 0 式和22 2 式得 堡生业! 曲：! ：生! 出 ( ，1 1 vr 帆，2 等等曲 c 一岛，c z 川 当x = 0 时tx 截面的实际磨损的磨料最多其宽度与a b 段宽度相等为b ，将x = o 代入22 4 式 h ( o ) = b 6 ：妥掣曲 ( 岛十0 ) q q ：生拌 ( 2 2 2 ) ( 厶厶) 将2 2 5 式代入22 4 式 姆，2 气羞等曲瓦 一t x ，2 ； ；j ：；i ；i 。；2 ： 考a c 。t x c 与， c z 。， 由2 2 6 式中可以看出，b c 段经保型磨损理论计算得出的磨具理论宽度为h r x ) ，这 个宽度与单位磨损量没有关系，只与其导程及速度和原始的宽度有关。 将x - 厶代八3 2 6 式，可求出新磨具截面撮短宽度为 鹕，2 若告e 把z t ， 通过每个截面的宽度计辣就可以得出整个b c 段的而型。 而a b 段始终处于研磨中是均匀磨损，其宽度没有发生变化，始终为b 。新的磨 具示意图如图2 1 1 所示。 圈：l i 磨具保型磨损理沧指导下的磨具轮麻示意图 图2 1 1 所示为应用磨具保型磨损理论指导下设计的磨具轮廓示意图圄中截面为 磨具固着磨料的分布情况根据磨损的磨料多少的不同固若磨料分布的密度也不相 同。 2 5 本章小结 本章首先对磨具的保型磨损理论原理和意义进行了分析，通过理论分析结合汽 车刹车泵主缸体内圆柱表面研磨磨具的运动轨迹分析，对保型磨损理论进行了分析和 计算，建立了相应固着磨料高速研磨技术的磨具保型磨损理论。 第三章研磨磨具底板受力弯曲变形分析及解决方案 本文中，采用固着磨科高速研磨技术。研磨加工主要利用安装在夹持部分上的四 个磨具来执行。如图3 1 所示。当张紧装置推杆向左运动时磨具底板和张紧装置推杆 接触的斜面将摊杆的力传递到固着磨料上，使磨具固着磨料接触并紧贴被加工工件表 面有一定加工压力。实现研磨i f l 0 2 。 图3l 张紧装置与磨具示意图 在加工过程中，由张紧装置推杆推动磨具底板产生压力，使阉着磨料与工件接 触通过研磨头的转动与导程进给，进行研磨。由于现有推杆与底板是两点接触而 且两点位置是在两侧这样磨具受力产生弯曲变形使两侧向上中间部位不能蜉参 与到加工中。使磨具两删容易磨损中问部分磨损量少磨具磨损不均，轮廓面型精 度发生变化加工工件精度得不到保障。本章的主要工作就是分析此情况产生的原因 井给予解决方案。 3 1 磨具底板受力变形仿真分析 磨具底板由推杆推动产生向上位移，当固着磨料压紧加工表面时继续推动推杆 产生研蘑压力。即底板应受三个约束，两个向上的推力及加工表面通过周着磨料给予 的约束。 磨具与工件表面问进行相互作用摩具所受载荷具有不缺定性当磨具没有产生 形变时磨具与工件表面问的作用力是均匀分布的；当磨其产生变形时两侧所受如 图1 i 所示集中载荷f a 和f b 郭分产生的压强增大相对应的磨具与工件表面间两侧的 作用力也会越大而摊杆所提供的支撑力是一定的所以磨具与工件表面间中间部分 的作用力会变小那么其作用力则不是均布的。 本章研究的是磨具产生变形的分析，所以采用磨具与工件表而间没有发生变形为 初始条件，即底板底面受与推杆接触的两个约柬、上面受工件给予的约束，是均布载 荷进行仿真分析如图3 2 所示。 图3 2 中，为了能够更加准确的进行分析将底扳受推杆的约束按实际受力平面 进行分布。图3 2 中可以看出磨具底板与摊杆接触为两点支撑，所受集中力在底板两 侧底板中间部位因受载荷产生弯曲变形 ( a ) 底板所受约束 参。 i “7 ： ： i 圈- - 离萤固 ：1 n i _ 一f _ dl r ( b ) 底板变形与来变形比较 ( c ) j 苗扳受约束产生的应力分布 ( d ) 底板变形位移 图3 , 2 磨具底扳受力变开；平面仿真 为了使分析更加准确进行了第二次仿真分析。首先在造型软件中建立底板模型 再导入仿真软件中加载约束，划分网格，井进行求解计算，如图33 所示。 ( a ) 立体模型底板所受约束 ( b ) 立体模型底板求解 雷7 墨 撩 _ p _ ：= ，煎= = _ = = - “：= 曙，帅 ( c ) 立体模型底扳应力 _