（机械制造及其自动化专业论文）超高速点磨削成型机理与砂轮磨损仿真研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i u l l ll li i ll l l l l l li l l l li l l l l llllli y 2 15 8 6 0 4 s i m u l a t i o ns t u d yo nf o r m a t i o nm e c h a n i s m a n dw h e e lw e a ro f u l t r a - s p e e d - - p o i n tg r i n d i n g b y l i u y u j i a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg o n gy a d o n g 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 9 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己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：、7 么辫 日 期：如衫舅向j il 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：蔓11 文搦 签字日期： n 一；i ) 8 ln 两年 导师签名： 毕谚彩 辩醐：川辛g 舭 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文 摘要 超高速点磨削成型机理与砂轮磨损仿真研究 摘要 超高速磨削由于其在超精密加工应用中已经表现出独特优势成为近年来磨削发展 的主要方向之一，快速点磨削则是由德国勇克机床公司在上世纪九十年代开发研制的 新技术，该技术在国内已有使用，并取得了良好的经济效益。东北大学先进制造研究 所在国家自然基金的资助下将超高速磨削与快速点磨削结合而开始了超高速点磨削加 工的研究。 超高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 件轴线形成夹角。目的是使砂轮与工件间理论上是一点接触，在数控装置控制下砂轮 精确进给，完成整个外圆表面的磨削。快速点磨削过程中点磨削变量角的存在，使得 砂轮与回转形工件表面形成理论上的点接触，经过实践证明，这种加工方法具有较好 的效率和经济性。 但是对于这种加工方法的理论研究和工艺系统的建立仍处于近乎空白阶段。与传 统磨削方法相比，超高点速磨削的成型机理更为复杂，由于变量角度的存在其磨削几 何学，砂轮磨损特性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、面积、方位，因而也将影响磨削力、磨削热、工件表面的完整性及砂轮磨损 特性等目前尚未有公认的结论，但加工机理是如何提高加工精度和质量以及对加工过 程进行控制的关键，因而其加工过程中特有的角度对磨削加工过程和砂轮磨损造成什 么样的影响是一个让人们比较关心的问题。 本文在针对上述两点进行了如下研究： ( 1 ) 总结了超高速磨削技术和工艺的发展状况、特点及应用状况，在此基础上从 磨削几何学的角度入手对点磨削进行分析，推导出点磨削砂轮的加工工件时最大接触 弧长以及未变形切屑厚度等参数，对各种加工参数对磨削几何参数的影响做了相关分 析和仿真并得出相关结论。 ( 2 ) 根据磨削几何学所求的几何参数和实际加工特点，对磨削过程中砂轮工件的 接触区域进行了相关研究和仿真，得出了砂轮工件接触区域随加工条件的不同而变化 的情况，并根据接触区域形状进行简化后得出接触面积的计算公式，并于普通砂轮的 接触面积进行比较，对后续进行磨削机理有基础铺垫作用。 ( 3 ) 结合金属材料在高应变率和高温下的非线性的本构关系，研究了在超高速点 磨削加工条件下的磨削机理，得出了砂轮偏转角度对加工机理的影响。对超高速磨削 t t t 东北大学硕士学位论文 摘要 加工机理进一步研究，并采用a b a q u s 软件进行了仿真验证。 ( 4 ) 对超高速点磨削砂轮磨损进行了相关研究，在总结砂轮磨损规律和特性的基 础上结合超高速点磨削的加工特点给出了超高速点磨削砂轮磨损后的形态，并计算了 其对磨削加工造成的切深损失。 ( 5 ) 综合考虑超高速点磨削的特性，得出超高速点磨削加工与普通加工相比的优 点和缺点，为超高速点磨削的进一步研究提供了一定的参考。 关键词：超高速点磨削；接触区；成型机理；砂轮磨损；表面质量 i v s i m u l a t i o ns t u d yo nf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d w h e e lw e a ro f u l t r a - s p e e d - - p o i n tg r i n d i n g a b s t r a c t u l t r a s p e e dg r i n d i n gi s o n eo ft h eh o t t e s ta r e a so fg r i n d i n gr e s e a r c hf o ri t sp a r t i c u l a r a d v a n t a g e sw h i c hh a db e e np r o v e di nt h eu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g q u i c kp o i n tg r i n d i n g t e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e db yj u n km a c h i n ec o m p a n yi n t h el a s t9 0 s u l t r a - s p e e d 。p o i n t g r i n d i n g i sc r e a t e db yn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t yo fc h i n au n d e rt h es p o n s o ro fn a t i o n a l n a t u r ef u n d b u tt h et h e o r e t i c a ls t u d yo fi t sc u t t i n gm e c h a n i s mi s s t i l lb l a n k ，a l s of o ri t s p r o c e s ss y s t e m s t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fu l t r a - - s p e e d 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 e a x i so fw o r kp i e c ea n dt h ea x i so fw h e e li nt w od 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 d i n t h ev 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 kp i e c e b e i n go 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 m t og r i n dt h e w h o l ec o m p l i c a t e d c y l i n d r i c a l s u r f a c e s i n c et h ep o i n t - g r i n d i n ga n g l e s e x i s t e n c ei n q u i c k - p o i n tg r i n d i n g ，i ti st h ep o i n tc o n t a c tb e t w e e n t h ew h e e la n dt h ew o r k p i e c e t h i st y p e o fm a c h i n i n gc o u l de n h a n c ee f f i c i e n c ya n dr e d u c ec o s t ，t h ep r a c t i c a lu s i n go ft h em e t h o d h a dp r o v e di t u l t r a - s p e e d p o i n tg r i n d i n gi so n e o ft h eh o t t e s ta r e a so fg r i n d i n gr e s e a r c hf o ri t sp a r t i c u l a r a d v a n t a g e sw h i c hh a db e e np r o v e di nt h eu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g b u tt h e t h e o r e t i c a l s t u d yo fi t sc u t t i n gm e c h a n i s mi ss t i l lb l a n k a l s of o ri t sp r o c e s ss y s t e m s c o m p a r i n g 、m t t l o t h e rt r a d i t i o ng r i n d i n gt e c h n i q u e ，t h em e c h a n i s mo fu l t r a - s p e e ds p e e dg r i n d i n gi sm o r e c o m p l i c a t e d a n dt h ec b n o nw h e e l sw h i c hh a v e a d v a n c e dt e c h n o l o g i e sm a k ei te v e nh a r d e r t oe s t a b l i s ht l l es t a n d a r d so ft h em a c h i n i n gm e t h o d g r e a te f f o r t sf o rt h ef o r e g o i n gt w o p o i n t sh a v eb e e nm a d eb yt h ea u t h o ru n d e rt h es p o n s o ro f n a t i o n a l n a t u r ef u n d ： 1 1t h ed e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a - s p e e d 。p o i n tg r i n d i n g ，a ss u n u l 】a r i z e d ，a n db a s e do na l lt h es u m m a r i z a t i o nt h em e t h o dh a sb e e na n a l y z e df r o mt h e g e o m e t r yp a r a m e t e r so fg r i n d i n g f u r t h e rs t u d y a n ds i m u l a t i o no nt h o s ep a r a m e t e r sh a sb e e n c 撕e do nw h i c he d u c e dt h ec o n c l u s i o no fr e l a t i n gb e t w e e nt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n d t h eg e o m e t r yt h i n g s i i ) b a s eo na l lt h er e s u l t so fs t e pia n d t h et r a i td u r i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ea n a l y s i s o ft h ec o n t a c ta i e ab e t w e e nw h e e la n dw o r kp i e c eo fu l t r a - s p e e ds p e e dg r i n d i n gh a sb e e n d o w ni nt h i sp a p e r ，t h er e a ls h a p eo ft h ea r e aa n dh o w i tv a r i e sw i t hp r o c e s sp a r a m e t e r s 、e 陀 o b t a i n e df r o ms i m u l a t i o nb yt h ea u t h o r ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o nf o ro t h e rr e s e a r c hw o r k s v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i i ) s y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hs t r a i nr a t eo n t h em e t a la n df u r t h e re f f e c t so nt h em e c h a n i c a lp r o c e s s ，an e wt y p eo fc u t t i n gm e c h a n i s m w a st h e o r i z e db yt h ea u t h o ri nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n t a c tp r e s s u r ea n dt h eg r i n d i n gf o r c e a n dt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ew e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h en e wm o d e l i v ) f r o ms t e pi ia n ds t e pi i i ，c o n s i d e r i n gt h ec o n t a c tp r e s s u r ea n df r i c t i o ns t a t u s ，b a s e d o nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h em e c h a n i s mo fw h e e lw e a rh a sb e e n r e s e a r c h e da n dt h es t a n d a r df o rd r e s s i n go fu l t r a - s p e e d p o i n tg r i n d i n gw h e e l sw a sf o u n d e di n t 1 1 i sa r t i c l et oc o n d u c tt h eu s i n go ft h i sn e wt y p ew h e e l s v ) c o m b i n e da l lt h ee f f e c t so fu l t r a - s p e e d - g r i n d i n ga n dc o m p a r e dw i t hn o r m a l g r i n d i n gm a c h i n i n g ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fu l t r a - s p e e d p o i n tg r i n d i n gw e r e e d u c e d a l s os o m ea d v i c ef o rc o n t i n u e dr e s e a r c hw a sp r o p o s e dt o o k e yw o r d s ：u l t r a - s p e e d - p o i n tg r i n d i n g ；c o n t a c tz o n e ；w h e e lw e a r ；c u t t i n gm e c h a n i s m ； s u r f a c eq u a l i t y 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论l 1 1 磨削技术发展概况一1 1 1 1 磨削加工的分类1 1 1 2 超高速磨削的发展2 1 2 超高速点磨削的技术特点概述3 1 2 1 快速点磨削的技术特点一3 1 2 2 超高速磨削技术特点6 1 2 t 3 超高速点磨削的技术特点和应用7 1 3 课题的提出与研究意义8 1 4 论文的主要研究内容9 第2 章超高速点磨削磨削几何学研究1 1 2 1 超高速点磨削磨削几何学计算1 1 2 1 1 砂轮等效切深计算1 l 2 1 2 几何接触弧长计算1 2 2 1t 3 磨粒轨迹与动态接触弧长计算1 4 2 1 4 单颗磨粒最大切削厚度1 5 2 2 超高速点磨削磨削几何学分析1 7 2 2 1 加工参数对接触弧长的影响1 7 2 2 2 加工参数对磨粒切深的影响2l 2 3 超高速点磨削加工精度和加工质量2 3 2 3 1 磨削加工精度研究2 3 2 3 2 理想表面形貌研究2 5 2 4 本章小结2 7 第3 章超高速点磨削砂轮工件接触区域研究2 9 3 1 接触区域对磨削加工的影响2 9 3 2 普通加工砂轮工件接触区域形状与面积2 9 3 3 点磨削砂轮工件接触区域形状与面积3 4 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 1 超高速点磨削砂轮工件接触区形状及各加工参数对其影响3 4 3 3 2 超高速点磨削接触区面积计算3 9 3 4 本章小结4 1 第4 章超高速点磨削磨削机理研究4 2 4 1 高温与高应变率对金属材料的影响4 2 4 1 1 高温下材料特性4 2 4 1 2 高应变率下金属材料特性4 3 4 1 3 温度和应变率对材料的综合影响4 4 4 2 超高速点磨削磨削机理探讨4 6 4 2 1 磨削加工机理概述4 6 4 2 2 超高速点磨削磨削机理4 6 4 3 超高速点磨削磨削机理仿真4 9 4 3 1 仿真模型建立的关键技术4 9 4 3 2 钝圆刃口切削仿真51 4 3 3 高速磨粒加工仿真5 4 4 4 本章小结5 8 第5 章超高速点磨削砂轮磨损研究5 9 5 1 超高速点磨削砂轮磨损机理分析5 9 5 1 1 普通砂轮磨损机理5 9 5 1 2 超高速点磨削砂轮磨损机理6 0 5 2 超高速点磨削砂轮磨损特性与规律6 1 5 3 砂轮磨损对超高速点磨削加工的影响6 3 5 4 砂轮磨损测量实验设计6 4 5 4 1 实验概述6 4 5 4 2 实验仪器的原理与结果6 5 5 5 本章小结6 7 第6 章结论与展望6 9 6 1 结论6 9 6 2 展望7 0 参考文献7 1 致谢7 5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 磨削技术发展概况 自1 8 世纪中期第一台磨床诞生到现在，磨削加工技术应用在制造业的各个领域。 随着近年来在磨料和模具制造技术的进步，磨削加工应用范围日益扩大，尤其在难加 工材料和复杂曲面加工方面逐渐成为最重要的力n - r _ 方式，而随着对磨削加工研究的日 益深入，磨加工的应用范围也将在日益扩大1 2 , 6 。 1 1 1 磨削加工的分类 根据加工对象的工艺目的和要求不同，磨削加工已发展为多种加工形式的加工工 艺。通常按工具类型进行分类可分为使用固定磨粒加工及使用自由磨粒加工两大类【5 j 。 按照加工对象、表面生成方法不同可分为外圆、内圆、平面及成形磨削方法。 按照对旋转表面技工件夹紧和驱动方法，可分为定心磨削与无心磨削。 按砂轮进给方法相对于加工表面的关系可分为纵向进给与切入进给磨削。按磨 削行程分为通磨与定程磨。 按砂轮工作表面类型分为周边磨削、端面磨削及周边一端面磨削和数控磨床及磨 削加工中心使用的复合加工方式。 按砂轮线速度的高低将磨削分为普通磨削( 低于4 5 m s ) 、高速磨l j l j ( 4 5 - - 1 5 0 m s ) 、 超高速磨削( 高于1 5 0m s ) 。 按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削和超精密磨削加工方式。 从磨削力的基本倩况来看，大致分为两类： ( 1 ) 恒压力磨削所谓恒压力磨削是指控制切入压力为定位的磨削，即通过控制 磨头重量、杠杆、人力、液压、气动反电器系统来控制砂轮对工什的压力。如砂轮架、 砂轮切割机、钢锭粗磨机等均采用这种形式。 ( 2 ) 定进给磨削所谓定进给磨削是指控制切入进给速度为恒值的磨削。加工时， 砂轮以选定的进给率垂色于磨削表面作切入进给。现在使用的磨床大多采用这种进给 方式。外圆、内圆磨削时，在砂轮宽度大于或等于磨削表面的宽度的倩况下，采用连 续的径向切人进给，称为切入磨削。切入磨削是一种高效率的磨削方式。在砂轮宽度 小于磨削表面宽度的情况下，工件还要作纵向进给运动，每行程或双行程砂轮作径向 切人进给一次，称为纵向磨削。平面磨削时，砂轮宽度大于或等于磨削表面宽度，工 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 件每作一次或往复一次纵向行程，砂轮作一次切入进给；磨削表面较宽时除工件纵向 行程外，还要作横向进给，对整个表向磨出后，砂轮才再次作切入进给。 超高速点磨削属于超高速外圆纵向磨削的范畴，因此其基本遵守超高速外圆纵向 磨削的一些规律。但是由于其独特的砂轮结构以及工件砂轮的位置关系，其肯定有不 同于普通磨削的地方，这也是本文研究的重点。 1 1 2 超高速磨削的发展 自1 8 世纪中期第一台磨床诞生到现在，磨削加工技术应用在机加工的各个领域。 而随着近年来在磨料和模具制造技术的进步，磨削加工应用范围日益扩大，尤其在难 加工材料和复杂曲面加工方面逐渐成为最重要的加工方式【5 ，6 ”。 磨削加工虽然应用日益广泛，但因其加工效率较低而导致其无法进一步扩大加工 范围和提高经济效益。如何在保证加工精度的情况下提高加工效率成为广大磨削工作 者的研究目标。高速超高速磨削加工因其独特的技术特点在保证j j n - r 精度的同时可以 提高加工效率成为人们研究的热点。而超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、 控制技术、测试技术和实验技术的高度集成，超高速磨削技术是优质与高效的完美结 合，是磨削加工工艺的革命性变革。国外将超高速磨削誉为“现代磨削技术的最高峰”。 日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一。在19 9 6 年国际生产 工程学会( c r o p ) 年会上超高速磨削技术被正式确定为面向2 1 世纪的中心研究方向之 一，是当今在磨削领域最为引人注目的技术。当今高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、 美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的a a c h e n 大学、b r e m m 大学、美国 的c o n n e c n c u t 大学等，已经在实验室完成了砂轮线速度为2 5 0 m s 、3 5 0 m s 、4 0 0 m s 的实 验，而德国a a c h e n 大学正在进行目标为5 0 0 m s 的磨削实验研究。在实用磨削方面，日 本已有s = 2 0 0 m s 的磨床在工业中应用 6 , 4 7 j 。 随着c b n 的大量应用和磨削理论研究深入及磨床制造水平的提高，2 0 世纪9 0 年代 以来超高速磨削技术再次受到广泛关注，德、美、日、瑞士等工业发达国家已经实现 了1 5 0 m s 2 5 0 r n s 的工业实用化磨削速度；实验室内磨削速度达至t 5 0 0 r n s ，从而进入 超高速磨削技术的崭新阶段。 我国对高速联削及磨具的研究已有多年的历史，在7 0 年代末期便进行了8 0 m s 、 1 2 0 m s 的磨削工艺实验，现在已经开展2 5 0 m s 的磨削研究。但在实际应用中，砂轮线 速度一般还是4 5 6 0 m s 。 我校很早就开始对磨削加工的研究，在国内外均具有一定的影响 2 7 - 3 0 , 4 8 - 5 0 , 6 0 】。2 0 世纪9 0 年代起，在国家自然科学基金支持下我校也开展了超高速磨削技术研究，研制 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 成功液体动静压轴承主轴2 0 0 m s ( 最高2 5 0 m s ) 、5 5 k w 超高速磨削试验台，开展了超 高速磨削机理、高速深磨和快速点磨削机理等研究，部分研究成果达到了国际先进水 平【3 j 。近年来又展开了超高速点磨削的研究，在国内均处于领先地位。国内其他高校也 对超高速磨削展开了广泛的研究，广西大学开展了8 0 m s 高速低表面粗糙度磨削试验研 究和高速磨削表面微观形貌研究。2 0 0 0 年湖南大学推出1 2 0 m s 数控凸轮轴磨床。从2 0 0 2 年始，湖南大学开始针对2 5 0 m s 超高速磨床主轴系统进行研究，并进行了超高速磨削 磁浮轴承设计。 综上所述，从整体来看，超高速磨削的研究还处于起步阶段，国内外研究成果差 距并不是特别大，因此，对超高速加工进行深入的研究是非常有意义的，可以令我国 跨越式的掌握超精密加工的核心，成为超精密加工的强国。 1 2 超高速点磨削的技术特点概述 1 2 1 快速点磨削的技术特点 快速点磨削集成t 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上，图1 1 为点磨削加工汽车齿轮轴。点磨削的加上过程 不同于一般意义上的高速磨削，其技术特征如下【3 ，9 , 2 2 , 5 5 1 。 图1 1 点磨削齿轮轴 f i g 1 1q u i c k p o i n tg r i n d i n gg e a rs h a t t ( 1 ) 点磨削加工时，砂轮与上件轴线并不是始终处于平行状态，而是在水平和垂 直两个方向旋转一定角度，即存在点磨削变量角度，以使砂轮和上件接触面积减小， 实现“点磨削”。j u n k e r 公司的快速点磨削机床加上圆柱表面时，根据工作台进给方向， 在垂直方向砂轮轴线与工件轴线的点磨变量角q 为0 5 。6 。，使砂轮周边与工件外 圆柱面的线接触变成理论上的点接触；在水平方向砂轮轴线与上件轴线的变量角6 则根 据上件母线特征和曲率大小在0 。 - 一3 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发生干涉。点磨削以单向磨削为主，通过数控系统来 控制这两个方向的变量角数值，以及在x 、y 方向采用与c n c 车削相类似的两轴联动数 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 控进给，以实现对不同形状表面的点磨加工。 图1 2 高精度静压圆柱导轨图1 3 砂轮及磨削液注入系统 f i g 1 2c y l i n d r i c a ls t a t i cp r e s s u r et r a c kf i g 1 3w h e e la n dc o o l a n tj e ts y s t e m ( 2 ) 快速点磨削一般采用金属结合剂超硬磨料( c b n 或人造金刚石) 超薄砂轮，直 径一般为3 0 0 - - 4 0 0 m m ，宽度为4 - - 6 m m ，径向磨料层厚度为5 m m 。j u n k e r 公司快速点 磨削机床采用了多项专利技术，如砂轮三点定位安装系统和在线修整系统、砂轮主轴 电子平衡自动控制系统等。x 方向采用高精度静压圆柱导轨技术( 图1 2 ) ，以增加阻尼 和稳定地实现微米级精确切入进给。z 方向( 纵向) 进给采用带有预负载的滚珠丝杠和平 面v 形涂层导轨。机床配有高压磨削液双喷嘴供给系统等，以保证机床的加上性能和 加上精度。图1 3 为点磨削砂轮及磨削液双喷嘴供给装置【2 6 ) 川。 砂轮在主轴上的安装采用j u n k e r 公司专利技术“三点定位安装系统”快速完成，重 复定位精度高，并可补偿高速离心力作用下的砂轮孔径涨大，如图1 7 所示。当砂轮主 轴相对于砂轮逆时针转动时，主轴星形体上三段均布的摆线轮廓斜面与砂轮内孔均布 的三个圆柱紧密接触，实现砂轮对中定位，然后山螺栓将砂轮与主轴法兰端面锁紧。 当需要更换砂轮时，只需将砂轮逆时针旋转3 0 。，即可使砂轮与主轴分离，从而快速 更换砂轮，使更换顶尖时间小于2 分钟，换砂轮时间小于2 0 分钟。为控制由于砂轮高速 旋转产生的振动，保证获得高的表面质量，在砂轮的每次修整和更换后都要进行动平 衡，j u n k e r 公司的快速点磨削机床通过安装在主轴端部的电子自动平衡系统自动完成砂 轮在线动平衡，砂轮径向跳动精度可控制在0 0 0 2 m m 以内，加工精度较高【6 。 图1 5q u i k p o i n t 5 0 0 0 快速点磨削机床 f i g 1 5m a c h i n et o o lo fq u i k p 0 1 n t 5 0 0 0 豳罨簟 。燕|；|遴雹一 譬潼重 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) j u n k e r 公司q u i k p o i n t 5 0 0 0 型快速点磨机床砂轮直径4 0 0 m m ，砂轮厚度 5 m m ，装夹上件的两顶尖最大距离为1 2 0 0 m m ，最大磨削长度可达1 0 0 0 m m ，顶尖中心高 1 7 0 m m ，最大加工工件重量为7 0 k g ，因此该机床具有较大的加上尺寸范围。图1 5 为 q u i k p o i n t 5 0 0 0 型快速点磨削机床。 ( 4 ) 砂轮速度，可达9 0 1 6 0 m s 。为获得高磨除率，同时不使砂轮产生过大的离 心力而发生破坏，工件也高速旋转，并于砂轮转向相同，通常在1 0 0 0 r m i n 以上，最高 可达1 2 0 0 0 r m i n 。因此接触点处的实际磨削速度应是砂轮和工件两者线速度的叠加可达 2 0 0 m s ，以实现更高应变率下材料的去除。由于车磨工序合并，为保证工件的表面质 量，径向切深和沿x 轴的纵向进给速度一般很小，如点磨削凸轮轴时，纵向进给速度一 般在0 0 1 2 m m s ，径向切深0 0 0 2 - 0 2 m m 。 金嚣盼 ：靛匏谚办瑗_ ! ：；乏 | 图1 6 砂轮在线修整原理 f i g 1 6p r i n c i p l eo fw h e e ld r e s s i n go n l i n e ( 5 ) 点磨削中，磨削力和磨削温度都很小，所以砂轮磨损也很小。实际应用中一 般根据砂轮耐用度( 加上工件的数量) 或磨损状态( 砂轮横向磨损宽度是否达到规定 值) ，通过与上件同轴线安装的金刚石滚轮和油石自接在机床上完成在线修整，如图1 7 所示。 图1 7 磨削液循环系统 f i g 1 7s u p p l ys y s t e mo fc o o l a n t ( 6 ) 使用高速低粘度磨削油喷注进行冷却( 见图1 3 ) ，供液压力一般为0 5 2 m p a 。 由于高速旋转的砂轮将磨削油甩成油雾，加上必须在封闭环境中自动进行，需配有吸 排风系统和高效率磨屑分离与油气分离单元。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与一般的超高速磨削方法相比较，点磨削砂轮与工件近似于点接触状态( 接触面 积最小) ，属于一种全新的磨削模型。此外，由于磨削力和比磨削能更小且砂轮且具有 独特的特征，其砂轮磨损规律也不同于普通磨削。超高速点磨削时可同时有两个方向 的摆角：砂轮轴线与工件轴线绕公垂线旋转形成的倾斜角和砂轮轴线与工件轴线绕所 在平面的法线旋转所形成的偏转角。这两个可变可控的变量角可以保证点磨削加工方 式具有很好的加工范围和加工效果。 1 2 2 超高速磨削技术特点 由于超高速磨削具有诸多特点和优越的表现，使它从一出现就受到人们的广泛重 视，并被迅速应用于实际生产中。根据近年来的研究，超高速磨削由于磨粒相对于工 件运动的速度己经接近于压应力在材料中的传播速度，所以会使工件材料变形区域明 显变小，消耗的切削能量更集中于磨屑的形成，会使切除单位体积材料需要的能量变 小；材料变形能转化的热量也更集中在磨屑中，使传入工件的热量比例减少。另外， 由于磨粒运动速度很快，变形区域的应力和热量来不及向工件传导，变形区域热量集 中，应变率提高，相当于在高速绝热冲击条件下完成切削，使材料更易于磨除，并使 难磨材料的可磨性改善。其特点可总结如下【5 ，6 ，1 1 , 4 6 , 6 0 1 ： ( 1 ) 材料磨除率非常高，磨削效率大幅度提高。例如，在超高速外圆磨床上由毛 坯直接磨成曲轴，每分钟可磨除2 k g 金属，生产效率大大高于普通车削。特别是在采用 超高速( 1 5 0 m s 、 2 5 0 m s ) 的同时，采用快速进给( 0 5 1 0 m m i n ) 和大切深( 可至3 0 m m ) 的高磨削参数，可获得超过缓迸给深磨近百倍的极高磨除率。它能由毛坯一次加工成 形，加工时间仅为车削、铣削的5 2 0 。 ( 2 ) 磨削力和比磨削能小，工件受力变形小，工件加工精度高。在切深相同时， 磨削速度2 5 0 m s 磨削时的磨削力比磨削速度1 8 0 m s 时磨削力降低近一倍。 ( 3 ) 砂轮磨损少，使用寿命长。超高速条件使单颗磨粒受力小，使砂轮磨损非常 慢，极大地延长了砂轮寿命。磨削力一定时，2 0 0 m s 磨削砂轮的寿命是8 0 m s 磨削的两 倍；磨削效率一定时，2 0 0 r n s 磨削砂轮的寿命则是8 0 m s 磨削的7 8 倍【“】。这不仅可降低 成本，而且有利于实现磨削自动化。 ( 4 ) 磨削表面粗糙度值会随砂轮速度提高而降低，在其他条件一定丽磨削速度分 别为3 3 m s ，1 0 0 m s ，2 0 0 m s 时，磨削后表面粗糙度分别为r a 2 0 1 t m 、r a l 4 1 m a 和 r a l 1 岬，超高速磨削条件下灭口值最小。 ( 5 ) 超高速磨削工件表面温度低，受力受热变质层很薄，所以其表面加工质量有 很大提高，具有好的表面完整性。使用c b n 砂轮2 0 0 m s 超高速磨削钢件的表面残余应 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 力层深度不足1 0 i n n 。 ( 6 ) 超高速磨削实现的极小的磨粒切深，可以使陶瓷等脆性材料不再以脆性断裂， 而是以塑性材料变形的形式产生磨屑，高效率地对硬脆材料实现延性域磨削。另外， 对高塑性和难磨材料，也会在高应变率响应的作用下，改善磨削加工性能，具有良好 磨削表现。 1 2 3 超高速点磨削的技术特点和应用 超高速点磨削是快速点磨削和超高速点磨削的结合体，集二者优点于一体，可以 认为快速点磨削在超高速领域的应用，也可以认为是超高速磨削技术的衍生技术。采 用普通结构砂轮进行点磨削时会造成一定的加工质量的下降，而采用带有粗磨区域倾 角的砂轮则可以弥补上述缺点，因此本文中提到的超高速点磨削均是采用新型结构的 砂轮【5 5 1 。 由于超高速点磨削具有诸多特点和优越的表现，使它从一出现就受到人们的广泛 重视，并被迅速应用于实际生产中。我国第一汽车制造厂最先引进这种加工技术并取 得了很好的经济效益。根据超高速点磨削的技术特点，超高速点磨削主要应用于以下 方面【5 , 6 , 6 0 1 ： ( 1 ) 复杂曲面的加工； ? 一? 。一? 、，。i ， ，? 蓐f 。 参 _ 卜 窜 图1 8 复杂回转曲面点磨削原理 f i g 1 8p o i n tg r i n d i n gp r i n c i p l eo fg y r o i d a ls u r f a c e 超高速点磨削主要用于回转面及沟槽的磨削加工，且具有复杂回转表面的回转体 零件也可以用点磨削加工，通过合理控制偏转角p ，结合x 、y 轴的c n c 联动，利用超 薄砂轮能够进入普通砂轮所不能进入的磨削区域。如图1 8 所示。 传统数控磨床的砂轮轴线相对于工件坐标系的夹角是不变的，磨削时，砂轮的轴 线无法保证始终与待加工表面保持平行，其磨削力和砂轮的受力情况在磨削过程中是 不断变化的，导致表面质量下降，较难实现对复杂曲面的加工。而超高速点磨削可以 保证在加工过程中保持砂轮轴线和待加工表面平行，使复杂表面的加工类似于普通外 圆加工。所以点磨削可以实现这类复杂回转曲面零件的点磨削加工，从而简化这类零 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 件的加工工艺，取得良好的经济效益。因此需要进一步开发在这一领域点磨削工艺， 扩大点磨削加工几何形面的适用范围 ( 2 ) 难加工材料的加工； 一些高性能硬脆材料在工程中的应用日益广泛，但改善这类材料的机械加工性能 始终是一项技术难题。研究结果表明，脆性材料在超高速磨削条件下可以实现延性域 磨削。由于点磨削过程中材料极高的应变率，材料变形层将产生高度局部化的绝热剪 切和动态微损伤，应变率弱化效应对磨削过程，特别是对磨削力及材料去除机理的影 响会更为显著，脆性材料不再完全以脆性断裂的形式产生磨屑，因此可实现对硬脆性 材判的“延性 加工，从而大大提高硬脆性材料的磨削质量和加工效率。此外，由于 金属活性高、热导率低等因素影响，镍基耐热合金、钛合金、铝合金等一些难磨材料 在普通磨削条件下磨削加工性很差。点磨削的磨屑形成时间极短，切屑变形速度己接 近静态塑性变形应力