（机械制造及其自动化专业论文）铝合金材料砂带磨削机理的试验研究.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 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h eb e l tg r i n d i n g m e c h a n i s mf o ra l u m i n u m a l l o y s b yb ib o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry u a ns u o x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 毋 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： 日 期： 坪蚁 仉9 歹。 ，q7 矿 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旷两年口 学位论文作者签名： 筝良 签字醐：w 罗9 川 i 导师签名：磊钧先 签字日期：巩哟夕7 - 1 铝合金材料砂带磨削机理的试验研究 摘要 砂带磨削技术作为一种磨削和抛光相结合的新工艺，因其具有加工效率高、“冷态” 磨削、磨削速度稳定、磨削精度高和磨削成本低等优点，被认为是一种优质、高效、低 耗和用途广泛的加工方法。与传统车削、铣削和砂轮磨削等材料加工工艺相比，砂带磨 削技术可有效提高和改善铝合金等金属材料的表面加工质量和加工工艺性能，并可大大 降低材料加工成本。但目前，国内外对于铝合金等金属材料的砂带磨削工艺及其机理的 研究还不够深入。因此，进一步开展铝合金等金属材料砂带磨削工艺及其机理的研究， 对于系统建立铝合金材料的砂带磨削加工工艺理论、提出铝合金材料有效的砂带磨削工 艺控制措施和拓展砂带磨削工艺的应用范围有重要意义。 本文以铝合金材料为研究对象，基于外圆砂带磨床磨削工艺，深入开展了铝合金材 料的砂带磨削机理的试验研究。 ( 1 ) 收集并归纳了砂带磨削、砂带磨床国内外的研究现状，分析了铝合金材料砂带 磨削机理的研究意义。 ( 2 ) 在前期研究的基础上开展了砂带磨削机理和砂带磨损的研究，介绍了砂带磨削 的磨削力、磨削功率和磨削温度的解析公式。 ( 3 ) 完成了铝合金材料的砂带磨削试验，研究了砂带磨削工艺因素( 如砂带速度、 工件移动速度、磨削深度等) 对铝合金材料的磨削力、表面粗糙度、材料去除率和磨削 温度的影响规律。 关键词：砂带磨削；铝合金；磨削力；表面粗糙度；材料去除率；磨削温度 i i e x p e 订m e n t a ls t u d yo nt h eb e l tg r i n d i n g m e c h a n i s mf o ra 1 u m i m i ma 1 1 0 y s a b s t r a c t b e l t 鲥n d i n gt e d m o l o 鼢w h i c hh a s 鲥n d i n ga n dp o l i s h i n gc h a r a c t e r i s t i c a tm es 锄e t i m e ，i s 龇i u g h ta san e wm a c h i i l i n gt e c ：1 1 i 1 0 1 0 9 yw 油e x c e l l e n tm a c h i n i n gq u a l i 吼h i g l l m a c h i n i n ge 伍c i e n c y 1 0 we n e r g yc o n s 啪p t i o na n de x t e n s i v e 印p l i c a t i o nf o ri t sa d v a n t a g e s s u c ha s ”c 0 1 ds t a t e ”面n d i n g ，s t e a d y 鲥n d i n gs p e e d ，h i 曲面n d i n gp r e c i s i o na n dl o w m a c l l i l l i n gc o s t c o m p a r e dw i t l lt | a d i t i o n a lm a t e r i a lm a c h i n i n gt e c h n o l o 酉e ss u c ha st u m i n g ， m i l l i n ga n dw h e e l 班n d i n t h es u r f a c em a c 王l i n i n gq u a l i t y a r l dm em a c h i n i n gt e c h i l i c a l p r o p e n i e so fm c t a l l i cm a t e r i a ls u c ha sa l u n l i n u ma l l o yc o u l db ei m p r o v e de m c i e n t l yb y b e l t 面n d i n gp r o c e s s ，a i l dm em a t e r i a lm a c h i n i n gc o s tc o u l db ea l s or e d u c e dg r e a t l y b u tu pt o n o w ，t h es y s t e i i l a t i ci n v e s t i g a t i o no nb e l t 鲥n d i n gm a c h i n i n ga i l di t sm e c h 撕s mo fm e t a l l i c m a t 耐a ls u c ha sa l 啪i n u ma l l o yh a sn o te n o u 曲p l e n i t l l d e i ti sv e r yn e c e s s a d r t oi n v e s t i g a t e t h eb e l t 酣n d i n gt e c h n o l o g y 锄di t sm a c h 斌n gm e c h a l l i s mo fm e t a l l i cm a t 甜a l ss u c ha s a l u m i n 啪a l l o yi no r d e rt oe s t a b l i s ht h eb e l t 鲥n d i n gm a c h i n i n gm e o r yo f m c t a l l i cm 砷e r i a l ， t od e v e l o pt l l ee 虢c t i v et e c l l i l 0 1 0 9 yc o n 廿d 1m e t h o d so f b e l t 鲥n d i n gf o rm e t a l l i cm a t 嘶a 1 ，a n d t oe x t e l l dt l l ea p p l i c a t i o ns c o p eo f b e l t 鲥n d i n gt e c l u l 0 1 0 9 y t h ep a p e rt a k em ea l u m i m l ma l l o ym a t e r i a la sr e s e a r c ho b j e c t ，o nt h eb a s i so f t h eo u t s i d e r o u n db e l t 鲥n d i n gt e c l l i l 0 1 0 鼢t h o r o u 曲l yd e v e l o p e dt h ee x p e r i m e n t a ls 锄yo nt h eb e l t 酣n d i n gm e c h a n i s mf o ra l u m i n u ma l l o y f i r s t l y m ed o m e s t i ca n df o r e i 印r e s e a r c ha c t u a l i t i e sa b o u tb e l t 鲥n d i n g a j l da b r a s i v eb e l t m a c h i n ew e r ec o l l e c t e da n dc o n c l u d e d t h es i 印i f i c a l l c eo fb e l t 鲥n d i n gm e c h a l l i s mf o r a l 眦i n u ma l l o yw a s 趾a l y z e di nt h i st h e s i s s e c o n d l v ，o nm eb a s i so fo u rf i o n n e rr e s e a r c h ，t h em e c h a n i s ma n dw e 撕n go fb e l t 舛n d i n gw a ss t u d i e d t h ef o l l n u l ao fb e l tg r i n d i n gf o r c ea n db e l tg r i n d i n gp o w e ra n db e l t 丑n d i n gt e i n p e r a 饥l r ew a s i n t r o d u c e d i i i 东北大学硕士学位论文abs衄ct a tl a s t ，m ee x p e r i m e n t a ls m d yo nt h eb e l t 鲥n d i n gm e c h a l l i s mf o ra l u m i m m la 1 1 0 yw e r e 丘n i s h e d ，t h ei n n u e i l c eo f b e l t 鲥n d i n gp r o c e s s i n gf a c t o r s ，w h i c hi n c l u d e da b r _ 懿i v eb d ts p e e d ， w o r kp i e c e 平。da n da b r a s i v ed 印t ho nt 1 1 e 鲥n d i n gp r e s s u r e ，s u r f a c er o u g l l i l e s s ，m a t 面a 1 r e m o v a lr a t e 锄d 鲥n d i n gt 锄p e r a t u r eo fa l u m i m l ma 1 1 0 yw a si n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：a b r a s i v eb e l t 鲥n d i n g ；a l u m i m l ma 1 1 0 y ；鲥n d i n gp r e s s u r e ；s u r f ! a c er o u g l l i l e s s ； m a t e r i a l 豫n o v a lr a t e ；班n d i n gt e m p e r a t l l r e i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要ii a b s t r a c t 一iii 第1 章绪论l 1 1 本课题的研究意义1 1 2 国内外砂带磨削技术的现状与发展趋势1 1 2 1 国外发展状况1 1 2 2 国内发展状况3 1 2 3 砂带磨削相关技术与发展趋势4 1 3 砂带磨床及其发展9 1 3 1 砂带磨床9 1 3 2 砂带磨床的应用9 1 3 3 砂带磨床的发展趋势9 1 4 课题研究内容1 0 1 5 本章小结1 0 第2 章砂带磨削原理1 1 2 1 砂带磨削的一些基本概念1 1 2 1 1 砂带磨削的基本要素和特征11 2 1 2 砂带磨削的基本形式1 2 2 2 砂带磨削机理及砂带磨削的特点14 2 2 1 砂带磨削机理1 4 2 2 2 砂带磨削的特点2 0 2 3 砂带的磨损机理2 1 2 3 1 砂带的磨损形式2 1 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 2 砂带磨损的阶段划分2 3 2 3 3 影响砂带磨损的因素2 4 2 4 砂带磨削的磨削力、磨削功率和磨削温度解析公式2 4 2 4 1 砂带磨削的磨削力解析公式2 4 2 4 2 砂带磨削的磨削功率解析公式2 6 2 4 3 砂带磨削的磨削温度解析公式2 7 2 5 本章小结2 9 第3 章砂带磨削铝合金材料的试验方法3 0 3 1 引言3 0 3 2 试验条件与方案3 0 3 。2 。1 试验用l y l 2 铝合金材料3 0 3 2 2 试验条件3 0 3 2 3 试验方案3 5 3 3 本章小结3 6 第4 章磨削力和表面粗糙度的研究3 7 4 1 磨削力的研究3 7 4 1 1 砂带速度对磨削力的影响3 7 4 1 2 工件移动速度对磨削力的影响3 8 4 1 3 磨削深度对磨削力的影响3 9 4 1 4 磨削参数对磨削力的影响比较4 0 4 2 表面粗糙度的研究4 0 4 2 1 砂带速度对表面粗糙度的影响4 1 4 2 2 工件移动速度对表面粗糙度的影响4 1 4 2 3 磨削深度对表面粗糙度的影响一4 2 4 2 4 法向磨削力对表面粗糙度的影响4 3 4 2 5 磨削参数对表面粗糙度的影响比较4 4 4 3 本章小结4 4 v i 东北大学硕士学位论文 目 录 第5 章磨削加工效率和磨削温度的研究4 6 5 1 磨削加工效率4 6 5 2 材料去除率的研究4 8 5 2 1 磨削过程对材料去除率的影响4 8 5 2 2 砂带速度对材料去除率的影响4 9 5 2 3 工件移动速度对材料去除率的影响4 9 5 2 4 磨削深度对材料去除率的影响5 0 5 2 5 法向磨削力对材料去除率的影响5 1 5 2 6 磨削参数对材料去除率的影响比较5 2 5 3 砂带磨削温度及其测量方法5 2 5 3 1 砂带磨削温度5 2 5 3 2 磨削温度的测量方法5 3 5 4 砂带磨削温度的研究5 5 5 4 1 砂带速度对磨削温度的影响5 5 5 4 2 工件移动速度对磨削温度的影响5 6 5 4 3 磨削深度对磨削温度的影响5 7 5 4 4 磨削参数对磨削温度的影响比较5 8 5 5 本章小结5 9 第6 章结论与展望6 0 6 1 结 念一6 0 6 2 展望6 l 参考文献6 2 致谢6 5 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 本课题的研究意义 第1 章绪论 随着航空、航天、汽车、摩托车以及轻工业的不断进步和发展，铝合金等金属材料 的应用及其加工技术已越来越引起国内外制造商和材料专家学者们的普遍关注和高度 重视。众所周知，铝合金材料具有优良的性能，然而在机械加工时，由于铝合金材料具 有的某些机械物理性能特点使其加工工艺性差、加工成本高。由于磨削加工往往是机械 加工产品的终极加工工序，其加工效果的好坏直接影响到产品的最终质量和性能，因此 面对现代工业发展对铝合金材料表面加工质量、精度、完整性和成本等提出的更高要求， 传统的磨削工艺已难以适应。砂带磨削技术作为一种磨削和抛光的新工艺，因其具有加 工效率高、“冷态”磨削、磨削速度稳定、磨削精度高、磨削成本低等优点，被认为是 一种优质、高效、低耗、用途广泛的加工方法，发展潜力巨大。与传统的车削、铣削和 磨削等工艺相比，砂带磨削技术在提高铝合金等金属材料的表面加工质量、精度和完整 性，改善金属材料的加工工艺性能和降低加工成本等方面优势明显，也正是由于这样， 砂带磨削技术已成为国内外材料和机械交叉学科中引入注目的研究开发领域之一。目 前，砂带磨削技术已在材料加工中发挥着越来越大的作用，并已逐渐发展成为金属材料 精密和超精密加工的有效方法之一。 国内外虽然对于铝合金材料的砂带磨削工艺及其机理已进行了一定的研究，但仍然 存在很多问题需要解决，如对于铝合金材料砂带磨削加工工艺及磨削机理、磨料与金属 间交互作用的研究还不够深入，并且对于工件表面形貌、砂带磨损表面显微特征的观察 和分析也不够充分。因此，进一步开展铝合金材料砂带磨削工艺及其机理的研究，对于 系统建立铝合金材料的砂带磨削加工工艺理论、提出铝合金材料有效的砂带磨削工艺控 制措旌和拓展砂带磨削工艺的应用范围意义重大。 1 2 国内外砂带磨削技术的现状与发展趋势 1 2 1 国外发展状况 国外砂带磨削经历了几十年的发展。世界各国特别是美国、日本、英国和德国，从 日用汤勺到宇航飞船的蜂窝夹层结构的加工生产竟相采用砂带磨削技术，新机型大量涌 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 现，砂带磨床总台数与日剧增，砂带磨床磨削工艺已发展到了强力、高效、自动化的新 阶段。 ( 1 ) 砂带及砂带磨床的产量和销售量不断增加 美国有三家著名的砂带集团开发了多种不同规格的砂带，有大约5 5 家公司向工业 界提供砂带磨床，日本、英国和德国等国家大约有2 5 家企业集团也在积极制造砂带磨 床。目前，全世界工业发达的国家每年向工业界提供各类砂带磨床近4 0 万台，提供各 种规格的砂带近9 5 0 0 万平方米【2 】。 ( 2 ) 砂带磨削应用领域在日趋扩大 砂带磨削应用领域在日趋扩大。从一般家庭生活到工业生产和各个领域应用非常广 泛，如钢铁工业、航空航天工业、机械加工、造船业、铸造业、交通运输、金属加工、 木器、石材、砖材、纤维、塑料器具和器械等。如今，砂带磨削技术已成功地应用于录 音机、摄像机、照相机以及复印机等的精密零部件制造。 从加工对象的形状来看，砂带磨削技术可以完成大平面的薄板、中板和厚板的磨抛， 金属带材或卷材的连续磨抛，各种叶片型面的成型磨抛，批量工件的磨抛以及各种外圆 柱面和内圆柱面的磨抛；从加工方式来看，砂带磨削技术可以进行粗磨、半精磨、精磨 和抛光等一系列加工。为适应无切屑和少切屑工艺发展的需要，国外已广泛地应用无心 砂带磨削技术进行长杆加工。如日本中部机械公司用无心砂带磨床加工提升机与土木机 械用的外径5 1 6 5 m m ，长1 8 m 的活塞杆，每加工一根杆只需5 h ，比砂轮磨床提高工效 近9 倍【2 1 。 ( 3 ) 砂带磨削技术与特种加工方法和现代化技术紧密结合 砂带磨削技术与特种加工方法和现代化技术紧密结合。如自适应控制、微机应用与 引入、n c 控制及误差补偿、p c 控制器等，以及电解砂带磨削技术、电镀砂带磨削技术 的发展和许多新型砂带磨床的出现。在数控砂带磨床方面，原苏联一直在致力于这方面 的研究；原西德f b s a 系列大平面砂带磨床已采用数显装置，m e t a b o 公司研制了6 轴5 联动数控砂带磨床。在多磨头、多功位砂带磨床方面，瑞典a s e a 和原西德m e t a b o 公 司成功地把关节式机器人用于砂带抛光机上；在美国已将机器人运用于砂带磨床上，而 且已生产出应用于f m s 生产线上的砂带磨床。 此外，砂带磨床一方面朝着小型化方向发展，另一方面又向强力、高效、大功率宽 砂带磨床方向发展。如美国生产的砂带磨床最大宽度已达到4 9 m ，最大功率超过2 0 0 k w 。 据了解，美国已在使用1 0 0 州s 的高速砂带磨床。英国生产的一种砂带磨床可以完成4 台铣床的工作量。以往用硬质合金铣刀加工铸铁轴承体，每件加工时间为4 8 m i n ，采用 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 强力砂带磨床加工时间减少为o 8 m i n 。砂带磨头还可以和其它设备组合设计在一起，如 砂带、砂轮、抛光叶轮等多功能机在国外已开始了研制、试用【3 1 。 ( 4 ) 新型砂带的研制 如德国开发并获得多国专利的空心球复合磨粒，日本的软木砂带磨粒及多层涂附磨 粒，美国3 m 公司推出的新型陶瓷刚玉磨粒等都具有特殊的优越性。日本目前正在研制 一种由软钢带作基底的c b n 或金刚石砂带。c b n 或金刚石磨粒通过电镀附在钢带上， 这种钢带柔性虽不如常规砂带，但它对于特殊场合和难加工的高硬度材料特别有效。此 外，混合磨粒砂带，不同粒度的混合砂带，磨料和粒度都不同的混合磨粒砂带都在研究 当中3 1 。 1 2 2 国内发展状况 随着国外砂带磨削技术的不断进步，国内砂带磨削技术的研究和应用已越来越引起 我国机械行业的关注。目前，国内已具有一定数量的砂带磨削设备制造厂和研究砂带磨 削技术的单位，如新乡机床厂、重庆大学、华中理工大学等。我国主要的涂附磨具制造 厂家有：中国第二砂轮厂、浙江海门砂布厂等。 我国砂带磨削技术的发展经历了下面三个阶段【2 1 。 ( 1 ) 起步阶段 我国砂带磨削技术的应用从5 0 年代开始，主要采用砂带磨床对重型矿山机械中的 大型轴类零件进行加工。代表厂家有沈阳矿山机械厂，它对砂带磨削原理及工艺做了一 定的研究，取得了一定的成果，为砂带磨削技术在我国的应用作出了贡献。 ( 2 ) 推广应用阶段 伴随着国外砂带磨削技术的发展，中国第二砂轮厂率先引进了前西德砂带生产线， 使国内砂带磨削技术推广应用进入了一个新的阶段。砂带磨削加工已从对平面及简单曲 面( 内、外圆柱表面) 加工发展到对叶片型面、曲轴的精加工。砂带磨削加工范围从钢铁 材料发展到有色金属材料、木材、皮革、橡胶、人造大理石、陶瓷等非金属材料。如东 北大学对金属线材表面进行砂带磨削，通过试验研究砂带修磨压力在线材修磨时对金属 去除率及磨削比的影响；重庆大学自1 9 8 2 年以来，先后完成了“摆线砂带磨齿工艺”、 “高精度平面砂带磨削工艺”等多项科研项目，获国家专利8 项，1 9 8 6 年还率先成立了 从事砂带磨削技术方面的产品开发公司海达砂带磨床公司；近期，重庆大学对电解砂带 复合磨削新工艺进行了研究和效果论证。 在砂带磨削的推广应用中，科研人员还研究了砂带磨削的质量问题、影响砂带磨削 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 质量的因素和砂带磨损问题。其中首推湖南大学，该校对板式平面砂带磨削温度进行了 研究，提出了砂带磨削温度不容忽视的新观点，这在国外还未见报道。这一观点对进一 步研究强力砂带磨削和砂带磨损规律，对在砂带磨削的推广应用中经济、合理地选择磨 削条件等都具有重要意义。近期，该校又对强力平面砂带磨削砂带磨损机理及形式、工 件表面残余应力等方面进行了研究。 ( 3 ) 超精密磨削抛光阶段 目前，国内砂带磨削正朝着超精密方向发展，如超声砂带磨削技术，这是一项由清 华大学开创的具有世界领先水平的新型精密砂带复合加工方法。该技术是将超声振动与 开式砂带磨削复合的新工艺。应用这种技术对计算机硬磁盘进行研抛加工，表面粗糙度 可达r a o 0 1 聊，所用砂带是日本的w 3 氧化铝磨料的聚酯砂带。 1 2 3 砂带磨削相关技术与发展趋势 ( 1 ) 砂带与磨料技术 砂带磨削技术从其产生到现在，每一个发展阶段均以砂带的发展为标志。砂带是一 种用粘结剂将磨料粘结在纸、布等挠性材料上制成的涂附磨具。其结构如图1 1 所示。 砂带不仅是磨具三大系列涂附磨具、固结磨具、超硬磨具中的一个重要组成部分， 而且是涂附磨具中技术含量最高的产品，甚至己成为衡量一个国家砂带磨削技术水平高 低的标准【1 1 。 麓悔底峻 图1 1 砂带结构不意图 f i g 1 1s k e t c ho f s t m c t u r eo f t h ea b m s i v eb e l t 砂带实现自动化生产可追溯到上个世纪7 0 年代，当时已经开始采用静电植砂，随 后出现了抗破碎性强的锆刚玉磨料。首先，美国n o n o n 公司发明切除率高、寿命长的 锆刚玉砂带，为重载强力砂带的应用奠定了基础；其次，1 9 8 3 年又以美国n o n o n 公司 为代表的引晶凝胶专利s g 和t g 磨料，在砂带强力磨削领域带来了一场全新的技术革 命。随后，美国3 m ，德国h e h n e s 和日本n o r i t a k e 等多家公司也相继开发出新型陶瓷磨 料。9 0 年代至今，随着人们对砂带品种和性能的要求不断提高，各类强力、精细和特殊 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 形态的砂带先后被研制出来。如今国际知名的砂带品牌有美国3 m 、法国s a i n t g o b a i n n o n o n ，德国v s m 、h e m e s 、k l i n g s p o r ，瑞士s a i l c a p e ，意大利b m a ，日本野牛n g a ， r i k e nc s r 等，它们代表了当今世界砂带研究和制造的最高水平h 】。 磨料是砂带能够进行切削加工最基本的因素，磨料本身的性能很大程度上决定了砂 带磨削性能的优劣。用来制造砂带的磨料应具有一定的硬度、韧性、适当的破碎性、较 好的稳定性和适当的颗粒成型性等性能。除常见的普通刚玉和碳化硅磨料外，国际上已 研制出的高性能磨料有锆刚玉磨料、金刚石磨料和c b n 磨料等。 锆刚玉磨料和陶瓷磨料是制造高品质重载强力砂带的首选。锆刚玉是一种抗破碎性 强、多晶层状结构的磨料。陶瓷磨料是在s 0 1 g e l ( 即溶胶凝胶工艺) 合成和低温烧结 成型过程中形成了亚微晶结构的一种磨料。新型堆积磨料砂带由于其堆积效果在磨削过 程中不断有锋利的切削刃产生，所以具有较长的寿命和对材料均匀一致的去除率。多层 堆积磨料由于有一定的磨粒层，当上层磨粒钝化破裂脱落后，就会露出新的切削层，所 以多层磨粒砂带具有较长的使用寿命和一定的自锐性。图1 2 为德国h 锄e s 公司的 h e 肌e s i ts y s t e mb e l t 空心球磨料砂带，它在使用一段时间后磨粒开始破碎、开孔，但仍 然具有很高的机械强度和长时间保持持续稳定的磨削效果。金刚石和c b n 磨料因其高 硬度和优良的耐磨性在工程陶瓷、半导体玻璃等脆硬材料的精密和超精密加工中已取得 初步应用。早期的金刚石、c n b 砂带几乎都通过镍或铬电镀在金属基带上制成( 如图1 3 ( a ) 所示) 。 图1 2 仝心球屠料砂带 f i g 1 2h e 册e s i ts y s t 啪b e l t 基体材料是磨料和粘结剂的承载体，砂带基体材料应具有很强的粘结性、一定的强 度与曲性、较小的延伸率和相对平整等特性。砂带基体材料主要有四个大类：纸基体、 布基体、复合基体和无纺布基体。目前各类新型的基体材料也随着纤维和编织技术的发 展而问世，无纺布基体由于采用了不编织纤维材料，使磨粒能均匀地粘结在空间柔软的 弹性纤维上( 如图1 3 ( b ) 所示) ，具有加工表面一致性好、无暗纹、重量轻和抗撕裂性强 等突出特点。另外，聚脂超强化薄膜基体的出现为精密和超精密研磨砂带研制开辟了一 条全新的道路。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( a ) 金属带基金刚石砂带( b ) 无纺布砂带 图1 3 砂带外观图 f i g 1 3o u t s i d ed r a w i n go f b e l t s 粘结剂通常又称为胶，也是一个影响砂带综合性能的重要因素。粘结剂性能改良或 开发新型粘结剂一直以来都是涂附磨具研制中的一个重大研究课题。由于砂带磨料和基 体材料的差异，用于制造砂带的粘结剂种类也很多。总体上可分为天然和人工合成的有 机高分子化合物，其中天然胶有植物蛋白、动物蛋白和动物胶；合成树脂有酚醛树脂、 环氧树脂、醇酸树脂等，以及合成橡胶和油漆等材料。根据用途和涂胶次序不同又可分 为底胶和覆胶两类，底胶是在植砂前均匀地预涂的那层胶，它使磨料能粘附在基体的表 面，起初步固定磨料的作用；覆胶是在植砂并预烘干后再涂的一层胶，其作用主要是使 磨料能牢固地粘在基体表面。近些年由于航空和新型材料的使用日益增加，国外磨料磨 具制造厂家己研制成功第三涂层砂带。第三涂层实际上是一种用于难加工材料磨削所研 制的特殊润滑剂，又称超涂层。如图1 4 所示，超涂层砂带是在底胶和覆胶的基础上增 涂了第三层具有特殊用途的薄层物质，目的是为了降低磨削温度、减小粘附和增加材料 去除率。在砂带特殊涂层研究方面，韩国高丽研磨公司也开发出了包括铝型薄片基材在 内的d e e r n s t 系列特殊涂层的防滑砂带和抗静电砂带5 1 。 1 一磨粒2 一支撑磨粒3 一第二涂层4 一覆胶5 一底胶6 一基材 图1 4 超涂层砂带 f i g 1 4s u p e rc o a t i n ga b r a s i v eb e l t ( 2 ) 磨削过程建模与仿真技术研究 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 尽管各国学者对磨削加工过程开展了大量的研究工作，然而我们至今仍无法清楚地 认识磨削加工机理。磨削过程异常复杂且影响因素繁多，为了研究不同磨削条件下的磨 削过程和预测最终的加工质量，人们开始利用计算机仿真技术来研究磨削过程。利用计 算机进行磨削加工过程的仿真是国际上的一个重要研究课题，c i r p 磨削科技委员会已 经把“虚拟实验室 作为一个重要的合作项目，其中要求“虚拟磨床”可以模拟实际磨 削系统的加工环境，通过输入输出来分析加工过程中磨削功率、磨削力变化和磨削区温 度场等，预测多种条件下磨削表面质量和加工精度。 国外最初对磨削过程的仿真研究是通过磨粒的统计特性来研究磨削温度、切屑和表 面粗糙度等。随着仿真技术的飞速发展，磨削仿真研究范围开始扩大到砂带磨损、磨削 力、振动、磨削过程参数优化等。从历年c i r p 年会论文上看有关磨削过程建模与仿真 主要集中在砂轮研究上。美国学者s m a l k i n 教授在磨削仿真领域进行了深入的研究，开 发出了实用的磨削加工仿真软件包g r i n d s i m 。德国学者通过运动仿真来分析和预测磨 削加工过程，他们在建立工件系统的三维模型下，将整个磨削过程视为多磨粒切削的累 计效果，开发出的仿真软件能用于分析和预测磨削效果和在不同条件下的磨削结果。 1 9 9 5 年x c h e n 和w b r i a l l 对磨削过程进行了更系统全面的分析，并着重增加了对砂轮 修整的仿真。2 0 0 1 年德国亚亨工业大学m w - e c k 等研究人员针对外圆纵向磨削建立了一 种时域动态特性和磨削过程稳态的数值仿真方法，研究还特别注重了纵向磨削的砂轮的 台阶磨损特征，研究结果表明仿真结果与实际磨削加工过程能很好地吻合。2 0 0 4 年英国 c r a n 6 e l d 大学运用三维有限元法仿真分析了高效深磨的瞬时热传递，并且他们还提出了 一种基于声发射和功率监测的复合新参数快速磨粒功率监测方法。 砂带磨削与砂轮磨削过程有很大相似性，但由于工具系统弹性特征增加了计算机仿 真砂带磨削过程的难度。1 9 7 6 年y n 锄b a 等人利用m o n t ec 砌。模型进行了砂带磨削建 模与仿真。2 0 0 4 年德国多特蒙德大学a u sk n e u p n e r 等人开展了高速砂带磨削过程工件 与弹性接触轮基于接触模型的压力分配实时仿真研究，他们分别建立了以多层神经网络 和支持向量机为基础的仿真模型，并将其与传统的有限元方法进行比较，研究结果显示 支持向量机和多层神经网络大大减少了优化计算的时间，并且支持向量机具有比多层神 经网络更高的精度】。 国内在磨削过程建模仿真方面起步相对较晚，最初是在计算机上进行磨粒磨削轨迹 仿真。最近几年以哈尔滨工业大学为代表的研究机构开展了纳米加工技术中的分子动力 学仿真研究。19 9 5 年浙江大学李仁旺、吴昭同和武汉工业大学金有道等对恒压力和变压 力模态砂带磨削进行了计算机模拟研究，实验分析了变压力情况下的砂带磨损系数和表 7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 面粗糙度等参数，得到了一些有意义的数据结果】。 ( 3 ) 砂带磨削技术的发展趋势f 8 ，9 1 0 】： 砂带磨削的自动化、数控化和智能化 近年来，国外数控砂带磨床、砂带磨削加工中心发展很快，已经把c n c 等现代化 技术与砂带磨削紧密结合。随着人工智能技术和传感技术的发展，智能砂带磨削也成为 一个重要的发展方向。砂带磨削的实验研究需要耗费大量的人力物力，利用计算机进行 砂带磨削过程的仿真也是一个重要方向，目前国际上把分子动力学理论引入砂带磨削机 理的研究并进行仿真，不失为一种研究砂带磨削机理的新方法。 砂带磨削的精密和超精密化 随着技术创新及高科技产品的不断涌现，对零件加工有了更高的精度、表面完整性 和严格的制造一致性要求。砂带磨削始终是一种有效的加工方法，如陶瓷、微晶玻璃等 难加工材料目前大部分采用砂带磨削加工，获得了极好的表面质量。超精密复合加工发 展也很快，如流体抛光加工、超声振动磨削等。 砂带磨削的高效和强力化 砂带磨削的高效深磨可以看成是缓进给磨削与超高速磨削的结合，但磨削的工艺及 机理尚不十分明确，为了形成完整的理论体系，对砂带磨削成屑机理和高应变速率下材 料变形机制、磨削力、磨削温度、磨削残余应力等还要进行充分研究。国外已成功地将 砂带磨削用于强力磨削，实现了大去除量和高的金属去除率磨削，对铸铁的去除率已达 3 1 0 5 m m3 s ，砂带磨削一次切深可达3 4 m m ，其加工效率比铣削加工提高了5 1 0 立 1 日o 磨粒磨具材料的高性能化 现代机械加工的不断发展对材料的加工要求越来越高，促使不断研制和使用新型 的、超硬的磨料磨具进行精密、超精密高效磨削。新型和超硬磨料磨具有：陶瓷刚玉磨 料，经过化学陶瓷化处理，再经过晶体瓷胶仪后破碎成颗粒，最后烧结成磨料，其韧性 好、自锐性好、寿命长；人造金刚石，用于磨削超高硬度的脆性材料、硬度合金、花岗 岩、宝石、光学玻璃和陶瓷等，由磨料层、过渡层和基体3 部分组成；立方氮化硼，其 磨粒韧性、硬度、耐用度是刚玉类砂轮的1 0 0 倍，适用于高速或超高速及难加工材料， 如高速钢、耐热钢等。 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 砂带磨床及其发展 1 3 1 砂带磨床 ( a b r a s i v eb e l tm a c h i n e s ) 是指高速回转的环形砂带对工件进行磨削和抛光的机床。 砂带磨床主要由砂带磨头( 接触轮、惰轮等) 工作台、润滑系统、电气系统、吸尘系统组 成。美国涂附磨料现代工业工具指出“砂带磨床是一个无所不能的万能工具”。 既可以做成系列通用式砂带磨床，又可根据工件的特定形状与尺寸制成高效的专用砂带 磨床，既可做成手持式简易砂带磨床，又可做成上下料全自动的砂带磨削中心。就其用 途可大概分为【l ： ( 1 ) 手持式万能砂带磨床：用手控制进给，类似砂轮机。 ( 2 ) 外圆砂带磨床：一类是在各式机床上加装砂带磨头进行加工，一类为无心砂带 外圆磨床，如日本中式机械株式会社生产的c g 系列，最大加工尺寸为矽3 0 0 i l 1 i i l ， k 2 9 0 0 咖l 。 ( 3 ) 内圆砂带磨床：主要加工砂轮磨床无法加工的大型容器内腔、直径大于2 5 瑚m 的长内孔。如布鲁克公司生产的内圆砂带磨床，加工尺寸2 5 2 5 0 1 1 姗，k 。= 1 8 。 ( 4 ) 型面砂带磨床：可进行各种复杂曲面加工，各种叶片砂带磨床与仿形砂带磨床。 如华中理工大学改装的开环五坐标联动数控砂带磨床加工汽轮机叶片磨床。 ( 5 ) 平面砂带磨床：生产效率高且使用最为常见的砂带磨床。可分为工作台进给砂 带磨床；通过式多磨头砂带磨床；卷带式砂带磨床等等。 1 3 2 砂带磨床的应用 砂带磨床主要应用于大型平面的薄、中厚板；大量生产的平面零件；型面加工；大 尺寸内外圆加工；长内孔磨削等。对小内孔、盲孔、多台阶外圆加工上则较难应用m 】。 工业发达国家有近百家砂带磨床专业制造公司，每年向市场提供数十万台砂带磨 床，砂带和砂轮的消耗量接近1 ：1 ，砂带磨削已成为工业发达国家获取高经济效益的手 段。 1 3 3 砂带磨床的发展趋势【1 4 】 ( 1 ) 砂带磨床将向复合加工方向发展。如超声波复合磨床、电解砂带磨削。 ( 2 ) 砂带磨床将向数控方向发展。如磨头及工件进给用c n c 控制，以取得最佳磨削 参数。 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 砂带磨床将向全自动、万能性方向发展，可自动上下料，一机多能。 ( 4 ) 砂带磨床将向大尺寸、高效率、强力砂带磨削方向发展。 1 4 课题研究内容 本文以铝合金材料为研究对象，基于外圆砂带磨床磨削工艺，深入开展了铝合金材 料砂带磨削机理的试验研究。 ( 1 ) 收集并归纳了砂带磨削、砂带磨床国内外的研究现状，分析了铝合金材料的可 磨削性。 ( 2 ) 在前期研究的基础上开展了砂带磨削机理和砂带磨损的研究，介绍了砂带磨削 的磨削力、磨削功率和磨削温度的解析公式。 ( 3 ) 完成了铝合金材料的砂带磨削试验，研究了砂带磨削工艺因素( 如砂带速度、 工件移动速度、磨削深度等) 对铝合金材料的磨削力、表面粗糙度、材料去除率和磨削 温度的影响规律。 1 5 本章小结 本章提出了本课题的研究意义，在实际生产和应用中，由于对铝合金具有的某些机 械物理性能特点使其加工工艺性差，存在难加工、加工成本高等问题，而砂带磨削技术 作为一种磨削和抛光的新工艺，因其具有加工效率高、“冷态 磨削、磨削速度稳定、 磨削精度高、磨削成本低等优点，被认为是一种优质、高效、低耗、用途广泛的加工方 法，发展潜力巨大，所以应用越来越广泛。介绍了国内外砂带磨削技术的现状与发展趋 势及砂带磨床的应用及发展趋势情况，在这方面我国相对工业发达国家起步比较晚，有 很多需要努力的地方。最后介绍了本课题的研究内容，针对铝合金材料砂带磨削机理的 试验研究，在前期研究的基础上，开展了砂带磨削机理和砂带磨损的研究；介绍了砂带 磨削的磨削力、磨削功率和磨削温度的解析公式；完成了铝合金材料的砂带磨削试验， 研究了砂带磨削工艺因素( 如砂带速度、工件移动速度、磨削深度等) 对铝合金材料的 磨削力、表面粗糙度、材料去除率和磨削温度的影响规律。 1 0 东北大学硕