（机械电子工程专业论文）砂带磨削参数采集实验装置的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文撼黉 摘要 砂带磨削属于涂附磨具磨削的一种形式，它是机械产品的终极加工工序，是 机械零件加工中的主要工艺之一，砂带磨削对于被加工零件表面质量的优劣越着 决定注熬露耀。 砂带磨削过程是一个复杂的多交爨影响过程，它包括磨削烧伤、微裂纹、残 余应力、掀动等众多因豢，而磨削力和磨削温度是作为磨床设计及技术改进的藿 要依据；是认识磨具与工件襁互作用憋健质，合理运鼹磨削工艺，提裹工伴袋蠢 勰工质量静簸要参数；楚簸测和识剐蘑潮过程，诊断磨潮狭态，以及完成磐越过 程的自适应控制的重要工慰。 磨削加正中所消耗的能量大部分转化为热量，遮些热量在磨削弧区内以热传 导、熬交换秘形式簧入蘩王转、移萤、冷帮滚、蘑瑙嘲。尽管移鬣瘗素有“冷焱” 磨之称，值当砂带磨损藤成磨削某些佟热系数小，而摩擦系数大的材料( 如铁) 时，传入到工件中的热爨越过一定温腱值时，仍有可能发生磨削烧伤、甚至是热 裂绞的现象。嚣以磨削激发是直接影曦工咎斡热工袋嚣质量、效王綮度和鸯珏王效 率的工艺参数之一。 磨削力燎表征磨削情况的一个主要参数，不仅影响加工系统的变形，而且也是 磨削过程中逡成能量消耗、产生磨削热量及磨削振渤的重要原因。磨削力的大小 对瘩赘效攀、瘗潮热工精疫、瘗割表鬣痿量、移繁瓣矮凄等矮繁箨标鸳有妻矮影 响。 在复杂的摩削加工过程中，实时聚集两参数( 磨削力、磨削温度) 有助于研 究嚣参数毂变化凝建帮各个参数之阕关系：可戬谈裂翻篮测磨魏状态( 瘗裁功搴、 烧伤等) 、分析系统工芑因素对磨削艨蠡的影响，从而预测蘑潮结果、优化工艺 参数( 磨削速度、进给量簿) 以确保达到磨削加工的精度要求。 本论文深入研究了磨削热和磨削力的形成机理，它们在工件内的分布以及与 其它穗关工芝参数静关系，这是实对捻灏瘗鹰力、蘑麓淦疫嚣参数静瑾论依据鞠 技术基础。 针对目前夹丝测温和相位扭矩测力在现场测试受到一定限制的弱点，本论文 没诗裂矮宅壤稔塞功率零意爨受豢搴采定娃、定_ 璧鹣溅瘗裂力以及婺接舷式溅潺 度的数据采集系统。在保证精度的前掇下，与传统的测试方式相比，本系统在实 时性、移植性方面有更广阔的应用前景。 关穗词：秒嘉蘩，瘩麓力，瘗戳温度，数据采集系统 重庆大学硕士学位论文英文摘裂 a b s t r a c t a so n et y p i c i a tk i n do fp r o c e d u r e 协m e c h a n i c a lp r o c e s s b e l t * g r i n d i n gh a sb e e n u s e de x t e n s i v e l yb o t hd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d ，s of a r , a p p l i c a t i o no fb e l t g r i n d i n gi s p o p u l a r i z e dt op r o c e s sp r e c i s e l l ya n dp l a y sac r a t i cr o l ei nq u a n t i t yo f f i n a lp r o d u c t s 。 g r i n d i n gt e c h n i q u e s u c ha st h e s u p e rp r e c i s i o n ，h i 曲e f f i c i e n c ya n di n t e l l i g e n t a u t o m a t i o na 1 3 em a i nd e v e l o p i n g 打e n d s h o w e v e r , t h e r ei sa i lo b s t a c tt o g a t h e r p a t a m e t e r sw h i l eg r i n d i n g a l t h o u g hb e l t - g r i n d i n gi s t a k e no l le f f e c tb ym u l t i - v a r a b l ef a c t o r s ，i n c l u d i n g g r i n d i n gb u r n ，m i n i - c r a c k s ，a b r a s i v er e s i d u a ls t r e s s e s ，a n dv i b r a t i o ne t c ，g r i n d i n gf o r c e a n dt e m p e r a t u r ea r er e g a r d e da sk e y st od e s i g ng r i n d e r sa n do p t i m i z et h es t r u c t u r e 。 b e i n gt w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，g r i n d i n gf o r c ea n dt e m p e r a t u r eh a v eb e c o m e am e a t l s o f m o n i t o r i n ga n dj u d g e m e n ts t a t u so fg r i n d i n g a tp r e s e n t , l a t e s tt h e o r ya n dm o d e l s b a s e do r lg r i n d i n gf o r c ea n dt e m p e r a t u r ea r ec o n v i n i e n tt os t u d yg r i n d i n g ，b u tt h e ya r e s t i l li m p r o v i n gi nf u r t h e r d u r i n g 。g 廷n d i n gt h ew o r k p i e c e ，m o s td e p l e t e de n e r g y t u r n si n t oq u a n t i t yo f h e a t i n t h ea r e ao fg r i n d i n g ，t h eh e a ti nt h ef o r mo fh e a te x c h a n g em o v e si n t ot h ew o r k p i e c e ， b e l t , c o o l a n t , g r i n d i n gs c r a pa n ds oo n w h i l eb e l t g r i n d i n gi ss a i dt ob e o fc o o l ，a f t e r b e l tf r a y e do rg r i n d i n gm a t e r i a l 瓤氇瓤醪鼎f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dl e s sh e a tt r a n s m i t t a l ( s u c ha st i t a n i u r n ) ，al a r g en u m b e ro f h e a ti nt h ew o r k p i e c ea c c u m u l a t e dt oah i 曲l e v e l ， i ti sp o s s i b l et oh a p p e nt og r i n d i n gb u ma n dc r a c k l e g r i n d i n gf o r c ei sa m a i np a r a m e t e rt or e p r e s e n ts t a t u so f g r i n d i n g 。i td o e sn o to n l y a f f e c tg r i n d i n gp r o c e s s ，b u ta l s ol e a d st oe n e r g ye x h a u s t e d ，g r i n d i n gh e a ta n dv i b r a t i o n f o r c ei sc l o s et og r i n d i n ge f f i c i e n c y , p r o c e s s i n gq u a l i t ya n dp r e c i s i o n i ng e n e r a l ，g r i n d i n gt e m p e r a t u r ea n df o r c ea r ec r i t i ci n g r e d i e n t st ob e l tg r i n d i n g s o i ti si m p o r t a n tt og a t h e rt w op a r a m e t e r si nr e a lt i m e 耙a n a l y z es t a t u so f s y s t e m o nt h eb a s i so ff o r m e rp e r f o r m a n c e ，a f t e rs t u d i e di nd e t m lt h r o v i g ht h ea n a l y s i so f g r i n d i n gf o r c ea n dt e m p e r a t u r ea b o u tp r i n c i p l ea n dm o d ei nt h ep r o c e s so fg r i n d i n g , o w i n g 扬d e f e c to fm e a s u r e m e n ti nt h eu s eo ft h e r m o c o u p l es h e e t - m e t a la n dd i f f e r e n t m o m e n tw r e s t a u t h o rh a sd e s i g n e dan e wk i n do fs y s t e mt og a t h e rt w op a r a m e t e r si n r e a lt i m ei nt h ep a p e r b e s i d e s ，f e a s i b l eo f t h es y s t e mi np r a c t i c eh a sb e e nd i s c u s s e d t h es y s t e mm e n t i o n e da b o v e ，i sc o m p r i s e do f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e s t r u c t u r eo f h a r d w a r ei si n v o l v e dw i t hs u c hc o m p o n e n t sa ss e n s o r s ，h i 垂一s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n i i 重庆大学硕士学位论文 英文 黉爱 s y s t e m ，p e r s o n a lc o m p u t e r g e n e r a lt a s k so fw h i c hi st oc h a n g es i n g l e sf r o mg r i n d i n g f o r c ea n dt e m p e r a t u r ei n t oo n e st h a ta r ea b l et ob ed o n eb ym i c r o c o m p u t e r , i nt h e d e s i g no fs y s t e m ，s o m en o v e lm e t h o d sa n dp f i n c p l e sa r ea d v a n c e d ，e x p e c t e dp m g e s s a c c o r d i n gt ot r a d i n t i o n a ls y s t e m t h ea i mi nt h ep a p e ri st od e v e l o pt h es y s t e mw i t hl o w p r i c e , h i g h - s p e e d ，a e u r r i t y , p r a c t i s e d 。t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ed e s i g nm e e t st h er e q u i r e df u n c t i o n s ， e v i lt h o u g ht h es y s t e mi ss t i l lt oi m p r o v e ，i ta c h i e v e sd e s i r e dg o a l si nf a c t k e ”c o r d s ：b e l tg r i n d i n g ，g r i n d i n gf o r c e , g r i n d i n gt e m p e r a t u r ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m i i l 重庆大学硕士学位论文l 续论 1绪论 1 1 本课题研制的意义 砂带磨削是机械产品的终极加工工序，它是机械零件加工中的主要工艺之一， 对予缓热_ z 零 孛表秀霞鬟瓣镌劣超惹决定洼懿箨弱。殄荣瘗削避程是一令复聚麓 多变量影响过程，它包括磨削烧伤、微裂纹、残余成力、振动等众多因素，而磨 削力和磨削濑度是作为磨床设计及技术改进的重要依据，常被用于磨削状态的诊 疑和自适应缒裁的译侩掺搽】。 痞翻滋度是蘑削蕊工中所消耗的麓量大都分转化为热量，这擅热量在磨潮弧 区内以热传导、热交换的形式传入到工件、砂带、冷却液、磨屑。尽管砂带滕索 有“冷态”糜之称，但当砂带磨损后绒磨削某些传热系数小，丽摩擦系数大的树 精( 露馥) 辩，建入到王馋孛静热量麓遘一定漫凌稳对，餐畜爵貔发生瘗餮烧伤、 甚至是热裂纹的现象。所以磨削温度怒赢接影响工件的加工表面质量、加工精度 和加工效率的工艺参数之一；磨削力鼹袭征磨削情况的一个主要参数，不仅影响加 工系统豹交澎，露呈也是壤削过程中造成糍量漕耗、产生瘗削热爨及磨削振动瓣囊 要原函。磨潮力的大小对藤翻效率、黪削加工精度、磨削表面旗爨、砂带耐麓度 祷质量指标均有直接影响。由此可知，磨削力、磨肖0 温度是影响砂带磨削加工质 量的关键因索。研究磨削热和磨削力的形成机理，它们在工件表藤及表层内驰分 奄激及与其它稳关工艺参数静关系，瓣子议谈塞爨与工俘穗互佟麓熬往矮，合理 运用磨削工蕊，提高工件褒面加工质爨，都具有重隳的实际意义。 在复杂的磨削加工过糨中，实时聚集两参数( 摩削力、磨削温度) 有助予研 究嚣参数我交他援律露各拿参数之润豹关系；可骧谈裁秘整溅黪燃获态( 露削功 率、烧伤等) 、分析系统工艺因素对黪削质量的影响，从而预测磨削结果、优化 工艺参数( 磨削速度、进蝓量等) 以确保达到磨削加工的精度要求。 尽前，聚集两参数常用的方式有电偶测温法和棚位差式扭矩测力法。相便差 式整矩溪磨削力是利用稳黼一定长疫鹣两截面薅产袋程转角静稳位差，萁篷每疆 矩成正比，此相位差输入别计算机可求出相应的磨自0 力( 扭矩) 大小。相位麓式 扭矩测试装鬣必须附加机构( 如齿轮、测力轴等) ；溅丝测温法是将热敏电阻鬣埋 予渡溅臀中麓褥裂磨凝魏医澄度懿溺试洼，壶于该方法要疆塥黪巍l 工 孛，鼓无法 在现场测试中运用，只能局限于实验分析。 由于客观所限，很难将上述方法运用于本系统的现场测试，因此，本论文从 磨削枧理鳇热度出发，改遴传统测试方法，力求采髑秃接触式藤不损伤工件( 热 鹱射溺溢法) 、闻接测试褥不嚣于魏任侮枫构( 电税功率溅力法) ，研铡秘设计数 重庆大学硪士学位论文1 缀论 据采集系统，使系统更适合现场测试。在满足精度的前提下，提高系统的移植性、 降低系统安装霸调试的难度。 1 2 砂带磨削特点及原理 砂带磨削已成为现代化科技发展的技术支撑，以检测技术不断提高和磨肖4 理 论不瑟深入为蓥礁，嚣嚣委蘩惹瘗凌爨动纯方凌发怒。瘗蘩参数采集技术叁壤潮 技术和数据采集技术构成，两者融合，彼此促进，共同发展。砂带磨削属于涂附 磨具磨削，鼹一种应用广泛、高精度、高效率、低成本的加工按术，其加工效率 超过车、铙、翅奎霹工工忿，艇工精度跫接近或达到阕类型砂轮。 砂带，鞭动轮( 或驱渤机构) ，张綮轮( 或张紧机构) ，接触方式( 即磨削形式) ， 磨削参数，摩削对象( 即工件类型) 是砂带磨削基本构成要素。其中，砂带是砂带 磨削的核心，它是用粘结剂将磨粒粘缩在纸、布等挠性材料上制成的带状工其， 蓥耱、癌秘、麓结裁铰穆必移豢兹三要素【”。移荣溪潮楚班移豢3 份为瘗其莠辅之 以接触轮2 ( 戚压磨板) 、驱动轮l 等磨头主体咀及张紧快换机构、调偏机构、防( 吸) 尘装置等功能部件共同完成对工件4 的加工过程( 图1 1 ) 【3 j 。 砂带是黪殊的多刀多刃甥裁工其。蒺甥魏过程经历淆擦、裁粼、堙女l 三个除段 ( 图1 2 ) 。滑擦( a ) ：磨载在工件上引起不切除材料豹弹性和塑惶变形：耕犁( b ) ： 磨粒引起工件材料的塑性流动，使材料产生一个挤臌式运动从磨粒下方向前和两 侧挤出，同时切除少量材料。切削( c ) ：在沿动磨被的前方产生断裂丽形成切属、 有投恢款韬涂率。 由于砂带与工件接触睡同时投入磨削的磨粒多殿锋利，故磨除率高于固络砂 轮( 生产效率约为砂轮磨女蛇4 倍以上，功率利用率遮9 6 ) ：砂带纛削易实现赢稳 定缝磨葭热工，获得高的嬲工精度帮表褡质量( 磨削精度可这o ，o l m m ，r a 可这0 4 2 重庆大学硪士学位论文 缝论 um 或更小) 。 1 ，2 1 砂带磨削方式疑控制方式 瘗魏方式可分为接触式和i # 接触筑两释方式( 麴图1 。3 ) 3 1 砂带和工件的支承可以控制磨粒对工件的压力和切削角度，可以决定砂带带 速，影响砂带的切削率和工件的精度、粗糙度。 控毒l 方式分为洹压力秘遁迸绘磐熬两静。整迸为密蘩对移帮慕趸恒定静骚紧 力，可以获得均匀的加工表面。而金属材料的切除率由切削速度、进给速度等参 数而定。恒谶给磨削是单位材料去除量不变，但表面质量、磨削力无法保持恒定， 嚣与移謦磨攒存关。巍了减少对操终卷懿经验帮按拳熬练程度瓣蒎羲，为了稳定 可靠地保诞达到磨削质量露求，砂带灏削正赣着自动控制的方向发展。它包括先 进的监测系统和工艺过程的智能控制；脏测磨削工激，使工艺过稷最佳化；发现 诸如由颤振造成的烧伤和袭面粗糙度畿夔这样的故障。由监测系统得到的信患， 蕴溅磨蕺爱滚嚣酶完整穗，可弱来控制鞠往纯瘗翻工艺。佼爰薪黧的计算袄摸叛， 能够预测工件加工后表面的应力、变形和工件表面的化学变化。 1 2 2 砂带磨削工艺参数及其影响因素 囊赘燕3 1 是耱密热王茨主要方法之一，其热工效暴夔磐坏誊羧影瞻囊产麓豹 最终质量和性能。但在麟削加工过程中，有时会出现工件烧伤、裂纹、拉毛等缺 陷，通过分析确定引起上述现象的主要因素。 砂带磨削工艺是将环形砂带套在接皴轮和张紧轮戆外菡上，建张紧的状态下， 使高速旋转的移蒂表面与工件静热工袭蕊稳接融，并在一定兹疆力作瘸下，产生 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 相对的摩擦运动( 切削运动) 而对工件表面进行磨削加工的一种工艺方法。砂带 磨削分为轮压式和带压式两种方法。砂带和砂轮尽管形状不同，但都同属于一种 多齿微刃型切削工具，其加工特性基本相同( 图1 4 ) 3 1 。 砂带磨削工艺参数包括线速度、压力、磨削余量、工件进给速度等。砂带线 速度v 。：一般带速为1 5m s 4 0 m s 。随着聚酯布料及其他合成材料的研制成 功，衬底材料的强度、抗热性能的提高，其线速度将有所上升；压力f n ：砂带磨 削中，砂带对工件施加一定的接触压力，压力越大，砂带承受的负载及其对工件 的热影响也越大，一般压力为1 5 n 3 0 0 n 。粗磨时可选择较大的压力，精磨时压 力小些；磨削余量a ：对于普通材料，磨削余量可取o 1 0m m 0 3 m m ；而高硬度 材料磨削余量不宜太大，一般在0 0 5 m m 0 1 5 m m 之间：工件转速n ：及纵向进给 量：工件转速一般在1 5 r m i n - 3 0 r m i n 之间，纵向进给量一般为0 4m l l l r 2 m m r ；砂带轴向进给量f a ：一般在l m m r - 1 0 m m r 之间。 、磨削烧伤及成因 砂带磨削虽有“冷态磨”之称，但砂带磨损后有时也会出现磨削烧伤现象： 磨削区域的瞬时温度高达9 0 0 * ( 2 1 5 0 0 时，零件表层组织会发生局部变化，并在 表面的某些部分出现氧化变色( 黄、褐、紫、青等色) 。磨削烧伤对零件质量性能 影响较大，在实际加工过程中应尽量避免。随着磨削烧伤级别的提高，工件表面 金相组织发生了较大的变化。无磨削烧伤时，表面主要是回火马氏体；当发生了 烧伤后，逐渐变为回火屈氏体、回火索氏体及珠光体。回火屈氏体、回火索氏体 及珠光体与回火马氏体相比，其机械性能降低许多。 由磨削烧伤表面的显微硬度图( 1 5 ) 【_ 7 】可知，当无磨削烧伤时，磨削热的影 响较低，主要由工件表面产生的加工硬化使得磨削后的表层显微硬度较高；在i 、 4 重庆大学硬学位论文t 缝论 l l 级磨削发生了回火烧伤，磨削温度超过了钢的回火温度，故加工工件表面的显 微硬度较低；在i 、及v 级磨削：髓伤时，工件钤表面显微硬艘较裹( 但仍低予 其瘗麓前鹣攥搬硬度) ，次表面较低，随后与基俸显微硬度趋予一致。由于磨潮辩， 工件表面温殿超过了相赍滠度，外表面冷却较快，次表面稍慢，从而外表面和次 表垂爱形成戆金程缀缓黪鬏粒大夺不一致，静袭嚣颡粒疆对枣一些，爨戮舞 表面显微硬度相对大一点；在v i 级磨削烧伤时，磨削温度很高，大大超过了稠变 温度，高温爆较厚、作用时间较长，这样冷却速度减慢，工件表谢出现退火侥伤。 v i 级烧伤时，表面显微硬发下降得较多，大约下降h v 4 0 0 左右。 砂带出涎数瘗粒组畿静，每颥蜜糖楣当于一把刀其，不两的是，大部分纛粒 5 重庆大学疆学位论文 l 缝论 具有负荷前角和小后角。磨粒在砂带寝面的微观分布有高有低，麒圆弧半径只有 十足个微米，鼹切的切爝厚度一般也仅o 。2 微米左右或更小，有些壤粒切削工件形 成切疆，有蹙磨粒仅在工徉表面上刻翔出痕迹，遥肖一些瘗粒溉不切潮遣不猁划 工件，而只怒与工件表磷产生滑擦。 磨削的切削速度远比一般切削加工的切削速度离很多( 为车、铣床速度的2 0 倍) ，热工爨粒戆谑澍刃凌予塞攫 嚣不尖锐，这鼓，大多数瘗粒在塞澍过程中，只 在加工面上挤压过去，根本没有起到切削的作用。加工表面在很多后继磨粒的多 次挤压下出现严重的塑性变形而疲劳刹落，并伴随赣高达1 0 0 0 左右的高温。在 这静媾况下，工辟表面就会会出理胡当深翡金稳缝织交纯层( 隧火层) 和极大躯 表面残余成力，甚至裂纹。 在磨削加工中，单位截面切削力约( 1 1 0 5 n r n m ，2 1 0 5 n m m ，) ，如此大的 切削力，显然不是由被加工材料的强度抗力所造成，而是由磨4 过程中切削不合 理产生摄大摩擦力瑟弓| 麓豹。透魏，必须改善餐甏祭释、躐少功搴渣耗两器繇瘗 削区的温度。 表1 ，6 磨粒、密料性能及魍工范围 羹南1 6p e r f o m a n e ea n d 璐eo f a b r a s i v em a t e r i a l s 名称主要特性用途 棕刚玉韧性高，抗破碎能力强，耐商适合加工抗张强度高的金 滋及化学稳定谯好。属。 自刚玉硬度高，韧性低，具有良好的适合加工硬度较高的舍金 切削性能。钢及有色金属等。 锩雕玉韧性及切削能力较好。适合加工不锈钢、耐热合 金镶等金属。 黑碳化硅硬度高，易破碎。适合加工抗张强度低、韧 性大的金属及非金属嚣材 瓣。 绿碳化硅硬度高，易破碎。适合加工硬而脆的材料， 如硬质合众，玻璃等。 天然剐玉秘瞧及切割戆力较磐。适合一般衾羼除锈、懿蠢 等。 石榴石硬度低，易破碎。适合加工木材及一般鑫属 除锈、抛光等。 玻璃砂璜度 鑫，甥聱馥力较菇。适合本榜表面键光，黧工。 6 重庆大学硕士学位论文 磨削是通过砂带上每颗磨粒进行磨削，每颗磨粒切削厚度通常在f o 2um o 0 2 pm ) ，而磨粒曲率半径远远大于切削厚度。在大多数情况下，切削层金属仅被 挤压，并没有切除，只是通过大量磨粒反复挤压在摩擦力作用下而疲劳剥落，就 极易烧伤。如果磨粒尖锐，摩擦力会大大下降，而磨粒的尖锐取决于磨粒的硬度 和强度，故提高磨料的硬度和强度是改善磨削条件的重要途径。 在磨削硬度较大的材料时，可选择磨粒硬度和强度大、刀尖锋利的砂带，这 样可改善磨削条件，使磨削力及摩擦区温度下降，降低磨削烧伤发生的可能。上 表1 6 列出一些典型的磨料、磨粒性能参数。 、磨削裂纹及消除方法 磨削裂纹是工件表层内由内部应力超过了材料断裂极限所致。磨削裂纹可分 为裂纹和微裂纹，线状裂纹和网状裂纹，表面裂纹和次表层裂纹等。工件磨削过 程中，接触区的温度达到4 0 0 以上，接触点的温度高达 1 0 0 0 以上，磨削时产生的磨 削热会导致金属表面产生热 应力和组织相变而引起体积 变化的相变应力，两应力叠加 超过了材料的断裂极限就会 产生裂纹。 图1 7 【7 】示意了影响磨削 裂纹产生的因素。当工件不存 在残余应力，则磨削强度增加 到b 点时产生拉伸裂纹，在b l 点同时产生拉伸和压缩裂纹。如果工件存在残余拉 应力，则磨削内应力曲线为。，a ，和or a ，。磨削强度达到b r 点时，出现磨削拉伸 裂纹；在b r 点时出现压缩裂纹。 材料的断裂极限，工件的残余应力( 残余拉应力使加工工件产生拉伸裂纹； 残余压应力则产生压缩裂纹) 和磨削应力是磨削裂纹产生的三要素。 材料的断裂极限与材料成分及加工处理状态有关。由于淬火钢的组织由马氏 体和残余奥氏体组成，它们都是不稳定的且处于膨胀状态f 淬火钢中马氏体的比容 最大) ，磨削产生的高热使工件表面特别是砂带与工件接触部分的表面温度快速升 高，当工件表面温度升至1 0 0 c 2 0 0 并迅速冷却时必将产生收缩，这种收缩仅 发生在工件表面。由于基体仍处于马氏体膨胀状态，使工件表面承受拉应力而产 生微裂纹；当温度升至3 0 0 4 0 0 时，表层发生相变却引起体积缩小，造成表 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 面再次收缩，形成龟裂。淬火钢中的残余奥氏体因磨削热而转变为马氏体，新生 的马氏体集中于工件表面，加大了工件表面应力，随着磨削不断进行，加速了裂纹 的产生；磨削时，当砂带与工件接触，工件表面既受压应力又受拉应力，在磨削 表面产生残余应力，这种应力加速了磨削裂纹的形成。 磨前热处理是影响工件内残余应力的主要因素。热处理产生的热应力和组织 应力很大，造成热处理变形甚至开裂。工件中的残余应力与磨削应力叠加容易产 生磨削裂纹。淬火经中、高温回火后，残余应力大部分可被消除，而低温回火难 以有效消除残余应力，易产生磨削裂纹：金属中的白点、发纹等缺陷处存在较大 应力集中，也易产生磨削裂纹。 磨削应力是影响工件内残余应力的最重要的因素。磨削应力由磨削过程中产 生的机械应力、热应力和组织应力组成。磨削裂纹主要受机械应力和热应力影响， 组织应力对裂纹产生有促进作用。磨削应力的大小取决于磨削强度的大小和工件 性质相关。工件材料的切断强度较低，可以通过塑性变形松弛应力，则不会产生 较高的磨削机械应力，也不容易出现磨削裂纹。淬火低温回火后( 工具钢、渗碳 钢等) 磨削机械应力较大，容易产生磨削裂纹。磨削热应力主要受磨削温度变化 及工件几何形状因素影响。磨削温度越高，变化越快，磨削热应力越大。由于工 件厚度不均匀，使得热应力造成的磨削裂纹有时出现在磨削过程中，有时在磨削 后的冷却过程中，磨削应力的综合作用往往在在工件磨削方向产生较大拉应力， 有8 0 的磨削裂纹呈现垂直磨削方向线状分布特征( 图1 8 ) ”。磨削残余应力是磨 削加工后仍然保留在工件内部的一部分磨削应力及磨前残余应力。随着磨削加工 后工件的弹性恢复，保留下来的仅是一部分磨削应力。因此，磨削残余应力对磨 削裂纹的产生无直接影响，但对已产生磨削裂纹的扩展有影响。通过对残余应力 的测试分析，有助于了解磨削应力的形成和变化过程，从而有效地控制磨削过程。 裂纹主要由磨削热所致，因此，减少磨削热的产生和加速磨削热的传散是消除磨 削裂纹的主要途径。通过提高工件转速和工件轴向进给量，使砂带与工件同一部 位接触时间变短，接触弧区的发热时间缩短，传入工件表层的热量减少，大大降 低了磨削裂纹产生的可能性。磨削深度对磨削热的影响最大，为了避免磨削热的 大量产生，又兼顾生产效率，必须合理选取磨削深度。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 由于淬火工件硬度高，为降低磨削热量，加工中应选用硬度较软、组织疏散 和磨料脆性较大的砂带，提高磨粒的自锐性，以保持其良好的切削能力；在保证 光洁度的前提下，应选较粗的粒度；粗磨时，可选用粒度较粗的砂带，便于强力 磨削，提高切削效率；精磨则用粒度细的砂带，便于保证工件表面粗糙度表1 9 。 表1 9 磨粒粒度及加工范围 t a b l ，9t y p e sa n dr a n g eo f a b r a s i v em a t e r i a l s 粒度磨削对象 1 6 2 0 用于剥削旧涂层，磨除原有表面涂层 2 0 4 0 用于重力磨削加工 5 0 8 0 。 用于一般磨除量的材料加工 1 0 0 - 1 5 0 用于加工尺寸小，加工表面要求光滑 1 8 0 2 4 0 用于光整加工 2 8 0 8 0 0 用于准镜面加工 砂带磨削是个复杂的加工过程，必须综合考虑加工参数。磨削力、磨削温度 和被磨削工件的运动是影响磨削工件质量的主要因素，而工件的运动速度影响磨 削质量，实际上也是通过磨削力和磨削温度来影响磨削质量的。 1 3 砂带磨削技术的研究现状及发展趋势 砂带磨削技术已被当作是与砂轮磨削同等重要的一种不可缺少的加工方法。 在工业发达国家，砂带磨削应用已十分普遍，各种高精度、高效率、自动化程度 很高的砂带磨床被广泛采用；国内制造行业也越来越重视这们技术的开发和应用。 1 3 1 国外研究现状 国外砂带磨削技术发展了几十年，现已发展到强力、高效、自动化磨削的新 9 重庆大学硕士学位论文l 绪论 阶段，各行各业无不竞相采用砂带磨削技术，新机型大量涌现，砂带磨床总台数 与日剧增。欧、美及日本等工业发达国家，从事磨削技术研究、开发的机构以及 砂带制造、磨床制造等厂家很多，而且实力雄厚，其成果和产品代表了当今世界 砂带磨削技术的最高水平。 目前，磨削加工在c n c 自动化应用的基础上日趋成熟和普及，出现了许多新 型砂带磨床：利用微机控制、误差补偿的自适应控制磨床；采用数显装置的f b s a 系列大平面磨床( 德国) ；m e t a b o 公司研制了6 轴5 联动数控磨床：汽车f m s 生产 线上的机器人检控磨床( 美国) 。 美国在砂带磨削方面做了大量开创性的工作，一直处于世界领先地位。西屋 电气公司用无心砂带磨床加工6 0 马力的电机转子，每小时高达1 0 0 0 件；森斯特 兰机床厂生产的h i g r i n g 由两台负责装卸的工业机器人处理；3 m 公司生产的一 种安装在直径为1 7 3 m 的回转工作台及四个工作主轴的砂带平面磨床，砂带每厘 米宽度每分钟可切除金属6 5 0 立方厘米，功率可达9 0 k w ；屋卢森机床公司生产电 机转子同心度要求0 0 0 5 m m ，尺寸误差要求为正负0 0 1 2 m m ，用无心砂带磨床加工， 一小时可加工2 0 0 件。 日本在砂带磨床和砂带研制方面都做了较深入的研究，并获得了众多成果。 现已研制出两种新型磨料涂附砂带，即球形复合磨粒砂带和软木复合磨料砂带； 京都大学开发出了电镀金刚石金属带砂带磨削技术，它是将镀有磨粒的金属带套 在一个可随转动膨胀的橡胶轮上，用以对非晶态这种超导材料表面进行精密加工。 英国着重发展输送带式砂带磨床、内圆砂带磨床及涡轮叶片砂带磨床。布鲁 克生产的内圆砂带磨床能对长达i 5 m ，直径为2 5 2 5 0 m m 的长管件内孔进行加工； 施丽亚当斯生产的窄涡轮叶片砂带磨床和罗尔罗伊斯公司生产的涡轮叶片宽砂带 型面砂带磨床处于领先地位。 1 3 2 国内应用的概况 随着国外砂带磨削的不断进步，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。国内已有一定数量的砂带磨削设备制造厂和研究砂带磨 削的单位，如重庆大学、华中理工大学、新乡机床厂等：在磨削理论、工艺实验及 设备研究方面也取得很大的成果：清华大学开创的超声砂带磨削技术，是将超声 振动与开式砂带磨削复合的新工艺，具有世界领先水平的新型精密砂带复合加工 方法，应用该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 1um ；华 东纺织大学通过研究，提出了应用超微磨粒电泳吸附砂带以实现脆性材料的塑性 方式磨削，突破砂带磨削的精度限制，与砂轮一样实现纳米加工；重庆大学三磨 海达公司针对工业产品的构造特点，开发出以砂带为磨具，自动化程度较高的系 列磨床，能满足多品种加工的需要，其研发能力在国内是领先的。 l o 重庆大学硕士学位论文1 绻论 1 3 3 砂带磨削技术的发展趋势 、掰溅砂带的出现 随着翻逡技术豹述步，许多薪鍪砂带也 已出现。如德国开发并获得多国专利的空心 球复合磨粒；美国3 m 公司推出的新型陶瓷刚 玉瘗越等；嚣本囊蘸委袭骚铡一秘密较钢豢 作基底的c b n 或金刚石砂带，金剐石戚c b n 磨粒通过电镀附在钢带上，应用对于特殊场 会积难加工瓣蘸硬度材料。 、蘑潮状态的识别囱无损伤、焉接触 式方向发展 近年采，无损伤、无接触式检测方法由 予萁巨大静饶势器潜力，已越来莛广泛豹键痘矮予蘑漤过程兹鼗溺中：声发瓣( 勰) 技术被引入磨削研究领域，利用它来监钡0 磨削质量( 磨削裂纹和磨削烧伤) 、麟削 过程( 磨削力、磨削功率簿) 以及磨削参数的测定( 磨具修整参数及硬度等) 已 戏为磨削状态在线监攫黪一穗重要方濂；热辐射传感器采集滠发铸号是嚣裁戮究 滕潮热的重黉工具之一。 、砂带磨削技术与现代化技术紧密结合 磨削加工在c n c 自动化应用的基磷上日趋成熟和普及，利用微机控制磨肖过 程及误差季 馔( 圈1 1 0 ) ，懿鑫适瘦控潮。蕊已毫魏诲多薪登移鬻瘗瘫，魏采趱数 显装置的f b s a 系列大平蔺砂带磨床( 德国) ；m e t a b o 公司研制了6 轴5 联动数控 砂带磨床( 德国) ；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 懿砂带蘑床( 美嚣 。 、砂带磨削技术向糖精密、自幼化及智能化加工方向发展 随着磨削技术的发展，超精密加工技术已获得巨大的进步和广泛的应用。作为精 密加工的砂带磨削，具有天然的近缘条l 牛向超精密方向发展。越精密磨削和趣精 密醑褰己成为移带癌鸯l 蕊工静主要痘潮领域；蒋人工智链运趸予耱麓研究，氇是 磨削加工研究和应用的一个重要趋势。它包括磨削过程建模、砂带磨削参数的合 理选择、磨削过程监测、融适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等诸方 囊。( 懿曩i 。1 1 ) 1 8 1 重庆大学璐士学位论文1 绪论 综上所述，近年来国内外磨削技术在原有进步旗础上又有很大发展。精密测 鬣与超精密蘩瓣穗磅瘥、怒蠢速瘗粪l 等技术紧密结会， 爹豢塞蘩已发震至l 一令凝 阶段。 。4 砂带鹰划参数采纂技术及发展趋势 髓著计舞机技术和传感器技术的不断提高以及瘵潮理论的深入砑究，掰者紧 密结合使自动磨削系统的开发和研制醴成必然，自动化程度相当商的磨床已_ 敷用 于实际加工。磨削加工正期着数控化和姆能化的方向发展，许多专用磨肖4n c 系统 汪经产品偬。 由于磨削是一个复杂的多变量影响过程，对其信息智能化处理和决策是实现 粱性自动化和最优化的熏溪基础。因此，将人工智能运用于磨削研究是近几年来 黪裁硒究积威爱靛一令蘩蒙趋势。人工餐麓磨削爱宠包括磨联适援建模、鏖削参 数盼合理选撵、磨翻过稷濂测、自适斑控制、智能化工艺设计和镩能工艺库等诸 方面，而磨削过程建模、模拟和仿真现已达到实用阶段。在磨削过程智能监测方 蕊，声发射技术应用较多，它与力、温度、表面完熬憷和微观参数测量等相结合， 通过“中瞧阏络”鞠“搂襁雍瑾”撵敬露麓参数静全瑟在线痞惑麓予过程薹荟濑与 1 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 控制。如哈工大等单位利用声发射信号对磨削状态进行有效的识别与验证，积累 了丰富的数据和经验，为实现磨削过程智能化控制创造了条件；东北大学已经研 制出了新型并联磨削机器人，实现了磨削自动化。利用虚拟技术建立一个逼真的 虚拟磨削环境是现阶段另一个研究的热点，虚拟磨削技术是计算机技术、软件技 术、检测技术及磨削理论等发展到相当程度，彼此融合的必然结果，是高科技的 产物。磨削自动化和虚拟磨削是建立在磨削参数采集技术的提高以及磨削理论深 入发展的基础之上的。磨削力和磨削温度两参数可以反映磨削状态的大部分特征 信息，因此成为磨削理论研究和实时检测的重点。 磨削理论研究包括磨粒微观模型和磨削的动态数学模型的建立，这些理论已 成为磨削自动化、虚拟磨削技术发展的基石，而磨削热和磨削力理论是其核心。 磨削热理论模型有【9 】：基于剪切面移动热源理论，o u t w a t e r 和s h a w 建立的热量传 递给工件的热源模型；l a v i n e 建立的热量传递给单个锥形磨粒的磨粒传热模型， 此模型对小锥度角是合理精确的；贝季瑶用实验方法验证了按l ：d r 作为磨削 区接触弧长的合理性，提出了热源强度在沿接触弧长为三角形分布的假设，从而 分别按单向导热和双向导热推导了计算磨削区温度的公式；金滩博士分别用均布 和三角形分布热源假设，建立了倾斜移动热源的三种传热模型。这些理论为能够 合理准确地监视和控制磨削热损伤奠定了坚实的基础。利用b p 神经网络、灰色预 测理论建立磨削力动态数学模型是磨削力理论研究的热点，现已逐渐运用于实际 磨削分析。随着计算机技术、传感器技术、信号处理技术、通讯技术和人机接口 技术与磨削理论的同步发展( 能与普通p c 计算机接口、价格便宜的高速数据采集 卡的出现、芯片的高度集成化以及网络的普及) 、高速、高分辨率的数据采集系统 在adc 技术、抗干扰技术、数据的存储和传输技术、信号调理技术和接口等关 键技术上的突破，采集系统按照实际需要搭建，缩短了开发周期，节约了成本。 新型传感器改变了传统的测试方法，如利用辐射温度传感器可以采用非接触方式 采集现场温度信号，使得安装调试更加方便，大大提高了测试系统的移植性：利 用功率传感器采集电机参数来间接的反应磨削力的大小，尽管测试系统还需完善， 但当精度更高的数字功率传感器出现时，该方法会有更广阔的应用前景。近年来， 国内外致力于智能传感器的研究取得了长足的进步，已有所突破。智能传感器是 将数据采集、处理、传输以及显示等功能集成在一块芯片上，这是测试技术上的 一次飞跃，一旦智能传感器得以普及，磨削测试系统水平将大副提高。 计算机、通信技术等融为一体应用于系统状态现场监测和控制( 图1 1 2 示) 1 2 1 是数据采集系统的发展趋势。一体化有利于提高系统开发效率，实现最大程度 的资源共享。 1 3 重庆大学硕士学位论文 绪论 数据采集系统包括各种传感器、邋调放大器、a d 转换器以及存储器等，其主 要任务是信譬采集、预处联和数据检验，通过内部总线或通用接阴( 如r s 2 3 2 c 接 琵，g p i b 羧麓) 来实瑷与上位橇懿数瓣传递亵信意交换，葚至袋弼数据弼络采实 现，图( 1 1 3 、1 1 4 ) 。 随着监测对象的日盏艇杂，数据采集系统向小缴化、网络化、分布集散化、 煎潮控割一髂纯粒方囱发鼹；将不霜功缆戆部辞分裂到终或独立款接块，窝户羧 据需要自出配鼹；采用标准化的方法设计、制作系统的接口，膏驹于提高系统的 质量和可靠憔，大大降低系统的成本，便于更新和维护；向上兼铎性确保新硬件 与原有硬件保持良好的协调性，从丽为系统的升级换代提供方便；测试技术国无 损侥、无接皴式方向发震。 1 4 麓庆大学硕士学位论文1 绪论 1 5 本论文的主要看开究内窖及来源 本论文从磨削枧理出发，在以下几方面作如研究： 、研究工艺参数对磨削过程的影响。 、研究磨削过程中的磨削力和磨削温度两参数的变化规律和趋势。 、研究潦削力和磨削温液对其它工艺参数的影响。 、研究刹用间接方式表达和刻域参数变化。 、研究数据采集系统，实对采集磨潮力和磨箭温度。 1 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本课题属工程应用型，结合砂带磨削设备监测及砂带磨床产品开发的实际需 要，针对现有系统的不足，提出自己的见解和改进方法，使其更适合现场测试的 需要。 1 6 重庆大学硕士学位论文2 磨削过程中的热现象 2 磨削过程中的热现象 瘗削瀑发崖接影嚷工件静表露质羹、瘗吴磨攫、船王效率、妻器工精度以及艇 工成本。尽管砂带磨削过程中磨削温发低，但磨削温度仍是影响工件表面质量、 加工精度的关键因素之一。 研究磨削热的形成枫纛、它在工件内的分布以及与工艺参数灼楣互关系，对 予认识露巽与工俘穗互手譬掰的往蒺，合理运瘸瘗赘王艺，控翻z 箨表瑶热工溪蠢 都具有重要的实际意义。 2 。薹磨削热产生的微戏分橱 砂带磨削工件时，自予磨粒微刃对被加工表面的切削、刻划、摩擦、抛光作 用使金属在舰时间内经历挤压、滑移、挤裂、切离四个阶段。在这个过程中，磨 粒与工件的艨擦及金属的黧性变形能量全部转化为热量，接触弧区痰的瞬时激度 缀葛。 磨削热及传导式可表示为旧：q = q i 十q 2 = q 3 十q 4 十q s 十q 6 式中： o 磨削过程中产生的总热量。 q t 瘴攘葫转变戆热量。 0 ：金属塑性交形能量转变的热量。 q ，传入工件的热量。 0 。传入磨屑的热量。 0