（机械制造及其自动化专业论文）硬脆材料小直径内圆磨削特性的研究.pdf

摘要 光学玻璃、陶瓷、半导体及人工晶体等离性能的硬脆材料在航空航天、光学、 电子、汽车及军用溅器装备等领域的应用中，经常涉及到小孑乙的加工问题，而且 嚣毒张静稽痉蠢獠糙度要求缀赢。西蘩，李壹簌骖耱塞蘩技术舔存在缓多靛阕蘧， 所墩从瑾论上努析小直径内圆静您海特性，然厝针对不同特性瓣硬拣毒手料，选择 砂轮的结构参数和膳削参数对小崴径内圆磨削肖非常重要的意义。 本文根据瘗削几俺学翻力学理论分辑单鬏壤粒熬受力霸王谗材料、黪粪参数 之闻魏关系，表鞠霞小壹弪蠹黧纛澍过翟串，硬腿裁瓣斡硬度镬砂轮枵弯螽，导 致砂轮实际磨削深度显著减小，单颗磨粒的脯削力减小，磨粒很少脱落。 篡次，根据实际鹰削深度与砂轮结构参数润磨削参数的关系，结合去除率的 计算方法，势撬了砂轮结穆参数和瘗餐参羧怼秘糕去豫率懿影噙。熬嚣，努辑了 单颥廉鞭累计磨削弧长和砂轮缩檎参数、磨削参数的关系。络栗表明：增加理论 磨削深度，减小磨粒的锥顶半角、单位磨削弧长上的磨粒数、连续切削绷的间距 不仅可以提毫材瓣豹去豫率，述w 薹减少瘗粒鼹瘵损，增熬磨削毙。 在平嚣痞葭辍糙痰傍真诗鼙模翟酶基醢上，程魇正态分布透鼗随枫醵定蘑粒 的突出商度以及它们在砂轮圆周上的分布顺序，根据磨削几何学和内圆麟削工件 的运动特点，在极搬标系建立内潮蘑削租糙度的仿真模型，研究表明，臌粒突出 蹇度豹麓澍黯工箨内嚣表覆鞭糙度影襄最大，壤按砂稔转速、减枣工佟转遽窝连 续磨粒的间隔可以减小工件表面的粗糙度。 关键诲；褰裂枣我密蘩力壤浆跑褪糙发弦真 a b s t r a c t t h eh a r da n db r i t t l em a t e r i a l s 、v i t hh i g hp e r f o r m a n c e ，s u c h 踞o p t i c a lg l a s s ， c e r a m i c s ，s e m i c o n d u c t o r ，m a n - m a d ec r y s t a le t c ，w i l lb ei n v o l v e di nm a c h i n i n gs m a l l h o l e sw h i l ea r ea p p l i e di na v i a t i o n , o p t i c s ，e l e c t r o n ，a u t o m o b i l ea n dm i l i t a r ya r e a s u s u a l l y , h i g hp r e c i s i o na n dr o u g h n e s so fh o l e sa r en e e d e d t h e r ea r ea l s os o m e p r o b l e m st ob es o l v e df o rs m a l ld i a m e t e rw h e e lg r i n d i n gp r o c e s s e s i ti sn e c e s s a r yt o a n a l y z et h em a c h i n i n gc h a r a c t e r so fs m a l ld i a m e t e rg r i n d i n g , a n dt h e nd e t e r m i n et h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fg r i n d i n gw h e e la n dm a c h i n i n gp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n th a r da n db r i t t l em a t e r i a l s t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h eg r i n d i n gf o r c eo fs i n g l e 鲥ta n dt h em a c h i n i n g p a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt o t h et h e o r yo fg r i n d i n g g e o m e t r ya n d m e c h a n i c s t h es t u d yi n d i c a t e dt h a tw h i l e s m a l lh o l em a c h i n e ds m a l ld i a m e t e r g r i n d i n gw h e e l ，t h eh i g h e rh a r d n e s so fw o r k p i e c em a t e r i a l sm a d et h eg r i n d i n gw h e e l p o l eb e n ds ot h a tt h ea c t u a lg r i n d i n gt h i c k n e s sr e d u c e da n dt h eg r i n d i n gf o r c eo f s i n g l y 鲥td e c r e a s e do b v i o u s l y t h e r ew a sf e wp u l l - o u to f g r i t s c o n s i d e r i n gt h ec a l c u l a t i n go f r e m o v a lr a t ea n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nm a c h i n i n g p a r a m e t e r sa n da c t u a lg r i n d i n gt h i c k n e s s ，t h ee f f e c t o fm a c h i n i n gp a r a m e t e r st o r e m o v a lr a t ew a sa n a l y z e d t h e nt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no ft o t a ll e n g t ho fg r i n d i n g a r e t h er e l a t i o n sb e t w e e ng r i n d i n ga r ca n dp a r a m e t e r so fg r i n d i n gw h e e la n d m a c h i n i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h es t u d yi n d i c a t e dt h a ti n c r e a s i n gt h eg r i n d i n g t h i c k n e s si nt h e o r y , d e c r e a s i n gt h ef i n a la n g l eo fg r i t sp y r a m i da n di n t e r v a l sb e t w e e n t w os u c c e s s i v e 酣t s ，c a nn o to n l yi m p r o v er e m o v a lr a t e ，b u ta l s od e c r e a s ew e a ro f g r i t sa n di n c r e a s eg r i n d i n gr a t i o b a s e do np r e d i c t i v em o d e l i n go f p l a n es u r f a c er o u g h n e s s ，t h i sp a p e ra r r a n g e dt h e 舯i np r o t r u s i o nh e i g h ta n dt h e i ro r d e rb yg a u s s i a nd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt ot h e g r i n d i n gg e o m e t r ya n dc h a r a c t e r so fw o r k p i e c ek i n e m a t i c s ，s u r f a c er o u g h n e s so f g r i n d i n gh o l ew a sc a l c u l a t e d i np o l a rc o o r d i n a t e s t h es t u d yi n d i c a t e dt h a tt h e d i f f e r e n c e so fg r i t sp r o t r u d e n th e i g h ta f f e c t e dt h er o u g h n e s sg r e a t l y i n c r e a s i n gt h e v e l o c i t yo fg r i n d i n gw h e e l o rd e c r e a s i n gv e l o c i t yo fw o r k p i e c ea n di n t e r v a l sb e t w e e n t w os u c c e s s i v eg r i t sc a nr e d u c ev a l u eo fs e r g a c e i i g r i n d i n g s m a l lh o l e g r i n d i n gf o r c eg r i n d i n gr a t i o r o u g h n e s s s i m u l a t i o n 1 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王长昌 签字同期：2 0 0 5 年月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王妖马导师签名 孑伤 签字日期：加口f 年，月p 日签字日期：0 时年月 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 硬脆材料及其应用 硬脆材料( 包括光学玻璃，宝石，工程陶瓷，人工晶体等) 在工 程结构中的应用日趋广泛。尤其是工程陶瓷，作为三大工程结构材 料之一，以它的多种优良性能，逐渐代替了金属在某些场合的垄断 地位。例如在纺织工业中，利用陶瓷的耐磨性和不易产生静电的特 点，制作瓷眼、横动导丝器、拉卷型导丝器和钩型器；在电子行业 中，由于陶瓷机械电器性能优异，用来制造静压电真空陶瓷管壳， 不仅金属化性能好，而且气密性好，封接强度高；在重型机械行业 中，工程陶瓷的强度、硬度高，耐磨性和耐腐蚀性能好，摩擦系数 小，是制造密封环和止推环的理性材料。在水工机械中，陶瓷材料 的喷嘴、喷砂嘴、轴套，耐磨性能好，寿命是其它材质的数倍：在 军工方面，陶瓷制成的轴套、密封环可以满足战争对零件可靠性高、 寿命长的要求；最后在医疗卫生方面，陶瓷不生锈，耐酸碱腐蚀， 是制造医疗器械的良好材料。工程陶瓷的性能指标如表1 1 所示。 表1 1 工程陶瓷的典型性能 性能指标 a 1 2 0 3z r 0 2 s i c s i 3 n 4 密度( g c m 3 ) 3 9 7 5 63 13 2 维氏硬度( g p a ) 1 6 132 5 1 5 弹性模量( g p a ) 3 8 0 2 0 04 2 03 2 0 抗弯强度室温( g p a ) o 4 5 l _ 3 o 6 90 7 6 抗弯强度1 2 0 0 ( g p a ) 0 2 00 2 5 o 4 5 0 5 0 热导率 w ( m ) 】 8 132 _ 3 32 5 67 5 6 热膨胀系数( 1 0 - 6 。c ) 7 81 0 53 o3 5 断裂韧性( m p a m m ) 4 59 63 55 8 波松比 0 2 50 3 10 1 6o 2 8 天津大学硕士学位论文第一章绪论 上述零件在加工的过程中都会涉及到小孔加工( o 6 m m ) 的问 题。孔加工是机械加工中所占比例较大的一种重要加工工序。据统计， 孔加工约占机械加工总量的三分之一。在孔加工中，尤其以小孔、 深孔的加工最为困难。特别是近年来随着材料向着高强度、高硬度的 方向发展，经常需要在这些难加工材料( 如模具钢、硬质合金陶瓷 材料等) 上进行小孔、深孔加工。这些小孔用一般的传统加工方法加 工效率很低或者就根本无法加工。所以现代科学技术和工业生产的发 展，对难加工材料上的小孔加工技术提出了迫切的需求。 小孔的精密加工技术一直是制造技术中的研究方向之一。未来 的世界是高科技产品与先进制造技术竞争的时代，因而谁掌握了尖 端的加工技术，谁就能赢得发展的先机。精密小孔加工技术是尖端 技术产品开发中不可缺少的加工手段之一，在军用工业和国民经济 建设中都发挥着极其重要的作用。因此，精密小孔加工技术已成为 现代工业制造的关键技术之一。 硬脆材料的共同特点是硬度高，脆性大，因此亟需开发优质、高 效、经济、实用的新工艺、新技术以满足高效率、高质量小孔加工的 需要。目前，各发达国家如德、日、美、英等国都非常重视工程陶瓷 材料的开发和应用，特别是8 0 年代以来，竞相投人大量资金和人力， 在工程陶瓷加工理论和技术方面取得很大进展1 。 1 2 小孔加工技术 近几十年各发达国家深入研究，在常规机械加工如钻孔、磨孔的 基础上，开发出了一系列的小孔特种加工技术，它们作为现代机械制 造技术中的一个重要组成部分，由于其自身的一些特点，在小孔加工 方面显示出自己独特的优势。这些小孔的特种加工方法主要包括电 子束加工、激光加工、超声波加工等。 1 2 1 小孔磨削 磨削作为目前最为普遍的一种硬脆材料小孔常规加工方法，在 各种加工方法中，具有加工精度高，加工表面质量好，而且设备廉 价的特点。但它也是所有的小孔加工方法中难度最大的一种。1 。目前 在小孔的磨削中存在的主要问题h “1 是： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 小直径砂轮的制备和修整困难； 2 相对较长的磨削弧长，大约是砂轮周长的7 5 - 1 0 0 ： 3 由于砂轮的直径较小，转速受到加工磨具的限制，不可能选用 较高的线速度，不仅效率低，而且加工质量差： 4 在高速转动下容易出现共振，使磨削情况变坏，限制了砂轮转 速的提高，使得砂轮的磨削效率低，寿命短； 5 工件内圆与砂轮的绝对间隙小，磨削时排屑困难，冷却条件差， 容易造成砂轮阻塞，影响表面质量； 6 砂轮杆又细又长，刚性很差，在高转速的离心力和切削力的作 用下，容易弯曲变形，使加工孔的圆柱度发生变化； 7 切削过程不稳定的趋向很大； 目前，针对小直径砂轮磨削的研究很多；阎秋生1 通过对小直径 c b n 砂轮平面磨削铸铁特征的理论分析，发现影响小直径c b n 砂轮 磨削性能发挥的根本原因是：单颗磨粒最大切削厚度增大、磨削弧 长减小、磨粒磨削力增大导致了c b n 磨粒易于早期脱落。采用减小 单颗磨粒最大切削厚度和增大磨粒磨削弧长的磨削用量，即小的磨 削进给速度和大的砂轮磨削深度( 蠕动磨削) 可以充分发挥小直径 c b n 砂轮的磨削性能，取得良好磨削效果，采用高密度化砂轮也能 起到同样作用。 有的学者1 通过陶瓷结合剂砂轮磨削材料为g c r l5 内圆的实验 发现，随着砂轮速度增高，砂轮磨损相对减少，耐用度和磨削比增 加，生产效率提高，工件表面粗糙度减小；当砂轮速度太大时，生 产效率增加不大，再加上冷却效果不好，砂轮的磨损反而加大：磨 削深度增加，磨削力与磨削热相应增加，砂轮磨损加快，工件表面 粗糙度增加。 有的学者“3 通过实验建立内圆磨削力的经验公式，发现磨削氮化 硅、氧化锆、氧化铝三种不同陶瓷材料磨削力、磨削力比和粗糙度的 不同以及它们和磨削参数的关系如下：1 三种陶瓷材料的内圆磨削力 都随着磨削深度的增加而呈增大趋势，磨削深度对磨削力的影响程度 均比同样条件下的金属材料磨削时要大：2 磨削深度和工件速度对磨 削力的影响随陶瓷材料的韧性不同而各异，材料的韧性越大，磨削力 越小；3 在磨削陶瓷内圆时，磨削参数对磨削力的影响与材料有关， 材料越硬，磨削力越大。4 工件速度对磨削力的影响没有明显规律， 对氧化锆陶瓷轴承，由于其韧性好硬度低又属于金属性陶瓷，故在磨 天津大学硕士学位论文第一章绪论 削时某些方面表现出与金属材料相类似的特征，即随着磨削深度和工 件速度的增加，法向磨削力和切向磨削力增大，而氮化硅和氧化铝的 磨削力随工件速度的变化则不太规律。5 粗糙度的值随磨削深度的增 加而增加，这与磨削力的规律相似，原因是磨削深度越大，磨削力越 大，陶瓷材料的表面的破碎现象越严重，所获得的表面粗粮度也就越 差。随着工件速度的改变，对于氧化铝和氧化锆，粗糙度的值相应增 大，而对氧化铝却呈减小趋势。在相同磨削条件下，三种陶瓷材料表 面粗糙度以氧化锆最小，氧化铝最大。 1 2 2 硬脆材料小子l 特种加工技术 1 电子束加工电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后的高能 电子柬轰击工件表面，使材料瞬时熔化、气化而去除材料的一种加工 方法。由于电子束可聚焦到很小的光斑，故可用于打孔“”。它的 加工过程如图1 1 所示。电予束打孔技术己成功应用于加工涡轮叶片、 燃烧室等喷气发动机典型零件上的小孔。 霸 弭璀 电子枪系统 聚焦系统 电子i 束 工件 图1 1 电子束加工示意图 电子束加工的研究开始于5 0 年代，层前己能加工直径小于3 岬的 孔，对微电子学领城里许多零件的打孔特别有利，是微小孔加工工艺 中不可缺少的一种加工方法。其加工特点如下：1 可加工高强度、 高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料。2 电子束可以聚成直 径1 l a i n 以下的光斑，故可加工直径l 岬以上的微孑l 。3 非接触加工， 攀黔 天津大学硕士学位论文 第一苹绪论 削时某些方面表现出与金属材料相类似的特征，即随着磨削深度和工 件速度的增加，法向磨削力和切向磨削力增大，而氮化硅和氧化铝的 磨削力随工件速度的变化则不太规律。5 粗糙度的值随磨削深度的增 加而增加，这与磨酎力的规律相似，原因是磨削深度越大，磨削力越 大，陶瓷材料的表面的破碎现象越严重，所获得的表面粗粮度也就越 差。随着工件速度的改变，对于氧化铝和氧化锆，粗糙度的值相应增 大，而对氧化铝却呈减小趋势。在相同磨削条件下，三种陶瓷材料表 面粗糙度以氧化锆最小，氧化铝最大。 122 硬脆材料小孔特种加工技术 1 电子束加工电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后的高能 电子束轰击工件表面，使材料瞬时熔化、气化而去除材料的一种加工 方法。由于电子束可聚焦到很小的光斑，故可用于打孔“”。它的 加工过程如图1 1 所示。电子束打孔技术己成功应用于加工涡轮叶片、 燃烧室等喷气发动机典型零件上的小孔。 瓜 斟氆 璀 电子枪系统 聚焦系统 电子车 工件 图1 1 电子柬加工示意图 电子束加工的研究开始于5 0 年代，目前已能加工直径小于3 岬的 孔，对微电子学领城里许多零件的打孔特别有利，是微小孔加工工艺 中不可缺少的一种加工方法。其加工特点如下“。：i 可加工高强度、 高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料。2 电子束可阻聚成直 径1 岬以下的光斑，故可加工直径1 岫以上的微孔。3 非接触加工， 径1 哪以下的光斑，故可加工直径1p m 以上的微孔。3 非接触加工， 瓣黔 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 不产生宏观应力和变形。4 可加工异型孔、锥孔和各种曲率的弯孔等。 5 加工在真空中进行，特别适合于加工易氧化材料和纯度要求极高的 半导体材料。 但是，电子束加工所需的整套专用设备和真空系统，价格较贵。 目前生产应用有一定局限性。 2 激光加工自从1 9 6 0 年出现激光以后，人们很快把激光应用到 许多方面。4 0 多年来，随着激光技术及其相关技术的发展，激光加工 小孔技术已日益成熟”。“。 激光加工小孔是利用激光焦点处的高温，使材料瞬时熔化、气化， 熔化，气化物被爆炸性地喷射出来，在工件上形成一个具有一定锥度 的小孔。激光的加工过程如图1 2 所示。激光加工小孔的特点有： 操怍台 图1 2 激光加工装置 垒反射镜 谓振腔 闪光灯 散，筛拌 半反射镜 透镜 保护带 工件 1 可加工高强度、高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料。2 加工速度大、效率高、热影响区及变形小。3 激光能够聚焦成极细的 光束，可加工直径大于1 岫的微小孔，深径比可以达到1 0 以上。4 加 工为非接触加工，可加工薄壁、弹性件等低刚度零件，可对空间狭窄 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的难加工部位进行打孔。5 - ，j 、孔的激光加工设备价格较贵。 激光，打小孔的主要研究方向是如何提高加工质量、降低设备成 本。 3 超声波加工超声波加工是利用超声频振动的工具冲击磨料， 再通过磨料对工件进行加工的一种方法“”1 。微小孔的超声波加工 是利用超声波发生器激励的换能器驱动不锈钢管作超声振动，冲击工 件表面上的磨料，将加工区域的材料粉碎，随着工具的进给，加工出 小孔。它需要的加工装备如图1 3 所示。超声波加工具有以下特点“1 ： 图1 3超声波加工示意图 1 适于加工各种硬脆材料，但对于金属材料的加工效率相对较低。2 可加工异型孔，加工精度达5 l a m ，表面粗糙度为r a 0 4 0 1p a n 且无 表面残余应力、烧伤等现象。3 最小孔径达0 1 m m ，深径比达10 - 2 0 。 4 机床结构简单，成本低。超声波加工主要用于硬脆的非金属材料加 工，如玻璃板上微小孔的精密加工以及金刚石模具的变截面圆孔和异 型孔的加工。 4 其它加工方法在上述加工方法的基础上，还出现了一些复合 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 加工方法，例如：脉冲电解电火花复合小孔加工阻，超声波和电火 花复合加工1 ，超声波和磨削复合加工，微波钻孔m 1 ，研磨加工”“2 4 3 等。 1 2 3 目前小孔加工尚存在的问题 在特种加工方法中，能应用于工程陶瓷材料小孔加工的有电子束 加工，激光加工，超声波加工等。而电子束加工和激光加工需要整套 专用设备和真空系统，价格较贵。超声波加工由于砂轮的震动造成磨 粒的大量脱落浪费。目前，材料的加工费用占工件成本的 8 0 9 0 凹”，在很大程度上限制了硬脆材料，尤其是工程陶瓷在机 械行业中的应用。因此，采取什么样的加工方法，不仅要考虑到加工 质量，也要考虑加工的成本和可行性。在这一方面，砂轮磨削加工无 疑具有很大的优越性。 目前，平面磨削和外圆磨削理论方面的研究较多，而对于内圆磨 削，尤其是小直径内圆，理论方面的研究很少。大多数文献“圳都是 通过实验得出适合小直径内圆磨削的砂轮结构参数、磨削参数，以及 这些参数对磨削比、磨削效率、磨削表面粗糙度、表面残余应力和砂 轮寿命等的影响。因此有必要对磨削过程进行理论分析，从而得到这 些参数的准确的相互作用关系，从而为提高磨削比和磨削质量提供理 论依据。 1 3 研究目的和意义 为了进一步提高硬脆材料在国防、航空航天、电子工业、医疗、 汽车等领域中使用的普遍性，除了保证硬脆材料的小孔的精密加工 的质量和效率之外，生产成本显得尤为重要。在有预留孔的情况下， 磨削加工不仅加工质量高，而且需要的设备价格相对低廉。但是， 加工高质量的零件，不仅需要精度高、刚性好的机床，也需要性能 优越的砂轮。因此，砂轮的制备与合理的选择磨削参数，成为小直 径内圆磨削的主要问题。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在硬脆材料的磨削加工中，金刚石工具的适应性不强。虽然硬 脆材料的成分、结构、加工性能各异，但这些材料加工中所应用的 金刚石工具的制备、种类和性能却相差无几，目前金刚石工具的使 用中存在“以不变应万变”的现象。因此，有必要考虑材料的力学 性能和加工特性，以材料的加工技术为金刚石工具的设计依据，研 究与开发具有不同基体和结合剂特性的系列金刚石工具，以适应相 应的硬脆材料的高效和精密加工。而砂轮结构参数和磨削工艺参数 的确定，以及这些参数是否合适，都需要在磨削过程中检验，这样 就为我们提出了一个课题，即首先分析砂轮结构参数和磨削参数在 磨削过程中的确切作用，以及它们对磨削效果和砂轮寿命的影响， 然后根据材料的不同特性，研究适合特种材料加工的砂轮和磨削参 数。 在小直径内圆过程中，对于尺寸确定的工件，影响磨削质量和 砂轮寿命的参数主要有砂轮转速、工件转速、砂轮磨削深度、砂轮 直径和轴向进给速度等。它们的交互作用使得磨削规律非常复杂， 丽磨削效率低下，磨削质量不好，砂轮寿命较短，导致生产过程中 出现零件报废，砂轮利用率低，大大提高了小直径内圆的加工成本。 因此，非常有必要开展小直径内圆磨削过程的研究，以提高硬脆材 料小直径内圆加工质量和效率，降低生产成本。 在尖端科学技术日益发展的今天，硬脆材料零件越来越广泛地涉 及到小直径内圆的加工问题。随着对小直径零件内圆的表面精度、粗 糙度要求的提高，其加工方式也朝着精密、超精密、高效、自动化方 向发展，进而对砂轮参数、性能和磨削参数提出了更高的要求。因此， 开展小直径内圆磨削参数和砂轮结构参数的研究，不仅具有重大的理 论价值，而且具有重要的实用意义。 1 - 4 本文的主要研究内容 电镀金刚石砂轮广泛应用于工程陶瓷、光学玻璃、半导体及人工 晶体等硬脆材料小孔的精密加工。在磨削加工过程中，如何在保证磨 削效率，磨削质量的前提下，提高砂轮的寿命，降低加工成本是主要 的问题。这些问题与磨削参数，如砂轮直径、砂轮转速、工件转速和 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 磨削深度等密切相关，而砂轮的寿命则决定于磨粒的磨损速度。因此 我们要做的工作是，利用内圆磨削几何学理论，建立磨削过程的数学 模型，然后分析磨削参数的变化对磨粒的受力情况的影响，判断磨粒 的磨损形式，以避免磨粒出现大面积的脱落和磨碎。另外，利用计算 机仿真技术，模拟工件表面的生成曲线，研究砂轮结构参数和磨削参 数对磨削表面粗糙度的影响。论文主要工作如下： 1 根据内圆磨削几何学理论，结合材料的断裂力学，材料力学，分 析磨削过程中砂轮杆的弯曲情况，比较磨削不同材料时实际磨削 深度随着理论磨削深度的变化曲线，以及对单颗磨粒最大磨削力 的影响。 2 根据实际磨削深度和磨削参数的关系，分析砂轮结构参数和磨削 参数对磨削比的影响。然后结合实验观察砂轮的磨损形式，分析 提高砂轮的磨削比的方法。 3 利用计算机仿真技术，随机确定砂轮表面磨粒的高度以及不同高 度磨粒的分布，在极坐标系建立内圆磨削仿真模型，分析砂轮结 构参数和磨削参数对粗糙度的影响。最后，比较大直径内圆磨削 和小直径内圆磨削表面粗糙度的差别。 天津m 犬学硕士学位论文第二章小直径内圆磨削力的研究 第三章小寓径内圆麟削力的研究 目前，对于平筒磨削过程中整个砂轮芹廿单颗磨粒的受力情况的研 究很多，一些学黉道过实验建立了该过凝中疼削力靛经验公式“， 还蠢一些逶过痞熬凡鹰学，分褥单鬏薅粒戆吃刃爨，然露攫翳嚣瓣瓣 硬度糊断裂韧性，对单颗磨粒和砂轮总体受力情况进行了理论分析 n “。但这些理论研究对于小直径内圆麟削涉及的很少。大多数是通 过实验器窕了羯瓷耪释蠹强磨澍过霾枣砂轮将链、癃澍方式、跨浆参 数和瓣魏力之闻的关系。”。阀歌生蓄斑逶：蓬实验发现，小宣经晦瓷 结合剂c b n 砂轮平面磨削铸铁材料的澈程中，磨削性能低下是因为磨 粒早期魏魏落拍3 3 ，然曩提粥孳l 起磨粒脱落戆投本溅因是单颞艟粒受 力遵大婶3 。整是工程巍瓷酶成分、臻梅、趣王整懿备异，霞戴窍必要 针对不同的材料从理论上研究小直径砂轮的磨削特性。本章首先通过 实验观察用于小盥径内厕磨削的砂轮的磨损形式，然后在磨削几何学 理论鏊懿主，络含麓袭力学秽辑精力学躺有关理论，分羲了，j 、童径珍 轮磨渐不同陶瓷材料过程中蜜际磨骶深度昭交纯戳及这稀变化对磨 削力的影响。 2 陶瓷材料蘑割实验 安辍选择上海辊泰厂生产豹高精发万能羚翻磨寐m g t 4 3 2 a ，主 转转速凳1 9 0 0 0 r m i n ，工绺转速0 - 2 6 0 r r a i n 无缓变速。工伴选撵壹 径为6 r a m ，深縻为1 4 m m 的氧化铝和瓶化锆小孔。砂轮选撵盥径为 4 r a m 、宽度为6 r a m 的电镀金刚石砂轮，砂轮秆的悬臂长度为4 0 r a m ， 冷却泼选择承藩缝巍稼滚。农实验建器中，选择工释转速受2 2 0 r m i 珏， 径向每次进给2 0 t t r a ，通过滕削声音剿断是否需蘩继续进绘。轴向连 给速媵7 m m s ，幽去除材料岸度0 8 m m 时停止试骢。然后使用超声波 渍洗_ i 释窝移轮，在显缴镱下鼹察。 通过显徽穗筑察羡理，与平莲密潮铸铁材辩的孛壹弪岗黉络台 剂c b n 砂轮”不间的是，膦削氧化铝糊氧化锆的电镀金刚石砂轮如 天津太学硕士学位论义第二章小赢径内圆磨削力的研究 匿2 1 ，2 2 掰录；砂轮极少密瑷磨粒飘落耪破莽姻蕊象。陶瓷耪料 的硬魔和断裂韧性要比铸铁犬得多，为什么却没有大量磨粒脱落和 破碎缆? 瘗粒的脱落和破碎与磨粒受剥的切商力荚慧很大，因此有 盛要势褥瘩餐工程建瓷耪辩孛荤鬏塞粒豹受力薅獯。 图2 1磨削前砂轮表面形虢囤2 - 2 磨削中期砂轮形貌 2 ，2 蘧戆媾嚣下内菡磨削隽分耩 在内圆切入膳削过程中，如果不礴虑加工过穰中工件和妙轮的 变形，嚣么，砂轮单令蘑牧靛最大屹刀爨冁。翔嚣2 - 3 瑟示，窀莓浚 蘑 v w 由式 ( 2 4 ) 戏中：掣一与材料和磨粒形状有荧的系数，在磨削用量不变的 薅嚣下为霉数拍“。 巍单颗磨粒的最大吃刀爨咯。大于材辩的临界切削厚度时，材料 的去除以断裂破碎为主。此时，砂轮受到的切向力f 憎可以由式( 2 5 ) 计算3 磊“扣协t a i l 2 m 2 ，一= 吾k - ( k i c h ) 3 ( 2 _ 5 ) 褒实际瘗蠢| l 避程申，王 串褪瓣熬醭度缀毒，悉砂耱轷藜尉瞧缀差， 造成嶷际磨削深度减小，由溅( 2 1 ) ，( 2 - 3 ) 可知窳际磨削深魔的变 化对磨削力的影响很大，所以本文从实际磨削深泼的变化开始，分 耪疆麟瓣瓣枣塞簌蠹霾磨戮力。 ， 2 3 实际磨削深度 交舔，l 、壹径痧轮瘗溪陶瓷瓣麓熬过程孛，因必王终枣| 籽鹣硬度 很高，小直径砂轮杆的刚性麓，所以每次进给的磨削深度口。不能在 工件旋转一周后念部去除，那么实际磨削深度a 。l 和理论磨削深度 口。之闼骞骨么襻静关系昵? 鋈先分拆裹削有一定熬蛙豹氧化镑对豹 情澎。砂轮的受力情况如图2 4 所示：程该磨削过程中，村为鬻撩力 作用谯砂轮杆上的扭矩，工件作用在砂轮上的法向力凡，和切向力 f f j 1 为 k “套 h 讨y ( 1 2 9 r n i n ( 2 6 ) 天津大学硕士学位论文 第二章小直径内圆磨削力的研究 只* 0 + o 7 5 0 0 ) 只。 ( 2 ，7 ) 式中：2 2 如詈历，实际单颗磨粒的最大吃刀蚤 = ，。”“，同时参与磨削的磨粒数量，式中心为单位磨削弧 长上的有效磨粒数量，1 ，= 瓜m 1 ，为实际磨削接触弧长； o o = 2 l ，d s ，砂轮和工件的接触角。 那么，其合力 图2 - 4 砂轮端部受力分析 f = e ，c o s g ( 2 8 ) 方向如图2 4 所示，其中目1 = a r c t a n ( + 0 7 59o ) 。而砂轮受到砂轮 杆的弹力t 大小和f i 相等，方向相反。丁在竖直方向上的分力m 1 t 1 = t c o s ( o l e o 2 ) = 3 e i r ( a p - a p , ) ( 2 9 ) 天津大学硕士学位论文 第二章小逝径内圆磨削为的研究 式中；三一蠢砂轮释匏长凌， e 一砂轮杆的弹性模濑； ，= 碱4 6 4 ，砂轮的惯性矩”明 那么嚣为= ，瑟苏由式( 2 - 6 ) ，( 2 - 7 ) ，( 2 - 8 ) ，( 2 - 9 ) 霹班 得飘 ! ! 塾：垒鲨：兰：塑：兰：! 艘：丝：叠( 2 - 1 0 ) 6 4 # c o s ( o l 一壤2 )6 c o s e l 鄹健在不考虑砂轮抒弯熬的情况下接触弧长如也非常小，那么 在砂轮秆发生弯曲变形煎情提下珞f 更鸯羹夸。嚣忿，近钕认为 c o s ( q 一巩2 ) = c o s 0 1 ，那么式( 2 - 1 0 ) 简化为： 可a v - a p ；一t 2 8 ( h 堡等磐丝，芦) ： 沼 目0 2 9 n e d ? 站2、v 。l 令式( 2 1 1 ) 豹盍透等予定，它表示工薛誊| 辩、移耱懿结褥参数、 磨削参数对足的影响。则式( 2 1 t ) 简化为 寤，一罐牟2 k a p 3 7 2 2 ，1 2 ) 必须注意的悬，在显微镜下观察，砂轮表面的磨粒是随机分布 豹，蠢戆甚至是警嚣囱羚。瞧就是说y 瓣毽差别缀大。出式( 2 - 6 ) 可知，这对磨翻力影响很大。 由式( 2 4 ) 可知，值太大的磨粒，在磨削初期受力很大，容易 脱落。丽，值最小为5 3 0 。因此为了简化计算，取，德5 3 0 8 0 0 。令 t a i l 2 ，= ( t a n 2 + t a l l 2 扎+ + t a n 2 ) ， ( 2 - 1 3 ) 式孛：苁= 5 t + 一i ) 2 7 。发玎1 ) ， 2 1 ，2 ，n “ 天津大学硕士学位论文 第二章小直径内圆磨削力的研究 2 4 砂轮直径和工件材料对磨削力的影响 本文选择电镀金刚石砂轮，砂轮杆的材料为4 5 4 ，其弹性模量e 为2 0 5 g p a 阳引，砂轮杆的悬臂长度均为4 0 m m ，取如为5 r a m ，连续 切削刃的间距以为3 m m ，首先分析砂轮直径和工件材料对磨削深度 的影响，然后结合式( 2 1 ) ， ( 2 3 ) ，( 2 - 4 ) 分析它们对磨削力 的影响。 2 4 1 砂轮直径 砂轮直径决定砂轮杆的刚性，它对磨削力的影响也正是体现在 磨削深度的变化上，因此首先分析砂轮直径对磨削深度的影响。选 择直径为，4m m 、2 4 m m ，磨削直径为f r o m 、4 0 m m ，长度为12 m m 的 氧化锆内圆。砂轮转速19 0 0 0 r m i n ，工件转速依次为2 2 0 r m i n 、 10 0 r m i n 。由式( 2 11 ) 可以得到实际磨削深度口口f 与理论磨削深度 口口的关系如图2 5 所示。 图2 5 氧化锆实际磨削深度和理论磨削深度的关系 可见，在小直径砂轮磨肖9 氧化锆内圆的过程中，随着理论磨削 深度的增加，实际磨削深度相应增加。但是实际磨削深度和理论磨 削深度的差距随之增加。而且，考虑到实际上砂轮表面的磨粒分布 天津大学硕士学位论文 第二章小直径内圆磨削力的研究 并不象理论上那样，磨粒尖端恰好露在外面，因此，砂轮的实际磨 削深度比计算值还要小。 2 4 2 工件材料 工程陶瓷材料的硬度和断裂韧性都有很大的差别，因此，实际 磨削深度的变化也不完全一样。比如对于有一定塑性的氧化锆，其 临界切削厚度a 。为3 4 5p m ，在实验中，砂轮一次径向进给最多只 能达到2 0 岬，此时单颗磨粒的最大吃刀量a g 肘小于材料临界切削厚 度口刚材料去除方式中很少出现脆性断裂；而对于脆性材料氧化铝， 其临界切削厚度a g 。仅有2 3l a i n ，当实际磨削深度唧t 较大，使得单 颗磨粒的最大吃刀量a g m 大于临界切削厚度a g 。时，砂轮受到的合力 变化很小，可以认为，此时实际磨削深度的增加是线性的。在实验 中，氧化铝理论磨削深度可以达到3 0 岬，而硬度比氧化铝小的氧化 锆的只能到2 0l g n ，也说明在实际磨削深度a 口，增加的过程中，氧化 铝的磨削力变化不大。 为了考察工件材料与实际磨削深度的关系，选择直径为4 衄的 电镀金刚石砂轮，磨削直径为6 m m 、长度为12 m m 的氧化铝、氧化 锆内圆。砂轮转速l9 0 0 0 r m i n ，工件转速依次为2 2 0 r m i n ，由式( 2 12 ) 得到实际磨削深度口口f 的变化趋势如图2 - 6 所示。 图2 6不同陶瓷材料的实际磨削深度变化趋势 天津大学硕士学位论文 第二章小直径内圆磨削力的研究 可见，当理论磨削深度较小，材料的去除方式以塑性变形为主， 材料的硬度对实际磨削深度的影响很大，此时，在理论磨削深度a ， 相同的情况下，硬度较高的氧化铝实际磨削深度，较小；随着理论 磨削深度a 。的增加，氧化铝进入脆性断裂去除过程，磨削力几乎不 在变化，而氧化锆仍然以塑性变形为主，因此，在理论磨削深度a ， 相同的情况下，氧化铝的实际磨削深度口。f 小于氧化锆。 磨削深度的变化，对单颗磨粒的磨削力有很大的影响。当口，为 2 0 岍时，对于氧化铝，由于其断裂韧性较小，材料的去除方式以脆 性断裂为主，所以由式( 2 - 5 ) 可知：即使在磨削深度较大的情况下， 单颗磨粒的切向力与大直径砂轮的磨削切向力f 增没有太大的差别； 而对于氧化锆，虽然材料的去除以塑性变形为主，但实际磨削深度 大约为1 1 l a i n ，比理论磨削深度小得多。 为了考察磨削深度的变化对不同直径内圆磨削力的影响，选择 直径为4 r a m ，2 4 m m 的砂轮，磨削直径为6 m m ，4 0 m m 的氧氧化铝、 氧化锆内圆，砂轮转速为1 9 0 0 0 r m i n ，工件转速为2 2 0r m i n ，理论磨 削深度分别为2 0 l a i n ，5 0 i n n ，先由式( 2 - 1 2 ) 计算实际磨削深度，然 后通过式( 2 1 ) ，( 2 - 3 ) 可以得到，不同直径砂轮上磨粒的最大法 向力凡。如图2 7 所示。可见，在磨削过程中，小直径砂轮上磨粒的 最大法向力和大直径砂轮上的磨粒相差无几。 41 2 砂轮直径d ，( ) 面i 碉 i 曼堑些堡l 图2 ，7 不同直径砂轮上磨粒的最大法向力 随着磨粒的磨钝，它们在切削过程中和工件材料的接触面积增 加，磨削需要的法向力迅速增加口“，但砂轮杆的刚性不足以提供足 站卫垢o 宝0 n o n o n 一3r墨避厦蝼 天津大学硕士学位论文 第二章小直径内圆磨削力的研究 够的弹力，此时，实际磨削深度和切向磨削力迅速减小。因此，磨 钝的磨粒也不会大量脱落和破碎，而是继续摩擦磨损，一直到砂轮 失效。而对于大直径砂轮，磨粒锥顶半角过大或者磨钝的磨粒在切 削过程中，随着单颗磨粒切削厚度从零开始增加，单颗磨粒的法向 力和切向力相应增加，但砂轮受到的法向力不足以使砂轮杆弯曲， 因此当单颗磨粒的切向力继续增加，当大于结合剂对磨粒的保持力 时，磨粒就会脱落或破碎。 磨削实验证明，在磨削金属的时候，n f ，大约为2 3 ”，在磨 削陶瓷的时候，f 。f ，大约为1 0 4 0 ”“。那么，在小直径砂轮磨削金 属和陶瓷材料的过程中，如果磨削工艺参数和砂轮杆的挠度完全相 同，那么磨削陶瓷时磨粒的最大切向力要比磨削金属时小5 ，1 0 倍。 考虑到金属材料和陶瓷材料硬度的差别，从另一方面证实，磨削陶 瓷过程中实际磨削深度和磨粒受到的最大切向力很小。 也就是说，在小直径砂轮磨削过程中，砂轮杆的刚性不足，当 理论磨削深度增加，砂轮受到工件对它的法向弹力增加，引起砂轮 杆的弯曲，使得单颗磨粒的最大吃刀量和磨削切向力大大减小，对 磨粒起到了保护作用。因此，在小直径砂轮的磨削中，极少出现磨 粒破碎和脱落的现象。 2 5 本章小结 在工程陶瓷材料的小直径内圆磨削过程中，极少出现磨粒脱落 和破碎的现象。主要原因是：首先工件材料较高的硬度使得实际磨 削深度口，很小，因而单颗磨粒的切向力一g 减小。另外，单颗磨粒 的切向力f ，。和材料的去除方式关系非常密切。在磨削金属时，材料 的去除过程主要为塑性变形为主。而在磨削工程陶瓷时，材料以脆 性断裂为主，因此单颗磨粒的切向力b 。很小。 在理论磨削深度a 。相同的情况下，氧化铝的实际磨削深度 比氧化锆要大，但磨削力却较小。这是因为氧化铝的材料去除方式 以脆性断裂为主，实际磨削深度对磨削力的影响不大，而氧化锆去 除方式以塑性变形为主，实际磨削深度增加，磨削力相应增加，这 也是氧化铝加工比较容易的原因。 因为磨粒的受力较小，所以在小直径砂轮磨削工程陶瓷内圆过 天津大学硕士学位论文 第二章小直径内圆磨削力的研究 程中，磨粒脱落不是砂轮磨损的主要方式。因此，在小直径砂轮的 制备过程中，主要的问题不是提高结合剂的保持力，而是合理的安 排磨粒的分布情况，有效地增加实际磨削深度，以提高去除率。 天津大学硕士学位论文第三章小直径内圆去除率和磨削比的研究 第三章小直径内圆去除率和磨削比的研究 在第二章，我们分析了砂轮参数和磨削参数以及工件材料对实 际磨削深度口。，的影响。在磨削过程中，去除率z 和磨削比g 是表征 磨削特性的重要指标，而实际磨削深度口。，的变化，直接影响到磨削 去除率z ，因此，在对磨削深度和砂轮磨损的研究基础上，本章首先 分析了在小直径内圆磨削的过程中，砂轮结构和磨削参数对去除率 的影响，然后根据砂轮的磨损形式，提出了减小砂轮磨损，提高砂 轮磨削比g 的措施。 3 1 去除率的计算方法 在小直径砂轮磨削陶瓷材料的过程中，因为小直径砂轮杆的刚 性差，所以每次