（机械工程专业论文）核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 由于核电容器组件在核电站中具有特殊的使用性能，不仅要求其母材具有很高的疲 劳强度、耐高温和耐腐蚀性，而且要求核电容器组件的组合焊接的环形焊缝的机械性能 高于母材的机械能，具有更高的强度和硬度。当前世界各国主要使用h 1 0 m n 2 n i m o a 、 u s 6 2 0 等材料作为焊丝，对核电容器组件进行焊接，为了使核电容器组件具有良好的 抗蚀性与中温抗氧化性，就要求焊缝表面更加光滑、平整。 本文针对核电容器组件埋弧自动焊接的特点，在砂带磨削的过程中，焊接焊缝磨削 的特殊工艺技术要求，通过研究砂带磨削焊缝过程的工艺技术，并在现代砂带磨削技术 的理论指导下，进一步剖析砂带磨削机理，根据核电容器组件焊缝加工过程中，要保持 焊缝表面的平面度以及圆弧面与平面的平滑过渡的特殊要求，对磨削过程中砂带磨削性 能的影响因素进行分析，可以通过砂带粒度、磨削速度、进给速度和磨削深度等磨削参 数的微量控制，来提高焊缝的磨削质量。解决了核电容器组件焊缝磨削过程易出现烧伤， 磨削裂纹，晶相组织改变，产生较大残余应力的难题，为核电容器组件焊缝磨削工艺提 供了解决方案。本文从材料切除率、磨削力、工件烧伤和砂带磨损等方面进行了系统的 分析，采用焊缝磨削机作为试验工作台，使用外圆磨削方法进行磨削，以国际上通常采 用的h 1 0 m n 2 n i m o a 焊丝作为核电容器组件材料进行研究，完成了砂带磨削焊缝材料的 砂带磨削效果试验。通过在改变砂带磨削参数的工况下，来研究观测分析砂带磨削焊缝 的磨削效果。大量的试验数据表明，通过砂带粒度，砂带磨削速度、进给速度和磨削深 度等磨削参数的微量控制，可以提高砂带磨削核电容器组件焊缝磨削效果，提高砂带的 磨削效率。 关键词：核电容器组件；焊缝；砂带磨削；工艺 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 s t u d yo f a b r a s i v eb e l tg r i n d i n gp r o c e s s f o rg r i n d i n gw e l d i n gs e a mo f n u c l e a rp o w e rv e s s e la s s e m b l y a b s t r a c t a sp e rt h es p e c i a lu s eo fn u c l e a rp o w e rv e s s e la s s e m b l yi nn u c l e a rp o w e rs t a t i o n ，n o t o n l yh i g hi n t e n s i t y ，t e m p e r a t u r er e s i s t a n ta n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fp a r e n tm a t e r i a la r e d e m a n d e d ，b u ta l s oh i g h e rm e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fs h e l la n n u l a rw e l d i n gs e a mt h a np a r e n t m a t e r i a lt og e th i g h e ri n t e n s i t ya n dr i g i d i t y n l em o s tp o p u l a rw e l d i n gr o d su s e di nn u c l e a r p o w e rv e s s e la s s e m b l ya 1 1o v e rt h ew o r l da r eh 10 m n 2 n i m o aa n du s - 6 2 0 ，i no r d e rt og e t g o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm i d r a n g ea n t i o x i d a t i o nf o rn u c l e a rp o w e rv e s s e la s s e m b l y ， m o r es m o o t h e ra n dn e a t e ra r en e e d e da b o u tw e l d i n gs e a m t h i sa r t i c l es t u d i e sc h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m a t i cs u b m e r g e da r cw e l d i n gu s e do nn u c l e a r p o w e rv e s s e la s s e m b l y i nt h ep r o c e s so fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ，g r i n d i n gt h ew e l d i n gs e a m h a ss p e c i a lp r o c e s sr e q u i r e m e n t s u n d e rt h ei n s t r u c t i o no fm o d e ma b r a s i v eb e l tg r i n d i n g m e o r y a b r a s i v eb e l tg r i n d i n gm e c h a n i s mi s f u r t h e ra n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l d e m a n do fm a i n t a i n i n gs e a ms u r f a c ef l a t n e s s ，s m o o t ht r a n s i t i o nb e t w e e nc r o w nf a c et op l a n e i nt h ep r o c e s so fg r i n d i n g ，a n df a c t o r si m p a c t e do ng r i n d i n gp e r f o r m a n c e ，c o n c l u s i o ni sd r a w n t h a ti s s e a mq u a l i t yc o n t r o li sr a i s e db yf i n et u n i n go fp a r a m e t e r sl i k eb e l tg r a n u l a r i t y ， g r i n d i n gv e l o c i t yc o n t r o l ，f e e dv e l o c i t ya n dg r i n d i n gd e p t h s u c h b e l tg r i n d i n gp r o c e s ss o l v e s t h er e s i d u a ls t r e s sp r o b l e m ，b u m ，g r i n d i n gc r a c k ，m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ec h a n g ea n ds oo n ，i t o f f e r st h es o l u t i o nf o rn u c l e a rp o w e rv e s s e la s s e m b l yt e c h n o l o g y f r o ms y s t e m a t i c a la n a l y s i s o fm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，g r i n d i n gf o r c e ，p a r tb u ma n db e l tw e a ri sm a d e ，w e l d i n gs e a m g r i n d i n gm a c h i n ei su s e da st e s tp l a t f o r m e x t e r n a lg r i n d i n gm e t h o di su s e df o rg r i n d i n g ， h 10 m n 2 n i m o aw e l d i n gr o di sc o n s i d e r e da sr e s e a r c ho b j e c ta n da b r a s i v eb e l tg r i n d i n g e f f i c i e n c yt e s ti ss oc o m p l e t e d b yc h a n g i n ga b r a s i v eb e l tg r i n d i n gp a r a m e t e r ，g r i n d i n ge f f e c t o fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n gs e a mi ss t u d i e d ，l a r g eq u a n t i t i e sd a t ah a sp r o v e db yf i n et u n i n go f p a r a m e t e r sl i k eb e l tg r a n u l a r i t y ，g r i n d i n gv e l o c i t yc o n t r o l ，f e e dv e l o c i t ya n dg r i n d i n gd e p t h ， s e a mg r i n d i n ge f f e c ti sr a i s e da n dg r i n d i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e d k e yw o r d s ：n u c l e a rp o w e r v e s s e la s s e m b l y ；w e l d i n gs e a m ；a b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ； p r o c e s s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文肌趁监翌之逊坠幽缝迹塑塑磐 作者签名：墨逸 日期：4 年兰月垫 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：丛望年竺月堕日 日期：上l 孚年上月笪日 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 11 本课题研究意义 2 0 0 6 年3 月2 2 开，在国务院总理温家宝主持召开的国务院常务会议上，审议并原 则通过了由国家发改委撰写的核电中长期发展规划( 2 0 0 5 - - 2 0 2 0 年) ，规划计划 在今后1 5 年里建设至少3 0 座核电机组，到2 0 2 0 年在运行核电装机容量4 0 0 0 万千瓦， 投资总额将在1 0 0 0 亿美元左右。 核电作为一种新型的能源日益受到全世界人们的重视。目前我国已有的1 1 座核电 站均采用了压水堆型，存放核燃料的核电装置在高温高压条件下长期运行，要求装置的 焊缝要有良好的机械性能和耐腐蚀性及抗静水腐蚀性。因此对其焊接工艺提出了很高的 要求。由于核电装箕的材料硬度高，抗磨削性能强，同时焊缝磨削属于大型曲面或曲线 加工，所以磨削工艺较困难，如罔i 1 所示。 砂带由于具有磨粒比砂轮磨粒更强的切削能力，磨削效率非常高，而且磨削温度低， 工件表面小易出现烧伤，微观金相组织变化及裂纹等现象的特点。现阶段已经被广泛应 用于高强度磨削作业中。国际上如法国、美国、德国、日本等生产核电装备的企业均采 用砂带磨削作为核电装置焊缝磨削加工的手段。 本课题正是在以上背景条件和大量调研工作的基础上提出的，期间分析了砂带磨削 的加工原理，完成了核电容器组件焊缝材料的磨削试验。得出了砂带磨削核电容器组件 焊缝的最优解决办法。 图l1 核电容器 f i g 】in u c l e a r p o w e r v e s s e l 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 1 2 砂带磨削技术的国内外现状与发展趋势 1 2 1砂带磨削技术的国内外现状 ( 1 ) 砂带磨削技术在国外的发展现状 目前国外砂带磨削技术发展非常迅速，已达到相当高的水平。特别是欧、美、日等 工业发达国家和地区，在砂带磨削技术研究及对砂带、砂带磨床的研发与工程应用等方 面成就显著，推动了全球砂带磨削技术的全面发展【l 】。 美国 美国在砂带磨削方面起步最早，并作了大量开创性的工作，且一直走在世界前列。 其几大著名砂带集团( 如3 m 、c a r b o r u n d u m 、原n o r t o n 等公司) 开发了多达数万种不 同规格和品种的砂带。近6 0 家企业和公司向制造业提供了数百种型号的砂带磨床。在 美国，平均每4 台磨床中就有l 台砂带磨床，足以说明其普及程度【2 】。比较著名的砂带 磨床制造厂家有：森德斯特兰( s u n d s t r a n d ) 机床公司，哈蒙德( h a m o n d ) 机械制造公 司，希尔艾克姆( h e l la c m e ) 公司，马蒂逊机床厂，e m e r s o ne l e c t r i c 公司以及d y n a b r a d e 公司等。 砂带磨削在美国如此普及，与几大砂带制造集团在研制开发新型高品质砂带方面所 取得的成就有密切关系。3 m 公司开发成功的长寿命大切除率的锆刚玉和陶瓷氧化铝砂 带为大型重载高效砂带磨削提供了条件【l 】。而聚酯薄膜研磨砂带则为砂带的精密和超精 密磨削加工奠定了基础，并广泛地应用于汽车发动机等制造行、1 1 , 1 2 1 。 在高速磨削方面，美国也试制成功了1 0 0 r n s 高速砂带磨床。随着砂带质量的提高， 通过改善机床结构，增大功率，使砂带磨床的金属切除率大幅度提高成为可能，复合转 台砂带磨削在强力磨削方面早已有所突破，e m e r s o ne l e c t r i c 公司利用砂带强力磨削齿轮 箱平面1 3 j ，一次加工铸铁的余量为6 3 5 m m ，其生产效率比用端面铣刀铣削高达1 0 倍。 此外，美国还把砂带磨削应用于汽车车身和发动机关键部件柔性制造的生产线上，其自 动化程度已达到相当高的水平。 英国 英国在砂带磨削技术的研究与应用也比较早，早期对砂带磨削性能的一些基础研究 很多都出自英国的一些大学和研究机构，在工程应用与设备制造方面，除平面、外圆和 万能砂带磨床外，还着重发展了输送带式砂带磨床、内圆砂带磨床及涡轮叶片砂带磨床。 布鲁克厂生产的内圆砂带磨床能对长达1 5 m ，直径为2 5 2 5 0 m m 的长管件内孔进行加工。 英国的施利亚当斯厂( c y r i l a d a m s ) 生产的窄涡轮叶片砂带磨床和罗尔伊斯公司 ( r o l l s r o y e e ) 生产的涡轮叶片宽砂带型面砂带磨床都是国际上最早出现的曲面砂带磨 大连理工大学专业学位硕士学位论文 床的代表【3 1 。其他还有怀特公司生产的t y 型砂带磨床【4 】，b e l l i o t 公司生产的n e w a l l 高 压砂带磨床等【3 1 - f 4 】。而s u r t e c h 公司拥有的砂带测试中心则是欧洲最大的砂带实验中 心。 德国 早在1 9 8 1 年第四届e m o ( 欧洲国际机床博览会) 展览会上，展出砂带磨床的厂家 共1 0 家，德国就占6 家，2 0 0 7 年9 月在德国汉诺威举办的e m o 展览会上德国占2 0 余 家，且产品技术含量很高【4 】。如德国l o r s e r 公司生产各种系列的砂带磨床包括内圆磨、 外圆磨、转台磨等，德国w a l d r i c hc o b u r g 公司推出的r b s 7 9 0 0 型圆台重负荷磨削机头， 格兰富g r e i f 公司的五头无心外圆磨床、t o h a n n s e u 公司推出的s m 3 0 0 型高效强力砂带 磨床以及m e t a b o 公司的c n c 控制汽轮机叶片砂带磨床、数控双头非圆星盆砂带磨边机 床等。 德国的砂带磨削基础研究实力很强。以布劳格施韦格大学和阿亨工业大学为主的研 究机构，从2 0 世纪5 0 年代初始至今一直致力于砂带磨削的研究，发表了大量有关砂带 磨削机理的研究报告1 4 j 。 日本 日本于1 9 5 7 年为发展钢铁工业，曾连同轧制设备引进了砂带磨床。到1 9 6 8 年日本 全国仅宽砂带磨床就拥有4 0 0 台，主要分布于精轧钢板、胶合板、木材、塑料制品等加 工业中。在后来这4 0 年内无论是砂带磨床还是砂带研制方面都作了较深入的研究，并 获得了众多成果，例如，日本研制出了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【4 j 。 此外，日本京都大学精密工学研究所还研制出了一种电镀金刚石金属砂带磨削方 法，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，用以对非晶态超导材 料表面进行精密加工。日本三菱公司还研制出了用于汽轮机叶片的多轴数控砂带磨床。 2 0 世纪末日本利用电泳吸附现象成功研发了超微磨粒的砂带磨削工艺，实现了十余个纳 米精度的脆硬硅片加工。 其他国家 多年来俄罗斯一直致力于发展叶片砂带磨床，制造了不少机床。生产的厂家有：哈 尔科夫机床厂、列宁格勒机床厂等厂家。它们研制了一种名为3 ”i i i 5 型专用叶片仿形砂 带磨床，可磨削5 0 0 m m x1 0 0 m m 的航空发动机叶片型面。 此外，法国、瑞士、荷兰、瑞典、西班牙等国的砂带磨床都有较快的进展。法国圣 戈班( s a i n t g o b a i n ) 公司收购了美国三大砂带集团之一的诺顿( n o r t o n ) 公司后， 成了世界上最著名的砂带生产商之一；法国还研制了一种精密砂带磨削装置，据称可获 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 得镜面磨削的效果，并在把重载纸作为砂带基材的研究方面，取得了突破性进展；在2 0 0 1 年e m o 展览会上共有1 8 家砂带厂家参展。瑞士有名的a s e a 公司早在1 9 8 1 年就开始 把小型多关节机器人使用于砂带抛光机上，f a r r o s 公司生产的重型容器磨锉机用于核电 高压容器焊缝磨削1 7 j 。荷兰、瑞典和西班牙在e m o 展览会上都有自己特色的砂带磨床 展出，如瑞典的宽砂带去毛刺机，西班牙a u t o p u l i t 公司的大型压力容器内外壁整体抛 光机等。 除此之外，澳大利亚、印度、韩国等国在砂带磨削技术研究与设备开发方面也都有 各自的特色，并广泛地将其应用于本国制造业的各个领域【8 1 。 ( 2 ) 砂带磨削技术在我国的发展现状 国内在应用砂带磨削方面时间虽早，但发展缓慢。作为一种专门的加工技术，国内 真正将其用于制造业始于2 0 世纪5 0 年代末【4 】。当时，国家航空工业部门引进前苏联的 仿形窄砂带磨床用于加工航空发动机叶片，并将其在沈阳黎明航空发动机厂投入使用。 1 9 6 0 年后，沈阳磨床厂和沈阳砂布厂开始联合研制发动机叶片仿形砂带磨床、手工叶片 砂带修磨抛光机和带钢砂带修磨机床。 至1 9 8 0 年前，砂带磨削技术及其加工设备的研制和应用工作都没太大进展，一直 都停留在航空发动机叶片抛磨这个狭窄领域内的一种单- - h i i 序阶段。1 9 8 0 年后，我 国砂带磨削技术才真正进入快速发展阶段，在这期间，随着国家对外开放，一方面，部 分企业( 主要集中于木材、皮革方面) 引进了部分国外砂带磨削设备，另一方面，也随 着新技术信息的交流，愈来愈多的科研人员、工程技术人员了解并逐步认识到砂带磨削 工艺的优越性。研究、开发和生产砂带磨削设备的热潮逐步形成，砂带和砂带磨床制造 厂家开始兴起，应用砂带磨削技术的企业和行业不断增加，砂带磨削技术的应用由过去 仅限于航空发动机叶片制造的少数几家军工厂，逐步发展到机械、冶金、能源、交通、 化工、轻工及五金工具等各个行业。比较有影响的应用便是国内几大矿山机械厂，如沈 阳矿山机器厂、第二重型机器厂，他们将砂带磨头装在大型车床上加工直径( 2 m ) 矿机 轴类零件和装载大型龙门铣床上加工长达9 m 的平板零件。与此同时，新乡机床厂还2 将砂带磨床纳入工厂主要研制推广产品，其中包括了用于缝纫机垫板的双头传输带平面 砂带磨床、用于大型电机硅钢片去毛刺的宽砂带磨床等。并且该厂还成为当时机械工业 部砂带磨床唯一定点生产单位。郑州第二砂轮厂在引进砂带生产技术的同时，为了推广 砂带磨削这一技术，还专门花费了1 0 万美元从台湾购置一套木工八角锤自动砂带磨床、 简易无心砂带磨床和快速可换多形式接触轮的手工砂带机，这些原型砂带磨床中的后两 种机器后来都被测绘并由无锡一带生产振动光饰机的企业作为附属产品生产销售至今。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 这期间，国内还陆续涌现出了一些规模不大的砂带机专门生产企业，如重庆大学海 达机电技术开发公司砂带磨床分公司、无锡市盛昌砂带磨床厂等；在砂带制造方面，随 着郑州第二砂轮厂引进原西德砂带生产技术及生产线的推进，国内砂带生产企业也相继 增多，砂带制造与生产呈现出一派蓬勃发展景象【4 j ；与此同时，对砂带磨削技术的基础 理论研究也随着其应用的广泛而不断深入，并相继出现了许多从事这一技术研究的大专 院校和科研单位，取得了不少研究成果并培养了一批专门从事砂带磨削技术研究的硕士 和博士。 在砂带磨削技术的基础理论研究方面，国内从上世纪八十年代起也开展了许多研 究。清华大学于1 9 8 8 年在国家自然科学基金资助下进行了“精密砂带振动研抛技术研 究 ，试验结果表明用不同粒度的普通棕刚玉砂带可实现对4 5 钢和不锈钢的高效加工 并能获得不同要求的加工质量；1 9 9 3 年又获基金资助进行了“轴承滚道超精密砂带研抛 的理论方法研究与技术基础”的研究，用碳化硅砂带在较短时间里对轴承钢实现超精加 工。湖南大学于8 0 年代中期开始进行砂带磨削技术研列训，在完成原机械部“七五”攻 关项目“砂带平面磨削工艺试验研究 基础上，于1 9 9 0 年获国家自然科学基金资助进 行“强力砂带平面磨削机理研究 ，对砂带磨削4 5 钢的加工精度、磨削力及加工工艺 等方面进行了研究。而在大理石的砂带磨削加工研究方面，宋翠芳等1 9 9 2 年进行了砂 带磨削寿山石的试验，并与4 5 钢作对，其研究结果表明：磨削寿山石时，磨削力比磨 削4 5 钢的时候要小，砂带磨损慢，工件表面粗糙度相对较高，但高效、安全，可代替 手工操作。 。 ( 3 ) 我国砂带磨削技术与国外的差距 砂带寿命短、品种规格不齐全 目前，国产砂带寿命一般在2 - - 4 小时左右，往往使用l h 就不能继续使用，而国外 砂带的寿命可达到8 1 2 小时；从磨料品种来看，国内使用最多的两类磨料是s 。c 和 a 1 ：0 3 ，而在金刚石磨料、陶瓷氧化铝、复合磨料等磨料的开发上基本处于空白，微粉级 磨料的砂带还没有，因而限制了砂带在精密和超精密加工中的应用【3 j h 。此外，国内砂 带宽度明显低于国外的砂带宽度，国内最宽砂带在2 m 左右，而国外可达5 m ，且国内锆刚 玉砂带也不普及。因此，开发新磨料、新基材、新粘结剂及表面涂层材料来改善磨粒的 结构形态、砂带性能和质量，提高使用寿命是砂带磨削推广应用的一个关键问题。 提高加工精度问题 近年来，国外将砂带磨削用于精密、超精密加工，精度已达微米级，表面粗糙度己 达到r a ( 0 0 1 o 0 2 5 ) n ；而国产3 2 0 # 砂带的磨削精度只能达到2 0 - 1 0 9 i n 。原因有两方 面，一方面是国内机床的切深微进给精度较低，普通机床最小微进给在1 0 - - 2 0 9 m ，某 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 些数控机床的微进给可控制到5 9 m ，这对利用现有机床进行砂带磨削、提高精度产生了 一定影响；另一方面，砂带磨削为弹性加工，由于弹性变形使得砂带磨削精度降低，因 此对磨削深度的微量控制问题的解决是提高砂带磨削精度的先决条件。 砂带磨削机理的研究差距 砂带磨削技术已在国内许多单位得到了推广和应用，并取得了一定的成绩，解决了 许多生产中存在的问题。但对砂带磨削过程的全面基础理论研究、砂带及砂带磨削热和 磨削力的研究、砂带磨削表面的形貌研究还远远落后于国外研究水平1 3 】- 【4 】。因此，今后 研究的方向应在现有基础上，从理论上分析研究砂带磨粒的磨削过程，推动砂带磨削技 术更广泛地应用。 砂带磨削的强力高效加工问题 国外已成功地将砂带磨削用于强力磨削，以实现大切除量和高金属去除率磨削。如 国外3 m 公司生产的砂带每分钟对铸铁的切削率在其砂带宽度方向上已达到 8 7 0 c m 3 c m ，e m e e r s o ne l e c t r i c 公司的砂带磨床一次切深铸铁件可达5 10 m m ，其加工 效率比铣削加工提高了5 1 0 倍。而国内目前最高切深的砂带磨削是由重庆三磨海达磨 床有限公司研制的2 m 5 6 1 5 0 4 j b 型砂带磨床达到了对4 0 m n 2 高强度结构钢的4 5 m m 单次的强力磨削。因此，今后应加强研究和推广砂带的强力高效磨削技术，发挥砂带潜 在的加工能力，提高切削效率，解决一些难加工材料和高脆硬度材料粗力n - r _ 的问题【1 4 l 。 运用现代化技术开发新型砂带磨床的差距 目前，国外砂带磨床已有较大发展，全球工业发达国家有数百家砂带磨床专业制造 公司，每年向市场提供4 0 多万台砂带磨床，这些砂带磨床( 含磨头装置) 已从初期的 作为机床的附件水平发展到与砂轮磨床相匹敌的水平，并和c a x 、n c 、c n c 等现代化技 术紧密结合，出现了六轴数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削f m s 、并联机 构的数控砂带磨床等先进技术和装备，而国内砂带磨床发展较缓慢，在研究、试验和开 发手段上比起国外都有不小的差距，我国目前砂带磨床与砂轮磨床产量比大约为l ：1 0 左右，据统计，我国各类行业每年对砂带磨床的需求总量约4 - - 一5 万台，但由于受国外 砂带磨床的冲击，国内目前砂带磨床专业制造公司只剩下重庆三磨海达磨床有限公司、 北京二机等为数不多的企业还在进行砂带磨床生产，因此，我国砂带磨床行业既有机遇， 也存在挑战，并有待奋起直追。 尽管目前国内外对于砂带磨削技术已开展了大量的研究，并已取得了不少成果，但 总的看来我国在应用砂带磨削方面时间虽早，但发展缓慢，纵观砂带磨削技术的研究和 应用状况，我国与国外发达国家仍存在一定差距，需再接再厉。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 2 砂带磨削技术的发展趋势 ( 1 ) 磨削的自动化、数控化和智能化 近年来，国外数控磨床、磨i i i i 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【5 】；随着人工智能技术和传感技术的发展，智能磨削也成为一个重要的 发展方向；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磨削机理的研究并进行仿真， 不失为一种研究磨削机理的新方法。 ( 2 ) 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，从而要求零件加工有更高的精度、表面完 整性和严格的制造一致性，磨削始终是一种有效的加工方法，如陶瓷、微晶玻璃等难加 工材料目前只能采用磨削加工；可以选用粒径仅有几个纳米的研磨微粉进行超精密研 磨，获得极好的表面质量；超精密复合加工发展也很快，如体抛光加工、超声振动磨削 垂型5 】 1 亍 o ( 3 ) 磨削的高效和强力化 高效深磨可以看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合，但磨削的工艺及机理尚不明 确，对磨削成屑机理，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 等研究不够充分，以期形成完整的理论体系；国外已成功地将砂带磨削用于强力磨削， 实现大切除量和高金属去除率磨削，国外对铸铁的切削率已达3 1 0 5 m m 3 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 倒引。 ( 4 ) 磨粒磨具材料的高性能化 随着现代机械加工的发展及新材料的出现，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，陶瓷刚玉磨料韧性好、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【5 1 、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 基体三部分组成；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、高速纲和耐热钢等。 1 3 本课题主要研究内容 ( 1 ) 根据核电容器组件焊缝结构的特点、材质切削性能和焊缝磨削工艺的要求，进 行深入的分析，结合砂带磨削自身的特点，制定了通过对磨削深度、进给速度、砂带速 度和砂带粒度等砂带磨削参数的微量控制方法，来提高砂带磨削效果。 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 ( 2 ) 在砂带磨削参数的微量控制方法的保障下，分别从对材料切除率的影响、磨削 力的影响、工件表面烧伤、砂带磨损四个不同的角度，对砂带磨削核电容器组件的磨削 效果进行分析，通过大量试验数据验证了磨削参数对砂带的磨削效率及磨削效果有很大 的影响。 ( 3 ) 对结果分析后发现，对磨削工艺参数进行微量控制，不但可以提高磨削效率， 而且使砂带的整体磨削性能得到优化，达到很好的磨削效果，可以避免在实际工作中， 出现的因磨削区温度过高，引起的工件表面烧伤现象。砂带对核电容器组件焊缝的磨肖0 需要具有很高的精度，可以通过对磨削参数的微量控制来提高砂带磨削精度，并为实际 工作中的磨削工艺参数的选择提出了最优的解决方案。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 砂带磨削原理与核电装置焊缝磨削性能的影响因素分析 2 1砂带磨削基本概念 砂带磨削是利用砂带，按照待加工工件的要求，在一定的机械装置上，以相应的接 触方式，并在一定的压力作用下，使高速运转着的砂带与工件表面接触产生摩擦，将工 件加工表面的余量逐渐磨除或抛磨光滑的工艺i 引。 2 1 1砂带磨削的基本要素和特征 ( 1 ) 砂带磨削的基本要素 砂带 砂带是特殊形态的多刀、多刃切削工具，其切削功能主要由黏附在基底上的磨粒来 完成。砂带作为一种单层磨料的磨具，由磨料、粘结剂、基本材料三要素组成1 5 j 。 驱动轮( 或驱动机构) 驱动轮是驱动砂带运动进行磨削的直接动力传递件。它可以是紧张轮或接触轮兼 用，也可以是单独的一个驱动轮。 张紧轮( 或张紧机构) 如同平皮带机械传动原理一样，要让砂带能够稳定地作磨削运动，仅有驱动轮不行， 还必须要有紧张轮使砂带紧张，形成一定得初张力。 接触轮 支撑砂带并使之紧贴被磨工件实现磨削的基本要件。砂带以何种方式接触工件进行 磨削，是砂带磨削的一个十分重要的因素1 5 j 。 磨削参数 指砂带磨削过程中为达到磨削的目的所必须满足的条件。它包含了砂带的线速度 v s 、工件进给运动速度v w 、磨削深度a p 等。 磨削对象 即被加工的工件。 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 图2 1 砂带磨削的基本要素示意图 f i g 2 1 e l e m e n td i a g r a mo fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ( 2 ) 砂带磨削的特征 砂带磨削是由砂带、驱动轮、张紧轮、接触轮、磨削参数以及工件所构成的一个加 工过程，其基本特征可以概括为：将砂带套在张紧轮和接触轮的外表面上，使砂带张紧 并运动；根据工件形状和加工要求以相应的接触方式和一定的磨削参数对工件进行磨削 或抛光1 6 j 。 砂带磨削去除工件表面材料的基本过程是：磨粒在与工件表面的相对运动中，磨粒 和工件表面间产生一定得干涉【1 9 l 。按干涉的程度，可将其划分为三个不同的阶段。 滑擦 砂带刚开始接触工件，干涉很少，磨粒只摩擦工件表面，起“滑擦”作用。此时磨 粒在工件上的滑擦将产生切除材料的弹性和塑性变形【7 】o 耕犁 随着机床进给、切削厚度的增加，干涉增大，这时磨粒在工件表面上犁出“刻线 ， 称为“耕犁 【8 】。此时工件材料产生塑性流动，材料产生一个挤压式的运动，而从磨粒 下方向的前面和两侧挤出，同时切除少量材料。 切削 在一定压力的作用下，当有足够的干涉并伴随一定得切削温度时，开始真正的“切 削 ，此时在滑动磨粒前方的工件材料产生断裂而形成切屑，以此达到去除工件表面材 料的目的【8 。砂带上的众多磨粒，在与工件接触的瞬间，一部分磨粒进行切削，另一部 分犁出沟槽，还有一些只起滑擦作用，甚至同一颗磨粒的不同部位以及同一部位在不同 的加工时间里所起的作用也不相同。除此之外，砂带的旋转运动又起了擦净切屑的作用， 将前进着的磨粒前方的切屑清除干净。周而复始，形成了完整的砂带磨削过程。 大连理- 亡大学专业学位碗十学位论文 2 i2 砂带磨削的基本形式 砂带作为涂附磨具的一种形式，一方面，常规涂附磨具磨削的基本方式砂带磨削同 样都能实现。另一方面，由于砂带是涂附磨具更高层次的体现，囚而其磨削的方式就应 更加丰富。从不同角度，砂带磨削的应用方式不同。以下是常见的几种分类方式。 按基本结构形式砂带磨削总的可以分为闭式和开式两类，如图2l 和图2 2 所示。 图2l 是典型的闭式砂带磨削方式的装置简图，也是应用最广泛的方式。图2 2 是常见 的采用开式砂带磨削方式的装置简图。开式砂带磨削多用于精密和超精密加工，采用这 种方式，由于砂带是以成卷形式应用，因而砂带的使用周期长，可以省去许多抉带的时 间【9 】。闭式砂带磨削在高效强力磨削和精密磨削两方面都有极为广泛的应用，它是砂带 磨削的主流。 砂帚轮 ， 径向给鞋 豳2 2 开式砂带磨削装置简翻 f i g2 2o p e n e da b r 越i v eb e l t g r i n d i n g d e v i c e d i a g r a m 开式和闭式砂带磨削均可进行外圆、内孔、平面和型面等各种表面加工，应用范围 十分广泛。在这两大类方式中又可以分为接触轮式、压磨扳式和自由式等磨削方式州。 f 1 1 接触轮式 如图2 3 所示，砂带通过接触轮与工件接触进行磨削。可用于加工工件的外圆、内 孔、平面，还可以将接触轮制成一定的形状对工件曲面进行成形加工。若采用浮动接触 轮磨削还可用于对不规则型面的随形加工。 r，0u1 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 图2 3 接触轮式砂带磨削示意图 f i g 2 3a b r a s i v eb e l tg r i n d i n gb yc o n t a c tw h e e l ( 2 ) 压磨板式 如图2 4 所示，磨削时砂带通过压磨板与工件接触。压磨板起加压作用，一般用于 平面加工，可增大接触面积，提高磨削效率和工件几何精度，特别是平面度。 图2 4 压磨板式示意图 f i g 2 4 a b r a s i v eb e l tg r i n d i n gb yp r e s s i n gb o a r d ( 3 ) 自由式 如图2 5 所示，工件直接与柔性的砂带接触，不用任何物体支承砂带，利用砂带张 紧后自身的挠性对工件进行磨削或抛光。这种方式在一定范围内很容易适应工件的轮 廓，尤其是不规则形状的工件【5 j - 【引。多用于加工外成型表面和倒棱、去毛刺、抛光等工 序。大多数情况下，自由式砂带磨削的材料切除率较小，但抛光的效果较好。有时为了 提高材料切除率，可设计接触带自由式砂带磨削。接触带多采用类似于平皮带或其它传 动带的材料和形式，当其被张紧后，中间悬空部分比单一的砂带张力要大得多，对工件 的磨削压力增大，材料切除率随之增大。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 i ；- ) 。旷0 飞 。 ( )。 图2 5自由式示意图 f i g 2 5 a b r a s i v eb e l tg r i n d i n gb yf r e e s t y l e 实际工程应用中，上述三种形式并非孤立地被采用，而是结合具体加工情况，设计 一种、二种甚至三种复合在一台设备上使用，进而大大发挥砂带磨削的多重作用f 9 1 。如 图2 6 所示。它采用接触式与压磨板式复合的形式，综合了接触轮式磨削效率高和压磨 板式平面磨削精度高的优点。 图2 6 复合型砂带磨削示意图 f i g 2 6 c o m b i n e da b r a s i v eb e l tg r i n d i n g 按操作方式，砂带磨削可以分为手动磨削和机动磨削。按磨削力的外加方式，砂带 磨削可以分为恒力磨削和恒切除率磨削。所谓恒力磨削，是指砂带在磨削过程中与工件 始终保持恒定的磨削力( 即接触压力) ，管材、棒材外圆表面的除锈抛光，工业搪瓷罐内 壁焊缝打磨与整体除锈等等部属于这类。而恒切除率磨削是指在整个磨削过程中，砂带 磨削去除的材料在每一个单位时间内都是恒定的，也称恒进给量磨削。其值的大小取决 于磨削深度和工件在纵横两个方向的进给量。如：按给定磨削参数进行的平面磨削，内、 外圆磨削等都是恒切除率磨削的形式。 此外，按磨削过程中有无冷却液，砂带磨削还可以分为干磨和湿磨两种情况。 2 1 3 砂带磨削的磨削机理 砂带磨削与砂轮磨削的作用机理基本上是一致的，即当磨粒以一定速度和压力与工 件接触，就能从工件上切除材料，同时磨粒表面也要受到磨损。这两者在磨削过程中总 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 是不可避免地发生，并随磨削用量及其他参数的变化而变化，砂带的材料切除率、磨损 率、工件质量也将相应地发生变化【1 0 l 。但由于砂带及其支撑的接触轮都具有一定的弹性 因素，其磨削机理与固结磨具的砂轮刚性磨削还是有些区别。并给出砂带磨削的数学模 型及优化过程等说明。 ( 1 ) 砂带磨削运动 砂带磨削运动通常有5 个，如图2 7 所示。 1 ) 磨外圆( g r i n do u t s i d ec i r c l e ) 图2 7 砂带磨削的运动示意图 f i g 2 7 m o v e m e n td i a g r a mo fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n g 2 ) 磨平面( g r i n dp l a n e ) 图2 7 砂带磨削的运动示意图 f i g 2 7 m o v e m e n td i a g r a mo fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n g 主运动( v s ) 即砂带的磨削运动速度 屹= 盟( m ，。s 6 0 0 0 0 ) 1 ，= _ 二2 li j 、 ， ( 2 1 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 其中，v 。为砂带磨削速度，m s ；d l 为驱动轮的直径，m m ；n s 为驱动轮的转速，d m i n 。 工件运动( v w ) 外圆磨削时 = 需( m m i n ) ( 2 2 ) 平面磨削时 2 哿( m n = 1 i r o ( 2 3 ) 其中，v w 为工件速度，m m i n ：d w 为工件直径，i i r n ；n w 为工件转速，r m i n ；l t 为 工作台行程，m m ；n t a b 为工作台往返频率，m i n 1 。 磨削深度( a p ) 它表示工作台每一个行程内工件相对于砂带接触轮径向移动的距离【2 ，单位为r a m 行程。在连续进给时为v ，( 径向进给速度) ，单位为m m m i n 。 轴向进给量( 五) 或进给速度( v a ) 是指砂带沿其宽度方向相对于工件的进给运动。外圆磨削时，其单位是m m r ，平 面磨削时，单位是m m 行程( 一个行程的轴向移动量) 。 轴向窜动( 或称横向振荡) 即砂带沿其宽度方向的来回摆动，这是砂带磨削特有的运动，其目的是消除砂带磨 损不均匀现象，改善被加工工件的尺寸精度和粗糙度，提高砂带耐用度【1 0 】。这个运动包 括两个参数：窜动幅度x 和频率厂 1 1 1 。 ( 2 ) 砂带的磨削机理 砂带磨削的加工机理 砂带磨削是砂带这一特殊形式的磨削工具，借助于张紧机构使之张紧和驱动轮使之 高速运动，并在一定压力作用下，使砂带与工件表面接触以实现磨削加工的整个过程。 广义地讲，砂带磨削与砂轮磨削同样都是高速运动的“微刃切削刀具”磨粒的 微量切削而形成的累积效应，因而其磨削机理大致上也是相同的【1 1 】。但由于砂带本身的 构成特点和使用方式不同，使砂带磨削不论是在磨削加工机理方面还是其综合磨削性能 方面都有别于砂轮磨削，这主要表现在： 砂轮磨削是刚性接触磨削，而砂带磨削是弹性接触磨削，而且即使是在使用无弹性 的钢制接触轮的情况时也是如此，因为组成砂带的基材、粘结剂都具有一定的弹性，并 且大多数情况下都采用有弹性的橡胶作接触轮【1 2 1 。正因为如此，砂带磨削除了具有砂轮 同样的滑擦、耕犁和切削作用外，还有磨粒对工件表面的挤压作用，并使之产生塑性变 核电容器组件焊缝的砂带磨削工艺技术的研究 形、冷硬层变化和表层撕裂以及由于摩擦使接触点温度升高而引起的热塑性流动等综合 作用。所以，砂带