（机械电子工程专业论文）40mn2高强度结构钢强力砂带磨削研究及应用.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 4 0 m n 2 钢以其优良的性能被广泛用于制造汽车、拖拉机和机床及其它机器h 要 求强而韧的零件。4 0 m n 2 属于稍难切削的材料，目前国内外通常采用刀具切削加： 的方法对其进行加工。但是当加工余量较大时，采用一般刀具切削方法加工工件 容易因切削力过大而变形。强力砂带磨削是一种将强力磨削与砂带磨削的特点结 合起来的新工艺，本论文提出强力砂带磨削4 0 m n 2 钢的新方法，具有良好的应用 前景，对生产实际也有理论指导意义。 1 本文分析了4 0 m n 2 钢采用砂带的可磨削性，开展了强力砂带磨削加工机理 的研究，分析了衡量强力砂带磨削的主要参数及影响因素。 2 在上述分析的基础上经过大量磨削实验，研究了强力砂带磨削的材料去除 率、磨削温度及砂带磨损和耐用度的影响因素及其相互关系，研究了冷却 条件对磨削的影响，优化了4 0 m n 2 钢的强力砂带磨削工艺参数，可在较长 的砂带耐用度条件下得到很大的材料去除率，并避免工件烧伤。 3 针对不同种类的砂带进行了对比试验，研究了砂带对强力砂带磨削效果的 影响，选择了合理的砂带参数。 4 针对4 0 m n 2 钢连杆小头端端面减薄要求，应用强力砂带磨削技术，提出强 力砂带+ 立轴砂瓦的磨削工艺，并设计了连杆转台组合砂带磨床。实际加 工结果表明，该设备完全能够达到发动机连杆小头减薄加工要求。 通过系列实验研究和理论分析，并经过实践证明，得到以下一些结论： 1 用强力砂带磨削方法进行4 0 m n 2 钢大余量加工不仅是可行的，而且是一种 高效率高经济性的加工方法，特别在对精度要求高、允许变形量极小的情 况下的已成品的再加工中有很大的优势。 2 磨削参数中，磨削深度对强力砂带磨削的材料去除率影响最大，其次是砂 带速度与工件速度。对磨削温度的影响因素中砂带速度的影响最明显，其 次是磨削深度与工件速度。磨削参数的增大都会导致砂带磨损加剧，改变 磨削参数对砂带耐用度有重要影响。 3 磨削时应选用粗粒度的锆刚玉磨料或陶瓷( s g ) 砂带，以获得大的材料去 除率、降低磨削温度并延长砂带耐用度。 4 冷却条件对强力砂带磨削起着至关重要的作用。磨削时应选用冷却能力强 的水溶性冷却液及大流量压力冷却方式，以降低磨削温度，防止磨削烧伤。 关键词：4 0 m n 2 钢，强力砂带磨削，连杆 重庆大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 4 0 m n 2s t e e li sw i d e l ya p p l i e dt op r o d u c ep a r t sw h i c hn e e db o t hg o o ds t r e n 垂ha n d t e n a c i t yo nt h ea u t o m o b i l e s ，t r a c t o r s ，m a c h i n et o o l sa n do t h e rm a c h i n e s i t sn o t s o e a s i l yt ob ec u t t e da s t h ea v e r a g ec a r b o l i cs t e e l c u r r e n t l yt h ep o p u l a rm e t h o do f m a c h i n i n g4 0 m n 2s t e e li sb l a d ec u t t i n g b u tt h ew o r k p i e c ei se a s yt ob eu n f o r m e dw h e n t h er e m a i n d e ri sb i g s o m e t i m e si t se v e n l ye a s yt od a m a g et h et o o l s s oi td o e sn o t r e a c ht h ed e m a n do ft h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n i t sv a l u a b l ea n di m p o r t a n lt of i n d a n e w w a y t h eh e a v yb e l t 一鲥n d i n gi sb r o u g h tf o r w a r di nt h i st h e s i s i ti san e wm a c h i n i n g m e t h o d ，w h i c hc o m b i n e dt h ec h a r a c t e r so fh e a v y - d u t yg r i n d i n ga n db e l t g r i n d i n g t o g e t h e r , w i t hh i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s t t h eg r i n da b i l i t yo f4 0 m n 2i sa n a l y z e di nt h i st h e s i s i t sa l s os t u d i e da b o u tt h e m e c h a n i s mo f t h eh e a v yb e l t - g r i n d i n g ，w i t ht h ea n a l y s i so f t h em a i np a r a m e t e r st ov a l u e t h em e t h o da n dt h ea f f e c t i n gf a c t o r so f t h ep a r a m e t e r s o nt h eb a s i so f t h ea b o v ea n a l y s i sa n dl o t so fe x p e r i m e n t s ，t h e 鲥n d i n ge f f i c i e n c y , t e m p e r a t u r ea n dt h ed u r a b i l i t yo fb e l ti nt h eh e a v yb e l t g r i n d i n ga r cr e s e a r c h e d t h e t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ec o n d i t i o no fc o o l i n go ft h eh e a v yb e l t g n n d i n gi n 4 0 m n 2a r ea l s oo p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h i n n i n go u tt h es m a l lh e a do f4 0 m n 2c o n n e c t i n g r o d ，t h em e t h o do fi n t e g r a t i o no fh e a v yb e l t - g r i n d i n gw i t hc y l i n d r i c a lc o l u m n i a t i o n w h e e l 酾n d i n g i sp u tf o r w a r d i ti sp r o v e di nt h ep r o d u c t i o np r a c t i c et h a tt h et e c h n o l o g y i sq u i t ee f f e c t i v e ，a n dm o r ea d v a n c e da n dl o w e rc o s tt h a nt r a d i t i o n a lb l a d ec u t t i n g t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp r o d u c i n g4 0 m n 2w i t ht h et e c h n o l o g yo ft h eh e a v y b e l t g r i n d i n gi sf e a s i b l e ，d u r i n gt h e 朗n d i n g , c o a r s eg r a n u l a r i t yz i r c o n i u mc o r u n d u m b e l ti sp r e f e r r e dt og e th i g h e re f f i c i e n c y , l o w e rt e m p e r a t u r ea n dl o n g e rd u r a b i l i t y c h o s e o f t h eg r i n d i n gp a r a m e t e r si si m p o r t a n tt og e tg o o dg r i n d i n ge f f e c t c o o l i n gc o n d i t i o ni sp i v o t a li nt h eh e a v yb e l t g r i n d i n g i nt h eg r i n d i n g ，w a t e r s o l u b l ec o o l i n ga n ts h o u l db eu s e d ，w i t hl a r g ef l u xs t r e s sc o o l i n gs t y l e ，i no r d e rt o r e d u c et h eg r i n dt e m p e r a t u r e , a n da v o i dt h e d i eb u mo f t h ew o r k p i e c e k e y w o r d s ：4 0 m n 2s t e e l ，h e a v yb e l t g r i n d i n g ，c o n n e c t i n gr o d h 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究意义“7 ” 4 0 m n 2 钢是在普通结构钢中加入锰元素，使其对组织中的铁素体有显著的强 化，从而提高了钢材的强度。同时由于它还具有调质钢良好的强韧性，因此被，“ 泛用于制造汽车和发动机部件上要求强而韧的零件，如汽车的转向节、发动机轴、 连杆等。4 0 m n 2 属于稍难切削的材料，目前国内外对4 0 m n 2 钢通常采用刀具切削加 t 的方法。但是当加工余量较大时，特别是半成品精加工工序中，采用一般刀具 切削方法工件容易因切削力过大产生变形。因此，需要寻求一种新的加工方法， 来解决这项难题。本课题开展了4 0 m n 2 钢的强力砂带磨自研究，具有较高的理论 价值和应用前景。 强力砂带磨削是将砂带磨削与强力磨削的优点结合起来，充分利用砂带磨床 的磨削能力，增加磨削负荷与磨削余量，以获得更高的材料切除率。它尽可能的 将加工余量一次切掉，这就造成切削深度相当大，因而产生很大的切削力，故称 强力砂带磨削。利用强力砂带磨削可以直接将工件由毛坯精磨削成型，以磨代车， 以磨代铣，加工质量较高，生产率也不因毛坯表面状态而降低，从而缩短加工周 期。随着锆刚玉及陶瓷磨料的问世，砂带接头技术的提高，以及新型强力砂带的 推出，为砂带在强力磨削方面的应用提供了良好的基础。 目前强力砂带磨削在国外己得到了广泛应用，在国内也被应用到铸铁，碳钢 材料的加工中，同时也已经开展强力砂带磨削机理的研究，但强力砂带磨削方法 在以4 0 m n 2 钢为代表的合金结构钢加工中的研究及应用尚属空白。随着国内强力 砂带磨削技术的发展和砂带生产水平的提高，如何充分发挥强力砂带切除金属的 能力，进一步扩大强力砂带磨削的应用范围，就成了当务之急。本论文利用强力 砂带磨削金属切除率高、砂带磨削的“冷态磨削”及砂带具有弹性和韧性好、不 易堵塞的特点，研究在4 0 m n 2 钢加工中应用强力砂带磨削技术是可行的，同时这 对于充分发挥强力砂带切除金属的能力，进一步扩大强力砂带磨削的应用范围有 重要意义。 1 2 国内外研究现状 首先对本研究密切相关的4 0 m n 2 钢及其砂带可磨削性、强力砂带磨削等方面 的内容进行综述。 1 2 14 0 m n 2 钢的砂带可磨削- 陡“儿朝“1 4 0 m n 2 钢的化学成分及其常规加工方法 重庆大学硕士论文1 绪论 4 0 m n 2 钢属调质锰合金钢，化学成分中锰的含量为1 4 0 1 8 0 ，碳0 3 7 o 4 4 ，硅s i ：o 1 7 o 3 7 ，其它主要成份n i o 3 ，c r 0 3 。 锰元素加入碳素钢后，扩大钢的y 相区，形成无限固溶体，对铁素体及奥氏 体均有较强的固溶强化作用，是弱碳化物形成元素，它降低钢的下临界点，增加 奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织，以改善其力学性能，是低合金钢的重 要合金化元素。 4 0 m n 2 钢零件的常用加工流程如下： 由于4 0 m n 2 中加入了锰元素，提高了钢的强度与硬度。但和同样含碳量的碳 钢相比，这时将使相对可切削性k r 降低。从金相组织来看，当4 0 m n 2 钢呈调质状 态时，金相组织是铁素体和较细的粒状渗碳体所组成的回火索氏体，可切削性较 普通碳素钢差。如以4 5 号钢的可切削性为1 0 0 ，4 0 m n 2 钢相对可切削性k r 为8 0 ， 因此4 0 m n 2 属于稍难切削的材料，用常规刀具切削方法可以对其进行加工，但是 切削效果不理想。尤其是切削余量较大( 余量3 m m ) 时，若采用一次走刀加工完全 部余量，工件容易因切削力过大而产生变形，且容易损伤刀具。此时只能采用减 少切削深度，增加走刀次数的方法进行加工。但这样一来，加工效率会大大降低， 生产成本迅速上升。 对于某些硬度要求较高的零件( 如有的汽车半轴要求硬度为h b 3 4 1 4 1 5 ) ，这 种情况下由于刀具切削能力的限制，无法在调质后再进行切削加工。因此通常是 先对其进行切削加工，再进行调质处理。这时零件在热处理时要防止脱碳和变形， 有时热处理后还要增加校直工序，影响了生产效率，增加了生产成本。 4 0 m n 2 钢的可磨削性分析 4 0 m n 2 钢在调质后的硬度为h b 2 17 2 5 5 ，物理机械性能指标为：抗拉强度o 。 8 8 5 m p a ，屈服强度o 。7 3 5 m p a ，延伸率6 为1 2 ，冲击值严6 k g m c m 2 ，导热 系数九= o 4 。查出各项指标的可磨削性分级号”3 如表1 1 所示： 表1 14 0 m n 2 钢物理机械性能指标可磨削性分级号 t a b 1 1g r a d en u m b e ro f u r i n d a b i l i t yo f 4 0 m n 2n h v s i c a lm e c h a n i c a ln r o o e r t i e s 项目 h i ob 6 k 九 i 可磨削性分级号 353 30 根据划分标准“3 ，由表1 1 可知，4 0 m n 2 钢材料调质后，硬度不高，为3 ，延 2 重庆大学硕士论文 1 绪论 伸率和冲击值均不大，为3 ，属易磨削范围；但强度与耐热性为5 ，说明在磨削4 0 m n 2 钢时，可能会比普通碳素结构钢产生更多的热量。由以上分析可知，4 0 m n 2 钢材料 可磨削性比铸铁和碳素钢略低，属较易磨削材料。在强力砂带磨削时，应注意防 止磨削区域热量聚集，控制工件表面温度，防止烧伤。 1 2 2 强力砂带磨削的发展现状与趋势“帅明们k 2 川 强力砂带磨削是将强力磨削与砂带磨削的优点结合在一起而发展起来的一种 新工艺。最近几年召开的国际生产工程学会( c 1 r p ) 第4 4 、4 5 、4 6 届年会上各个发 达工业国，如美国、日本、欧洲等国的与会机械制造专家、学者发表的论文集中 地体现出2 l 世纪初机械制造业发展的特点和趋势。根据年会的信息，强力磨削与 砂带磨削都属于2 】世纪初机械制造工艺范围，将在制造业中发挥突出的作用。在 此，有必要对强力磨削、砂带磨削及强力砂带磨削的发展现状及其趋势作一介绍。 强力磨削的发展现状与趋势 强力磨削又称缓进磨削，由原西德e l b 公司在5 0 年代末首创，7 0 年代在国 际上进入实用阶段。它是一种尽可能加大磨削负荷，以获得高的金属切除率的 种高效磨削工艺，其加工效率可比普通磨削高3 - - l o 倍。是当代磨削技术发展的 主要趋势之一。其特点是磨削深度大，迸给速度低，形成较大的砂轮、工件接触 面积( a ：= l 。如) 及高的速度比( q = v o v ，) 。在金属切除率相同的条件下，强力磨削与普 通磨削相比，增大了总磨削力，但降低了单颗磨粒的平均磨削力；砂轮与工件的 接触区域温度升高，但工件表面整体温度较低。应用强力磨削工艺后，生产率成 倍提高，有些零件的毛坯不需要经过粗切加工，可直接磨削成为成品，这不仅提 高了加工效率，同时还提高了加工质量。由于磨削深度大，砂轮与工件的接触弧 长比普通磨削大几倍至几十倍，磨削力、磨削功率和磨削热大幅度增加，故要求 机床刚度好、功率大，并设有高压大流量的切削液喷射冷却系统，以便有效地冷 却工件，冲走磨屑。 经过数十年的发展，强力磨削在国外的应用己趋于成熟，国内对强力磨削技 术的研究及强力磨床的开发也有很大的发展。国内从1 9 7 4 年开始，北京机床研究 所等单位，先后对强力磨削工艺进行了研究和开发，为我国强力磨削技术的发展 揭开了序幕。随后，天津机床厂、杭州机床厂及贵阳1 7 0 厂的强力平面磨床纷纷 问世，从而改进了原有许多零件先加工、后淬火的低精度旧工艺。2 0 0 1 年杭州市 机床厂开发出了国内第一台数控强力双头磨床，不仅是磨削飞机发动机和汽轮机 叶片榫槽的必备设备，并可磨削其他各种难磨削材料零件的对称磨面。 砂带磨削的最新发展 近年来，砂带磨削技术在国内外都获得了极大的发展，应用范围也日益广泛。 美国、德国等国家的砂带磨床已遍及各行业。大至磨削宽5 米以上的巨型平面磨 重庆大学硕士论文 1 绪论 床，小至口腔医生使用的修齿机，磨床结构形式各异。 目前砂带磨削的生产率已经超过常规车、铣等加工方法，是普通切女4 的1 0 倍， 普通磨削的5 倍。同时砂带磨削的功率利用率高，材料去除率可高达7 0 0 m c s ， 此外砂带磨床还具有结构简单，加工范围广，综合成本低，结构简单，投资少， 操作简单，生产辅助时间少，工作安全可靠等优点。因此，砂带磨床与砂带的生 产与日俱增，一些工业发达国家的砂带磨床拥有量已逐步接近砂轮磨床。 砂带磨削能加工的材料很多，从非金属材料到金属材料，从一般材料到难加 工材料( 如钛合金、高镍合金、陶瓷、宝石等) 都可以用砂带磨削进行加工。由 于砂带磨削的特有的加工性能和高的材料去除率，砂带磨削进入到了许多新的应 用领域，解决了许多加工难题。如国内某厂产品零件“磁轭”的多面体长2 2 0 0 m m ， 每个面宽2 0 0 6 0 0 m m ，工件材质为电工纯铁d t i ，由于工件材质比较粘，用常规 精刨的方法达不到质量要求。后用砂带磨削进行加工，零件合格率达到了】0 0 7 0 ， 产品性能也有所提高。又如某刃具厂生产的切烟机刀片，工件材质为6 5 m n 冷轧带 钢，硬度h r c 5 9 6 4 ，需要去除原材料的脱碳层，单面余量a o 0 6 m m 。以前采用 手工布砂轮抛光，工件易产生退火现象，且脱碳层不易完全磨掉，造成刀片在使 用中“卷刃”。后来采用砂带磨削，不但消除了退火现象，完全磨除脱碳层，而且 生产率也由以前的8 小时1 0 0 件提高到6 小时1 4 4 0 件。在高速磨削方面，美国研 制成功了l o o m s 高速砂带磨床。随着砂带制造工艺的改善，机床结构刚度的提高， 机床功率的增加使砂带磨床的金属切除率逐步提高。 近年来砂带磨削与特种加工( 超声、电解等) 的复合发展迅速。超声砂带磨 削是将超声振动叠加到抛磨接触的砂带部位，使砂带在抛磨的同时以超声频率振 动，起到抛磨强化作用和磨粒更新作用，并在表面形成微观网纹。电解砂带磨削 是将电解加工的电化学作用与砂带磨削的机械作用相结合，以去除脆性、硬性、 韧性的难加工材料的环保新型复合加工方法，可实现对不锈钢、钛合盒等难加丁 材料的大余量精密抛磨加工，效率高，加工精度好，表面粗糙度低，砂带磨损少， 使用寿命长，加工成本低。 随着砂带磨削技术的发展，它与现代加工技术的结合自然越来越紧密。磨具 与工件进给运动采用c n c 控制，达到完全自动控制进给运动和进给速度，以取得 最佳磨削参数，使对异型面、难加工材料的磨削以及表面光饰作用达到最佳效果。 国外数控砂带磨床已成熟用于生产，如美国清理铸件毛边的数控砂带磨床，能方 便的改变程序，因此特别适用于批量不大的铸件加工。为了提高加工效率，近年 来对砂带磨削的自动化研究非常深入。目前开发出的工件上料工位一加工上位一 卸料工位的连续传送机构，可以方便的编入自动线，提高效率。开发多磨头、多 工位、回转塔式或运输带式砂带磨床是实现自动化的手段，多磨头、多工位磨削 4 重庆大学硕士论文1 绪论 可以实现一次装夹，一次完成粗、精、抛等工序，减少定位误差。这种加工方法 自动化程度高，加工辅助时间少，效率高。美国发明的自动化平面砂带磨床还装 有自动测量工件厚度及表面粗糙度的传感器，可极好的保证工件的加工精度和表 面质量。德国m e t a b ow e r k e 公司生产的砂带磨削中心由两个或多个砂带磨削部件 和工业机器人部件组合而成，根据加工表面形状不同要求，磨削部件上配置不同形 状和直径的接触轮或砂带，能够自动更换砂带，并从零件库中自动取出零件并放 到固定位置，从而极大的提高了加工效率。美国还把砂带磨削应用于汽车制造业 的f m s 生产线上，自动化程度已达相当高的水平。 今后砂带磨削技术的发展方向可概括为三高：高切除率、高加工精度、高自 动化。 强力砂带磨削的发展及应用 强力砂带磨削是砂带磨削发展最为迅速的一个方面，已在铸铁件及普通结构 钢件的加工中得到了成功应用。目前国外的强力砂带磨削的切削速度已达4 0 m s ， 磨削压力为1 0 0 2 0 0 m p a ，材料切除率可达7 3 7 c m 3 m i n ，加工效率比普通刀具磨 削提高了5 1 0 倍。 英国g r i t 公司生产的强力砂带磨床，输出电机功率为7 5 k w ，砂带速度达到 6 0 m s ，可以应用于铸件打磨、钢结构件加工及焊缝打磨加工中，对铸铁的材料去 除率可达5 0 0 c m a m i n 。美国一家公司生产的一种安装在直径为1 7 3 m 的回转p 1 ：作 台及四个工作主轴的砂带平面磨床，每小时可生产2 7 2 k g 切屑，金属切除率达到 6 5 0 c m 3 c m m i n ，功率达到9 0 k w 。森德斯特兰厂生产的立式砂带磨床加工3 8 平方 厘米铸铁缸盖，金属切除量达9 0 0 k g h ，每小时可磨2 0 0 个缸盖，加工尺寸精度可 达0 0 3 i i n ，砂带寿命为8 小时。国外在用强力砂带磨削加工灰铸铁离合器片时， 采用聚脂为基底的粗颗粒氧化铝一锆砂带，切除深度2 m m ，砂带单位宽度金属切除 率达到2 0 0 m m v m m s ，比传统切削加工方法节时4 0 ，每根砂带可磨削1 6 0 件离台 器片。另外用强力砂带磨削对5 0 号结构钢进行焊前预加工，最大切削深度达到 l i m m ，与铣削相比，加工1 米长的钢板边缘坡口可节省时间3 4 ，减少刀具费用 2 0 。 国内对强力砂带磨削的研究与起步较晚，目前主要被应用在铸铁及普通钢件 的加工中。如将强力砂带磨削工艺应用于1 9 0 型柴油机缸盖平面加工中，一次行 程实际磨削余量达到4 4 m m ，平面度为0 0 2 2 咖。该工艺加工效率很高，实现了19 0 型柴油机缸盖、缝纫机、台板等平面一次行程直接磨成成品。重庆大学运用强力 砂带磨削技术进行锅炉钢板焊缝打磨，一次加工余量达到5 聊，加工效率比用手砂 轮打磨提高了1 0 倍以上。 强力砂带磨削应用的日益广泛离不开强力砂带的发展。目前的强力磨削砂带 5 重庆大学硕士论文l 绪论 是集中了当今组成砂带的各要素中综合性能最优秀的材料而制成的，它包含了增 强聚脂纤维布、锆刚玉磨料以及超强柔韧树脂粘结剂等。 十年来在大面积强力磨削砂带方面大力发展了人造棉和增强聚酯纤维布，特 别是后者，它具有更好的抗拉强度和较低的延伸率，耐热性、耐水性好，表面平 整，经处理后经向断裂强度高( 经向断裂强度 3 0 0 n 5 c m ，最高经向断裂强度 达5 0 0 n 5 0 n ，纬向断裂强度 6 0 0 n 5 0 n ) ，因此使用它作为砂带和其它涂附磨具 基材是目前的一个趋势，聚酯布目前有1 0 0 短纤维聚酯布和6 5 短纤维聚酯纤 维以及3 5 棉混合布三种。 锆刚玉的出现是砂带磨料的巨大进步，它是由美国诺顿公司发明的，它对重 载强力砂带磨削有深远的影响，其主要特征是硬度高、韧性大、有很强的耐磨性， 断裂时又能产生新的切削刃。由锆刚玉制作的砂带，能用于多种金属加工，其磨 削效率是普通砂带的4 倍以上。 陶瓷( s g ) 磨料也是由诺顿公司发明的，作为一种新颖的陶瓷氧化铝磨料， 是近年来的最大突破。它以纯刚玉为原料，将其在水中与氧化镁之类媒介结合， 产生块状胶凝物，干燥之后形成脆性物体。再将这种固体碾碎至所需粒度，在1 3 0 0 度至1 4 0 0 温度下烧结而成。s g 磨料表现出与超硬磨料相似的性能：切削锋利， 形状保持能力好，自锐性强，寿命长，产生的磨削热少。其硬度大大高于普通磨 料，且韧性好，因此可在较高速度和较大载荷条件下运转，金属磨除率比普通氧 化铝高三倍以上。它最大的优点是磨削区温度低，磨具磨削刃保持性好、时间长， 因此在强力砂带磨削中有得天独厚的性能优势。 普通砂带的基底为纸基或布基。纸基砂带表面平整，因而加工零件粗糙度值 较小，但强度不如布基。随着强力砂带磨削的应用与发展，国外采用纸布组合砂 带越来越多，这种砂带兼备纸、布砂带的优点，以适应重负荷磨削的需要。美国 诺顿公司开发了新的砂带接头连接技术 后用表面粗糙的硬质材料在带水条件下 在强力砂带的一连接端先用水浸湿，然 在己浸湿的一连接端面 _ ：拉出绒毛，然 后在已拉出绒毛的面上涂上胶液并与另一连接端顽粘合。用新的接头方法生产的 砂带消除了传统方法生产的砂带在使用中的脱胶、断头现象，延长了砂带的使用 寿命，为强力砂带磨削的推广应用打下了良好的基础。 虽然我国在强力砂带磨削方面开展了大量的工作，取得了一些成绩，但与国 际先进水平相比仍有较大差距，这主要表现在： 1 ) 国外在砂带组成材料及制造工艺上取得了很大成就，已经有了适应于不同 应用场合的砂带系列，而国内砂带品种少，尤其是强力砂带质量尚不足以满足生 产要求，亟待提高。 2 ) 国内对强力砂带磨削机理的研究尚不深入，影响了这种新工艺的应用与推 6 重庆大学硕士论文 广。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题主要针对国内一些汽车发动机厂家在4 0 m n 2 连杆生产过程中进行连杆 减薄( 3 r a m ) 加工时，采用刀具切削工艺工件容易因受力变形而影响精度的问题，我 们在进行工艺可靠性分析及大量调研基础上提出采用将强力砂带磨削工艺用于4 0 m n 2 钢加工。 1 3 2 研究目的及主要研究内容 本课题的研究目的是： 通过对4 0 m n 2 钢可磨削性及强力砂带磨削机理的研究，利用强力砂带磨削的加j 1 ： 能力，提高4 0 m n 2 钢零件的加工效率。 其主要研究内容如下： 1 对“强力砂带磨削”机理进行研究。 2 在机床上改装制作试验装置，并进行工艺试验。 3 找出砂带耐用度t 廿、磨削率z 及磨削温度t 与磨削参数及砂带参数的影响 关系。 4 对4 0 m n 2 钢试件进行试验分析，找出最佳工艺参数。 5 和常规刀具切削加工方法进行对比。 7 重庆大学硕士论文 2 强力砂带磨自6 机理研究 2 强力砂带磨削机理研究 2 1强力砂带磨削的基本工作原理n 3 8 w ”5 ”： 2 1 1 基本工作原理 强力砂带磨削是将强力磨削的原理应用于砂带磨削而发展起来的一种新的加 工方法。图2 1 示出强力砂带磨削与普通砂带磨削的磨削图形。强力砂带磨削的 基本工作原理与普通砂带磨削相似，也是在高速旋转的环形砂带上，施加一定的 压力，使之与工件表面相接触，并产生相对磨擦，从而进行磨削。只是强力砂带 磨削的磨削深度和磨削压力要大大高于普通砂带磨削。强力砂带磨削时，每次的 磨削深度较大，比普通磨削大l o 1 0 0 倍，而工作台的进给速度十分缓慢，大约 比普通磨削降低了同样的倍数。 = 薯 ( a ) 普通砂带磨削( b ) 强力砂带磨削 ( a ) n o r m a lb e l t - g r i n d i n g( b ) h e a v yb e l t g r i n d i n g 图2 1普通砂带磨削与强力砂带磨削 f i g 2 1n o r m a lb e l t - g r i n d i n ga n dh e a v yb e l t - g r i n d i n g 普通砂带磨削有接触轮式、压磨板式和自由式几种基本形式。由于强力砂带 磨削需要更容易地切入工件，并获得较大的材料切除率，因而多采用接触轮的磨 削方式。在砂带磨粒与工件表面的相对运动中，强力砂带磨粒与工件表面之间产 生一定的干涉，按照干涉的程度，也可以区分为挤压、滑擦、耕犁和切削四个不 8 重庆大学硕士论文2 强力砂带磨削机理研究 同的过程： “挤压”一一最初磨粒挤入工件，由于切入深度小于磨粒刃尖圆弧半径， 形成很大的负前角，工件表面仅发生弹性变形。 “滑擦”一一随着切入深度增大，磨粒对工件表面的压力逐渐增大，工件 表面，起“滑擦”作用。此时磨粒在工件上的滑擦，实际上产生了切除材料的弹 性和塑性变形； “耕犁”一一随着机床进给、切削厚度的增加，干涉增大，磨粒在工件表 面上犁出刻线，称为“耕犁”。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前和两侧挤出，同时切除少量材料； “切削”一一在一定压力的作用下，当有足够的干涉并伴随一定的切削温 度时，开始真正的“切削”，此时在滑动磨粒的前方产生断裂而形成切屑。 在磨削过程中，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。即使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。同时，尽管强力砂带磨削 的基本工作原理与普通砂带磨削相似，但因为引入了强力磨削的特点，砂带的工 作条件更加复杂，对砂带磨削的性能的影响因素更多，所以强力砂带磨削的机理 是很复杂的。 2 1 2 砂带与工件的接触长度与接触时间 由图2 1 可以看出，普通砂带磨削的砂带与工件的接触长度l ：远远小于强力 砂带磨削的接触长度。普通砂带磨削的砂带与工件的接触长度约几毫米，而强力 砂带磨削的砂带与工件的接触长度达几厘米。 若强力砂带磨削与普通砂带磨削所用的接触轮直径和砂带速度均相同，那么 对于强力砂带磨削而言，砂带每转一周中每颗磨粒与工件的接触延续时间较长。 根据强力磨削的理论”1 ，每颗磨粒在一定磨削时间内的接触延续时间可表示为磨 削深度a 。的函数，如图2 2 所示，在同样的磨削时间内( to = 2 0 0 0 s ) ，若强力砂带 磨削与普通砂带磨削这两种方法的金属切除率相同，因而每颗磨粒及砂带转周 所切除的金属体积应是一样的。通过计算知，磨削深度a 。= 1 2 8 m m ( 强力磨削) 时，一颗磨粒为切除一定金属体积所需的时间要比a d = o 0 2 m m ( 普通磨削) 所需 的时间多七倍，也就是说，普通砂带磨削时，每颗磨粒的金属切除量要比强力砂 带磨削大七倍，因而使作用在单颗磨粒上的磨削力增大，砂带损耗也随之增大。 9 重庆大学硕士论文2 强力砂带磨削机理研究 _ 垦 鲁 摇 鼙 蛊 亏 一 心 曩 恤 匿 聃 5 0 4 0 ： o 2 0 l o 0 2 0 0 0 。s ) l s ) o l o i 、- - 5 心 = _ _ _ | i 酶嘲深度( 硪艇 圈2 2 磨削时单颗磨粒与工件的接触时间 f i g 2 2 c o n t a c t t i m eo f as i n g l eg r a i nw i t h t h e w o r k p i e e e i ng r i n d i n g 在磨削过程中对磨削性能起决定影响的主要指标之一是砂带每颗磨粒的平均 。：= 2 3 1 0 4 k ，v ；d 似2 扎2 上2 p ) r ( 2 1 ) 切削厚度a ：。 式中，a 。一磨削深度，n l l l l ： v ，一进给速度，m m m i n ； v 。一砂带速度，m s ： n ：一砂带单位工作面上的切削磨粒数，i i l m 。； l 一砂带长度，l l l m ： p 一切削磨粒顶部的平均圆角半径，啪。 业己证明“，用同样型号的砂带以单位金属切除率定值o = a 。v ，而磨削深 度砩和进给速度v ，以不同组合平面磨时的切削厚度结果来看，从多行程普通砂带 磨削过渡到强力砂带磨削将导致单颗磨粒的切削厚度a 。减小9 0 。这是由于劂时参 与切削过程的磨粒数显著增加所致。 2 2 强力砂带磨削性能的评定指标及影响因素嘲m 州4 3 3 评定强力砂带磨削性能的指标主要有材料切除率、磨削力、磨削温度及砂带 耐用度。 2 2 1 材料切除率 由于磨削深度砖及砂带与工件的接触长度较大，强力砂带磨削时可形成大量 的长切屑，这较普通多行程磨削可大大提高金属的切除量。单位金属切除率q 与 进给速度v ，的关系函数q = f ( v ，) 如图2 3 所示。该关系式表明，以定切削厚度 1 0 重庆大学硕士论文 2 强力砂带磨削机理研究 ( a ：= 1 5pm ) 磨削时，从普通多行程磨削( 区域b ) 过渡到强力砂带磨削( 区域a ) 可以提高单位金属切除率9 9 倍以上。 l 图2 3 强力砂带磨削( 实线) 与普通砂带磨削( 虚线) 时 单位金属切除率q 与进给速度v ，的关系 f i g 2 3t h er e l a t i o n s h i po f u n i ts t o c kr e m o v a lr a t eq ua n df e e d i n gs p e e dv ri nt h ec o n d i t i o no f h e a v y b e l t g r i n d i n g ( r e a ll i n e ) a n dn o r m a lb e l t - g r i n d i n g ( d a s h e d ) 2 2 2 磨削力 强力砂带磨削的磨削力类似于强力磨削的磨削力计算。根据g w e r n e r 的观点， 强力砂带磨削的磨削力数学模型可设置如下0 1 只“引h 卜 ( 2 2 ) 式中砭一与工件材料、砂带规格、磨刃分布特性及冷却润滑条件等有关的 系数； z ：一单位宽度金属切除率； 口。一磨削深度； v 。砂带速度； 以一接触轮直径； e 一指数，与砂带及工件材料有关。 在磨削过程中，磨削力随着磨削深度增大而增大，随进给速度减小而减小。 而前者总是大于后者，所以无论是易磨材料( 相对磨削系数e i 0 ) 还是难磨材 重庆大学硕士论文2 强力砂带磨削机理研究 料( e o 5 ) ，强力砂带磨削的磨削力总是增大的。一般强力砂带磨削的法向磨 削力约为普通砂带磨削的2 4 倍。因此，强力砂带磨削所需机床功率较大。 2 2 3 磨削温度 砂带磨削与砂轮磨削相比，磨削温度要低得多。但随着切深口。的增加，砂带磨 削温度也呈上升趋势，在大切深条件下，如不设冷却装置，则工件烧伤现象尤为 显著。 s i o i l 太热流对袭论蠢度0 f | 、 冷 、 f 、 ， 彳 必， | r 、龟k 矿， 、 ? 、。? 、j ， 、 夕。 、 、 - 善遵砂精羞7 址_过蕞区 一甍由砂 量材一 謦麓深度 “f _ _ ) 工棒速度h ( 蛆“l 图2 4 强力砂带磨削与普通砂带磨削温度的比较 f i g 2 4c o m p a r i s o no f t h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei nh e a 、攀b e l t - g r i n d i n ga n dn o i ，n a lb e l t - g r i n d i n g 在砂带磨削过程中，根据磨削深度d 。和进给速度v r 的不同，可将磨削温度划 分为两个特性完全不同的区域，如图2 4 所示。在小切深高进给速度的普通磨削 中，随着磨削深度的增大及进给速度的减小，磨女0 温度有明显的升高：在大切深 低进给速度的强力磨削中，随着磨削深度的增大及进给速度的减小，磨削温度有 明显的f 降。 1 2 一ph=。憾硝5l!蜂阻骷堆h i 重庆大学硕士论文2 强力砂带磨削机理研究 在普通磨削中，工件速度很高( v ， 1 0 0 m m s ) ，切削深度小，接触区长度很小 ( 1 。 q o ，q 。为稳定磨损阶段起始点的累积金属磨除量)