陶瓷结合剂cBN高速砂轮受力分析.pdf

第20卷 第2期 超 硬 材 料 工 程Vol 20 2008年4月SU PERHARD MA TER I AL EN GI N EER I N GApr 2008 陶瓷结合剂cBN高速砂轮受力分析 肖乐银 刘志环 蒋燕麟 罗建平 国家特种矿物材料工程技术研究中心 广西 桂林 541004 摘 要 陶瓷结合剂cBN砂轮工作速度一般在80m s以上 为了保证砂轮的安全运行 砂轮本身必须具备 一定的强度 文章分别探讨了陶瓷基体和铝合金基体的cBN砂轮 并进行了空转状态下的受力分析 分析 结果表明 陶瓷基体在80m s的工作条件下 很难满足要求 铝合金基体能有效提高砂轮的工作速度 降低 对工作层的强度要求 关键词 陶瓷结合剂 cBN高速砂轮 受力分析 中图分类号 TQ 164 文献标识码 A 文章编号 1673 1433 2008 02 0019 03 Force analysis of vitrif ied bond cBN grinding wheels X I AO L e2yin L I U Zhi2huan J I AN G Yan2lin LUO Jian2ping N ational SpecialM ineralM aterials Eng ineering R esearch Center Guilin Guangx i541004 China Abstract The working speed of vitrified bond cBN grinding wheels commonly is over 80m s In order to assure safety run grinding wheelsmust have enough strength In this paper the force analysis of cBN grinding wheels w ith ceram ic base and alum inum alloy base are discussed respectively when they are free running The results indicate that the ceram ic base can t meet the requirement when the working speed is above 80m s But alum inum alloy base can improve the grinding wheel s working speed efficiently and reduce the strength require to the working layer Keywords vitrified bond high2speed cBN grinding wheels force analysis 1 前言 陶瓷结合剂cBN砂轮因其具有磨削效率高 形 状保持性好 耐用度高 易于修整等优点 在各种结合 剂类型的cBN砂轮中 成为发展最快的一个品种 从 1980年至1993年在世界范围内cBN砂轮的结合剂 构成比例中 陶瓷结合剂由4 增加到37 呈大幅度 上升的趋势 在高速回转下进行磨削的陶瓷cBN砂轮 加大 砂轮的进给速度和磨削深度 可大幅提高磨削效率 如只提高砂轮速度 而不增加进给 则可提高砂轮的 耐用度 并能改善工件的加工精度和表面粗糙度 陶 瓷结合剂cBN高速砂轮具有上述一系列优越性 因 而受到世界广泛关注 成为世界上磨削工具产品开发 的热点 强度尤其是抗拉强度是影响陶瓷cBN高速砂轮 使用的关键性因素 若强度不够 砂轮在磨削加工时 易产生回转破裂现象 这将对人身及设备造成危害 因此对砂轮在高速回转下进行受力分析至关重 91 收稿日期 2008 01 15 作者简介 肖乐银 1981 男 助理工程师 主要从事超硬材料磨具方面的研发工作 要 1 3 2 陶瓷基体整体式结构砂轮的受力分析 砂轮磨削是一个相当复杂的过程 磨削力是磨削过 程中产生的切削力和摩擦力的总和 在高速磨削条件 下 砂轮的径向和切向磨削力都大为减小 由磨削作用 引起的砂轮周面受力仅占砂轮旋转引起的离心应力的 极小一部分 可以不予考虑 进行受力分析时 按工作 速度的1 6倍 回转强度检查时的速度 进行计算 4 陶瓷基体整体式结构的砂轮 是将工作层部分与 基体层部分一起成型 这种结构的砂轮目前占据了 cBN陶瓷砂轮的主要部分 现制造一个工作速度V工作 80m s的薄片砂轮 其形状及尺寸如图1所示 图1 砂轮示意图 Fig 1 Sketch of grinding wheel 由于基体层与工作层采用相同成分的结合剂 其 密度 泊松比 等各参数非常接近 因此 我们可 以假定砂轮材料是连续 均质 各向同性的 从而把它 简化成弹性理论中回转盘问题 其应力分布如图2所 示 5 根据砂轮中应力分布特点 可以推测砂轮回转时 产生破裂现象首先从内孔开始 因为这跟切应力在砂 轮孔径处最大相对应 内孔边上切向应力超过砂轮本 身的抗拉强度时 砂轮就破裂 图2 砂轮应力分布示意图 Fig 2 Sketch of stress distribution of grinding wheel max 2 3 u 4 1 1 u 3 u a b 2 2 2 103 80 1 6 23 0 3 4 1 1 0 03 3 0 3 0 03 0 15 2 3 0 107Pa 切向应力 砂轮密度 取2 2 10 3kg m 3 砂轮的破裂速度 V工作 k k为安全系数取 1 6 砂轮材料的泊松比 陶瓷材料取0 3 a 砂轮内孔半径 m b 砂轮外圆半径 m 因此 砂轮在V工作 80m s状态下工作 砂轮抗 拉强度不得低于 max 要达到如此高的强度 对于 高温烧成 烧成温度约1300 的陶瓷砂轮也许可以 解决 而对于低温烧成 cBN砂轮的烧成温度不高于 900 的砂轮则很难实现 6 因此 陶瓷基体很难满 足80m s及更高回转速度的砂轮 而必须用金属基体 予以取代 3 铝合金基体cBN陶瓷砂轮的受力分析 铝合金基体cBN砂轮的尺寸与陶瓷基体的相 同 见图1 基体与工作层之间用具有足够强度的胶沾 剂进行粘结 一般铝合金的密度 A l 2 7 10 3kg m 3 弹性模 量EA l 7 50 1010Pa 泊松比 A l 0 34 工作层的密 02 度 2 2 10 3kg m 3 E 4 00 10 10Pa 0 30 由 于铝基体与工作层之间各参数相差较大 而不能把砂 轮简化成连续 均质的回转盘问题 我们可以使用 AN SYS有限元分析软件 对高速旋转的砂轮进行受 力分析 切向应力分布示意如图3所示 7 图3 高速砂轮切向应力分布示意图 Fig 3 Sketch of tangential stress distribution of high speed grinding wheel 可得孔壁处的切向应力为3 66 107Pa 铝基体 外围的应力为1 0 107Pa 工作层内围的切向应力为 5 66 106Pa 工作层的切向应力为4 62 106Pa 此 时砂轮的抗拉强度只需满足5 66 106Pa 就能达到 要求 远远小于3 00 107Pa 而一般的镁铝合金抗拉 强度都能达到170M Pa 许用应力 94 4M Pa 取 安全系数ns 1 8 远远大于3 00 107Pa 从而使砂 轮在高速条件下进行磨削成为可能 只需解决的问题 是胶沾剂的选择 或同时使用机械的方法对基体与工 作层之间进行加固 4 结论 通过以上分析可知 对于低温烧成陶瓷cBN砂 轮 在80m s的工作条件下进行磨削 陶瓷基体强度 很难满足要求 金属基体能有效提高砂轮的工作速 度 降低对工作层的强度要求 本文所得到的结论 对 于指导陶瓷结合剂cBN砂轮基体选择 保证砂轮安 全工作具有重要的理论指导意义 参考文献 1 王德泉 陈艳 砂轮特性与磨削加工 M 北京 中国标准出版 社 2001 1822184 2 邱丽花 刘一来 等 近年来关于陶瓷结合剂cBN砂轮的研究及 成果 J 金刚石与磨料磨具工程 1997 5 101 39241 3 赵玉成 臧建兵 等 烧成工艺对cBN用陶瓷结合剂性能的影响 J 工业金刚石 2000 1 11212 4 宋贵亮 蔡光起 浅谈高速及超高速砂轮设计中的几个问题 J 磨床磨削 2000 2 25227 5 李志宏 陶瓷磨具制造 M 北京 中国标准出版社 2000 3172 318 6 吕智 陈国华 徐西鹏 cBN砂轮陶瓷结合剂研究中的若干关键 问题 J 矿冶 2006 15 1 33237 7 张洪信 有限元基础理论与ANSYS应用 M 北京 机械工业 出版社 2006 1822200 超硬材料成为河南省今后5年的引智工作重点之一 根据河南人事厅通知 今后五年将通过引智引进一批效益好 能耗低 污染少的新技术 新工艺 大力发展 高新技术产业 做大做强优势产业 改造提升传统产业 推动工业产品结构由初级为主向中 高端和高附加值为 主转变 1 大力扶持高新技术企业发展和产品研发 积极引进国内外高新技术 着力培育电子信息 生物 新材料等 新兴先导产业 为本世纪第二个十年我省产业结构的战略性调整 形成新的支柱产业奠定基础 重点支持硅材 料及太阳能电池 新型显示材料及数字视听产品 生物医药 超硬材料 新型功能材料和生物质能源等的研制开 发 2 支持和提高优势产业的科技水平 经济效益 市场竞争力和可持续发展能力 重点支持食品工业 有色工 业 化学工业 汽车及零部件 装备制造业和纺织服装工业 3 依托百户重点企