CN102172899A - 一种新型超高速点磨削砂轮及其磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉及磨削领域的超高速点磨削砂轮及其磨削方法，本发明的超高速点磨削砂轮，在砂轮粗磨区设置倾角θ，使得砂轮和工件的接触形式发生变化，可节约砂轮整体成本，并且由于磨削液更容易进入磨削面使得砂轮的磨损减小，减少了修整费用和难度；且倾角θ的存在使切屑更容易排出磨削区，该砂轮在磨削时在垂直方向上砂轮轴线与工件轴线平行，水平方向的砂轮轴线与工件轴线的变量角α∈(-0.5°，+0.5°)，可以使得砂轮磨削时的成屑有一定角度，从而减少了磨屑堆积现象。

Description

一种新型超高速点磨削砂轮及其磨削方法

技术领域

本发明涉及磨削领域，尤其涉及一种新型超高速点磨削砂轮及其磨削方法。

背景技术

快速点磨削(Quick-point Grinding)是由德国Junker公司Erwin Junker先生于1984年开发并取得专利的一种先进的高速磨削技术。它集成了高速磨削、CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量高质量稳定性生产上的又一新发展。它既有数控车削的通用性和高柔性，又有更高的加工效率和精度，砂轮寿命长，质量稳定，是新一代数控车削和高速磨削的极佳结合，成为高速外圆磨削的主要技术形式之一。目前德国在这项技术的研究开发上处于领先地位。国外目前已在汽车工业、工具制造业中得到应用，尤其是在汽车工业轴盘类零件加工领域。

超高速点磨削是一种包含精磨加工的高效高生产率磨削加工方法，是指工件的全部磨削余量用较小的纵向(轴向)进给量，在一次纵向进给中磨去。由于完成通用磨削余量的总体运动时间缩短，生产效率提高。相应地，该工艺方法磨削深度大，磨削时砂轮一端周面和端在相接处受力状态最差，磨削负荷也集中在砂轮周面靠近断面处，其砂轮的设计水平会直接影响磨后工件的表面质量。

超高速点磨削的工艺特点在于切深大、材料去除率高，其磨削加工的切屑排除是一个关键问题，而现有砂轮在使用过程中产生的磨屑不容易排出，而且当磨削负载大时容易造成砂轮磨损，这是为获得良好磨削质量则需要对磨损砂轮进行修整，这就进一步加大了砂轮损耗增加了加工成本。

发明内容

本发明提供一种新型的容易排屑容易、且磨损小的点磨削砂轮。

为了实现上述目的，本发明将砂轮磨料层在轴向的前端设置一个倾角，增大了磨削液进入磨削区的可能，使砂轮在磨削过程中的不宜被磨损，从而降低的磨损，同时倾角的存在电使得磨屑更容易排出，具体的技术方案如下：

本发明的新型超高速点磨削砂轮，包括基体和设置在基体上的磨料层，所述的磨料层在砂轮的轴向前端设置有倾角，所述倾角部分构成砂轮的粗磨区、倾角部分之外的砂轮周边构成精磨区。

优选的，所述的磨料层在砂轮的轴向后端亦设置有倾角。

优选的，所述的倾角的大小为不小于10°、且不大于20°。

优选的，所述倾角的高度为砂轮许用切深的1.3～1.5倍。

优选的，所述精磨区的宽度大于砂轮总宽度的一半。

优选的，所述粗磨区采用粗粒磨料，所述精磨区采用细粒磨料。

优选的，所述的磨料层采用大气孔陶瓷结合剂材质。

优选的，所述的基体具有变厚度近似等强度阶梯状截面，由中心到周边递减。

优选的，所述的基体采用42CrMo合金钢经退火、粗车、调质热处理、精车、精磨工艺获得。

本发明还提供所述的新型超高速点磨削砂轮的磨削方法，所述超高速点磨削砂轮在磨削时在垂直方向上砂轮轴线与工件轴线平行，水平方向的砂轮轴线与工件轴线的变量角α∈(-0.5°，+0.5°)。

本发明的有益效果如下：

本发明的超高速点磨削砂轮，由于砂轮粗磨区倾角θ的存在，使得砂轮和工件的接触形式发生变化，可节约砂轮整体成本，并且由于磨削液更容易进入磨削面使得砂轮的磨损减小，减少了修整费用和难度；且倾角θ的存在使切屑更容易排出磨削区。

因砂轮与工件的接触区域变小，磨削时的整体磨削力减小，磨削过程更平稳。随之产生的磨削温度以及砂轮磨损现象都有所降低，使得砂轮寿命和加工质量都得以改善。

随着磨削进行，砂轮工作面前端的磨粒较粗担负去除金属的主要任务，材料过渡到磨料配置粒度较细的精磨区，可以减小加工表面粗糙度。

由于粗磨区材料去除容易，磨削性能更好，使得粗磨区砂轮磨损减小。并且粗磨阶段去除金属量较细粒度磨粒作为粗磨磨粒时要多，因此精磨区磨削残余量减少，该区域砂轮磨损也减小。通过这种由磨粒粒度不同产生磨削现象差异的方式优化点磨削砂轮，可以取得更高效率、更高精度的磨削效果。

由中心到周边递减的砂轮基体，可以大大减轻砂轮的重量，降低对轴的负荷。孔壁厚有利于中心定位和提高抗开裂强度，周边薄可以减少负载和转动惯量。

附图说明

图1为本发明的砂轮的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明的砂轮与工件接触示意图；

图4为本发明的砂轮与工件接触示时的细节示意图；

图5为本发明的砂轮粗磨区倾角放大图；

图6为倾角大小与粗磨区宽度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步进行阐述。

解决磨损和排屑问题的一个办法是通过改进砂轮结构和磨削形式，使得磨削液更容易进入磨削区，提供更大容屑空间，本发明就是通过磨料层在砂轮的轴向前端设置有倾角，从而改变了砂轮的结构，使磨削液更溶液进入磨削区，同时磨屑也更容易排出，本发明在砂轮的磨削方式上也有所改变，参见附图3，即磨削时，使本发明超高速点磨削砂轮在垂直方向上砂轮轴线与工件轴线平行，水平方向的砂轮轴线与工件轴线的变量角α∈(-0.5°，+0.5°)，这种磨削方式，可以使得砂轮磨削时的成屑有一定角度，从而减少磨屑堆积现象。对于没有及时排出的磨屑，本发明磨料层采用大气孔陶瓷结合剂材质，使得容屑空间加大，不会出现粘着和堵塞。

参见附图1，为本发明的一个具体实施例。该实施例的基体1具有变厚度近似等强度阶梯状截面，且由中心到周边递减，在基体1上设置有磨料层2，参见附图2，磨料层2在砂轮的轴向前端和后端均设置有倾角θ，在本发明的另一些实施例中，磨料层2仅在砂轮的轴向前端设置有倾角θ，双方向设置倾角θ使得本发明的砂轮在双方向都可以进行磨削，从而提高了磨削效率。

为了保证许用切深a_p能够实现，砂轮磨料层倾角的高度Δ要比点磨削工艺许用切深a_p大30％～50％，即Δ＝(1.3～1.5)a_p，参见附图4，砂轮磨料层倾角的高度Δ、砂轮宽度B、精磨区宽度b存在如下关系：

Δ＝(B-b)tanθ                                                    (1)

因此，点磨削砂轮的许用切深可表示为

$a_p=\frac{(B-b)\tan \mathrm{\θ}}{(1.3~1.5)}---\left(2\right)$

磨料层精磨区宽度一定时，粗磨修整倾角越大，许用切深越大，越容易获得更大磨除率Q′_w。

参见附图4，倾斜型砂轮的实际有效切深a’_p与砂轮每转进给量s的关系如下

a′_p＝stanθ                                        (4)

角度越小，实际有效切深越小，砂轮磨损越小。因此，兼顾材料去除率和砂轮磨损两个方面，粗磨区修整倾角θ∈[10°，20°]。此外，点磨削工艺为保证良好的磨削表面，要求精磨区宽度大于砂轮全宽的一半，即b＞B/2。举例如下：

一般情况下点磨削砂轮的许用切深a_p＝0.2～0.4mm，其材料去除率高，比普通磨削切深大一个量级，取许用切深a_p＝0.4mm，Δ＝1.3a_p，点磨削砂轮宽度B＝6mm，则根据公式(2)得：

当θ＝12°，可计算b＝3.554≈3.6mm。

当θ＝20°时，b＝4.571≈4.57mm。

按最大切深0.4mm，砂轮方便排屑的最小高度为最大切深的1.3倍计算，得砂轮粗磨区倾角在砂轮侧面的高度为0.52mm。由图5获得粗磨区宽度

x＝B-b＝0.52/tanθ                                    (5)

砂轮设计许用切深越大，则砂轮磨削切深的选择潜力越大，切深大则材料去除率高。图6为不同最大许用切深砂轮的磨料层粗磨区宽度随粗磨区倾角变化的关系曲线。由前分析，精磨区宽度越大，其磨削质量越好；磨削角度越小，磨削负载会越均匀地被弱化，磨削性能越好。

因为粗粒磨料的去除效果好，细粒磨料的抛光效果好，为了既保证材料的去除率，又保证工件表面加工质量，本发明的砂轮在粗磨区也就是倾角处采用粗粒磨粒，精磨区采用细粒磨料，这里，细粒磨料指粒径＜7μm的磨料，粗粒磨料指粒径在14-28μm之间的磨料。

本发明采用变厚度近似等强度阶梯状截面砂轮基体，由超薄砂轮应力分布函数得到应力分量和径向位移数值模型，并进行了分析与计算。砂轮基体上的应力方向和材料力学中旋转体应力计算可得出砂轮任一点处的切向应力σ_θ、径向应力σ_r的计算公式为别如6和7所示。

通过有限元方法对砂轮进行应力和位移分析，校核砂轮强度，得到各处应力和位移值。分析结果显示，设计方案完全符合强度和变形的要求，并且应力由内孔向外径方向逐渐减小，随加载转速的增加而增大。在仿真计算验证中，砂轮最大线速度达213m/s，此时基体的最大应力102MPa，最小应力2.28MPa，强度完全符合要求。

三种不同基体类型的砂轮在最高转速(213m/s)时的极限应力和极限变形以及最终优化后的砂轮在最高转速时的极限应力和极限变形如表1所示。可知，相同条件下，等厚度砂轮的基体材料所受高转速引起的离心破坏(应力和变形)要比变厚度近似等强度砂轮大，尤其在基体最大应力处。经优化所得砂轮结构的各项标准都要优于普通形式的变厚度近似等强度砂轮。等厚度砂轮的截面最小变形可以趋近于零，但其最大变形却是三种砂轮中最大的，基体材料变形梯度也最大。

表1三种砂轮在最大转速时基体的应力和变形的比较

本发明中基体采用的材料为42CrMo合金钢，采用退火→粗车→调质热处理→精车→精磨的加工工艺，以保证±0.01mm的尺寸精度。

砂轮的基体装配在砂轮卡盘上，并由六个均布内六角螺栓紧固成一体，砂轮卡盘和砂轮基体的材料为铸造铝合金；砂轮磨料层高温压铸在砂轮基体上。砂轮基体采用圆柱内孔与法兰盘的安装表面配合精磨，可保证安装精度。

基体材料需经过超声波探伤，低倍检验基体内部以确定没有气孔等缺陷。砂轮在制造完成后，应进行1.1倍回转试验，其破裂速度和使用速度的比为1.32。最后对所得砂轮与砂轮安装法兰盘一起做动静平衡。

Claims (10)

1.一种新型超高速点磨削砂轮，包括基体和设置在基体上的磨料层，其特征在于：所述的磨料层在砂轮的轴向前端设置有倾角，所述倾角部分构成砂轮的粗磨区、倾角部分之外的砂轮周边构成精磨区。

2.根据权利要求1所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述的磨料层在砂轮的轴向后端亦设置有倾角。

3.根据权利要求1或2所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述的倾角的大小为不小于10°、且不大于20°。

4.根据权利要求1或2所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述倾角的高度为砂轮许用切深的1.3～1.5倍。

5.根据权利要求1或2所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述精磨区的宽度大于砂轮总宽度的一半。

6.根据权利要求1或2所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述粗磨区采用粗粒磨料，所述精磨区采用细粒磨料。

7.根据权利要求1或2所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述的磨料层采用大气孔陶瓷结合剂材质。

8.根据权利要求1或2所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述的基体具有变厚度近似等强度阶梯从截面，由中心到周边递减。

9.根据权利要求1或2所述的新型超高速点磨削砂轮，其特征在于：所述的基体采用42CrMo合金钢经退火、粗车、调质热处理、精车、精磨工艺获得。

10.权利要求1至9任一所述的新型超高速点磨削砂轮的磨削方法，其特征在于：所述超高速点磨削砂轮在磨削时在垂直方向上砂轮轴线与工件轴线平行，水平方向的砂轮轴线与工件轴线的变量角α∈(-0.5°，+0.5°)。

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