CN104669090A - 一种砂轮设有人字型槽的磨削装置及磨削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种砂轮设有人字型槽的磨削装置及磨削方法，属于金属切削加工技术领域。该磨削装置由磨削液流量控制系统、磨削液输送系统以及磨削加工系统组成；为了获得高质量的磨削表面，在砂轮基体的圆周上开有人字型槽，在槽内开有磨削液喷孔，在砂轮的两侧同时喷送磨削液，磨削液通过喷孔进入磨削区，磨削液流量的大小可自动调节。本发明能够有效降低磨削区温度，减小磨削过程中的振动，显著提高磨削表面质量，并且能够实现半自动化生产，特别适合深沟槽的高速精密磨削。

Description

一种砂轮设有人字型槽的磨削装置及磨削方法
技术领域：
本发明属于金属切削加工技术领域，尤其涉及一种砂轮设有人字型槽的磨削装置及磨削方法，特别适用于淬火零件表面和沟槽的大切深高速高精度磨削加工。
背景技术：
现代装备的发展对其关键零件表面质量要求越来越高，如红外探测器中接收红外线的发射箔的表面粗糙度Ra达0.015～0.01μm。磨削作为机械加工过程中的最终工序对产品的表面质量控制起着关键作用，并已得到广泛的应用。砂轮作为磨削加工的刀具，在磨削过程中，砂轮上大量分布的磨粒对工件表面进行滑擦，刻划和切削。由于在磨削过程中，切削速度快，负后角的磨粒与工件的摩擦严重，在磨削过程中产生了大量的磨削热。由于磨削过程中产生的切屑少，它带走的热也少，因此磨削温度很高，容易引起零件磨削表面烧伤，形成微裂纹，严重影响了工件的表面质量，降低工件的使用性能。为了降低磨削区的温度，在磨削加工时常采用湿磨法，即向磨削区喷磨削液的办法来降温，在磨削速度较低时，该方法取得较好的效果。但是，在高速磨削时，砂轮运转的速度快，在砂轮圆周表面将产生强大的气流阻隔作用，使磨削液很难进入磨削区，磨削产生的磨削热不能及时被磨削液带走，磨削区很高的磨削温度使工件表面产生热塑性变形。磨削液只能在砂轮离开磨削点后对工件进行冷却，容易导致磨削裂纹的产生，降低了磨削加工精度与表面质量。为了防止磨削烧伤，被迫减小吃刀深度和降低磨削速度，而降低磨削速度不但难以保证工件表面的磨削质量，而且还降低了磨削加工效率。
为了改善磨削液的冷却效果，在砂轮圆周表面开有与砂轮轴线平行的浅的直槽，将连续的砂轮圆周面分成若干个分段面，以增加冷却效果。这种方法虽然有助于磨削液液喷到磨削区，降低磨削加工区的温度，但冷却的效果有限，特别是砂轮圆周上直槽的存在，使砂轮在磨削工件时不连续，形成了断续切削，在砂轮槽口和工件刚接触时产生了冲击力，在磨削过程中产生了周期性的冲击力，使工件和砂轮之间常常发生强烈的振动。当切削振动发生时，工件表面质量严重恶化，粗糙度增大，产生明显的表面振痕，这时不得不降低切削用量，使生产率受到限制。振动严重时，磨粒从砂轮上快速脱落，使磨削加工无法进行下去，不得不重新休整砂轮。此外，振动将加速机床的磨损，从而缩短了机床的使用寿命，振动噪音也危害工人的健康。特别是由于砂轮圆周上的均匀位置的直槽引起切削力周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，使振动维持下去，产生了颤振。它是限制机床生产率提高和影响加工表面质量的主要障碍。
发明内容：
本发明的目的是为了解决常用磨削装置在大切深高速磨削过程中由于磨削液冷却不充分而引起的表面质量问题，提供一种砂轮设有人字型槽的磨削装置及磨削方法。该发明不仅可以有效降低磨削区温度，也可提高切削时的平稳性，以降低磨削加工时产生的自激振动和不平衡力，提高磨削加工面的表面质量。
本发明所提供的一种砂轮设有人字型槽的磨削装置包括磨削液流量控制系统、磨削液输送系统以及磨削加工系统。
所述磨削液流量控制系统包括计算机6、控制器7、红外测温仪8、磁性底座9、微电机12、流量控制阀13；所述计算机6通过所述控制器7控制所述微电机12；所述红外测温仪8用来测量磨削区温度，所述红外测温仪8由所述磁性底座9将其固定在砂轮罩29上，所述红外测温仪8的一端对着砂轮28磨削区，所述红外测温仪8的另一端连接所述控制器7；
所述磨削液输送系统包括磨削液源10、主管路15、流量控制阀13、分流阀16、左支管路14、右支管路17、左侧喷头1、右侧喷头27、左侧护板2、右侧护板21、固定支架24以及喷孔31；所述磨削液源10与所述主管路15连接，所述流量控制阀13设置在所述主管路15中，所述微电机12连接所述流量控制阀13，使流量控制阀13的阀口开口加大或减小，增加或减小通流面积，进而控制磨削液11流量的大小；所述分流阀16的一端连接所述主管路15，所述分流阀16的另一端分别连接所述左支管路14以及所述右支管路17，所述分流阀16的作用是把所述主管路15中磨削液11分成相等的两部分并分别流入所述左支管路14以及所述右支管路17；所述左侧喷头1通过第一连接螺母3与所述左支管路14连接，所述左侧喷头1通过第一扁螺母5固定在砂轮罩29上，所述左侧喷头1对着所述喷孔31的孔口区；所述左侧护板2通过第一螺栓4固定在所述砂轮罩29上，所述左侧护板2为长条形薄板，用于防止磨削液11向外溅射；所述右侧喷头27通过第二连接螺母22与所述右支管路17连接，由于在砂轮28的右侧没有砂轮罩29，因此采用固定支架24来固定右侧喷头27和右侧护板21。所述固定支架24的一端通过第二螺栓20与所述右侧护板21固连，所述固定支架24的另一端通过内六角螺栓23固定在主轴箱26的箱体上，所述右侧喷头27通过第二扁螺母25固定在所述固定支架24上，所述右侧喷头27对着所述喷口31的孔口区；所述左侧喷头1以及所述右侧喷头27逆着磨削方向，所述左侧喷头1以及所述右侧喷头27的轴线与磨削点法线的夹角β为5°～10°，便于磨削液11在砂轮28与工件30接触磨削时，磨削液11刚好进入磨削区，改善了磨削液11的冷却效果，提高磨削质量。
所述磨削加工系统包括主轴19、砂轮28、主轴箱26、法兰盘18和砂轮罩29；所述砂轮28由法兰盘18固定在所述主轴19上，所述砂轮罩29安装在所述砂轮28外，所述砂轮罩29固定在床身上；所述砂轮28上设有人字型槽，所述人字型槽的宽度5～7mm，槽深6～8mm，人字形槽两边夹角α为90°～120°，相邻人字槽的顶点在圆周上的弧长为6～10mm。
所述砂轮28的基体为带有台阶铝合金圆盘，外圆台阶的轴向厚度20～70mm，沿径向的厚度为25～30mm，在圆盘的圆周上有6mm厚的磨粒层，磨粒为CBN(立方氮化硼)，磨粒单层钎焊在砂轮基体上。
所述砂轮28厚度在40mm以下，人字槽中设有单列的喷孔31，喷孔31位于人字槽的中间位置，喷孔31由径向孔和斜孔两部分组成，在圆周的槽中开有径向孔，在砂轮28的侧面开有斜孔，径向孔与斜孔相通。砂轮28厚度在40mm以上时，人字槽中设有双列的喷孔31，两列喷孔的位置离砂轮28边缘的距离为砂轮28厚度的2/5；喷孔31的直径为3～5mm。
所述砂轮28的切削速度为40～90m/s，所述磨削液11的喷射压力为0.1～0.5MPa，喷口液体流速为10～70m/s。
本发明所提供的一种砂轮设有人字型槽的磨削装置的磨削方法的具体内容如下：
(1)将所述砂轮28通过法兰盘18安装在主轴19上，把砂轮罩29安装好，安装好磨削液流量控制系统以及磨削液输送系统。
(2)将待磨削工件夹装在磨床后，开启机床，砂轮以一定的转速和吃刀深度进行磨削加工，同时红外测温仪检测磨削加工区温度，控制器根据计算机设定的程序预先开启流量控制阀13使所述磨削液11由磨削液源10流出，经主管路15流入流量控制阀13以及分流阀16，然后由分流阀16经左支管路14流入左侧喷头1，经右支管路17流入右侧喷头27，通过喷孔31直接喷到磨削区，使磨削区的工件30得到有效冷却。
(3)磨削过程中，红外测温仪8实时检测磨削加工区温度，并反馈给控制器7，当磨削区温度值超过事先设置的临界值时，控制器7根据设定好的程序控制微电机12，微电机12使流量控制阀13的阀口开口加大，增加通流面积，进而增加磨削液11的流量；反之，当磨削温度较低时，磨削液11的流量自动减小。
本发明采用独特结构的砂轮，磨削液的流量能自动适应磨削时切削参数的变化。可以有效地降低磨削区温度，提高磨削质量，提高去除多余材料的效率，降低加工成本。同已有的磨削加工装置相比，本发明具有以下技术优势：
1、采用铝合金基体的CBN砂轮，不仅使砂轮的基体具有良好的导热性，而且有着很好的刚度。采用钎焊工艺将磨粒钎焊在铝合金基体上。磨粒为CBN，具有硬度高，导热系数高，比磨削能低，同时具有高带热稳定性。
2、在砂轮的圆周上开有均匀的人字形槽，在槽内有的磨削液喷孔。改变了传统磨削加工过程中磨削液的喷送方式，使磨削液进入磨削加工区，更加有效地降低磨削区温度。
3、在砂轮的圆周上开有均匀的人字形槽，而非直槽，避免了带有直槽的砂轮在磨削过程中在砂轮和工件之间产生的周期性振动，消除了磨削过程中的周期性动态冲击载荷，使切削加工更加平稳，提高磨削加工质量，延长了砂轮和机床的使用寿命。
4、从砂轮的两侧喷入磨削液，可以消除单侧喷射时产生的径向力不平衡，有利于减小主轴的轴向串动和摆动的误差，提高磨削加工面的平面度，降低粗糙度值，提高磨削质量。
5、采用较宽的带有双排喷孔的砂轮进行磨削时，不但磨削区得到充分的冷却，而且增加了单次走刀的磨削的宽度，从而减少走刀的次数和在已磨削表面上的接刀痕，有利于减小平面度误差和降低表面粗糙度，减少了机床的空行时间，有利于提高磨削效率。
6、红外测温仪可以实时检测磨削区温度，并反馈给控制器，系统可根据温度的变化，自动调节磨削液的流量的大小，因此可以实现大切深的磨削，将粗磨和精密磨削合并在一起进行磨削加工，不仅提高了加工效率，而且还容易实现半自动化生产。
附图说明：
图1是本发明磨削装置结构示意图；
图2是图1中的A方向视图；
图3是本发明磨削装置中的右喷头固定支架的B-B视图；
图4是本发明磨削装置中的右侧喷头固定支架C-C剖视图；
图5是本发明磨削装置中砂轮的侧面三维造型示意图；
图6是本发明磨削装置中砂轮厚度大于40mm时，双排喷孔砂轮的三维示意图；
图7是本发明磨削装置中砂轮厚度小于40mm时，单排喷孔砂轮的三维示意图。
图中：1：左侧喷头；2：左侧护板；3：第一连接螺母；4：第一螺栓；5：第一扁螺母；6：计算机；7：控制器；8：红外测温仪；9：磁性底座；10：磨削液源；11：磨削液；12：微电机；13：流量控制阀；14：左支管路；15：主管路；16：分流阀；17：右支管路；18：法兰盘；19：主轴；20：第二螺栓；21：右侧护板；22：第二连接螺母；23：内六角螺栓；24：固定支架；25：第二扁螺母；26：主轴箱；27：右侧喷头；28：砂轮；29：砂轮罩；30：工件；31：喷孔。
具体实施方式：
本发明磨削装置包括磨削液流量控制系统、磨削液输送系统以及磨削加工系统。磨削液流量控制系统包括红外测温仪8、磁性底座9、控制器7、计算机6、微电机12、流量控制阀13。磨削液输送系统包括磨削液源10、磨削液11、主管路15、流量控制阀13、分流阀16、左侧喷头1、右侧喷头27、左侧护板2、右侧护板21以及喷孔31。磨削加工系统包括法兰盘18、主轴19、主轴箱26、砂轮28以及砂轮罩29。
砂轮28由法兰盘18固定在由主轴箱26的主轴19上，砂轮28外的砂轮罩29安装在床身上，红外测温仪8由磁性底座9固定在砂轮罩29上，并对着磨削区。磨削液11由磨削液源10经主管路15流入流量控制阀13，红外测温仪8将温度值信号输送给控制器7，控制器7根据计算机6设置的程序处理温度值信号，然后通过微电机12控制流量控制阀13，进而控制磨削液11流量的大小。磨削液11由流量控制阀13流出后经过主管15流入分流阀16，然后被平均分流到左支管路14和右支管路17，然后磨削液11经左支管路14进入磨削液左侧喷头1喷出，磨削液11经右支管路17进入右侧喷头27喷出，喷出的磨削液11通过喷孔31到达工件30上的磨削区。左侧喷头1由第一扁螺母5将其固定在砂轮罩29上，左侧护板2由第一螺栓4将其固定在砂轮罩29上，左支管路14由第一连接螺母3将其与左侧喷头1连接。右侧喷头27由第二扁螺母25固定在固定支架24上，右侧护板21由第二螺栓20固定在固定支架24上，右支管路17由第二连接螺母22将其与右侧喷头27连接，固定支架24由内六角螺栓23固定在主轴箱26上。左侧喷头1和右侧喷头27逆着磨削方向，它们的轴线与磨削点的法线所成的角度β为5°～10°，便于磨削液11在砂轮28与工件30接触磨削时，磨削液11刚好进入磨削区，改善了磨削液11的冷却效果。
磨削时，砂轮切削速度40～90m/s，磨削液11的喷射的压力为0.1～0.5MPa，喷口液体流速为10～70m/s。控制器7由计算机6设置好相应控制程序。磨削加工时，磨削区温度由红外测温仪8测量，当磨削区温度很高时，红外测温仪8将温度值信息反馈给控制器7，控制器7根据设定好的程序控制微电机12，微电机12控制流量控制阀13阀门开口加大，进而使磨削液11的流量增加。磨削液11通过主管路15、分流阀16、左支管路14和右支管路17、左侧喷头1和右侧喷头27到达砂轮28再通过喷孔31进入加工磨削区，增加带走磨削热量，降低磨削区温度，降低磨削热影响，提高磨削加工质量。同时，又由于在砂轮28的两侧都开有喷孔31，并可以采用厚度较厚的砂轮28进行磨削，提高了磨削效率。

Claims (5)

1.一种砂轮设有人字型槽的磨削装置，其特征在于该磨削装置包括磨削液流量控制系统、磨削液输送系统以及磨削加工系统；所述磨削液流量控制系统包括计算机(6)、控制器(7)、红外测温仪(8)、磁性底座(9)、微电机(12)、流量控制阀(13)，所述计算机(6)通过所述控制器(7)控制微电机(12)，所述红外测温仪(8)用来测量磨削区温度，所述红外测温仪(8)由所述磁性底座(9)将其固定在砂轮罩(29)上，所述红外测温仪(8)的一端对着砂轮(28)磨削区，所述红外测温仪(8)的另一端连接所述控制器(7)；所述磨削液输送系统包括磨削液源(10)、主管路(15)、流量控制阀(13)、分流阀(16)、左支管路(14)、右支管路(17)、左侧喷头(1)、右侧喷头(27)、左侧护板(2)、右侧护板(21)、固定支架(24)以及喷孔(31)，所述磨削液源(10)与所述主管路(15)连接，所述流量控制阀(13)设置在所述主管路(15)中，所述微电机(12)连接所述流量控制阀(13)，所述分流阀(16)的一端连接所述主管路(15)，所述分流阀(16)的另一端分别连接所述左支管路(14)以及所述右支管路(17)，所述分流阀(16)的作用是把所述主管路(15)中磨削液(11)分成相等的两部分并分别流入所述左支管路(14)以及所述右支管路(17)，所述左侧喷头(1)通过第一连接螺母(3)与所述左支管路(14)连接，所述左侧喷头(1)通过第一扁螺母(5)固定在所述砂轮罩(29)上，所述左侧喷头(1)对着所述喷孔(31)的孔口区；所述左侧护板(2)通过第一螺栓(4)固定在所述砂轮罩(29)上，所述左侧护板(2)为长条形薄板，用于防止磨削液(11)向外溅射，所述右侧喷头(27)通过第二连接螺母(22)与所述右支管路(17)连接，所述固定支架(24)的一端通过第二螺栓(20)与所述右侧护板(21)固连，所述固定支架(24)的另一端通过内六角螺栓(23)固定在主轴箱(26)的箱体上，所述右侧喷头(27)通过第二扁螺母(25)固定在所述固定支架(24)上，所述右侧喷头(27)对着所述喷口(31)的孔口区，所述左侧喷头(1)以及所述右侧喷头(27)逆着磨削方向，所述左侧喷头(1)以及所述右侧喷头(27)的轴线与磨削点法线的夹角(β)为5°～10°；所述磨削加工系统包括主轴(19)、砂轮(28)、主轴箱(26)、法兰盘(18)以及砂轮罩(29)，所述砂轮(28)由法兰盘(18)固定在所述主轴(19)上，所述砂轮罩(29)安装在所述砂轮(28)外，所述砂轮罩(29)固定在床身上，所述砂轮(28)上设有人字型槽，所述人字型槽的宽度5～7mm，槽深6～8mm，所述人字形槽两边夹角(α)为90°～120°，相邻人字槽的顶点在圆周上的弧长为6～10mm。
2.根据权利要求1所述一种砂轮设有人字型槽的磨削装置，其特征在于所述砂轮(28)厚度在40mm以下时，所述人字槽中设有单列的喷孔(31)，所述喷孔(31)位于所述人字槽的中间位置，所述喷孔(31)由径向孔和斜孔两部分组成，在圆周的槽中开有径向孔，在所述砂轮(28)的侧面开有斜孔，所述径向孔与所述斜孔相通。
3.根据权利要求1所述一种砂轮设有人字型槽的磨削装置，其特征在于所述砂轮(28)厚度在40mm以上时，所述人字槽中设有双列的喷孔(31)，两列喷孔的位置离所述砂轮(28)边缘的距离为所述砂轮(28)厚度的2/5；所述喷孔(31)的直径为3～5mm。
4.根据权利要求1所述一种砂轮设有人字型槽的磨削装置，其特征在于所述砂轮(28)的切削速度为40～90m/s；所述磨削液(11)的喷射压力为0.1～0.5MPa，喷口液体流速为10～70m/s。
5.权利要求1所述磨削装置的磨削方法，其特征在于该方法具体内容如下：
(1)将所述砂轮(28)通过法兰盘(18)安装在主轴(19)上，把砂轮罩(29)安装好，安装好磨削液流量控制系统以及磨削液输送系统；
(2)将待磨削工件(30)夹装在磨床上后，开启机床，砂轮(28)以一定的转速和吃刀深度进行磨削加工，同时红外测温仪(8)检测磨削加工区温度，控制器(7)根据计算机(6)设定的程序预先开启流量控制阀(13)使所述磨削液(11)由磨削液源(10)流出，所述磨削液(11)经所述主管路(15)流入所述流量控制阀(13)以及分流阀(16)，然后由所述分流阀(16)经所述左支管路(14)流入所述左侧喷头(1)，经所述右支管路(17)流入右侧喷头(27)，通过喷孔(31)直接喷到磨削区，使磨削区的工件(30)得到有效冷却；
(3)磨削过程中，所述红外测温仪(8)实时检测磨削加工区温度，并反馈给所述控制器(7)，当磨削区温度值超过事先设置的临界值时，所述控制器(7)根据设定好的程序控制微电机(12)，所述微电机(12)使所述流量控制阀(13)的阀口开口加大，增加通流面积，进而增加磨削液(11)的流量；反之，当磨削温度较低时，磨削液(11)的流量自动减小。
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