CN109397034A - 一种仿生肋状表面砂带磨削工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种仿生肋状表面砂带磨削工艺及装置，其中工艺包括以下步骤：步骤S1：安装砂带磨头和工件；步骤S2：将砂带磨头的轴向摆动至与工件的预设肋状纹路的延伸方向之间的夹角调整为预设角度；步骤S3：调整砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照进给砂带磨头或工件；步骤S4：当砂带磨头或工件进给预设距离后，控制砂带磨头或工件停止移动，并控制砂带磨头自转预设角度并平移预设位移；步骤S5：开启下一行程。本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削工艺，避免了现有技术中加工时砂带必须高速转动的传统工艺限制，得到了纹理连续不断的仿生肋状表面，大大提高了工件的气流减阻、气流减阻、降噪、抗摩擦磨损、抗疲劳、抗高温等能力。

Description

一种仿生肋状表面砂带磨削工艺及装置

技术领域

本申请涉及砂带磨削领域，特别是涉及一种仿生肋状表面砂带磨削工艺及装置。

背景技术

砂带磨削技术是利用进行磨削运动的砂带作为磨具对被加工物表面进行研磨抛光的技术。砂带磨削表面会形成纹理，而纹理的状态与工件的性能有着重大的关系。鲁翰敏等研究了具有不同多尺度特征的点磨削表面纹理试件表面形貌对其功能参数的影响规律并在油润滑和干摩擦两种情况下对试件进行表面摩擦学特性实验，分析后得到了多尺度点磨削表面形貌对表面摩擦学特性的影响规律。温嘉旺研究了多尺度点磨削表面形貌预测方法，并研究了不同纹理方向和磨削深度对试件表面摩擦磨损性能的影响。杜迎慧和张凯娟基于有限元仿真建模研究了磨削纹理对40Cr的摩擦学特性和润滑油匹配性的影响，发现了表面纹理方向通过改变油膜的连续程度和固体间接触的阻碍作用来实现对摩擦因数的改变。

工件的疲劳寿命是指在循环加载条件下，工件产生疲劳破坏所需的应力或应变循环的次数或者时间。疲劳寿命的提高与工件的表面纹理、粗糙度、残余应力等表面完整性特征参数有着重大的关系。疲劳寿命是工件重要的质量参数，提高疲劳寿命就意味着能够工件使用寿命的增加，对于厂家来说就意味着成本的降低。因此大量的学者在这一领域进行了研究，试着提升工件的疲劳寿命。

为了提高工件的疲劳寿命，业内学者们做了大量的工作。广西大学的李小周和黄华梁发现，在45号钢材料的齿轮表面电沉积Ni-P-Co合金层，并将其加热到450℃并保温1个小时之后于空气中冷却，可以提高其接触疲劳强度约1.5倍。黄志超和管昌海等选取实验得出的相对较优的喷丸工艺，对轻量化设计的汽车扭力梁后桥横梁进行喷丸强化并对喷丸前后的扭力梁后桥分别进行弯曲、扭转疲劳实验，研究了喷丸强化对扭力梁后桥横梁处弯曲、扭转疲劳特性的影响。发现喷丸强化能够明显提高扭力梁后桥的疲劳寿命，尤其是扭转疲劳寿命，在S＝±30mm、S＝±40mm两种位移负荷水平下，喷丸强化扭力梁疲劳寿命分别为未强化试样的2倍和4倍。

综合以上的研究现状，可以看出目前对磨削表面的纹理研究的关注点大都集中在表面纹理的摩擦学特性方面，对于肋状纹理的抗疲劳作用关注不够。同时可以看到目前常用的抗疲劳工艺通常都是集中在减少工件表面缺陷，抑制疲劳裂纹的产生方面。但是这样的技术对于工业生产来说会提高工艺要求，导致加工工序复杂化，加工成本上升，在推广上有一定的短板。

因此，如何有效提高工件表面的抗疲劳能力，满足使用需求，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

申请内容

本申请的目的是提供一种仿生肋状表面砂带磨削工艺及装置，用于简化加工工序，降低加工成本，提高产品质量。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种仿生肋状表面砂带磨削工艺，包括以下步骤：

步骤S1：安装砂带磨头和工件；

步骤S2：将所述砂带磨头的轴向摆动至与所述工件的预设肋状纹路的延伸方向之间的夹角调整为预设角度；

步骤S3：调整所述砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照进给所述砂带磨头或所述工件；

步骤S4：当所述砂带磨头或所述工件进给预设距离后，控制所述砂带磨头或所述工件停止移动，并控制所述砂带磨头自转预设角度并平移预设位移；

步骤S5：再次调整所述砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照预设肋状纹路的延伸方向进给所述砂带磨头或所述工件，以开启下一行程。

优选的，当工件的磨削表面为外圆面或者小曲率表面时，则安装所述砂带磨头的轴向与所述工件的轴向垂直的方式安装所述砂带磨头。

优选的，当工件的磨削表面为平面或者大曲率表面，则安装所述砂带磨头的轴向与所述工件的预设肋状纹路的延伸方向垂直的方式安装所述砂带磨头。

优选的，所述步骤S4中的所述预设位移为所述砂带磨头宽度的三人之一至三分之二。

优选的，所述步骤S4中的所述预设距离为所述预设肋状纹路的往返行程。

优选的，所述工件为钛合金棒材，所述钛合金棒材的直径为10～20mm，长度为80～120mm。

优选的，所述步骤S2中的预设角度为90°，所述步骤S3中的预设转速为0～10mm/s，所述步骤S4中的预设距离为0～1000mm，预设位移为0～15mm。

一种仿生肋状表面砂带磨削装置，包括磨削机、砂带磨头以及用于安装所述砂带磨头并带动所述砂带磨头摆动的夹头，所述夹头安装在所述磨削机上，所述砂带磨头包括圆柱形磨头和缠绕在所述磨头上的砂带，所述砂带与所述磨头可在磨削加工时相对位置固定，并且，所述砂带可相对于所述磨头滑动以改变所述砂带的磨削位置。

优选的，所述磨削机上还安装有用于带动所述砂带磨头进给预设距离或平移距离的移动部件。

优选的，所述磨削机上还安装有用于带动所述夹头摆动以控制所述砂带磨头摆动的驱动部件。

本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削工艺，包括以下步骤：步骤S1：安装砂带磨头和工件；步骤S2：将所述砂带磨头的轴向摆动至与所述工件的预设肋状纹路的延伸方向之间的夹角调整为预设角度；步骤S3：调整所述砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照进给所述砂带磨头或所述工件；步骤S4：当所述砂带磨头或所述工件进给预设距离后，控制所述砂带磨头或所述工件停止移动，并控制所述砂带磨头自转预设角度并平移预设位移；步骤S5：再次调整所述砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照预设肋状纹路的延伸方向进给所述砂带磨头或所述工件，以开启下一行程。本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削工艺，避免了现有技术中加工时砂带必须高速转动的传统工艺限制，得到了纹理连续不断的仿生肋状表面，大大提高了工件的气流减阻、气流减阻、降噪、抗摩擦磨损、抗疲劳、抗高温等能力。

本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置，包括磨削机、砂带磨头以及用于安装所述砂带磨头并带动所述砂带磨头摆动的夹头，所述夹头安装在所述磨削机上，所述砂带磨头包括圆柱形磨头和缠绕在所述磨头上的砂带，所述砂带与所述磨头可在磨削加工时相对位置固定，并且，所述砂带可相对于所述磨头滑动以改变所述砂带的磨削位置。本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置利用所述夹头对所述砂带磨头的摆动控制，改变砂带磨头与工件之间的夹角，通过砂带零转动磨削，避免了现有技术中加工时砂带必须高速转动的传统工艺限制，得到了纹理连续不断的仿生肋状表面。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削工艺的流程图；

图2为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置磨削外圆或小曲率面的示意图；

图3为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置磨削平面或者大曲率面的示意图；

图4为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置加工而成的三种形式的三角形肋状结构微观示意图；

图5为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置加工而成的三种形式的梯形肋状结构微观示意图；

图6为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置加工而成的三种形式的圆弧形肋状结构微观示意图；

其中：1砂带，2砂带轮，3平板或大曲率面工件，4圆柱或小曲率面工件，5峰，6谷。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种仿生肋状表面砂带磨削工艺及装置，用于简化加工工序，降低加工成本，提高产品质量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削工艺的流程图；图2为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置磨削外圆或小曲率面的示意图；图3为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置磨削平面或者大曲率面的示意图；图4为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置加工而成的三种形式的三角形肋状结构微观示意图；图5为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置加工而成的三种形式的梯形肋状结构微观示意图；图6为本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置加工而成的三种形式的圆弧形肋状结构微观示意图。其中，图4至图6为图2中A部分以及图3中B部分的三种类型微观示意图的放大图。

在该实施方式中，仿生肋状表面砂带磨削工艺包括以下步骤：

步骤S1：安装砂带磨头和工件；

步骤S2：将砂带磨头的轴向摆动至与工件的预设肋状纹路的延伸方向之间的夹角调整为预设角度；

步骤S3：调整砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照进给砂带磨头或工件；

步骤S4：当砂带磨头或工件进给预设距离后，控制砂带磨头或工件停止移动，并控制砂带磨头自转预设角度并平移预设位移；

步骤S5：再次调整砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照预设肋状纹路的延伸方向进给砂带磨头或工件，以开启下一行程。

在上述各实施方式的基础上，当工件的磨削表面为外圆面或者小曲率表面时，则安装砂带磨头的轴向与工件的轴向垂直的方式安装砂带磨头。

在上述各实施方式的基础上，当工件的磨削表面为平面或者大曲率表面，则安装砂带磨头的轴向与工件的预设肋状纹路的延伸方向垂直的方式安装砂带磨头。

具体的，仿生肋状表面砂带磨削工艺中，包括安装、走刀、移位三个步骤，在安装步骤中，当磨削外圆面或者小曲率表面时，例如圆柱形棒材，根据预设肋状纹路的结构特征，将砂带磨头的轴向与工件轴向呈45～90°安装。并且，砂带磨头的自转速度Vs为0m/s不转动，工件转速为0rad/s；砂带磨头在一定的磨削力下沿进给方向运动，每次行程结束后砂带磨头自转，并且工件自转后，改变砂带磨头与工件的接触点，进入下一次行程。

当磨削平面或者大曲率表面时，例如板材，根据所需要的预设肋状纹路的结构特征，将砂带磨头与预设肋状纹路的延伸方向呈0-45°安装。并且，砂带磨头的自转速度Vs为0m/s不转动，工件静止；砂带磨头在一定的压力下在工件表面沿进给方向运动，每次行程结束后砂带磨头自转一定的角度，砂带磨头或工件平移预设位移后，改变砂带磨头与工件的接触点位置，进入下一次行程。

在上述各实施方式的基础上，步骤S4中的预设位移为砂带磨头宽度的三人之一至三分之二。

在上述各实施方式的基础上，步骤S4中的预设距离为预设肋状纹路的往返行程，即当砂带磨头往返磨削一次作为一个行程，则更换砂带1的磨削位置，同时，更改工件的加工位置。

具体的，对于外圆面或者小曲率表面加工，更换位移为工件主轴转动角度和砂带磨头主轴转动角度；对于平面或大曲率表面加工，更换位移为砂带磨头主轴转动角度和磨头2，即砂带轮，相对于工件的位移矢量。

具体的，在上述各实施方式的基础上，工件为钛合金棒材，钛合金棒材的直径为10～20mm，长度为80～120mm。

在上述各实施方式的基础上，步骤S2中的预设角度为90°，步骤S3中的预设转速为0～10mm/s，步骤S4中的预设距离为0～1000mm，预设位移为0～15mm。

这里需要说明的是，具体的，预设转速需要结合材料属性与所需要的工件表面肋状纹理的排布方式进行选择，是一个远小于常规砂带磨削线速度的量，其范围优选为0～10m/min；预设距离是结合工件的尺寸和加工工艺要求选定的，只要在机床的行程范围内都可以实现，其范围就是机床行程的范围，优选为0～1000mm；平移预设位移一般为小于砂带磨头接触轮宽度的1/3，其范围优选为0～15mm。

本实施例通过给出一种磨削方式，无需砂带磨头高速运行，同时，可以通过改变砂带磨头与预定肋状结构的夹角、砂带磨头进给速度V_P、砂带1磨粒粒度、砂带1植砂方式、磨削压力等参数来实现对肋状结构形状的布局以及其他表面完整性特征的调节与适应。

本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削工艺，通过磨料与材料的交互作用实现材料的去除，突破了加工时砂带1必须高速转动的传统工艺限制，可以得到纹理连续不断的仿生肋状表面，且该表面的肋状纹理可以按照技术要求通过改变砂轮进给速度V_P、砂带1磨粒粒度、砂带1植砂方式等参数进行调整，提高了工件的气流减阻、水流减阻、降噪、抗摩擦磨损、抗疲劳、抗高温等能力的同时避免了工艺复杂化和工序的增加，成本增加较小。

除上述仿生肋状表面砂带磨削工艺外，本申请还提供了一种仿生肋状表面砂带磨削装置。

该仿生肋状表面砂带磨削装置，包括磨削机、砂带磨头以及用于安装砂带磨头并带动砂带磨头摆动的夹头，夹头安装在磨削机上，砂带磨头包括圆柱形磨头2和缠绕在磨头2上的砂带1，砂带1与磨头2可在磨削加工时相对位置固定，并且，砂带1可相对于磨头2滑动以改变砂带1的磨削位置。

在上述各实施方式的基础上，磨削机上还安装有用于带动砂带磨头进给预设距离或平移距离的移动部件。

在上述各实施方式的基础上，磨削机上还安装有用于带动夹头摆动以控制砂带磨头摆动的驱动部件。

本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削装置利用夹头对砂带磨头的摆动控制，改变砂带磨头与工件之间的夹角，通过砂带1零转动磨削，避免了现有技术中加工时砂带1必须高速转动的传统工艺限制，得到了纹理连续不断的仿生肋状表面。

具体的，该磨削装置的工作过程包括安装、走刀、更换三个步骤。

安装步骤中，一般是将砂带磨头的径向与预定的预定肋状结构的延伸方向平行安放，但是为了满足特殊的加工要求，可以选择将砂带磨头与预定肋状结构的延伸方向呈0～90°放置，此时需要对砂带磨头的径向与预定肋状结构方向的夹角、砂带磨头进给速度V_P、砂带1磨粒粒度、砂带1植砂方式、磨削压力等参数进行调整以使得加工后表面形成的肋状纹理方向能够符合预期。

走刀步骤中，砂带磨头的进给方向为砂带磨头的径向，其他参数的设置可以分为两种情况：(1)在磨削外圆面或者小曲率表面时，砂带磨头的自转速度Vs，即线速度，设置为0m/s。若砂带磨头的径向与预定肋状结构的延伸方向一致，应当将工件转速设置为0rad/s；若磨头2径向与预定肋状结构的延伸方向有夹角，则工件转速大于零，具体转速需要根据预期的仿生肋状结构方向与夹角等参数的关系来综合设计。(2)当加工表面为平面或大曲率表面时，砂带1线速度设置为0m/s。若砂带磨头的径向与预定肋状结构的延伸方向一致，则砂带磨头的进给速度V_P应当沿预定的砂带磨头径向；若磨头2径向与预定肋状结构的延伸方向有夹角，则工件应当有一个进给速度V_P，该进给速度V_P的方向和大小等参数应当根据预期的仿生肋状结构方向与夹角等参数的关系来综合设计。

移位步骤中，在一次磨削走刀结束之后，砂带磨头转动一定的角度，将本次行程中所用到的那一段砂带1移开，换成新的。同时：(1)在磨削外圆面或者小曲率表面时，工件需要转动一定的角度，避开已经磨削过的表面；(2)当加工表面为平面或大曲率表面时，工件需要进给一定的距离，避开已经磨削过的表面。

具体的，如图1，在对平板或大曲率面工件3进行加工的时候，将砂带磨头径向根据所需肋状结构的布局以及其他表面完整性特征进行安装(一般是沿所需的肋状结构方向)，砂带1与工件均不运动。砂带磨头在一定的磨削压力下进行进给运动，并根据预设的更换频率和更换长度对砂带1和工件的接触点进行调整；

如图2，在对圆柱或小曲率面工件4进行加工的时候，将砂带磨头径向根据所需肋状结构的布局以及其他表面完整性特征进行安装(一般是沿工件轴向)，砂带1与工件均不运动。砂带磨头在一定的磨削压力下进行进给运动，并根据预设的更换频率和更换长度改变砂带1上的接触点，而工件主轴则根据预设的更换频率和更换长度改变工件上的接触点。

如图3，三种肋状结构的主要不同之处在于微观结构的峰5与谷6形式的不同，图中所列出来的主要有三种形式：三角形、梯形和圆弧形。这三种形式的微观肋状结构在疲劳寿命、抗拉强度、气流减阻、水流减阻、降噪、抗摩擦磨损等性能上有着不同的表现。

以上对本申请所提供的仿生肋状表面砂带磨削工艺及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的工艺及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生肋状表面砂带磨削工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：安装砂带磨头和工件；

步骤S2：将所述砂带磨头的轴向摆动至与所述工件的预设肋状纹路的延伸方向之间的夹角调整为预设角度；

步骤S3：调整所述砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照进给所述砂带磨头或所述工件；

步骤S4：当所述砂带磨头或所述工件进给预设距离后，控制所述砂带磨头或所述工件停止移动，并控制所述砂带磨头自转预设角度并平移预设位移；

步骤S5：再次调整所述砂带磨头的转动速度为预设转速，并按照预设肋状纹路的延伸方向进给所述砂带磨头或所述工件，以开启下一行程。

2.根据权利要求1所述的仿生肋状表面砂带磨削工艺，其特征在于，当工件的磨削表面为外圆面或者小曲率表面时，则安装所述砂带磨头的轴向与所述工件的轴向垂直的方式安装所述砂带磨头。

3.根据权利要求1所述的仿生肋状表面砂带磨削工艺，其特征在于，当工件的磨削表面为平面或者大曲率表面，则安装所述砂带磨头的轴向与所述工件的预设肋状纹路的延伸方向垂直的方式安装所述砂带磨头。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的仿生肋状表面砂带磨削工艺，其特征在于，所述步骤S4中的所述预设位移为所述砂带磨头宽度的三人之一至三分之二。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的仿生肋状表面砂带磨削工艺，其特征在于，所述步骤S4中的所述预设距离为所述预设肋状纹路的往返行程。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的仿生肋状表面砂带磨削工艺，其特征在于，所述工件为钛合金棒材，所述钛合金棒材的直径为10～20mm，长度为80～120mm。

7.根据权利要求6所述的仿生肋状表面砂带磨削工艺，其特征在于，所述步骤S2中的预设角度为90°，所述步骤S3中的预设转速为0～10mm/s，所述步骤S4中的预设距离为0～1000mm，预设位移为0～15mm。

8.一种仿生肋状表面砂带磨削装置，其特征在于，包括磨削机、砂带磨头以及用于安装所述砂带磨头并带动所述砂带磨头摆动的夹头，所述夹头安装在所述磨削机上，所述砂带磨头包括圆柱形磨头和缠绕在所述磨头上的砂带，所述砂带与所述磨头可在磨削加工时相对位置固定，并且，所述砂带可相对于所述磨头滑动以改变所述砂带的磨削位置。

9.根据权利要求8所述的仿生肋状表面砂带磨削装置，其特征在于，所述磨削机上还安装有用于带动所述砂带磨头进给预设距离或平移距离的移动部件。

10.根据权利要求8所述的仿生肋状表面砂带磨削装置，其特征在于，所述磨削机上还安装有用于带动所述夹头摆动以控制所述砂带磨头摆动的驱动部件。