CN112720254A - 一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，包括砂轮基体、磨削块、冷却喷瓶、喷瓶喷口、板状热管散热器与自复位机构。工作时，进入磨削区的所述磨削块受到法向磨削力压缩自复位机构的同时挤压冷却喷瓶，进而从喷瓶喷口喷出冷却液。调整自复位机构中的压簧来设定法向磨削力临界值，当法向磨削力降低到临界值以下或磨削块脱离磨削工作区时，利用所述自复位装置实现所述磨削块自动复位，冷却喷瓶进而停止喷出冷却液。实现重负荷砂轮的自适应内冷却。本发明结构紧凑，可根据工况实时调整冷却液喷出流量，大幅度改善冷却降温效果，有效降低重负荷磨削中砂轮磨损率，延长重负荷砂轮的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及磨削工具技术领域，尤其涉及一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮。
技术背景
重负荷砂轮的发展依赖于钢铁工业的发展，它主要用于钢铁工业中对钢锭、钢坯、钢板的修磨以及各种铸件的表面清理。其工作特点是磨削压力大，磨削效率高。重负荷砂轮要在很高的负荷压力下工作，来实现高速高效磨削，所以这就对砂轮的机械强度要求很高，而砂轮的机械强度取决于它的结构。
公开号为“CN104308757A”、发明名称为“一种超硬材料金属结合剂骨架式高速重负荷砂轮”的发明专利提供一种超硬材料金属结合剂骨架式高速重负荷砂轮，其原理是通过焊接或用树脂胶接的方法将超硬材料金属结合剂骨架固定在砂轮基体上，同时将填充材料挤压到超硬材料金属结合剂骨架之间，经过动平衡或静平衡等最后制得高速重负荷砂轮。该砂轮采用超硬材料金属结合剂骨架来降低成本，且具有使用安全、节能、环保的特点。然而该技术方案仍旧存在以下几个缺点：
1.砂轮无法根据实际工作条件进行实时反馈。仅能够进行磨削作业，当磨削过程中所受过大法向磨削力时砂轮磨损严重甚至有整体报废的可能，功能单一，不利于磨削质量的提升。
2.冷却液传送效率低下。重负荷磨削中砂轮转速高，仅仅依靠外部低压系统的冷却液供给，其速率不足以穿透砂轮周围气障层，导致冷却液传送效率低下，难以满足使用需求。
3.维护成本高。重负荷磨削磨料砂轮工作环境恶劣且易损耗，其价格昂贵，不仅整体更换的成本过大而且每次都耗时耗力，严重影响工作效率。
4.重负荷砂轮内部散热效果不佳。重负荷磨削中磨削区域温度较高，砂轮内部所积攒热量不易排出，容易对砂轮造成热损伤，减少砂轮使用寿命。
因此，需要寻求一种新的技术方案来解决上述问题发明内容。
发明内容
为解决现有重负荷磨削中冷却方式单一、外部冷却液喷洒装置难以直接输送进磨削区、无法对复杂工况进行及时反馈等问题，本发明公开了一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮。
为了实现上述目的该发明提供了一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，重负荷砂轮包括砂轮基体、磨削块、冷却喷瓶、喷瓶喷口、板状热管散热器与自复位机构，砂轮旋转进行作业时，利用磨削块对工件进行加工，外部冷却液向磨削区进行输送，当法向磨削力变大超过设定临界值时，磨削块压缩自复位机构的同时挤压冷却喷瓶，进而从喷瓶喷口喷出冷却液，待法向磨削力降低到临界值以下或所述磨削块脱离磨削工作区时，自复位机构再次推动所述磨削块向上复位，所述冷却喷瓶进而停止喷出冷却液；砂轮基体外圆周面开有若干以环形阵列排布的凹槽，砂轮基体由整体铸造加工及机械加工而成，每个凹槽内加工有螺杆、孔洞以及矩形限位凸台；同时砂轮基体中心处加工有装配孔。
进一步地，磨削块中底板为拱桥形结构，其上方端面装载一体烧结而成的磨削单元，磨削单元与砂轮宽度一致，磨料为锆刚玉，选用树脂结合剂，磨削单元与底板中心处均加工有通孔；磨削块内部通孔内壁直接加工出阵列排布的带坡度矩形结构槽，带坡度矩形结构槽有助于冷却液单向输送，避免冷却液回流，有效防止磨屑在通孔内堆积。
进一步地，冷却喷瓶包括瓶体、密封胶圈、活塞、弹簧以及瓶底座，瓶体采用硅胶材质压模成型，上瓶身为锯齿型挤压瓶身，下瓶身为直筒型瓶身，冷却喷瓶底座上端面接有支撑轴，所述支撑轴的圆柱轴肩可扣锁在活塞底面卡槽内并限制所述活塞下降高度；密封胶圈装配在瓶体与活塞之间，其通过所述活塞外柱面安装沟槽进行限位，以此确保冷却液仅能够从瓶口喷出；使用前从瓶口注满冷却液，保持弹簧的压缩状态；当上瓶身内冷却液随工作进程不断消耗时，弹簧因上方压力载荷减小从而推动活塞，维持冷却液上水平面始终恒定，使得冷却液可以顺利喷出。
进一步地，喷瓶喷口包括喷口外套、连接杆、喷口基座以及装配螺钉；喷口外套、连接杆以及喷口基座采用装配螺钉连接；喷口外套在与连接杆周向接触处设置有若干滚子，同时喷口外套内部流道具有一定弯度，大大提高冷却性能。
进一步地，板状热管散热器包括铜片、铜支架。
进一步地，自复位机构包括支撑主轴、心轴、推力球轴承、支撑垫圈、一级压簧、二级压簧、压板、支撑内套、挡板；该自复位机构利用压簧达到分级反馈调节的目的，其压簧可令磨削块在离开磨削区停止承受法向磨削力的状态下或法向磨削力降低到临界值以下及时回复到初始工作位置；
在第一状态时，当所受法向磨削力大于一级压簧弹力，所述一级压簧被压缩，支撑内套朝向压板移动；
在第二状态时，当所受法向磨削力大于一级压簧的弹力和二级压簧的弹力之和时，所述压板开始压缩所述一级压簧和所述二级压簧；
进一步地，所述自复位机构中压簧的型号可根据工件材料的不同进行选择，从而调整法向磨削力临界值，以此来应对多种磨削工况上述一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，与现有的技术相比，其有益效果在于：
(1)可根据实时工况及时进行反馈、调整。降低磨削力对于该砂轮损害，延长砂轮使用寿命。通过改变压簧型号来设定临界值，当所受压力达到所设定临界值时，弹簧的压缩量才会随载荷的增大而发生变化。
(2)砂轮内部安装有自适应供给的冷却喷瓶。于外部冷却液喷洒装置运行工作的基础上实现砂轮磨削区的瞬时冷却，内外结合式喷射冷却液。当法向磨削力因复杂工况突发增大并且达到临界值时，喷瓶受到挤压，进而直接喷射作用于磨削区，当法向磨削力降低到临界值以下或所述磨削单元脱离工作时，冷却喷瓶停止喷射冷却液，同时自复位机构的多级压簧设计能够防止冷却液单次瓶喷射过量。喷瓶底部活塞推进机构始终确持冷却液上水平面恒定。
(3)可装卸式磨削块极大降低了砂轮制造成本。可逐个更换维护，根据实际工作条件任意调节所需磨削块样式，显著提升加工效率。其中心处通孔加工有阵列排布的带坡度矩形结构槽，有助于冷却液单向输送，避免冷却液回流，从而解决磨屑堵塞喷射口的问题。
(4)配备板状热管散热器。利用热管的优秀导热性能将磨削块内部热量导出，再借由翅片散发。该板状热管散热器有结构紧凑和单方向传热的优点，适用于在狭小空间内高效散热，改善磨削环境，明显减少砂轮热损伤。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中一种基于磨削区法向磨削力的冷却自适应供给的重负荷砂轮的正剖切面图。
图2为本发明具体实施方式图1之中I处局部放大图。
图3为本发明具体实施方式中砂轮基体的立体结构示意图。
图4位本发明具体实施方式中磨削块的立体结构示意图。
图5为本发明具体实施方式中磨削块中心通孔内的的单个带坡度矩形立体结构示意图。
图6为本发明具体实施方式中冷却喷瓶的立体结构示意图与剖视图。
图7为本发明具体实施方式中瞬时喷瓶喷口的立体结构示意图。
图8为本发明具体实施方式中板状热管散热器的立体结构示意图与剖视图。
图9为本发明具体实施方式中板状热管散热器内的的单个带坡度矩形立体结构示意图。
图10为本发明具体实施方式中自复位机构的立体结构示意图与剖视图。
其中：1-砂轮基体、1.1-凹槽、1.1.1-螺杆、1.1.2-孔洞、1.1.3-矩形限位凸台、2-磨削块、2.1-磨削单元、2.2-底板、2.3-带坡度矩形结构槽、3-冷却喷瓶、3.1-瓶体、3.1.1-上瓶身、3.1.2-下瓶身、3.1.3-瓶口、3.2-密封胶圈、3.3-活塞、3.3.1-底面卡槽、3.3.2-安装沟槽、3.4-弹簧、3.5-瓶底座、3.5.1-卡位凸圈、3.5.2-支撑轴、3.5.3-圆柱轴肩、4-喷瓶喷口、4.1-喷口外套、4.1.1-喷口流道、4.2-连接杆、4.3-喷口基座、4.3.1-圆孔、4.4-装配螺钉、5-板状热管散热器、5.1-铜片、5.1.1-带坡度矩形结构槽、5.1.2-带坡度凹槽、5.2-铜支架、5.2.1-翅片、5.3-内腔、6-自复位机构、6.1-支撑主轴、6.2-心轴、6.3-推力球轴承、6.4-支撑垫圈、6.5-一级压簧、6.6-二级压簧、6.7-压板、6.8-支撑内套、6.9-挡板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参见图1-2所示为本发明一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮的正视图，其主要包括砂轮基体1、磨削块2、冷却喷瓶3、喷瓶喷口4、板状热管散热器5与自复位机构6。
参见图3所示砂轮基体1外圆周面上开有4个凹槽1.1，凹槽1.1以砂轮基体1中心形成环形阵列结构；凹槽1.1内部加工有螺杆1.1.1、孔洞1.1.2以及矩形限位凸台1.1.3便于定位装配；同时砂轮基体1中心处加工有装配孔。
参见图4-5所示磨削块2包括磨削单元2.1、底板2.2。其中底板2.2为拱桥形结构，其上方端面装载一体烧结而成磨削单元2.1，该磨削单元2.1宽度与砂轮宽度一致，磨料为锆刚玉，选用树脂结合剂；所述磨削单元2.1与所述底板2.2中心处均加工有通孔便于内冷却液喷射，通孔内壁直接加工出阵列排布的带坡度矩形结构槽2.3，所述带坡度矩形结构槽2.3有助于冷却液单向输送，避免冷却液回流；磨削块2的底板2.2与自复位机构6采取螺栓连接。
参见图6所示冷却喷瓶3包括瓶体3.1、密封胶圈3.2、活塞3.3、弹簧3.4以及瓶底座3.5。瓶体3.1采用硅胶材质压模成型，上瓶身3.1.1为锯齿型挤压瓶身，下瓶身3.1.2为直筒型瓶身，瓶口3.1.3加工有螺纹与喷瓶喷口4相配合；瓶底座3.5外柱面设有卡位凸圈3.5.1，瓶体3.1内壁上开有与所述卡位凸圈3.5.1相配合的卡位凹圈；所述瓶底座3.5底部加工有矩形凹槽与砂轮基体1的矩形凸台1.1.3相配合，以便于冷却喷瓶3定位；瓶底座3.5上端面接有支撑轴3.5.2，所述支撑轴3.5.2的圆柱轴肩3.5.3可扣锁在活塞3.3底面卡槽3.3.1内并限制所述活塞3.3下降高度；密封胶圈3.2装配在瓶体3.1与活塞3.3之间，其通过所述活塞3.3外柱面安装沟槽3.3.2进行限位，以此确保冷却液仅能够从瓶口3.1.3喷出。使用前从瓶口3.1.3注满冷却液，保持弹簧3.4的压缩状态；当上瓶身3.1.1内冷却液随工作进程不断消耗时，弹簧3.4因上方压力载荷减小从而推动活塞3.3，维持冷却液上水平面始终恒定，使得冷却液可以顺利喷出。
参见图7所示喷瓶喷口4包括喷口外套4.1、连接杆4.2、喷口基座4.3以及装配螺钉4.4。喷口外套4.1、连接杆4.2以及喷口基座4.3采用装配螺钉4.4连接；喷口外套4.1在与连接杆4.2周向接触处设置有若干滚子，以此实现喷口外套4.1周向转动。当喷瓶喷口4工作时，所述喷口外套4.1设有的若干具有弯度喷口流道4.1.1，每条喷口流道4.1.1可以确保冷却液在喷出同时可以带动所述喷口外套4.1周向旋转一定角度。喷口基座4.3设有螺纹与瓶口3.1.3相配合，并且端面开有若干圆孔4.3.1其截面远大于喷口流道4.1.1截面面积，保证冷却液稳定输出，待冷却喷瓶3内部冷却液不足时可卸去喷瓶喷口4进行补充。
参见图8-9所示板状热管散热器5包括铜片5.1、铜支架5.2。
(1)选择适合进行激光加工、具有较高热导率的铜片作为原材料。
(2)对铜片5.1的单面连续进行两次飞秒激光加工，加工出阵列排布的带坡度矩形结构槽5.1.1；其中，第一次加工出阵列排布的带坡度矩形结构槽5.1.1作为吸液芯，第二次加工出沿铜片长度方向的多条横截面为特定形状的带坡度凹槽5.1.2。经过两次激光加工得到带有矩形表面结构的吸液芯。
(3)通过步骤(2)加工出的两片铜片5.1，将所述两片铜片5.1带有坡度矩形的一面相对、并在所述两片铜片5.1之间放入铜支架5.2，再用夹具进行定位、夹紧。先利用冷焊的方法进行固接，之后通过氩弧焊再次焊接将所述两片铜片5.1和所述铜支架5.2密封，得到板状热管，所述板状热管为铜片5.1、铜支架5.2和铜片5.1的三层密封结构，所述两片铜片5.1和所述铜支架5.2共同形成内腔5.3。
(4)在板状热管的其中一片铜片上，采用无热影响区的飞秒激光钻孔，加工出抽真空灌液孔，通过真空灌注机对板状热管抽真空并向板状热管内部灌注液态工作介质，所述液态工作介质为乙醇或丙酮等，可根据具体换热需要选择；再对真空灌液孔进行激光焊接密封。
(5)铜支架5.2两侧装有翅片5.2.1，焊接合并而成的板状热管散热器5可实现导、散热一体化，之后通过螺纹连接并均匀阵列安装在磨削块2的底板2.2上。
参见图10所示自复位机构6包括支撑主轴6.1、心轴6.2、推力球轴承6.3、支撑垫圈6.4、一级压簧6.5、二级压簧6.6、压板6.7、支撑内套6.8、挡板6.9。支撑主轴6.1中心加工有螺纹孔可与心轴6.2、螺杆1.1.1进行定位装配；心轴6.2两端装有推力球轴承6.3，可确保心轴6.2不会与其他零件直接发生摩擦；支撑内套6.8两侧加工有螺纹孔便于与磨削块2的底板2.2螺栓连接；压簧可令磨削块2在离开磨削区停止承受法向磨削力的状态下或法向磨削力降低到临界值以下及时回复到初始工作位置。在第一状态时，当所受法向磨削力大于一级压簧6.5弹力，所述一级压簧6.5被压缩，支撑内套6.8朝向压板6.7移动。在第二状态时，当所受法向磨削力大于一级压簧6.5的弹力和二级压簧6.6的弹力之和时，所述压板6.7开始压缩所述一级压簧6.5和所述2级压簧6.6。两段压簧可有效防止冷却喷瓶3内冷却液单次工作磨削喷出过量。
砂轮工作时，磨削块2中磨削单元2.1对工件进行磨削加工，产生法向磨削力。由于自复位机构6弹簧弹性系数较大，当砂轮正常工作时，法向磨削力较小，压簧不会被压缩。当法向磨削力因复杂工况突发增大并且达到临界值时，进入磨削区的所述磨削单元2.1受到法向磨削力，压缩自复位机构6内部压簧同时挤压冷却喷瓶3的上瓶身3.1.1，进而冷却液通过喷瓶喷口4的喷口流道4.1.1进行螺旋式喷洒，于外部冷却液喷洒装置运行工作的基础上实现砂轮磨削区的瞬时冷却，降低法向磨削力，减少砂轮的磨损；当法向磨削力降低到临界值以下或所述磨削块2脱离磨削工作区时，被压缩的所述自复位机构6内部压簧推动所述磨削块2向上复位，所述冷却喷瓶3进而停止喷出冷却液。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，其特征在于：重负荷砂轮包括砂轮基体(1)、磨削块(2)、冷却喷瓶(3)、喷瓶喷口(4)、板状热管散热器(5)与自复位机构(6)，砂轮旋转进行作业时，利用磨削块(2)对工件进行加工，外部冷却液向磨削区进行输送，当法向磨削力变大超过设定临界值时，磨削块(2)压缩自复位机构(6)的同时挤压冷却喷瓶(3)，进而从喷瓶喷口(4)喷出冷却液，待法向磨削力降低到临界值以下或所述磨削块(2)脱离磨削工作区时，自复位机构(6)再次推动所述磨削块(2)向上复位，所述冷却喷瓶进而停止喷出冷却液；砂轮基体(1)外圆周面开有若干以环形阵列排布的凹槽(1.1)，砂轮基体(1)由整体铸造加工及机械加工而成，每个凹槽(1.1)内加工有螺杆(1.1.1)、孔洞(1.1.2)以及矩形限位凸台(1.1.3)；同时砂轮基体(1)中心处加工有装配孔。
2.根据权利要求1所述基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，其特征在于：磨削块(2)中底板为拱桥形结构，其上方端面装载一体烧结而成的磨削单元(2.1)，磨削单元(2.1)与砂轮宽度一致，磨料为锆刚玉，选用树脂结合剂，磨削单元(2.1)与底板(2.2)中心处均加工有通孔；磨削块(2)内部通孔内壁直接加工出阵列排布的带坡度矩形结构槽(2.3)，带坡度矩形结构槽(2.3)有助于冷却液单向输送，避免冷却液回流，有效防止磨屑在通孔内堆积。
3.权利要求1所述基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，其特征在于：冷却喷瓶(3)包括瓶体(3.1)、密封胶圈(3.2)、活塞(3.3)、弹簧(3.4)以及瓶底座(3.5)，瓶体(3.1)采用硅胶材质压模成型，上瓶身(3.1.1)为锯齿型挤压瓶身，下瓶身(3.1.2)为直筒型瓶身，冷却喷瓶底座(3.5)上端面接有支撑轴(3.5.2)，所述支撑轴(3.5.2)的圆柱轴肩(3.5.3)可扣锁在活塞底面卡槽(3.3.1)内并限制所述活塞下降高度；密封胶圈(3.2)装配在瓶体(3.1)与活塞(3.3)之间，其通过所述活塞(3.3)外柱面安装沟槽(3.3.2)进行限位，以此确保冷却液仅能够从瓶口(3.1.3)喷出；使用前从瓶口(3.1.3)注满冷却液，保持弹簧(3.4)的压缩状态；当上瓶身(3.1.1)内冷却液随工作进程不断消耗时，弹簧(3.4)因上方压力载荷减小从而推动活塞(3.3)，维持冷却液上水平面始终恒定，使得冷却液可以顺利喷出。
4.权利要求1所述基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，其特征在于：喷瓶喷口(4)包括喷口外套(4.1)、连接杆(4.2)、喷口基座(4.3)以及装配螺钉(4.4)；喷口外套(4.1)、连接杆(4.2)以及喷口基座(4.3)采用装配螺钉(4.4)连接；喷口外套(4.1)在与连接杆(4.2)周向接触处设置有若干滚子，同时喷口外套(4.1)内部流道具有一定弯度，大大提高冷却性能。
5.权利要求1所述一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，其特征在于：板状热管散热器(5)包括铜片(5.1)、铜支架(5.2)。
6.权利要求1所述一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，其特征在于：自复位机构(6)包括支撑主轴(6.1)、心轴(6.2)、推力球轴承(6.3)、支撑垫圈(6.4)、一级压簧(6.5)、二级压簧(6.6)、压板(6.7)、支撑内套(6.8)、挡板(6.9)；该自复位机构(6)利用压簧达到分级反馈调节的目的，其压簧可令磨削块(2)在离开磨削区停止承受法向磨削力的状态下或法向磨削力降低到临界值以下及时回复到初始工作位置；
在第一状态时，当所受法向磨削力大于一级压簧(6.5)弹力，所述一级压簧(6.5)被压缩，支撑内套(6.8)朝向压板(6.7)移动；
在第二状态时，当所受法向磨削力大于一级压簧(6.5)的弹力和二级压簧(6.6)的弹力之和时，所述压板(6.7)开始压缩所述一级压簧(6.5)和所述二级压簧(6.6)；
两段压簧可有效防止冷却喷瓶(3)内冷却液单次工作磨削喷出过量。
7.根据权利要求6所述一种基于磨削区法向磨削力自适应冷却的重负荷砂轮，其特征在于：所述自复位机构(6)中压簧的型号可根据工件材料的不同进行选择，从而调整法向磨削力临界值，以此来应对多种磨削工况。
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