CN114310563A - 一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，包括砂轮基体，磨削机构，阻尼机构，位移放大机构与瞬时冷却机构。工作时砂轮定向逆时针旋转，利用磨削机构对多个加工面的复杂工件批量磨削，当切向磨削力变大超过加工前设定的阈值时，在磨削机构的带动下，推动阻尼机构主轴移动，引导位移放大机构产生较大位移，挤压活塞恒量缩小压力室的空气体积从而产生高压，均匀喷出纳米流体，实现对磨削区的瞬时冷却。本发明结构简单，当砂轮磨削机构的薄片单元产生磨损时可以通过替换相应的薄片单元来延长砂轮的寿命，降低生产成本，并且每个具有独立特殊表面结构的薄片单元按照不同加工要求进行相适配的排列组合有助于进一步增强冷却效果，提高工件的表面质量，具有极高的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及砂轮磨削领域，具体涉及一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮。
技术背景
随着航空航天、电子工业及光学研究的快速发展，对于异型复杂结构零件的面型精度和表面粗糙度的加工要求也越来越高，能够有效进入磨削区的有效磨削液数量更是极为有限，也直接导致了磨削区热量的大量累积甚至热损伤，为了提高金刚石砂轮加工时的加工精度，需要提高金刚石砂轮在工作过程中的容屑、排屑、冷却能力，其有效的方式是采用分块式砂轮，利用断续(冲击)磨削功能来提高磨削效率。
砂轮与工件之间由于气障层与磨削区本身的封闭性，且高速磨削时，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响，所以外部冷却并不能起到明显效果，而磨削表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很大程度上受磨削热的影响，且在重载磨削过程只采用外部冷却液输入的单一冷却方式，冷却效率不高，无法对磨削加工过程中出现的复杂工况做出及时响应。如果不能恰当的控制磨削热，就可能导致烧伤、合金元素的再沉积、表层物理化学性能的变化、应力腐蚀、产生残余拉应力、表面次表面裂纹和疲劳寿命降低等缺陷。尽管人们开发了液氮冷却、喷气冷却或干切削，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷却润滑介质。因此，采用砂轮内冷却的注入方法，通过提高供液压力，将高压液体射流从内部喷射，可突破成膜沸腾的障碍，提高弧区换热效率，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。
许多零件也向高档化、异型化、艺术化的方向发展影响砂轮的性能与加工效果，目前普通砂轮在加工多个面的复杂工件时不能做到统一磨削，需要重复加工，所以在减小机械零件摩擦与表面拖曳阻力方面，针对特殊工件磨削的异形化砂轮的研制起到重要的作用。
针对分块式砂轮，专利名称为“一种自适应供给瞬时冷却分块式结构化金刚石砂轮”(公开号：CN112706084A)进行了公告，其原理是在砂轮基座上的薄片单元圆周阵列分布，通过切向力带动瞬时冷却装置从内部喷出冷却液，并且以在表面镀有金刚石磨料形成结构化图案，该砂轮在一定程度上解决了砂轮的散热与磨损问题。但该技术方案仍存在以下问题：机械化铰链传动的精准度较低，在高速磨削中会产生误差；阈值设定的主要元件为弹簧，弹簧超出阈值会产生形变，工作不稳定，且根据不同的材料需重新更换弹簧达到阈值设定的目的较为麻烦；冷却机构的受力方式为挤压，导致喷出冷却液的压力与量不稳定，影响加工表面质量；且该砂轮对多个面的复杂工件加工时不能做到统一磨削，会对工件表面加工精度造成影响。
综上所述，那么如何实现金刚石砂轮磨削过程中磨削液“有效精准”、“柔性”、“恒定高压”供给、砂轮结构“多面化”、“异形化”、“定制化”已经成为刻不容缓的问题。
为获得一种结构化摩擦减阻表面的高效磨削法，基于砂轮的磨削薄片有序化排布设计以及加压内冷却理论，提出一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮。
发明内容
针对工件表面加工高度要求不同，砂轮薄片单元单一且维修成本较大，热量堆积，并且对于在加工过程中出现的复杂工况无法及时响应，冷却液喷出压力及量不稳定等技术问题，本发明的目的在于提供一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，包括砂轮基体，磨削机构，阻尼机构，位移放大机构与瞬时冷却机构，其特征在于：
砂轮定向逆时针旋转，利用所述磨削机构对多个加工面的复杂工件批量磨削，外部冷却液对磨削区进行输送，当切向磨削力变大超过加工前设定的阈值时，在所述磨削机构的带动下，推动所述阻尼机构主轴移动，引导所述位移放大机构产生较大位移，挤压活塞恒量缩小所述瞬时冷却机构的压力室的空气体积产生高压，均匀喷出纳米流体，实现对磨削区的瞬时冷却；
所述砂轮基体的砂轮板外围上开有若干个楔形凹槽，中心有装配孔，中轴线位置开有装配槽，所述楔形凹槽在所述砂轮基体上圆周阵列分布；
所述磨削机构中薄片单元的磨削面为圆弧形；
所述阻尼机构、位移放大机构、瞬时冷却机构位于同一水平面上，从右到左依次排列；
所述阻尼机构为圆柱形，所述阻尼机构由螺钉固定在所述砂轮基体底座上；所述阻尼机构的阻尼主轴与所述位移放大机构的受力活塞轴通过连接器连接，所述位移放大机构为圆锥形，所述位移放大机构由螺钉固定在所述砂轮基体底座上；
所述瞬时冷却机构位于最左边，所述瞬时冷却机构挤压管道与所述位移放大机构的位移放大活塞轴同心配合。
进一步地，所述磨削机构的磨削表面由所述薄片单元阵列组成，所述薄片单元互不影响相互独立，在加工前，根据工件复刻出模板，所述薄片单元在所述模板的作用下，形成不同高度与宽度的成形表面，所述薄片单元侧面开有椭圆小孔，夹紧螺钉进行固定，所述薄片单元正面由凹形挡板通过螺钉固定在磨削基体，抵消砂轮在工作时向心力的作用。
进一步地，所述薄片单元正面与所述凹形挡板内侧面做有防滑处理，所述薄片单元的侧面设有散热槽，且加工表面有激光烧蚀形成独立的结构化图案，根据加工条件以及工件表面宽度，将厚度不同的所述薄片单元组合排列。
进一步地，所述阻尼机构包括固定框体，阻尼主轴，胶质液体，固定阻尼调节活塞，活动阻尼调节活塞，活动框体，受力板，所述阻尼主轴与所述受力板与所述固定框体同心配合，所述固定框体内部被所述胶质液体填满，所述固定阻尼调节活塞与所述外框体焊接，与所述活动阻尼调节活塞螺纹连接，进而调节阻尼机构的阻尼大小。
进一步地，所述活动阻尼调节活塞在加工不同工件前可将所述活动框体固定取消，使所述活动框体根据加工工件硬度不同进行调节，从而改变切向力阈值；拧松所述活动阻尼调节活塞，当工件材料较难加工时，使所述活动框体内移，所述胶质液体体积被压缩，增大阻尼系数；当工件材料较容易加工时，使所述活动框体外移，所述胶质液体体积扩张，减小阻尼系数，调节完毕后将所述阻尼调节活塞拧紧，使所述活动框体固定。
进一步地，所述位移放大机构包括密封腔，受力活塞轴，受力活塞压板，位移放大活塞轴，位移放大活塞压板，高压润滑油，连接器，所述密封腔内装有所述高压润滑油，所述受力活塞轴与所述受力活塞压板位于所述密封腔右侧，所述位移放大活塞轴与所述位移放大活塞压板位于所述密封腔左侧，工作时，由于密封腔右侧腔内面积大于左侧腔内面积，所以产生位移放大的效果。
进一步地，所述瞬时冷却机构包括梯形截面喷头，密封隔离板，压力室，挤压活塞，挤压活塞板，单向阀，冷却液补充口，凹型储存室，倒梯形截面喷射口，挤压管道，复位弹簧，梯形截面喷头，凹型储存室，压力室采用光敏树脂材料，加工简单，成本较低。
进一步地，所述梯形截面喷头的底部与所述凹形储存室上表面相贴合，所述倒梯形截面喷射口下宽上窄，表面作防腐蚀处理。
进一步地，所述瞬时冷却机构中纳米流体所含的纳米颗粒为二氧化硅。
本发明的有益效果：
1、磨削液“有效精准”供给——内置的自适应喷雾器，在外部输送冷却的基础上增加了砂轮磨削区的瞬时冷却，双重冷却供给大大提高了冷却的效率，减少了磨削液的浪费与砂轮的磨损，每个薄片单元表面由激光加工技术烧蚀形成结构化图案，借助薄片单元之间的间隙与结构化特征均化砂轮表面磨削液分布状态并获得最大的有效流量，增大砂轮表面容屑空间，改善冷却润滑条件，降低磨削温度及磨削亚表面损伤。放大机构在作业中是基于帕斯卡原理进行传动与放大，保证了放大机构的在传动的过程中的精准性。
2、磨削液“柔性”供给——阻尼可调机构中胶质液体的密度决定了切向磨削力的阈值。当切向磨削力超过设定阈值时，瞬时冷却机构中喷雾器喷射纳米流体。当磨削区润滑条件得以改善，切向磨削力小于设定阈值时，喷雾器停止喷射。实现磨削液根据实际磨削条件“柔性”供给，保证了纳米流体的可控高效供给。
3、磨削液“恒定高压”供给——切向磨削力超过设定阈值时，砂轮内部内置瞬时冷却机构的挤压活塞在作业中会恒定缩减压力室的体积使其在磨削区内部喷射高压纳米流体，储存室的冷却液可以向压力室在线供给，保证每次冷却液喷射供给量，实现磨削液“恒定高压”供给，从根本上改变材料脆-延性域去除转变临界条件。
4、砂轮结构“多面化”“异形化”“定制化”——将不同结构化图案的薄片单元单个挑选出来，在砂轮主体块上灵活排列，组成纵横比不同的加工砂轮表面，满足根据不同的加工条件及加工要求。根据工件加工表面高度的不同复刻对应模板，可改变砂轮的整体薄片单元的高度和厚度，以适应不同工件加工的情况，在单个薄片单元受到损坏时可以单独更换，降低了使用成本。实现砂轮结构的“多面化”“异形化”“定制化”。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮的正视图；
图2为本发明具体实施方式中砂轮的三维局部放大图；
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与剖视图；
图4位本发明具体实施方式中磨削机构的立体结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中阻尼机构的爆炸结构示意图与剖视图；
图6为本发明具体实施方式中位移放大机构的爆炸结构示意图与剖视图；
图7位本发明具体实施方式中瞬时冷却机构的爆炸结构示意图与剖视图。
具体实施方式
参见图1—6所示为本发明一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，该砂轮主要由砂轮基体1，磨削机构2，阻尼机构3，位移放大机构4与瞬时冷却机构5组成，砂轮定向逆时针旋转，利用磨削机构2对多个加工面的复杂工件批量磨削，外部冷却液对磨削区进行输送，当切向磨削力变大超过加工前设定的阈值时，在磨削机构2的带动下，推动阻尼机构3主轴移动，引导位移放大机构4产生较大位移，挤压活塞5.4恒量缩小瞬时冷却机构5的压力室的空气体积产生高压，均匀喷出纳米流体，实现对磨削区的瞬时冷却；砂轮基体1的砂轮板1.1外围上开有若干个楔形凹槽1.2，中心有装配孔1.4，中轴线位置开有装配槽1.3，楔形凹槽1.2在砂轮基体1上圆周阵列分布；磨削机构2中薄片单元2.1的磨削面为圆弧形；阻尼机构2、位移放大机构3、瞬时冷却机构4位于同一水平面上，从右到左依次排列；阻尼机构3为圆柱形，阻尼机构3由螺钉固定在砂轮基体1底座上；阻尼机构3的阻尼主轴3.2与位移放大机构4的受力活塞轴4.2通过连接器4.7连接，位移放大机构4为圆锥形，位移放大机构4由螺钉固定在砂轮基体1底座上；瞬时冷却机构5位于最左边，瞬时冷却机构5挤压管道5.10与位移放大机构4的位移放大活塞轴4.4同心配合。
磨削机构2的磨削表面由薄片单元2.1阵列组成，薄片单元2.1互不影响相互独立，在加工前，根据工件复刻出模板2.2，薄片单元2.1在模板2.2的作用下，形成不同高度与宽度的成形表面，薄片单元2.1侧面开有椭圆小孔2.3，夹紧螺钉2.4进行固定，在工作时防止薄片单元2.1移动影响加工精度，薄片单元2.1正面由凹形挡板2.5通过螺钉固定在磨削基体2.6，抵消砂轮在工作时向心力的作用，维持砂轮在高速转动中的动平衡。
薄片单元2.1正面与凹形挡板2.5内侧面做有防滑处理，薄片单元2.1的侧面设有散热槽2.8，且加工表面有激光烧蚀形成独立的结构化图案，根据加工条件以及工件表面宽度，将厚度不同的薄片单元2.1组合排列，砂轮表面结构化能够有效的提高磨削加工效率，降低磨削力及磨削过程能量消耗，增大砂轮表面容屑空间，改善冷却润滑条件，降低磨削温度及磨削表面损伤。
阻尼机构3包括固定框体3.1，阻尼主轴3.2，胶质液体3.3，固定阻尼调节活塞3.4，活动阻尼调节活塞3.5，活动框体3.6，受力板3.7，阻尼主轴3.2与受力板3.7与固定框体3.1同心配合，固定框体3.1内部被胶质液体3.3填满，固定阻尼调节活塞3.4与外框体3.1焊接，与活动阻尼调节活塞3.5螺纹连接，进而调节阻尼机构3的阻尼大小。
活动阻尼调节活塞3.5在加工不同工件前可将活动框体3.6固定取消，使活动框体3.6根据加工工件硬度不同进行调节，从而改变切向力阈值；拧松活动阻尼调节活塞3.5，当工件材料较难加工时，使活动框体3.6内移，胶质液体3.3体积被压缩，增大阻尼系数；当工件材料较容易加工时，使活动框体3.6外移，胶质液体3.3体积扩张，减小阻尼系数，调节完毕后将阻尼调节活塞3.5拧紧，使活动框体3.6固定，使该设备能根据不同的加工材料调整自身阻尼从而满足不同情况的加工条件。
位移放大机构4包括密封腔4.1，受力活塞轴4.2，受力活塞压板4.3，位移放大活塞轴4.4，位移放大活塞压板4.5，高压润滑油4.6，连接器4.7，密封腔4.1内装有高压润滑油4.6，受力活塞轴4.2与受力活塞压板4.3位于密封腔4.1右侧，位移放大活塞轴4.4与位移放大活塞压板4.5位于密封腔4.1左侧，工作时，由于密封腔4.1右侧腔内面积大于左侧腔内面积，所以产生位移放大的效果。
瞬时冷却机构5包括梯形截面喷头5.1，密封隔离板5.2，压力室(5.3)，挤压活塞5.4，挤压活塞板5.5，单向阀5.6，冷却液补充口5.7，凹型储存室5.8，倒梯形截面喷射口5.9，挤压管道5.10，复位弹簧5.11，梯形截面喷头5.1，凹型储存室5.8，压力室5.3采用光敏树脂材料，加工简单，成本较低。
梯形截面喷头5.1的底部与凹形储存室5.8上表面相贴合，倒梯形截面喷射口5.9下宽上窄，表面作防腐蚀处理。
瞬时冷却机构5中纳米流体所含的纳米颗粒为二氧化硅。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本砂轮由于其结构特性，设定为单向逆时针旋转。砂轮工作前，对加工工件进行复刻，将模板装入磨削机构2中，使特别选定的薄片单元2.1排列形成相对应的高度与厚度，阻尼机构3根据工件材料的不同调节活动阻尼调节活塞3.5得到对应的阻尼系数；砂轮工作时，磨削机构2中薄片单元2.1对工件进行磨削加工，产生切向磨削力。由于阻尼机构3阻尼系数较大，当砂轮正常工作时，切向磨削力较小，不会被压缩。当切向磨削力因复杂工况突发增大并且达到阈值时，薄片单元2.1逆时针转动，推动阻尼主轴3.2，带动受力板3.7压缩胶质液体3.3，进而挤压受力活塞轴4.2的受力活塞压板4.3，在密封腔4.1内受力活塞压板4.3通过密封高压液体将位移放大，传递到位移放大活塞压板4.5推动位移放大轴4.3，使挤压活塞4.3挤压复位弹簧5.11向里推进，进而压力室5.3压力增大，梯形截面喷头5.1喷出冷却液，在外部冷却液输送的基础上实现砂轮磨削区的瞬时冷却，降低切向磨削力，减少砂轮的磨损且提高了工件表面质量；当切向磨削力降低到阈值以下或薄片单元2.1脱离工作时，复位弹簧5.11回弹，阻尼主轴3.2向右移动复位，使挤压活塞5.4向外运动，凹型储存室5.8的单向阀5.6打开在线给压力室5.3补充冷却液，截面喷头5.1停止喷出冷却液，当冷却液不足时可从冷却液补充口5.7补充。
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 (9)
1.一种自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，包括砂轮基体(1)，磨削机构(2)，阻尼机构(3)，位移放大机构(4)与瞬时冷却机构(5)，其特征在于：
砂轮定向逆时针旋转，利用所述磨削机构(2)对多个加工面的复杂工件批量磨削，外部冷却液对磨削区进行输送，当切向磨削力变大超过加工前设定的阈值时，在所述磨削机构(2)的带动下，推动所述阻尼机构(3)主轴移动，引导所述位移放大机构(4)产生较大位移，挤压活塞(5.4)恒量缩小所述瞬时冷却机构(5)的压力室的空气体积产生高压，均匀喷出纳米流体，实现对磨削区的瞬时冷却；
所述砂轮基体(1)的砂轮板(1.1)外围上开有若干个楔形凹槽(1.2)，中心有装配孔(1.4)，中轴线位置开有装配槽(1.3)，所述楔形凹槽(1.2)在所述砂轮基体(1)上圆周阵列分布；
所述磨削机构(2)中薄片单元(2.1)的磨削面为圆弧形；
所述阻尼机构(3)、位移放大机构(4)、瞬时冷却机构(5)位于同一水平面上，从右到左依次排列；
所述阻尼机构(3)为圆柱形，所述阻尼机构(3)由螺钉固定在所述砂轮基体(1)底座上；所述阻尼机构(3)的阻尼主轴(3.2)与所述位移放大机构(4)的受力活塞轴(4.2)通过连接器(4.7)连接，所述位移放大机构(4)为圆锥形，所述位移放大机构(4)由螺钉固定在所述砂轮基体(1)底座上；
所述瞬时冷却机构(5)位于最左边，所述瞬时冷却机构(5)挤压管道(5.10)与所述位移放大机构(4)的位移放大活塞轴(4.4)同心配合。
2.根据权利要求1所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述磨削机构(2)的磨削表面由所述薄片单元(2.1)阵列组成，所述薄片单元(2.1)互不影响相互独立，在加工前，根据工件复刻出模板(2.2)，所述薄片单元(2.1)在所述模板(2.2)的作用下，形成不同高度与宽度的成形表面，所述薄片单元(2.1)侧面开有椭圆小孔(2.3)，夹紧螺钉(2.4)进行固定，所述薄片单元(2.1)正面由凹形挡板(2.5)通过螺钉固定在磨削基体(2.6)，抵消砂轮在工作时向心力的作用。
3.根据权利要求2所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述薄片单元(2.1)正面与所述凹形挡板(2.5)内侧面做有防滑处理，所述薄片单元(2.1)的侧面设有散热槽(2.8)，且加工表面有激光烧蚀形成独立的结构化图案，根据加工条件以及工件表面宽度，将厚度不同的所述薄片单元(2.1)组合排列。
4.根据权利要求1所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述阻尼机构(3)包括固定框体(3.1)，阻尼主轴(3.2)，胶质液体(3.3)，固定阻尼调节活塞(3.4)，活动阻尼调节活塞(3.5)，活动框体(3.6)，受力板(3.7)，所述阻尼主轴(3.2)与所述受力板(3.7)与所述固定框体(3.1)同心配合，所述固定框体(3.1)内部被所述胶质液体(3.3)填满，所述固定阻尼调节活塞(3.4)与所述外框体(3.1)焊接，与所述活动阻尼调节活塞(3.5)螺纹连接，进而调节阻尼机构(3)的阻尼大小。
5.根据权利要求4所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述活动阻尼调节活塞(3.5)在加工不同工件前可将所述活动框体(3.6)固定取消，使所述活动框体(3.6)根据加工工件硬度不同进行调节，从而改变切向力阈值；拧松所述活动阻尼调节活塞(3.5)，当工件材料较难加工时，使所述活动框体(3.6)内移，所述胶质液体(3.3)体积被压缩，增大阻尼系数；当工件材料较容易加工时，使所述活动框体(3.6)外移，所述胶质液体(3.3)体积扩张，减小阻尼系数，调节完毕后将所述阻尼调节活塞(3.5)拧紧，使所述活动框体(3.6)固定。
6.根据权利要求1所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述位移放大机构(4)包括密封腔(4.1)，受力活塞轴(4.2)，受力活塞压板(4.3)，位移放大活塞轴(4.4)，位移放大活塞压板(4.5)，高压润滑油(4.6)，连接器(4.7)，所述密封腔(4.1)内装有所述高压润滑油(4.6)，所述受力活塞轴(4.2)与所述受力活塞压板(4.3)位于所述密封腔(4.1)右侧，所述位移放大活塞轴(4.4)与所述位移放大活塞压板(4.5)位于所述密封腔(4.1)左侧，工作时，由于密封腔(4.1)右侧腔内面积大于左侧腔内面积，所以产生位移放大的效果。
7.根据权利要求1所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述瞬时冷却机构(5)包括梯形截面喷头(5.1)，密封隔离板(5.2)，压力室(5.3)，挤压活塞(5.4)，挤压活塞板(5.5)，单向阀(5.6)，冷却液补充口(5.7)，凹型储存室(5.8)，倒梯形截面喷射口(5.9)，挤压管道(5.10)，复位弹簧(5.11)，梯形截面喷头(5.1)，凹型储存室(5.8)，压力室(5.3)采用光敏树脂材料，加工简单，成本较低。
8.根据权利要求7所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述梯形截面喷头(5.1)的底部与所述凹形储存室(5.8)上表面相贴合，所述倒梯形截面喷射口(5.9)下宽上窄，表面作防腐蚀处理。
9.根据权利要求1所述的自适应供给瞬时冷却分块式薄片金刚石砂轮，其特征在于：所述瞬时冷却机构(5)中纳米流体所含的纳米颗粒为二氧化硅。
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