CN115070513A - 一种高刚度断续磨头及其激光辅助制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高刚度断续磨头及其激光辅助制造方法，高刚度断续磨头包括刀柄和设置在刀柄前端的电镀磨头，所述电镀磨头表面设有断续螺旋微阵列结构。本发明的高刚度断续磨头在电镀磨头表面设有的断续螺旋微阵列结构，能够在保证大深度外环件滚道型面磨削质量的基础上，提高磨削加工效率；制造方法中，磨头基体采用激光辅助磨削制造出表面的断续螺旋微阵列结构，激光辅助磨削能够实现磨头基体断续螺旋微阵列结构的高质量低损伤加工，有利于提高后续镀层与基体的把持力。
Description
技术领域
本发明涉及磨削加工领域，特别涉及一种高刚度断续磨头及其激光辅助制造方法。
背景技术
单向齿式联轴器结构尺寸紧凑，承载能力好且传动平稳，其通过齿数相同的内齿圈与带外齿的凸缘半联轴器连接，能够平稳传递两平行轴间的运动与转矩，且允许两连接轴间有一定的角位移，被广泛应用于车辆传动系统与通用机械装备中。但单项联轴器外环件滚道面型复杂(如图1)、轴向尺寸较大、加工难度大、表面一致性差、服役工况恶劣，其加工质量精度直接影响联轴器使用寿命，进而影响车辆与机械传动系统的安全性与可靠性。
齿式联轴器的外环零件一般采用淬硬钢等高强度材料制成，在其滚道型面磨削加工中，由于材料硬度大，磨头排屑难磨损快，致使工件易出现表面烧伤以及质量精度差等问题。因此，对磨头的耐磨性、散热排屑性能以及刚度提出了更高的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、工作可靠的高刚度断续磨头，并提供一种高刚度断续磨头的激光辅助制造方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种高刚度断续磨头，包括刀柄和设置在刀柄前端的电镀磨头，所述电镀磨头表面设有断续螺旋微阵列结构。
上述高刚度断续磨头，高刚度断续磨头整体呈阶梯轴状，刀柄直径为6～7mm，刀柄长度为70mm-110mm，刀柄尾端边缘倒角为1～1.5mm，电镀磨头直径为8～10mm，电镀磨头长度为10～20mm。
上述高刚度断续磨头，所述刀柄材质为高刚度合金材料，所述电镀磨头的基体材质为硬质合金，磨料材质为CBN材质，镀层磨料粒度为200#～300#，镀层厚度为磨料粒度尺寸的1/2～2/3。
上述高刚度断续磨头，所述断续螺旋微阵列结构采用单线螺旋槽或多线螺旋槽。
一种高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：采用有限元软件对比计算接触力作用下不同材质刀柄的让刀变形量，综合考虑不同材质刀柄的成本，在满足刀杆变形量小于1/3尺寸公差要求的前提下，选择成本最低的材质作为最优断续磨头基体材质，断续磨头基体即电镀磨头基体；
步骤S2：在满足断续磨头与待加工工件不发生干涉的前提下，对刀柄悬伸量进行优化；不发生干涉的条件为悬伸量L、外环零件深度H以及刀柄直径D三者满足关系:L>H+1.5D；
步骤S3：采用激光辅助双斜边磨轮加工出断续磨头基体上的断续螺旋微阵列结构；
步骤S4：断续磨头基体完成断续螺旋微阵列结构后，采用羊毛毡以及油性抛光膏抛光至镜面，再进行后续的电镀工艺；
步骤S5：断续磨头制备完成后，检测圆度、圆柱度、磨料体积分数以及镀层质量是否符合要求，符合要求则进入下一步骤；
步骤S6：进行动平衡检测，在选定的测量截面，检测断续磨头是否满足动平衡条件，若不满足条件，对双斜边磨轮进行重新修整。
上述高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，所述步骤S3中，加工工艺参数包括空切时间、进给速度、切削深度以及磨轮的转速，双斜边磨轮的参数为：磨轮粒度为150#-600#，材质为树脂结合剂金刚石双斜边砂轮，斜边夹角为20～45°，直径为150mm-200mm，磨轮宽度小于15mm，加工转速不超过1500r/min。
上述高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，所述步骤S3中，断续螺旋微阵列结构的参数包括螺旋升角α、螺旋槽螺距P、螺旋槽深度以及螺旋线数，其中螺旋槽螺距由进给速度和磨头转速决定，螺旋槽深度等于磨轮进给量，螺旋线数N等于磨轮的往复行程次数，螺旋升角和螺距的关系满足
其中d为磨头工作段直径。
上述高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，所述步骤S3中，断续螺旋微阵列结构加工过程中，加工参数满足以下条件：
假设断续螺旋微阵列结构经过m次修切获得，第i次进刀量为ap(i)，i＝1,2,3,…,m，为保证基体螺旋槽表面加工光整无崩边，则满足条件ap(1)>ap(2)>,…,>ap(m)；
断续螺旋微阵列结构的单个螺距P由公式P＝vw/n获得，其中vw为断续磨头的x向进给速度，单位为mm/min；n为断续磨头的工作转速，单位为r/min，其范围小于20r/min；
螺旋槽间距为sp，sp对应磨轮的空切距离，sh为螺旋槽对应点磨削砂轮的单个螺旋单元沿螺旋方向对应的切削距离；
断续磨头的断续螺旋微阵列结构为多线螺旋槽时，磨轮切入段s1、磨轮切出段s2以及磨轮返回切入段s3的距离和与螺旋线数N满足条件：
其中N满足条件0<N<7且N为整数。
上述高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，所述步骤S3中，采用激光辅助过程中，激光参数满足以下条件：
激光光斑直径小于300um，激光头设置在滑台上，加工过程中激光随滑台移动，滑台的运动方向与磨轮和断续磨头的接触线方向保持一致，激光扫描方向为沿接触线方向往复扫描，滑台的滑动距离sa与接触线长度sl的关系为sa＝sl+0.5mm，以保证断续磨头基体待加工螺旋结构区域材料软化均匀；为保证断续磨头的修整质量，在正式修整前，激光辅助加工参数采用响应曲面法进行优化，以保证断续磨头基体加工质量，激光辅助加工参数包括激光离焦量、激光功率以及移动速度。
上述高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，所述步骤S6中，满足动平衡条件为：断续磨头工作转速为5000r/min-50000r/min，在此转速范围内，断续磨头的跳动量不超过2μm。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的高刚度断续磨头包括刀柄和设置在刀柄前端的电镀磨头，所述电镀磨头表面设有断续螺旋微阵列结构，断续螺旋微阵列结构的设置能够在保证大深度滚道型面磨削质量的基础上，进一步提高磨削加工效率。
2、本发明的制造方法中，磨头基体采用激光辅助磨削制造出表面的断续螺旋微阵列结构，激光辅助磨削能够实现磨头基体断续螺旋微阵列结构的高质量低损伤加工，有利于提高后续镀层与基体的把持力。
附图说明
图1为外环零件示意图。
图2为外环零件滚道型面的示意图。
图3为本发明的断续磨头结构示意图。
图4为图3中电镀磨头的结构示意图。
图5为本发明高刚度断续磨头基体选材优化图。
图6为本发明高刚度断续磨头刀杆长度优化图。
图7为本发明的激光辅助制造断续磨头示意图。
图8为本发明磨头工序中走刀路径示意图。
图9为本发明断续磨头修磨工序示意图。
图中1为刀柄，2为电镀磨头，3为断续螺旋微阵列结构，4为滑台，5为双斜边磨轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
外环零件示意图如图1、图2所示，本发明提出的高刚度磨头主要应用于滚道型面加工。
一种高刚度断续磨头，如图3、图4所示，包括刀柄1和设置在刀柄1前端的电镀磨头2，所述电镀磨头2表面设有断续螺旋微阵列结构3。断续螺旋微阵列结构3能够有效抑制加工表面烧伤，抑制自激振动。
高刚度断续磨头整体呈阶梯轴状，刀柄1直径L1为6～7mm，刀柄1长度L2为70mm-110mm，刀柄1尾端边缘倒角C为1～1.5mm，电镀磨头2直径L3为8～10mm，电镀磨头2长度L4为10～20mm。
所述刀柄1材质为高刚度合金材料，所述电镀磨头2的基体材质为硬质合金，磨料材质为CBN材质，电镀磨头2上镀层磨料粒度为200#～300#，镀层厚度为磨料粒度尺寸的1/2～2/3。
所述断续螺旋微阵列结构3采用单线螺旋槽或多线螺旋槽，一般导热性越差，应采用的螺旋槽线数就应该越多，以增强散热避免材料烧伤。
一种高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：步骤S1：采用有限元软件对比计算接触力作用下不同材质刀柄的让刀变形量，综合考虑不同材质刀柄的成本，在满足刀杆变形量小于1/3尺寸公差要求的前提下，选择成本最低的材质作为最优断续磨头基体材质，断续磨头基体即电镀磨头基体。
如图5所示，实施例为高速钢与硬质合金在切削力作用下的，刀杆变形量对比，高速钢刀杆最大变形位移在0.012mm，硬质合金刀杆的最大变形位移在0.005mm，考虑到外环件滚道加工的尺寸公差需求，选用硬质合金刀杆。
步骤S2：在满足断续磨头与待加工工件不发生干涉的前提下，对刀柄悬伸量进行优化；不发生干涉的条件为悬伸量L、外环零件深度H以及刀柄直径D三者满足关系:L>H+1.5D。
如图6所示，实施例为硬质合金刀杆变形量随悬伸长度的变化关系，根据尺寸精度要求和产品规格要求，可据此进一步优选刀杆悬伸长度。
步骤S3：采用激光辅助双斜边磨轮5加工出磨头基体上的断续螺旋微阵列结构。
图7为激光辅助制造断续磨头的结构图。图8为磨头工序中走刀路径示意图。图9为本发明断续磨头修磨工序示意图。
断续螺旋微阵列结构加工过程中，为抑制硬质合金基体裂纹扩展和崩边，采用激光辅助加工。激光辅助加工过程中激光参数应保证既能软化断续磨头表层材质，又不应超过表层材料相变点，以免磨头表层的耐磨性下降以及螺旋槽边缘磨料大片剥落，影响其使用性能。
加工工艺参数包括空切时间、进给速度、切削深度以及磨轮的转速，双斜边磨轮的参数为：磨轮粒度为150#-600#，材质为树脂结合剂金刚石双斜边砂轮，斜边夹角为20～45°，直径为150mm-200mm，磨轮宽度小于15mm，加工转速不超过1500r/min。
断续螺旋微阵列结构的参数包括螺旋升角、螺旋槽螺距、螺旋槽深度、螺旋槽宽度以及螺旋线数，其中螺旋槽螺距由进给速度和磨头转速决定，螺旋槽深度等于磨轮进给量，螺旋线数等于磨轮的往复行程次数。
断续螺旋微阵列结构加工过程中，加工参数满足以下条件：
假设断续螺旋微阵列结构经过m次修切获得，第i次进刀量为ap(i)，i＝1,2,3,…,m，为保证基体螺旋槽表面加工光整无崩边，则满足条件ap(1)>ap(2)>,…,>ap(m)；
断续螺旋微阵列结构的单个螺距P由公式P＝vw/n获得，其中vw为断续磨头的x向进给速度，单位为mm/min；n为断续磨头的工作转速，单位为r/min，其范围小于20r/min；
断续螺旋槽间距为sp，sp对应磨轮的空切距离，sh为螺旋槽对应点磨削砂轮的单个螺旋单元沿螺旋方向对应的切削距离；
断续磨头的断续螺旋微阵列结构为多线螺旋槽时，磨轮切入段s1、磨轮切出段s2以及磨轮返回切入段s3的距离和与螺旋线数N满足条件：
其中N满足条件0<N<7且N为整数。
采用激光辅助过程中，激光参数满足以下条件：
激光光斑直径小于300um，激光头设置在滑台4上，加工过程中激光随滑台4移动，滑台4的运动方向与磨轮和断续磨头的接触线方向保持一致，激光扫描方向为沿接触线方向往复扫描，滑台的滑动距离sa与接触线长度sl的关系为sa＝sl+0.5mm，以保证断续磨头基体待加工螺旋结构区域材料软化均匀，避免磨轮表面在热应力作用下开裂；为保证断续磨头的修整质量，在正式修整前，激光辅助加工参数采用响应曲面法进行优化，以保证断续磨头基体加工质量，激光辅助加工参数包括激光离焦量、激光功率以及移动速度。
激光所产生的光束不应直接聚焦在磨轮和断续磨头触线上，应保持一定距离，防止磨轮热损伤，影响磨轮的使用寿命。
步骤S4：磨头基体完成断续螺旋微阵列结构后，采用羊毛毡以及0.1um的油性抛光膏抛光至镜面，再进行后续的电镀工艺。
步骤S5：断续磨头制备完成后，检测圆度、圆柱度、磨料体积分数以及镀层质量是否符合要求，符合要求则进入下一步骤。
步骤S6：进行动平衡检测，在选定的测量截面，检测断续磨头是否满足动平衡条件，若不满足条件，对双斜边磨轮进行重新修整。
满足动平衡条件为：断续磨头工作转速为5000r/min-50000r/min，在此转速范围内，断续磨头的跳动量不超过2μm。
Claims (10)
1.一种高刚度断续磨头，其特征在于：包括刀柄和设置在刀柄前端的电镀磨头，所述电镀磨头表面设有断续螺旋微阵列结构。
2.根据权利要求1所述的高刚度断续磨头，其特征在于：高刚度断续磨头整体呈阶梯轴状，刀柄直径为6～7mm，刀柄长度为70mm-110mm，刀柄尾端边缘倒角为1～1.5mm，电镀磨头直径为8～10mm，电镀磨头长度为10～20mm。
3.根据权利要求1所述的高刚度断续磨头，其特征在于：所述刀柄材质为高刚度合金材料，所述电镀磨头的基体材质为硬质合金，磨料材质为CBN材质，镀层磨料粒度为200#～300#，镀层厚度为磨料粒度尺寸的1/2～2/3。
4.根据权利要求1所述的高刚度断续磨头，其特征在于：所述断续螺旋微阵列结构采用单线螺旋槽或多线螺旋槽。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采用有限元软件对比计算接触力作用下不同材质刀柄的让刀变形量，综合考虑不同材质刀柄的成本，在满足刀杆变形量小于1/3尺寸公差要求的前提下，选择成本最低的材质作为最优断续磨头基体材质，断续磨头基体即电镀磨头基体；
步骤S2：在满足断续磨头与待加工工件不发生干涉的前提下，对刀柄悬伸量进行优化；不发生干涉的条件为悬伸量L、外环零件深度H以及刀柄直径D三者满足关系:L>H+1.5D；
步骤S3：采用激光辅助双斜边磨轮加工出断续磨头基体上的断续螺旋微阵列结构；
步骤S4：断续磨头基体完成断续螺旋微阵列结构后，采用羊毛毡以及油性抛光膏抛光至镜面，再进行后续的电镀工艺；
步骤S5：断续磨头制备完成后，检测圆度、圆柱度、磨料体积分数以及镀层质量是否符合要求，符合要求则进入下一步骤；
步骤S6：进行动平衡检测，在选定的测量截面，检测断续磨头是否满足动平衡条件，若不满足条件，对双斜边磨轮进行重新修整。
6.根据权利要求5所述的高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，加工工艺参数包括空切时间、进给速度、切削深度以及磨轮的转速，双斜边磨轮的参数为：磨轮粒度为150#-600#，材质为树脂结合剂金刚石双斜边砂轮，斜边夹角为20～45°，直径为150mm-200mm，磨轮宽度小于15mm，加工转速不超过1500r/min。
7.根据权利要求6所述的高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，断续螺旋微阵列结构的参数包括螺旋升角α、螺旋槽螺距P、螺旋槽深度以及螺旋线数，其中螺旋槽螺距由进给速度和磨头转速决定，螺旋槽深度等于磨轮进给量，螺旋线数N等于磨轮的往复行程次数，螺旋升角和螺距的关系满足
其中d为磨头工作段直径。
8.根据权利要求6所述的高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，断续螺旋微阵列结构加工过程中，加工参数满足以下条件：
假设断续螺旋微阵列结构经过m次修切获得，第i次进刀量为ap(i)，i＝1,2,3,…,m，为保证基体螺旋槽表面加工光整无崩边，则满足条件ap(1)>ap(2)>,…,>ap(m)；
断续螺旋微阵列结构的单个螺距P由公式P＝vw/n获得，其中vw为断续磨头的x向进给速度，单位为mm/min；n为断续磨头的工作转速，单位为r/min，其范围小于20r/min；
螺旋槽间距为sp，sp对应磨轮的空切距离，sh为螺旋槽对应点磨削砂轮的单个螺旋单元沿螺旋方向对应的切削距离；
断续磨头的断续螺旋微阵列结构为多线螺旋槽时，磨轮切入段s1、磨轮切出段s2以及磨轮返回切入段s3的距离和与螺旋线数N满足条件：
其中N满足条件0<N<7且N为整数。
9.根据权利要求6所述的高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用激光辅助过程中，激光参数满足以下条件：
激光光斑直径小于300um，激光头设置在滑台上，加工过程中激光随滑台移动，滑台的运动方向与磨轮和断续磨头的接触线方向保持一致，激光扫描方向为沿接触线方向往复扫描，滑台的滑动距离sa与接触线长度sl的关系为sa＝sl+0.5mm，以保证断续磨头基体待加工螺旋结构区域材料软化均匀；为保证断续磨头的修整质量，在正式修整前，激光辅助加工参数采用响应曲面法进行优化，以保证断续磨头基体加工质量，激光辅助加工参数包括激光离焦量、激光功率以及移动速度。
10.根据权利要求6所述的高刚度断续磨头的激光辅助制造方法，其特征在于，所述步骤S6中，满足动平衡条件为：断续磨头工作转速为5000r/min-50000r/min，在此转速范围内，断续磨头的跳动量不超过2μm。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115070513B (zh) | 2023-11-10 |
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