Development of High-Perance cBN and Diamond Grinding Wheels for High-Speed Grinding翻譯.doc

高性能立方氮化硼的開發(fā)和金剛石砂輪的高速磨削關(guān)鍵詞：高速磨削，立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑砂輪，金剛石砂輪利用立方氮化硼砂輪進(jìn)行高速磨削是一個很普遍的磨削方法，并且現(xiàn)在很需要對于這種方法在技術(shù)層面進(jìn)行改善。因此，有限單元法就被用于優(yōu)化砂輪形狀，而且這個設(shè)計已經(jīng)通過爆破試驗驗證。為了重復(fù)磨削試驗，一個經(jīng)過優(yōu)化并且適合高速磨削的砂輪被研發(fā)出來。這種砂輪的性能不僅通過了磨削試驗，它表面對于修整和配合的調(diào)整性也是合適的。此后，在一個相似的試驗中，一個金剛石砂輪在性能驗證測試中被使用。1、 簡介對于高速磨削效率的改善已經(jīng)有將近六年了，但是，在旋轉(zhuǎn)破壞發(fā)生時普通的砂輪的速度是60m/s。自從立方氮化硼出現(xiàn)在市場上，高速磨削就已經(jīng)被研究了，高速定子的研發(fā)加速了其使用的研發(fā)。立方氮化硼具有高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，這對于高速磨削的切削刃磨粒特別常重要，因為它可以持續(xù)工作更長的時間。高速磨削在20世紀(jì)80年代向?qū)嵺`應(yīng)用的發(fā)展是因為一系列于高速磨削相關(guān)的技術(shù)（磨粒，砂輪，磨床）。特別的，對于高效率凸輪輪廓磨削，高速磨削可以應(yīng)用于汽車零件的加工。在大多生產(chǎn)線上，圓周速度現(xiàn)在已經(jīng)有了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為160m/s，這對于近年來的曲柄軸的高速磨削加工技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)了，而部分生產(chǎn)線已經(jīng)將圓周速度加快到200m/s。為了更為提高高速磨削技術(shù)，這篇報告指出了一些必要的技術(shù)。2、 高速磨削的砂輪設(shè)計一般，高速磨削應(yīng)用的是陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼砂輪，在高速磨削使用的砂輪中，不只需要良好的磨削性能，也需要考慮到對于旋轉(zhuǎn)破壞采用的安全措施，減少由于離心力而產(chǎn)生應(yīng)力和位移，考慮如下三點是非常必要的：* 輪芯材料的選擇* 輪芯的設(shè)計* 粘結(jié)層的粘附方法砂輪的設(shè)計和影響表面光潔度和形狀的砂輪平衡度在下面的部分闡述。2.1 高速磨削的砂輪輪芯對于一個高速磨削砂輪的輪芯，他的材料應(yīng)選用高硬度比。鋁合金，鈦合金和碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）是滿足標(biāo)準(zhǔn)的材料，因為使用這些材料產(chǎn)生的位移量和應(yīng)力較低，材料硬度高，如下面（1）、（2）兩個公式所示。E：彈性模量；v：泊松比；：比重；：角速度；r：內(nèi)徑；R：外徑；K：R/r；g：重力加速度考慮得到所選材料的簡易程度也是我們必須要考慮的。通常使用鈦合金和鋁合金所用到的圓周速度是200m/s，而使用鋼材所達(dá)到的圓周速度為160m/s。最近，大家都倡導(dǎo)要從環(huán)保和減少成本角度考慮回收利用，因此，核心材料的選擇也需要考慮到材料的疲勞強(qiáng)度極限。2.2 砂輪形狀在核心材料的選擇方面，形狀對于高速磨削的砂輪來說也是非常重要的。有限元方法被應(yīng)用于設(shè)計中來減少由于離心力而產(chǎn)生的的應(yīng)力與位移。特別的，因為由于離心力而產(chǎn)生的位移與砂輪損壞直接相關(guān)，所以，控制這方面的位移是設(shè)計的要點。圖表1闡述的就是不同形狀所產(chǎn)生的不同的位移值。而且，為了減少替換砂輪的次數(shù)，調(diào)整最佳砂輪形狀的設(shè)計工作中還需要考慮到砂輪重量的因素。位移值 A：錐形 B：階梯型 C：直線型 圓周速度 m/s 圖表1：圓周速度與位移的關(guān)系2.3 黏著度許多部分結(jié)構(gòu)同金屬芯粘結(jié)的立方氮化硼陶瓷高速砂輪已經(jīng)應(yīng)用于陶瓷結(jié)合劑砂輪。因為材料同核芯的粘結(jié)同脫落和結(jié)構(gòu)損壞直接有關(guān)，所以，為了阻止砂輪損壞，粘結(jié)劑的選擇是很重要的?？紤]零部件的形狀和長度以及優(yōu)化砂輪外徑都可以改善砂輪損壞的速度。圖表2展示的是不同零件長度同砂輪損壞速度的比較。2.4 砂輪平衡不平衡的原因是砂輪由于離心力而產(chǎn)生的震動，砂輪形狀和表面粗糙度的改變增加了后會使不平衡加劇，因為不平衡度近似于旋轉(zhuǎn)速度的二次方，所以在高速磨削開始前必須檢查砂輪是否平衡。砂輪平衡的適應(yīng)度是有標(biāo)準(zhǔn)的，但是不平衡是由于主軸的配合誤差或者不準(zhǔn)確的核芯形狀造成的。圖表3展示的是砂輪不平衡度同主軸的配合誤差的關(guān)系。在這種情況下，由于砂輪安裝后導(dǎo)致的重心改變是其問題所在，解決這個問題可以在輪空安裝O型圈。圖表4闡述的是應(yīng)用O型圈之后主軸配合誤差會變得微不足道。然而這種方法不會減少不平衡量，因此，即使限制砂輪出現(xiàn)更小的不平衡量是很重要的，也要安裝一個平衡緩和裝置，甚至是在工作機(jī)端，這是使工作機(jī)保持平衡適應(yīng)性成為可能所需要的。即使平衡緩和裝置一般采用液壓技術(shù)，但是這對于在一個很高速度運行的砂輪來說仍是不夠的，因為油液容易因離心力的作用流到外面。在砂輪安裝到工作機(jī)上之后，為使其更好的工作，需要增加適量的重力。然而，這種方法從安全的角度上不是很合適，為了使高速磨削更廣泛的得到試用，這個問題應(yīng)該解決。 損壞速度 m/s 零件長度 mm 圖表2：損壞速度和零件長度的對比關(guān)系不平衡度 gcm 主軸配合誤差 m 不平衡度 gcm 主軸配合誤差 m圖表3（上）：不平衡度與誤差的關(guān)系圖表4（下）：安裝O型圈后的不平衡度3.對高速磨削砂輪安全性能的評估一個經(jīng)過多重檢測優(yōu)化后的砂輪會接受一個破壞實驗，之后，這個設(shè)計才會證實安全可靠。圖表5闡述的是一個砂輪在旋轉(zhuǎn)破壞強(qiáng)度試驗機(jī)上的圖片。一個用于壓縮空氣的空氣渦輪作為動力源，砂輪的主軸掛裝在旋轉(zhuǎn)破壞強(qiáng)度試驗機(jī)上，這個試驗機(jī)可以將重達(dá)300千克的砂輪旋轉(zhuǎn)至40,000轉(zhuǎn)每分鐘，這使得測試一個大直徑砂輪的曲柄軸成為可能。經(jīng)過破壞試驗后的砂輪如圖表6中展示的一樣。試驗砂輪是由輕金屬合金制造的，開始的轉(zhuǎn)速是200m/s，使其破壞的速度是550m/s，一組設(shè)計人員正在利用這個試驗研發(fā)一個更加安全的砂輪。 圖表5（左）：砂輪在旋轉(zhuǎn)破壞強(qiáng)度試驗機(jī)上的圖片。 圖表6（右）：破壞試驗后的砂輪。磨削負(fù)載N/mm 磨粒損耗量 cm3 圖表7：磨削負(fù)載與圓周速度的關(guān)系4.高速磨削4.1高速磨削的立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑砂輪為了減少磨粒所承受的負(fù)載，需要增加砂輪的圓周速度，這使得磨削的負(fù)載也相應(yīng)的降低了。這對于高速磨削來說是一個最大的優(yōu)點，因為對于在固定的磨粒負(fù)載來說，它可以更好的提高磨削效率。圖表7展示的就是在固定的磨削條件下中負(fù)載與圓周速度的關(guān)系。對磨削效率的改善也可以延長砂輪的使用壽命。砂輪壽命通常與砂輪上的磨粒數(shù)目有關(guān)，為了增加磨粒數(shù)，減少砂輪磨損是很必要的，這要求適用于耐磨性能符合標(biāo)準(zhǔn)的砂輪。但是，耐磨性能更好的砂輪更容易增加負(fù)載，這對于砂輪形狀的準(zhǔn)確性和表面粗糙度有很大的影響。因此，如果磨削負(fù)載降低了，必須要使用某些步驟來保證工件能夠得到所要求得到的特性。砂輪修整是一種步驟，在高效的高速磨削中這個步驟是非常重要的?，F(xiàn)在有許多立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑砂輪應(yīng)用于高速磨削中，這些砂輪能夠用一個叫做滾輪大磨具的金剛石工具完成修整工作，在修整工作中，立方氮化硼陶瓷切削刃可以進(jìn)行調(diào)整，圓周速比（修整速度/砂輪速度）和適應(yīng)滾輪大磨具的速度也可以改變。圖表8展示的是砂輪修整后得到的磨削特性的概念圖。磨削修整條件是建立在一個很高的圓周速比下的，高速度減小了砂輪的磨削負(fù)載，因為使工件得到一個很高質(zhì)量的程序不可能得到的，所以我們必須綜合考慮能讓砂輪適應(yīng)的條件。因此，我們在需要的條件下讓高速砂輪做磨削試驗和計劃的修整試驗。為了使用滾輪大磨具加工，選擇適用于立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑砂輪的工件很重要，例如，修整工作經(jīng)常使用高速比的立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑砂輪?？紤]滾輪大磨具的耐磨性和硬度是必須的，表面情況適應(yīng)的立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑砂輪可以使用這樣的滾輪大磨具。圖表9展示的是立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑砂輪表面在這些工具下試驗的情況，縱軸是圓周速比，橫軸是磨具進(jìn)給速比。通過圓周速比和進(jìn)給速比我們可以知道改變陶瓷結(jié)合劑表面和立方氮化硼是可能的，當(dāng)砂輪和磨具結(jié)合起來，磨削工作就會得到改善，圖表10中利用一個磨削凸輪的案例展示了這些。4.2 高速磨削中使用的金剛石砂輪立方氮化硼砂輪在高速磨削中的的應(yīng)用如上所述，在高速磨削中，金剛石砂輪也有很高的效率。應(yīng)用金剛石砂輪的高速磨削用于磨削液晶顯示器（LCD）玻璃和汽車玻璃，圖表11展示的是一個在固定條件下板材玻璃磨削的案例。在圖表中，作用很明顯，隨著砂輪轉(zhuǎn)速增加，磨削載荷與表面粗糙度都降低了。圓周速比 高 低 低 進(jìn)給速比 高 圖表8：修整概念圖圓周速比 修整的進(jìn)給速比mm/rev圖表9：激光顯微鏡分析下的立方氮化硼陶瓷結(jié)合劑修配后的表面 比值 應(yīng)力 N 表 面 粗 糙 度 之前 之后 Ram圖表10（左）：改善之后的例子。圖表11（右）：應(yīng)用金剛石砂輪磨削板材玻璃的例子。但是不像立方氮化硼砂輪一樣，應(yīng)用金剛石砂輪，我們就不能即保證了效率又使砂輪磨削得到一個理想的速度，這是由金剛石熱穩(wěn)定性特點決定的，在高速磨削中，磨刃可以達(dá)到一個很高的溫度，這使得金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟?，因此，在使用金剛石砂輪進(jìn)行高速磨削的時候，需要考慮降溫措施。在使用金剛石砂輪進(jìn)行修整作業(yè)時，不像立方氮化硼結(jié)合劑砂輪，我們不可能控制它的磨削載荷或者表面粗糙度，因此，必須采取如下的措施* 為了減小磨削載荷，金剛石必須使用較大尺寸的。* 為了減小表面粗糙度，金剛石的純度必須很高。我們繼續(xù)調(diào)整砂輪的規(guī)格來滿足要求是很重要的。5.結(jié)論高速磨削這個設(shè)計的特點和相應(yīng)砂輪的使用已經(jīng)介紹完了，這里不僅介紹了立方氮化硼砂輪，而且還介紹了金剛石砂輪，許多高速磨削中的砂輪技術(shù)的改進(jìn)都是由大量生產(chǎn)線上的實踐需求所開發(fā)出來的，因此，工件的制造者所制造的工件規(guī)格必須與使用者的需求相適應(yīng)。參考文獻(xiàn)1）H.Aik