硬质合金弧面磨削方法试验研究

高建,赵云,叶茂,吴翔,钟双有

自贡硬质合金有限责任公司

硬质合金耐磨零件是由碳化钨、钴、镍等粉末按照一定比例混合,通过压制、烧结、加工得到的硬度高、耐磨性好的合金材料,目前主要采用磨削和线切割加工硬质合金。

近年来,关于硬质合金零件的磨削加工工艺研究主要集中在加工参数的优化、材料组织性能对加工的影响和材料去除方式等方面,黄向明等[1]通过分析砂轮单颗磨粒与工件的接触长度和最大未变形切屑厚度的关系,建立了磨削力学模型。舒良超[2]提出一种磨削加工宽弧面的方法,在一般中小设备上利用数控系统实现精确定位分段成形磨削。郑清等[3]提出一种结合简化砂轮表面形貌的磨削力计算模型,可以计算各磨粒轨迹互相干涉下的实际切深。张东生等[4]利用有限元数值仿真的方法对硬质合金磨削温度场进行了分析。詹友基等[5]对纳米晶粒硬质合金的磨削力进行实验研究与预测发现,磨削力随砂轮线速度增加而减小,随磨削深度和进给速度增大而增大。卢继等[6]研究了不同加工参数对磨削表面质量的影响。苏伟等[7]提出用双端面磨床加工带台阶或高径比大的产品的装夹改善措施。江湘颜等[8]和苏珍发等[9]利用Fluent软件进行磨削点的有限元仿真,并分析了工艺参数对磨削温度的影响规律。张磊[10]通过测量不同加工参数下的磨削力发现,磨削力和磨削比能与单颗磨粒最大未变形切屑厚度、切削长度、材料的物理机械性能和材料去除方式有关。Zhang Yuzhou等[11]建立了基于砂轮表面形貌的综合模型,并利用建立的模型对硬质合金的磨削过程进行仿真分析,得到基于未变形切屑厚度分布的表面粗糙度模型和比磨削能量模型。Yang J.等[12]利用聚焦离子束(FIB)层析成像技术对WC-Co类材料的磨削损伤进行表征,识别出硬质合金加工过程中产生的微裂纹遵循不同的显微结构路径。詹友基等[13]研究了加工参数对纳米晶粒硬质合金磨削表面质量的影响。杨淮文等[14]探究了CFRP砂轮与钢基体砂轮在高速磨削过程中的动力学特性,并在数控凸轮轴磨床上开展磨削过程的动力学特性试验。

目前,对硬质合金零件的加工仍然以磨削为主,在实际加工过程中,往往除了常规的内孔、外圆和倒角磨削之外,还会经常出现倒圆弧面磨削加工。目前磨削圆弧的工艺大多采用成形法,把砂轮修整成需要磨削的形状尺寸,采用切磨或靠磨的磨削方法接触工件直接成形,此种加工方式操作简单,但进刀量小,加工效率低,同时硬质合金材料硬度高,砂轮消耗快,砂轮形状保持性低。另一种磨削方法是采用砂轮轴带旋转头的数控磨床,通过旋转头带动砂轮轴做旋转运动,并在机床上做往复运动完成加工,此种加工方法磨削效率较高,但设备往往价格昂贵,普通中小型加工企业配备较少。

本文提出一种硬质合金倒圆弧磨削走磨法,并通过建立弧面磨削走磨法磨粒的运动轨迹和磨削动态有效磨刃数Nd方程,利用试验研究了砂轮不同修整半径R对磨削圆弧r加工效率的影响,分析了砂轮不同修整半径R对砂轮的保持性的影响,为硬质合金弧面磨削加工提供一种参考依据。

2.1 砂轮修整半径R与工件接触长度

圆弧磨削磨粒的运动轨迹如图1所示。将砂轮外圆修整成半径为R的圆弧,确保砂轮修整半径R>磨削圆弧半径r。以o′为原点,建立磨削过程坐标系。磨削时,砂轮端面圆弧点A为砂轮起始点,其磨削过程由点位A走磨到点位B,刚好走完一个砂轮修整半径R的1/4圆弧,这样砂轮实际磨削部位对应完成从C到D的一个1/4圆弧磨削过程。加工过程类似平面磨削过程,圆弧r是按照走磨的进刀方式加工而成,砂轮在x方向和y方向均有一个较小进刀速度。

图1 圆弧磨削磨粒运动轨迹

砂轮表面与工件接触的单颗磨粒的运动方程为

(1)

(2)

式中,R为砂轮修整半径;V为砂轮进刀速度;VS为砂轮线速度;φ为砂轮接触点与x轴方向的夹角。

磨削时,砂轮与工件接触单元的长度为

(3)

(4)

(5)

由于V远小于VS,接触角φ较小,φ≈sinφ。

根据磨削原理[15],有

(6)

式中,ap为砂轮进刀量。

2.2 动态有效磨刃数Nd

动态有效磨刃数Nd是指砂轮与工件相对运动加工过程中,在砂轮和工件的接触弧上测得的有效磨刃数。单位面积内有效磨刃数越多加工效率越高,相关研究证明,加工过程中动态有效磨刃数比静态有效磨刃数少,因此在进行弧面走磨磨削时需要提高动态有效磨刃数Nd。

动态有效磨刃数的计算方式为

(7)

式中,Ag为与静态磨刃数的比例系数;c1为与磨刃密度有关的系数;ads为动态切入加工表面的深度。

(8)

式中,ks为与砂轮磨刃形状有关的系数;de为与砂轮当量直径;ap为磨削深度;vs为砂轮速度;vw为工件速度。

将式(8)代入式(7),可得沿砂轮与工件实际接触弧的动态有效磨刃数为

(9)

其中

式中,p,q,α均为指数,p=2,q=1,α=1/3。

即

(10)

3.1 试验设备及条件

以阀座φ50×φ32×12-r3为例。设备采用带数控系统的M2110C内圆磨床,如图2所示。采用夹具体装夹,方便重复定位更换阀座工件。由于磨削过程中砂轮会接近工件端面,所以不能用端盖压紧的方式,而是采用螺钉径向锁紧。根据工件尺寸计算轨迹起点至终点行程并选择砂轮规格,以不干涉磨削为条件尽可能选择大外径砂轮,以增加砂轮可磨削时间,减少修整次数,同样在不影响砂轮轴刚度的条件下,尽量选小一些的砂轮孔。砂轮半径R>5mm,方便修整,这里选砂轮35mm×20mm×6mm,并在光学曲面磨床上把砂轮磨削区域R修整到10mm。

1.夹具体 2.阀座 3.螺钉 4.砂轮 5.砂轮轴

3.2 试验过程

通过画图计算程序磨削的起点及终点坐标,并验证其轨迹过程是否安全,无干涉、过切等现象,如图3所示。以o点为原点建立坐标系,此处起点坐标A(0,-10),其轨迹为逆时针半径为R7的1/4圆弧段。加工过程中,需要考虑工件高度、内孔存在制造误差等因素,且为了避免砂轮倒圆弧过程中过切到工件内孔及端面(见图3),将内弧r3延长线长度设定为1.5mm。

图3 磨削轨迹模拟

砂轮轴装夹好后,用砂轮最大外圆和夹具体对刀,接触后输入夹具的理论值50,砂轮端面接触工件端面处,对刀数值输入0,完成对刀并输入编制好的程序即可进行磨削加工。

3.3 试验数据记录及分析

为了更直观地对试验数据进行总结和分析,以成形磨削法作为对照试验。试验数据如表1所示。

表1 磨削试验数据对比

两组试验均采用砂轮规格35mm×20mm×6mm,磨削圆弧半径r均为3mm。采用成形法磨削时,砂轮修整半径R由3mm磨耗至3.2mm,砂轮磨粒体积减少约221mm3;而采用倒圆弧磨削方法加工时,砂轮修整半径R由10mm磨耗至10.2mm,体积减少了95mm3。因此同等磨削工况下,倒圆弧磨削方法的砂轮保持性是成形法磨削的2.33倍。

假设加工余量为0.4mm,采用成形法磨削,进给速度0.12mm/min,每件需3.33min。采用倒圆弧磨削方法加工,往复运动速度为800mm/min,单行程进给量为0.005mm,即80次行程完成磨削加工。

一次磨削行程总长度l为

(11)

总行程长度L为

L=K×10.99×80=1004mm

(12)

式中,K为磨削行程系数,一般取1.1～1.2。

单件产品加工时间t为

(13)

倒圆弧磨削加工方法的实质是砂轮采取走磨方式对倒角进行加工,在磨削过程中工件有一个作用力反作用在砂轮修整圆弧R上,此作用力不停对砂轮进行修整,砂轮不会磨削出沟槽且砂轮不易变形,从而减少砂轮的修整次数和砂轮消耗,节约成本。

与成形法(见图2)相比,由于砂轮修整半径R>磨削圆弧半径r,砂轮有效磨削面积增加,提高了砂轮的利用率,并减少了砂轮修整次数,圆弧磨削走磨法单件产品的加工时间是成形磨削法的37.5%,由此可见,圆弧磨削走磨法在内圆弧r的磨削上有较大优势。

3.4 保持性和磨削加工效率

在倒圆弧磨削加工过程中,研究不同砂轮修整半径R对磨削效率的影响,试验记录见表2。根据表2绘制砂轮修整半径R与砂轮保持性和单件产品加工时间的关系(见图4和图5)。

表2 不同砂轮修整半径的磨削加工试验记录

图4 砂轮修整半径R与砂轮保持性的关系

图5 砂轮修整半径R与加工时间的关系

从图4可以看出,在磨削圆弧r3时,随着砂轮修整半径R增大,砂轮保持性也随之增强。当砂轮修整值在R4～R10时,砂轮保持性与砂轮修整半径R基本呈正比递增关系。当R>10mm时,砂轮修整半径R与砂轮保持性的递增速度变缓。从图5可以看出,随着砂轮修整半径R增大,单件产品的加工时间基本稳定在75s左右,这是因为磨削的r值未发生变化,磨削长度未发生变化,故磨削时间基本不发生变化。从微观上看,在R=8mm时圆弧磨削时间最小,这是由于此种情形的进刀量下动态有效磨刃数最多,加工效率相对较高。

(1)建立了弧面磨削磨粒的运动轨迹和弧面磨削动态有效磨刃数Nd方程,并利用试验验证了弧面磨削加工方法的有效性。

(2)在同等磨削工况下,加工磨削r3圆弧面时,采用倒圆弧磨削方法的单件产品加工时间是成形磨削法的37.5%,倒圆弧磨削方法砂轮保持性是成形磨削法的2.3倍。

(3)在磨削r3的圆弧面且R>r时,随着砂轮修整半径R的增大,砂轮保持性递增,当R>10mm时,递增速度变缓;砂轮修整半径R的增大对磨削加工效率基本无影响。

(4)在磨削r3的圆弧面且R>r时,砂轮修整值为R8时,砂轮动态有效磨刃数最多。

猜你喜欢 修整硬质合金磨粒 球磨时间对再生料硬质合金性能的影响山东冶金(2022年4期)2022-09-14基于凸多面体碰撞检测的虚拟砂轮建模研究中国机械工程(2022年2期)2022-01-27超精密表面研抛磨粒的研究进展硅酸盐通报(2021年3期)2021-04-18铁代钴镍高粘结相硬质合金的组织和性能四川冶金(2019年4期)2019-11-18单个铁氧体磨粒尺寸检测电磁仿真表面工程与再制造(2019年3期)2019-09-18单点金刚石修整笔的现状分析及发展趋势制造技术与机床(2018年10期)2018-10-13微晶刚玉磨粒磨削20CrMnTi钢的数值模拟研究制造技术与机床(2017年4期)2017-06-22稀土元素对矿用低钴超粗硬质合金性能的影响凿岩机械气动工具(2016年1期)2016-11-11日本5R型曲轴连杆颈磨床修整器的维修工业设计(2016年1期)2016-05-04超粗晶粒硬质合金截齿性能表征参数的探讨凿岩机械气动工具(2016年3期)2016-03-01