磨削技术 篇1
2005年以来,以德国DMG等为代表的著名磨床制造商成功运用CD磨削技术生产了世界先进的数控磨床,并提出了CD磨削技术,即边磨边修,这样可使砂轮始终保持锋利,大大提高切削效率,且能保证加工质量,这是一种新磨削概念。但是CD磨削为什么能实现高效、高精度的加工,现在还没有完整、正确的论述,为此本文探讨如下。
2 CD磨削的加工机理
德国DMG的通俗解释是:边磨边修,即抛弃了原来磨削的离线人工操作修整而采用了在线自动修整的模式,见图1。
修整器安装在砂轮架的后面,在砂轮磨削工件的同时,修整器的金钢刀也同时修磨砂轮,实现了在线自动修整的模式。
众所周知,磨削加工是靠分布在高速旋转砂轮表面上的大量磨粒的切削刃对工件挤压、耕犁、剪切作用的累积效果。也就是说:磨粒的切削刃尺寸、顶角的大小决定着磨削加工质量。我们评定磨削加工质量往往用的是尺寸精度和表面粗糙度,那么,CD磨削是如何改变工件的尺寸精度和表面粗糙度的呢?
2.1 CD磨削对尺寸精度及磨削性能的影响
磨粒切削工件时,它受到两个方向的磨削力(法向力Fn和切向力Ft),这两个力被磨粒结合剂的抗力所平衡;但磨粒受到合力与结合剂抗力的合力不一定在同一个平面内,故有可能产生力矩,使磨粒脱落。当磨削力大到一定程度,磨粒脱落;这种脱落不一定能形成充分的新磨粒,因为埋在结合剂里的磨粒没突出来并且其尺寸没改变,所以减小磨削力总是有利的。
日本著名磨削专家庄司克雄先生有3个关于磨削力的公式[2]:
其中:v-工件的速度;V-砂轮的线速度;b-砂轮的宽度;△-砂轮横向进给量;α-磨粒的顶角半角;μ′为磨粒与加工表面的摩擦系数。
从式(1)和式(2)看:减小磨粒的顶角半角α,可减小法向力Fn和切向力Ft。
从式(3)看:Ft/Fn是用来评定砂轮的磨削性能好坏,即磨粒锐利程度的,通常Ft/Fn≤1,Ft/Fn越大,说明砂轮的磨削性能越好,磨粒锐利程度越高;所以,磨粒的顶角半角α越小,Ft/Fn越大。要使磨粒顶角半角α小就要使修整获得的磨粒尺寸小。这时α小,法向力Fn和切向力Ft均小,挤压弹性变形小,刻入工件表面深度小,切下的切屑小;获得的工件尺寸就更精确。
在边磨削加工的同时边修整,可使得正在磨削的磨粒或即将磨削的磨粒尺寸变小,从而使磨粒的顶角半角α减小。磨粒锐利程度的提高,减小了法向力Fn和切向力Ft,从而使工件的尺寸精度提高,这是CD磨削能改变工件尺寸精度的关键所在。
单个磨粒切削示意见图2。
可见:修整好的磨粒的顶角要比已磨钝的磨粒的顶角小得多,A1
2.2 CD磨削对表面粗糙度的影响
日本著名磨削专家小野先生关于磨削粗糙度的公式如下:
其中:d为工件直径;D为砂轮直径。
可见,在其它磨削条件不变的条件下,使磨粒的顶角半角α减小,可减小表面粗糙度,这可以通过边磨边修的方法得到。
3 CD磨削的修整原理和自动补偿
决定砂轮磨削性能的指标是Ft/Fn,但要获得良好的磨削性能还是要进行砂轮修锐;对于不同组织、不同硬度、不同磨粒种类的砂轮修锐的效果也明显不同。
磨粒被修整时,磨粒是以速度运动,而单颗粒金刚石是以的速度相对磨粒运动;当两者相遇(接触)时,两者相互作用且时间极为短暂,相互作用的力又很大,这种接触在力学上称为碰撞。笔者将超硬磨粒和单颗粒金刚石构成的系统称为修整碰撞系统,这个系统同样遵循动量守恒定律。设磨粒的质量为m1,碰撞后的速度为单颗粒金刚石的质量为m2,碰撞后的速度为据动量守恒定律有:
即修整碰撞系统在碰撞前的动量与碰撞后的动量是相等的,但是实际修整时:磨粒经碰撞后必然会发生破碎形成新的切削刃,而脱落的部分磨粒消耗并带走了一部分动能;这种修整碰撞是非弹性碰撞。碰撞后超硬磨粒与单颗粒金刚石分离的速度与两者碰撞前的接近速度成正比,
e称为弹性恢复系数,它与碰撞两物体的材质有关;对于非弹性碰撞0
解式(7)和式(8)得:非弹性碰撞中损失的机械能
可见:非弹性碰撞中损失的机械能去作功,用于破碎磨粒所需的能量,也就是磨粒所需的破碎强度;有了破碎磨粒所需的能量,就能形成一定数量的磨粒新切削刃。
虽然切削刃形成的主因是磨粒碰撞破碎,取式(9);而得到切削刃数量及得到的难易程度还与砂轮的结合度、磨粒的硬度、磨粒的韧性等因素极为相关;砂轮的结合度高,磨粒较难脱落,所需的破碎力就大,需修整次数要多,得到的磨粒尺寸要小些,磨削性能要好些。
4 CD磨削的自动补偿与控制
数控磨床在加工前都通过了对刀,确定了工件在磨床中的位置;并通过编程能精确磨到尺寸,但是,CD磨削是边磨边修,对刀时的砂轮尺寸在磨削过程中时刻发生改变,那么,CD磨削如何保证加工尺寸呢?
采用变量编程
5 结语
本文分析了CD磨削能获得高效、高精度加工质量的原因,并进一步从深层次分析了CD磨削获得较好砂轮磨削性能的机理,提出了:“磨粒碰撞破碎”理论,最后提出了保证CD磨削质量的控制方法和控制程序。
参考文献
磨削技术 篇2
1 制造技术
复杂零件数控制造技术在曲轴磨削中起到了重要的作用。以往的制造技术包括二阶密切接触以及参数线等方法, 对较为复杂的曲面进行加工处理时会将其简化为多个单一曲面, 虽然能够对曲面进行有效加工, 但这种方法会增加工作量, 运算较为复杂, 数控技术的提出简化了加工步骤。
可以以ACIS为平台, 利用visual c++进行编程, 通过拓扑几何体以及几何体等构建数控模型, 采用等高截平面这一方法完成复杂零件的数控制造。通过这一方法进行的编程能够实现对零件的数字化控制, 复杂零件的刀具轨迹能够自动生成, 实现对曲轴的精加工。这一技术的特点在于简便、高效、稳定、可靠, 其零件加工的效率与精度都相对较高。通过拓扑结构, 操作人员能够直观的看到曲面内的关联状况, 了解每一曲面、每一点的信息, 如坐标、一阶导数、二阶导数等。而几何体的应用, 则可以简化计算手段, 不需都各个曲面分别求值, 所有的数据都采取统一的表达方式———NURBS来表示。
复杂零件的制造技术通常会以CAPP或CAM来完成数控编程, 但是需要利用UG技术对其进行二次开发与处理, 以减少数控过程中的问题与失误。CAPP或CAM这两种技术都需要进行相似性处理。其中CAPP所收集到的信息全部服务与CAM, 这一技术系统中的相似性处理可采用优先分级检索这一策略, 利用计算机技术计算出相似度, 充分挖掘具有相似性的信息, 相关的设计人员或工程师根据这些信息来选择相关的加工模板。CAM系统设计到众多的环节, 编程控制也需依赖这一系统来完成。CAM在完成数控编程时需要CAD与CAPP两个系统提供相关的参数信息, 但是其自身也需要对安全平面、走刀方式等参数进行有效设置, 这样才能够保证刀具轨迹生成的准确性。如果在处理中发现了相似性信息, 那么则需二次设置相关参数, 这种情况的发生会在一定程度上降低数控编程的工作效率, 因此需在CAM设计中做好相似性处理, 相对有效的方法是增加知识加工模板, 这一模板可以记录下有效的参数信息, 当系统需要完成类似的处理与加工时, 可以直接将模板参数调出进行应用或做简单修改, 简化操作程序。 (图1)
2 监测技术
为了保证曲轴磨削工作的质量需要对数控磨削的整个过程进行监控与检测。当前应用最为广泛的一种监控与检测方法是声发射监测。这种监测方法可以在不接触曲轴的情况下进行监测, 也就是说这一方法受空间限制小, 另外仅通过声发射信号中包含的能量就可以判断出砂轮与曲轴之间的磨削状况。对声发射信号的有效分析可采取小波分析的方法, 对声信号进行时域与频域上的双重分析, 并保证信息获取的实时性。
声发射信号是应力波信号, 属于高频弹性信号, 其频率能够达到100k Hz以上, 因此信号的传递与接收将不会受到低频区的干扰, 信号接收的灵敏度较强。这种信号能够持续200us到1ms的时长, 其幅值能够超过一般切削时信号的4-5倍, 在接收时需使用高速信号采集器。这一信号的均方根计算方法为:AAAÁÁÁÂÂÂÃÃÃ ( ( ( (tttt) ) ) ) ====hhhh ( ( ( (tttt) ) ) ) PPPP ( ( ( (tttt) ) ) ) ====hhhh ( ( ( (tttt) ) ) ) FFFF ( ( ( (tttt) ) ) ) vvvv ( ( ( (ttt) ) 。。Arms (t) 表示某一单位时间内信号所包含的能量的大小, 它直接表现出砂轮与曲轴间的接触情况, 该值较大则证明可能出现以下几种情况, 一是曲轴面较为粗糙;二是砂轮与曲轴接触程度越深;三是砂轮硬度大;四是砂轮力度大。η (t) 表示转换系数, 受砂轮与曲轴接触状况的影响;P (t) 表示瞬时状态下的摩擦功率;F (t) 表示接触面的摩擦力;v (t) 表示砂轮摩擦时的相对运动速度。总的来说, 通过Arms (t) 值可以对曲轴表面的质量进行判定, 可以对砂轮与曲轴的接触情况进行判断, 也可对砂轮磨料是否需要修正替换进行判断。其用途较为广泛。
具体分析其检测方法, 声信号的传感器将防止与机床内部切削液所在的管理之中, 当切削液被打到砂轮上后, 声信号将会以切削液流动的反方向传递到传感器上, 这种声信号的传导受空间限制较小, 同时也不会对磨削的过程产生影响。如果不需使用切削液进行磨削, 那么声发射信号的传导则可痛处空气进行传导。声发射信号的通过传感器传送到控制系统, 传感器中的电压信号直接接驳到调整模块上, 通过这一模块可以将数据进行隔离、放大以及滤波等处理。
3 制造工艺
曲轴的质量关系到发动机的运转情况, 因此对其精度提出了较高的要求, 一般规定曲轴这一部件的磨床要达到的工序能力系数为Cp=1.67, 也就是说, 实际上曲轴的磨床的加工差应当为规定公差的二分之一。磨削速度较好的砂轮有CBN砂轮等, 这种砂轮的磨削速度可以达到每秒125米至每秒140米。这种高速磨削能够极大的提高工作效率、缩短磨削工作的时间。
具体来看制造工艺需要注意一下几点。第一:曲轴的尺寸要保证具有较高的精度, 以连杆颈为例其精度要保证在IT6到IT7之间, 其宽度上的极限偏差保证在+0.05毫米到0.15毫米之间。第二:在形状与位置上要保证精度, 连杆颈位置的圆柱度公差要保持在0.005毫米到0.01毫米之间, 而其相位角的偏差要保证在30’以下。第三:曲轴表面粗糙度的问题, 连杆颈表面规定粗糙度在0.4到0.2微米之间, 而曲柄臂与连杆颈之间连接处的圆角表面规定粗糙度为0.4微米。
以六缸曲轴的数控磨削为例, 当循环开关启动后, 液压站首先被打开, 然后工件与推杆作用于油缸, 接着工件会于每个拐角位置进行偏心处理, 数控系统将对拐出与偏心位置进行校对看是否匹配, 然后定位销会伸出进行定位处理。主电机会进行升速, 对冷却液进行加工处理, 工件对油缸进行再次处理推进, 通过多次的循环处理, 完成从粗磨、半精磨、精磨到光磨的一系列过程, 每一工序的磨削量以及停顿的时间间隔都需经过严格的设定与控制, 以保证曲轴的质量。 (图2)
结束语
曲轴磨削是一种要求较高的工序, 曲轴影响着发动机的运转, 因此在磨削处理时要保证工艺水准与生产效率。数控系统的应用能够促进曲轴磨削工艺的发展。复杂零件数控制造技术能够简化对曲轴信息的分析与计算;检测技术的应用能够保证磨削质量, 对砂轮与曲轴的实时情况进行监控;制造工艺较为精细, 通过四个步骤反复操作实现对曲轴的精细化处理。
摘要：发动机的核心零件即为曲轴, 其磨削的难度较大。曲轴的连杆颈与连杆相连, 其轴颈与轴瓦位置会在很长时间内保持相对高速运动的状态, 曲轴承载的负荷为交变载荷, 较为复杂。由此可见, 曲轴磨削需要满足较高的标准与要求, 这一工序的质量将直接影响曲轴的质量, 进而影响发动机的运作。文中将对曲轴数控磨削技术的具体研究与应用进行分析。
关键词：曲轴,数控,磨削技术,研究
参考文献
[1]何志伟.切点跟踪数控曲轴磨床进给机构与控制软件的研究[D].长沙:湖南大学, 2010.
[2]陈掌.曲轴C-X与C-S随动磨削的作用机理与性能研究[D].长春:吉林大学, 2011.
磨削技术 篇3
【关键词】数控系统；曲轴；磨削
1.曲轴数控磨削工艺
曲轴是发动机的核心零件，曲轴连杆轴颈在发动机中会直接承受各种复杂的交变载荷，轴颈与轴瓦间长期处于高速相对运动状态，因此对连杆颈的制造有非常严格的要求，包括它的形状、位置精度以及表面粗糙度。
1.1曲轴的加工工艺和材料
一般曲轴在运转时主要受交变的扭矩和弯矩载荷的影响，这就必须要求曲轴必须具备足够的强度和刚度以及高精度才能够承受荷载！综上所述，曲轴的加工方法以及必要地提高加工精度则显得尤为重要！一般地，球墨铸铁和调质钢以及非调质钢是曲轴常用的材料！首先制造业的发展需要考虑成本因素，因此，一般用球墨铸铁，由于球墨铸铁的力学性能接近调质钢，性能也比较好，并且成本只有调质钢的1/3左右，在工业中得到广泛使用。根据统计资料来看，车用发动机的曲轴一般用球墨和铸铁材料所占的百分比来合成，例如美国为90%，英国为85%，日本为60%。在我国的汽油机曲轴中，和国外不同的是我国一般采用球墨铸铁来进行制造，国内采用的材料牌号主要有：qt700-2、qt800-6、qt900-6、等温淬火球墨铸铁等。在柴油机曲轴的制造中，通常采用调质钢或者非调质钢来进行制造，其中调质钢通钢所用的材料主要有：40cr和42crmo等；非调质钢通常所用的材料主要有：48mnv、38mnv6等。
1.2曲轴磨削的工艺要求
国内磨削工艺一般分为粗磨和精磨，磨削工艺主要兼顾两个问题，第一点是如何保证曲轴质量，第二点则是要有利于消除或减少磨削裂纹！
1.2.1曲轴磨削的工艺精度要求
在设备加工中，曲轴磨削的工艺精度要求极高，这不仅仅只是为了考虑误差因素，更多的是工业发展中对技术的一种认可！在机床的加工生产中，对工件的精度有非常严格的要求，比如长度超过6m以及重量超过5t的工件，主轴颈和脸干精度则必须要达到Ra=0.4～0.6μm，主轴颈、连杆颈直径公差必须控制在0.008mm，并且它们的直线度要控制在0.01/200mm；而对于连杆颈分度±15′的技术要求是在加工不同角度和不同偏心量的连杆颈磨削的大型曲轴磨床时，精度必须更加准确才能合格！
1.2.2曲轴磨削的质量指标及理论公式
曲轴磨削的质量指标主要包括磨削粗糙度、磨削力以及砂轮损耗等因素；
磨削力的主要特征及计算
如图所示，对于砂轮来说，虽然单个磨粒的切削厚度比较小，但是砂轮是整体运转，大部分的磨粒同时与被磨金属层进行挤压、刻划和滑擦的话，并且在机械加工中磨粒的工作角度有时候不会特别合理，这就使得磨削力的总量值变得非常大；所以在测量和计算中，一般会把总磨削力进行分解，分别是三个相互垂直轴向（F）x、径向（Fy）和切向（Fz）磨削力；根据图1可以分析磨削力主要包括以下几种特征：
1.根据计算，径向磨削力F应该最大。原因是磨粒的刀棱主要是以负前角来进行工作，并且在刀棱钝化了以后，棱面变小，而与磨粒与工件的实际接触面积增大了，使得径向磨削力Fy增大，通常径向磨削力Fy=（1.6～3.2）Fz。
2.轴向磨削力Fx在磨削力计算中一般很小，所以可以忽略不计。
3.不同的磨削阶段磨削力一般会发生变化；首先在初磨阶段，磨削力的变化幅度较大，一般由小变大；其次进入稳定阶段以后，磨削力比较稳定，主要原因是工艺系统的弹性变形达到了一定程度；最后，达到光磨阶段后，实际磨削深度基本为零，此时的磨削力渐渐变得很小。
1.2.3关于曲轴磨削粗糙度在实际生产中的影响因素
在实际生产中，关于曲轴磨削粗糙度在实际生产中的影响因素主要包括几何因素、物理因素以及工艺系统振动！
1.3曲轴数控磨削的加工流程
曲轴数控磨削的加工流程在现代工业技术中并不繁琐，主要融入了很多现代先进的设计和工艺技术，使得加工精度得到完善，加工效率得到提高！
曲轴制造工艺的进展一般包括球墨铸铁曲轴毛坯铸造技术（熔炼和造型）、钢曲轴毛坯的锻造技术以及机械加工技术等！
2.曲轴的数控加工技术
曲轴是汽车等发动机中最重要而且是承受负荷最复杂的零件，鉴于曲轴的复杂性和重要性，对曲轴的数控加工技术的研究显得尤为重要！
2.1曲轴的特征分析
曲轴的作用是把活塞的往复运动转化为旋转运动，输出发动机的功率。主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端是曲轴的主要结构特征；而曲轴对机械加工要求较高的部分主要是主轴颈和连杆颈，主轴颈的作用是为了保证曲轴始终工作在同一轴线上，并且在主轴承上转动灵活，使摩擦尽可能减小；连杆颈的主要作用是连接连杆（连杆颈处载荷较大，对其强度和刚度要求高）。
2.2曲轴加工技术及其特点
曲轴加工技术主要包括四点，分别是曲轴车削技术、曲轴铣削技术、曲轴车—车拉技术以及车—车拉曲轴加工技术；车—车拉曲轴加工技术是将以前曲轴铣削、车—拉和计算机数控技术融于一体而产生的，它代表着当今曲轴加工的最新技术水平！
2.3曲轴NC加工实现
曲轴NC加工的实现需要一系列繁琐的数控程序和过程，主要步骤是（以Pro/Engineer集成软件为例）。
结束语
本文主要对数控系统曲轴磨削加工技术做了初步的分析研究；通过对曲轴磨削技术的论述，来研究基于磨削技术在加工中的重要作用。首先在分析国内曲轴磨削工艺的基础上，结合我国机械制造当前的生产条件，对曲轴数控磨削工艺的流程以及要求进行分析，以此来阐述实际生产过程中该工艺的各项影响因素；通过对曲轴数控磨削技术进行侧重论述，来体现数控磨削作为磨削技术的主要发展方向之一的重要作用。数控技术可以提高磨削的自动化程度，实现高速高精度加工。对曲轴磨削技术的深入研究，有利于我国机械制造业的发展，对提高我国的磨削制造水平具有重要的意义！我国目前工业化发展迅速，现代化的设计工艺与技术也为当前磨削数控系统的智能化、高速高精度加工的发展提供了很多发展机遇，使得曲轴磨削数控加工技术在现代化的工业浪潮中得到不断完善，工业化进程也得到提高！
参考文献
超声振动磨削技术、 篇4
1、引言
随着科学技术的进步，金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料因其高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀等优点在航空航天、国防科技、生物工程、计算机工程等尖端领域中的应用日益广泛；但由于这些材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，因此有关其精密超精密磨削加工技术便成为世界各国研究的热点。超声振动精密磨削技术便是顺应这一需要而发展起来的技术之一。
超声振动磨削技术的基本原理为：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为16～25KHz）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削。即工具砂轮在旋转磨削的同时做高频振动。
超声加工技术的经历了从传统超声波加工到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动。这种加工用水带走被去除的材料并冷却工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛的运用于超声振动磨削加工中。
2、超声振动磨削技术发展回顾
1927 年，R.W.Wood 和 A.L.Loomis 就发表了有关超声波加工的论文，超声加工首次提出。
1945 年L.Balamuth 就申请了关于超声加工的专利。世纪 50～60 年代日本学者隈部淳一郎发表了许多对振动切削进行系统研究的论文，提出了振动切削理论，并成功实现了振动磨削等加工 [8]。
1960 年左右，英国 Hawell 原子能研究中心的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法。超声振动磨削加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性。
1986 年日本学者石川健一受超声电机椭圆振动特性启发，首次提出了“椭圆振动 [6]
切
削方法”（elliptical vibration cutting）。世纪 90 年代初，日本神户大学社本英二等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究，其最具代表性的研究成果是利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振动的方式对黑色金属淬火不锈钢进行精密车削，最小表面粗糙度可以达到 Ra0.0106um，不但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而且使这项技术达到了实用化阶段。
20世纪50年代，在前苏联的影响下，我国进行了振动加工的初步应用研究工作，对超声振动磨削机理进行了探索研究。
1976年，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探索。
1983年，我国机械电子工业部科技司委托《机械工艺师》杂志社在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会”。
1985 年前后机械电子工业部第 11 研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、等硬脆材料的内外圆磨削等加工中取得了优异的工艺效果。
1987年北京市电加工研究所于研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。
80年代后期，天津大学李天基等人在高速磨削的同时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高了6倍以上，表面质量也有了大幅提高。
90年代后，超声振动作为一种新型的高新技术成为了科研机构和大学院校的研究热点，3、国内外研究现状
3.1超声振动磨削技术 国外 研究现状
1993年，美国堪萨斯州立大学D.Prabhakar等人提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率的理论模型，并试验证明了与普通磨削相同的条件下旋转超声加工工具具有低的切削力和相对高的材料去除率。
1996年东京大学的增泽隆久等人用超声激振方式在结构陶瓷材料上加工出了直径
为5µm的微孔。
1998年德国工业大学E.Uhlman、G.Spur等人在48届CIPR年会上提出在加工表面的法向施加超声振动，材料的去除率大大提高，并试验证明了在提高材料去除率的同时，并不会对表层造成损伤。
1999年，德国Kaiserslautern大学的G．Warnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬 金属等硬脆材料时，磨削过程及结果与材料去除机理紧密相关。
美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。
巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。
日本的吴勇波等人建立了超声振动辅助磨削的实验装置（装置如图 1-4）并研究了磨削不锈钢内孔时超声振动对表面粗糙度和切削力的影响，研究发现，当施加 19.2KHz 超声振动后，表面粗糙度可以减少 20％；法向力减少 65％，切向力减少 70％。
3.2超声振动磨削技术 国内 研究现状
国内众多知名院校均对超声振动加工方面进行了研究，超声振动磨削机理的研究在这一时期取得了一系列的理论成果。
哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统在小孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，但其使用的磁致伸缩换能器发热大，需要加装制冷装置致使其结构复杂，且超声电能的供应采用的是碳刷集流环的传统供电方式。
河北工学院的李健中等人对超声振动磨削的材料去除机理、表面创成机理、表面粗糙度等进行了一系列的研究。利用自行研制的超声振动磨削装置使砂轮磨削的同时作轴向超声振动，通过试验得知，由于高频振动，砂轮不易堵塞，保持磨粒锋利性，提高了
磨削效率；磨削表面形成网状结构，加工表面质量较好。
1998 年前后兵器工业第五二研究所杨继先、张永宏等人通过对外圆磨床的改造进行了超声振动内圆磨削试验研究，验证了超声振动内圆磨削可明显地提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和崩坑的效果，提高磨削圆度。
1999年上海交通大学赵波等利用自行研制的超声振动珩磨机床对工程陶瓷发动机缸套类零件进行了超声振动磨削试验研究．加工表面微裂纹大幅度减少，加工效率和加工表面质量均得纠很大提高，加工工具耐用度比普通磨削提高至少3倍。
2000 年前后，天津大学于思远、刘殿通、李天基等人 [12] 对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高 6 倍以上，表面质量也有大幅度提高。
南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善
东北大学庞楠研究了新型陶瓷材料的超声波复合磨削加工中砂轮堵塞及自锐性分析，砂轮修整方法及最佳砂轮修整程度的分析，提出超声振动磨削的最佳工艺参数[11]。
上海交通大学吴雁在陶瓷材料的超声加工方面进行了深入研究，研究了二维超声振动磨削陶瓷材料的脆-塑性转变机理、塑性去除机理、高效去除机理等相关的超声磨削机理，提出了微-纳米复合陶瓷二维超声振动表面变质层结构模型以及精密磨削复合陶瓷材料是塑性变形为主的去除方式,并且还进行了纳米复相陶瓷超声振动表面微观特性的研究，提出了在特定的磨削条件下，陶瓷材料纳米增韧改性和二维超声振动磨削技术相结合，可实现以非弹性变形为主要去除机理的超精密磨削表面[12][13]。
河南理工大学闫艳燕等进行了陶瓷材料的超声磨削机理和试验研究，分析了陶瓷材料二维超声振动研磨、磨削的去除机理和磨削表面创成机理以及硬脆材料的表面形成和破碎状况，并建立了相关的数学模型，得出了陶瓷材料脆—塑性转化的临界公式，以及超声磨削提高陶瓷材料表面质量的相关结论[15][16]。
山东大学张洪丽、张建华等研究了工件沿砂轮轴向、径向、切向三种超声振动条件下的磨削特性，分析了三种情况下的运动学、磨削力、材料去除机理及表面加工质量，建立了三种加工方式下的表面粗糙度的计算模型，并进行了实验研究。
北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨
[14]
加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。
本人及团队在超声振动内圆磨削加工技术上取得了新的突破，通过在普通内圆磨削机床上添加超声振动内圆磨削磨头即可以实现超声内圆磨削，结构简单、成本低廉，并且采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了一直以来困扰众多学者的碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题，并申请了一项有关非接触超声波电能传输的实用新型国家专利。
3.3超声振动磨削装置的研究进展
超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。超声振动磨削系统通常采用一维纵向（轴向）振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的发展和在不同领域实际应用的特殊需要，对超声振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展，二维超声振动磨削系统也得到了研究和应用。
超声振动磨削系统依据换能器的振动方式可以分为两大类，单方向激励超声振动磨削系统和复合振动磨削系统。
日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。
日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电陶瓷片产生“纵-弯”型复合振动。
1994年日本多贺电气株式会社采用“纵一弯”型超声复合振动系统制成研磨机，用于放电加工后的模具沟槽侧壁研磨抛光。研磨工具做纵向振动和弯曲振动。研究结果表明，弯曲振动方向不同，可获得不同的研磨效果。
哈尔滨工业大学的吴永孝、张广玉等人研制的超声波振动小孔内圆磨削系统，在小
[8]
孔磨削提高磨削效率和加工精度等方面取得了一定的成效，所用磁致伸缩换能器发热大，采用了加装制冷装置的方法解决冷却问题，但致使其结构复杂。
1996 年前后华北工学院辛志杰、刘刚通过对超声振动内圆磨削机理的探讨，研制了一套超声内圆磨削装置，在改善工件表面质量、提高生产率和内圆磨削系统结构设计上有了新的突破。
1997年英国研制了硬脆材料纳米磨削中心，可实现硬脆材料超声纳米表面加工；日本UNNO海野邦昭分别进行了工程陶瓷超声磨削的研究。多项研究结果表明：超声磨削陶瓷材料的加工效率可提高近一倍；当工具与工件上同时施加超声振动时，加工效率可提高2—3倍。
1997 年前后西北工业大学史兴宽等人研制了一种超声内圆磨削装置，此装置较专用超声磨床主轴系统结构简单，但因发热大而使用了冷却装置，这就使此超声磨头的结构显得复杂，虽然加工效率和加工质量有一定的提高，但其复杂的结构不利于推广使用。
2002年弗劳恩霍夫生产技术研究院研制出了新型超声研磨设备DMS 50，采用该设备对超声辅助磨削过程进行了技术性分析。并且，国外已研究出先进的超声振动主轴，其转速可达4000r／min至30，000r／min。可以实现加工过程中砂轮的振动，并使其转速达到传统磨削工艺的水平。
德国 Fraunhofer 研究中心和布莱梅大学精密工程中心采用非圆周对称结构在单纵振激励的条件下产生了 10:1 的椭圆振动，提高了刀具寿命，也保证了加工精度。另外新加坡制造技术研究所仿照德国研究人员的结构也制作除了超声椭圆振动切削不锈钢的装置。
天津大学于思远、刘殿通等人对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，采用无冷压电陶瓷换能器研制了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床，在工程陶瓷小孔磨削时对磨头施以超声振动，提出了高效的超声磨削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高6倍以上，表面质量也有大幅度提高[23]。
南京航空航天大学杨卫平、徐家文设计了用于加工三维型面的超声磨削装置，推导了用于数控加工的超声磨削装置变幅杆设计的数学模型，此装置采用电机直连进行旋转，电信号传输采用碳刷集流环的传输方式。
河南工业大学机电工程学院李华、殷振等人设计了超声波椭圆振动内圆磨削磨头，[24]
并在超声振动内圆磨削系统中采用了新型的回转式非接触超声波电能传输方式，解决了碳刷、集流环电能传输方式中存在的问题 [25]。
德国 DMG 公司和日本马扎克公司将超声振动头安装在加工中心上，进行了零件异形沟槽加工、内外圆磨削、平面磨削加工、以及导电陶瓷材料的超声振动磨削研究，取得良好效果，并已实现商业化生产应用。
在第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，德国DMG公司展出了其新产品DMS35Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速3 000～4 0000 r/min，特别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。
图 1-2 德国 DMG 超声振动加工中心 图 1-3 德国 DMG 超声振动加工中心刀具
4、超声加工技术的发展趋势和未来展望
随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。
(1)研制和采用新的刀具材料
在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。
(2)高效稳定超声振动系统研究
现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，切削深度为0.01～0.06 mm。
(3)超声椭圆振动切削的研究与推广
超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。
(4）微细超声加工技术
以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。
随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。
超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、微细化发展，微细超声加工技术有望成为微电子机械系统(MEMS)技术的有力补充。
超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。
展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。
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图 1-5 超声椭圆振动切削出的镜面试件
精密磨削技术在推力轴承中的应用 篇5
1 精密磨削技术
精密磨削技术是精密加工技术的一个重要分支, 是利用细粒度的磨粒或微粉对工件进行加工, 从而获得高精度和低粗糙度的加工表面的技术。在上世纪80年代末由日本和欧美的众多公司和研究机构相继推出了两种精密磨削工艺:塑性磨削和镜面磨削。
镜面磨削, 顾名思义, 它关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时, 该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削是一种超微量切除加工, 其技术关键是精密机床和砂轮磨粒材料的选择。
2 液体动压推力轴承
2.1 液体动压推力轴承原理
液体动压推力轴承支撑对着水轮发电机组的整个转动部件, 是水轮发电机组的核心部件之一, 也是加工质量要求最高的零部件之一。由于机组转动部件总重量大, 大型水电机组的转动部件总重可超过1000吨, 对推力轴承的性能有很高要求, 对推力轴承的加工质量也提出了很高的要求, 推力轴承的质量将直接影响机组的性能。
液体动压轴承是靠液体润滑剂动压力形成的液膜隔开两摩擦表面并承受载荷的滑动轴承。液体润滑剂是被两摩擦面的相对运动带入两摩擦面之间的。产生液体动压力的条件是: (1) 两摩擦面有足够的相对运动速度; (2) 润滑剂有适当的粘度; (3) 两表面间的间隙是收敛的。
2.2 应用精密磨削技术的优势
机械加工后的两摩擦表面微观是凹凸不平的。在正常运行的液体动压轴承中, 油膜最薄 (即通称最小油膜厚度) 处两表面的微观凸峰不接触, 因而两表面没有磨损。这时的摩擦完全属于油的内摩擦, 摩擦系数可小至0.001。油的粘度越低, 摩擦系数越小, 推力轴承性能越好, 但最小油膜厚度也越薄。当最小油膜厚度处两表面的微观凸峰接触时, 油膜破裂, 摩擦和磨损都急剧增大, 液压轴承无法正常工作, 甚至损坏。因此, 油的最低粘度受到最小油膜厚度的限制, 而最小油膜厚度受两摩擦表面的微观凸峰大小影响, 即受两摩擦表面尺寸精度及表面粗糙度影响。采用精密磨削技术加工推力轴承瓦及镜板的工作面, 可以有效提高表面质量, 提高轴承承载能力, 减小磨损, 延长轴承寿命。以镜板加工为例, 传统加工方法采用精加工后珩磨, 其表面精度约为平面度0.01-0.02mm, 表面粗糙度Ra0.2-Ra0.4。采用精密磨削技术, 加工精度可达0.1μm-1μm, 表面粗糙度Ra0.01μm-0.2μm。
3 精密磨削技术的应用
要将精密磨削技术应用在液体动压推力轴承上, 主要需解决刀具、机床及工艺参数三大技术问题。
3.1 刀具
磨削刀具选用超硬磨料砂轮。超硬磨料砂轮磨削能力强, 加工效率高, 耐磨耐用, 容易控制加工尺寸及实现自动化, 综合加工成本低;加工时磨削力小, 温度低, 不会造成工件表面烧伤裂纹和组织变化, 加工表面质量高。超硬磨料主要有金刚石磨料和CBN (立方氮化硼) 磨料两种。金刚石在加工过程中会与钢材发生反应造成刀具化学磨损甚至损坏, 同时影响工件表面材质, 不满足加工需要。砂轮磨料选用CBN磨料。砂轮用于加工推力轴承工作面, 属于平面磨削, 对砂轮性能要求相对较低, 且由于工件尺寸较大, 加工时间长, 要求砂轮易于修整, 砂轮结合剂可采用树脂结合剂以满足上述要求。
3.2 机床
精密磨削技术要求加工稳定性好、振动小、线速度高。因此, 对机床有一定要求:
(1) 砂轮主轴回转精度要高。
(2) 机床刚度要好, 一般要求比普通磨床高50%左右。
(3) 磨床进给系统的精度要高, 进给速度应均匀准确, 以保证磨削的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度。
(4) 机床各运动件应有可靠的密封, 以防超硬磨料进入, 加速机件的磨损。
(5) 要有比较完善的磨削液过滤和供给系统, 过滤精度应小于0.5μm。
(6) 机床各部分应有相应的防振和隔振措施, 砂轮应作精细动平衡。
对于常规加工机床来说, 以上六项要求很难全部满足。工件的尺寸和重量较大, 现有精密加工机床的加工能力可能无法满足加工要求。而设计、购买专用的精密加工机床成本过高, 经济性不好。对现有常规加工机床进行优化改造, 使其能够满足精密加工的要求, 是一个可行的方案。
3.3 工艺参数
精密磨削的磨削速度应根据砂轮类型、磨削方式和冷却等具体条件进行选择。提高砂轮工作速度, 可显著提高磨削效率和磨削比 (如砂轮的磨削速度提高40%, 磨削比可增加一倍) , 降低磨削成本。80-125m/s的线速度已成为当前世界CBN砂轮磨削的主流。磨削深度一般为0.002-0.010mm, 工件速度通常为10-30m/min, 纵向进给速度可取0.3-1.5m/min。粗磨时取大值, 精磨时取小值。
3.4 切削液
精密磨削加工采用湿磨方式, 既可延长砂轮寿命, 又可防止工件产生磨削烧伤。使用CBN砂轮湿磨时须注意, 因为CBN材料在高温下会同空气中的水及氧气起反应, 生成氨和硼酸, 这种反应称为水解作用, 会加速砂轮磨损, 因此在使用中常用水溶性油或带有极压添加剂的水溶液以减弱水解作用。用不同磨削液湿磨时, CBN砂轮的相对寿命不同, 在选用磨削液时应综合考虑加工效果及加工成本, 选用适当的磨削液。
4 结束语
以上讨论了精密磨削技术应用于水轮发电机组推力轴承部件加工的可能。精密加工技术是现代机械制造业的重要发展方向。随着新产品、新技术的不断出现, 对机械加工水平的要求将越来越高, 应用精密加工技术生产的零件、产品也将越来越多。如何将精密加工技术借鉴、应用到日常的生产活动当中, 提高产品性能、质量, 也将成为机械制造企业发展壮大必然面临的一大课题。相信, 随着精密加工技术在企业生产中更广泛、更熟练的应用, 企业的加工质量、加工效率都将有长足的进步, 产品的性能也将得到更好的保证, 为企业开拓出更广阔的发展空间和未来。
摘要：文章简单介绍精密加工技术和液体动压推力轴承, 从改善水电机组推力轴承性能入手, 探讨将精密加工技术应用于液体动压推力轴承生产的可行性及对刀具、机床、工艺参数等方面提出的要求。
关键词：精密加工技术,磨削加工,液体动压推力轴承
参考文献
[1]赵恒华.精密和超精密磨削机理及磨削砂轮选择[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[2]袁哲俊.精密和超精密加工技术[M].北京:机械工业出版社, 2004.
磨削技术 篇6
螺纹磨削是精密螺纹加工的主要方法,用于加工高精度和高硬度螺纹表面,常见的工件有精密丝杠、滚珠丝杠、蜗杆、螺纹量规、丝锥和螺纹铣刀等。可见,螺纹磨削的加工水平将在很大程度上影响我国数控机床等高精密工程设备的生产与制造[1]。同时,螺纹磨削的加工工艺又是影响螺纹精度的关键因素。然而,由于磨削是一个相当复杂的过程,而螺纹的磨削相对于其他简单平面磨削来说又要考虑更多因素,所以螺纹磨削加工工艺的确定便显得尤为困难。
目前,国内的螺纹磨削加工企业主要是依靠工艺技术人员根据自己多年来的实际加工经验来确定加工工艺参数。这样的工作模式虽然能够切实保证工艺参数选择的准确性,但存在诸多难以解决的实际问题。主要在于,由于螺纹磨削在国内机械加工领域并不常见,熟悉此加工方法的工艺人员显然为数不多,一旦出现人员的空缺与调整,将直接影响产品的加工与生产,且短时间内无法立即恢复。此外,加工工艺经验的传承也存在着不确定因素。为解决此问题,本文提出运用模糊推理方法,对技术人员确定的工艺参数加以处理,建立工艺参数的模糊推理规则库,并以此进行推理计算,提供合理的加工工艺参数供机床操作人员参考。
1 螺纹磨削工艺推理系统结构
本文所建立的推理系统主要由案例数据库、规则库和模糊推理程序三部分组成。系统的规则库由案例数据库中的实际加工案例建立完成。当用户将所需要查询的精确加工要求参数输入系统后,系统首先将其模糊化,即转换成语言变量的形式,再由推理机在规则库中选择合适的语言规则并得出结论,最终在解模糊化后得出精确的工艺参数值,供用户参考。该系统的结构示意图如图1所示。
2 用作推理的工艺参数的选定
对螺纹的磨削加工一般要进行粗磨、半精磨和精磨这三步工序,而每一步的加工又分别要考虑砂轮转速、工件转速和背吃刀量这几个工艺参数值的选择。此外,对于粗磨和半精磨这两步还有中径余量这个参数值需要确定。决定这些参数选择的主要因素包括螺纹种类、工件材料、螺距、工件直径和螺纹长度等[2]。其中,螺纹种类和工件材料这两个因素不适合以模糊化的方式输入系统,故将螺距、工件直径和螺纹长度定义为模糊推理系统的三个输入值,分别用X1,X2,X3表示。由于粗磨、半精磨、精磨这三步工序的工艺参数类型及其推理方法基本相同,本文以粗磨为例介绍整个推理过程,其工艺参数值砂轮转速、工件转速、背吃刀量和中径余量被定义为系统的四个输出值,分别用Y1,Y2,Y3,Y4表示。
3 模糊推理过程
3.1 工艺参数模糊化
未经过处理的输入输出值是有确定数值的清晰量,而模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的,在清晰量和模糊量之间有一定的对应关系。为了实现模糊推理,必须进行清晰量的模糊化。语言变量是以自然或人工的词句作为值的变量。对应于每一语言变量,都必须定义它的各个语言值,即它的各个模糊集的隶属度函数[3]。三角形隶属函数是较为简便的一种语言值确定方式,在工业中应用广泛。故本文采用了等间距的三角形隶属度函数,即通过模糊化方法,将各输入输出参数取值区间分割为若干间距相等的模糊子集,使每个模糊子集构成等腰三角形。其中,各参数的取值区间如表1所示。
系统各参数均采用如图2所示的隶属度函数分布形式。其中,{A1,A2,…,AN}分别表示一个参数的各个模糊子集,[u,v]为该参数的取值区间。
3.2 从案例学习规则
本文的案例数据库存储了大量的技术人员的实际加工参数数据组,需要将这些数据转化生成相应的模糊规则。例如,在案例数据库的一个数据组{X1=p1,X2=p2,X3=p3,Y1=q1,Y2=q2,Y3=q3,Y4=q4},确定其每一个参数的对应语言值后,一条模糊规则就被记录下来。规则可以用模糊语句表示为如下的形式:
然而,由数据组产生的规则可能会出现矛盾的情况。为了解决这个问题,需要计算由数据产生规则的匹配程度,并只接受那些矛盾的规则中匹配程度最大的规则。在一条规则中,每个输出参数都有各自的匹配度值,计算方法是将该条规则所对应的所有输入语言值的隶属度相乘,再乘以各自输出语言值的隶属度。通过这样的方法,便可依次对案例数据库中每一个数据组生成一条模糊规则,并记录在系统的规则库中。每生成一条规则,就同时计算该条规则的匹配度,并完成如下过程:1)若规则库中没有与该规则前件相同的规则,则直接存入规则库,并把该规则相应的匹配度值也存储下来。2)若规则库中存在与该规则前件相同的规则,则由该规则的匹配度与已存的匹配度相比较的大小,来决定保留或放弃该规则。
由于在从案例数据库学习规则时,案例数据组有可能不会在所有取值范围内出现,规则库列表中的某些规则就会出现空缺。参考文献[6]中对此问题有详尽的论述,并根据相似性的概念,给出了一个完成规则库补全的一般算法。
3.3 由规则推理结果
通过规则库的建立,系统便可在得到一组需要查询的磨削加工要求参数后立即推理出合适的加工工艺参数。
一组查询数据被输入后,系统首先计算这组数据在各自语言变量值上的隶属度,一般情况下,每一个数据会得到在两个语言值上的非零隶属度。假设,所需查询的螺距(mm)、工件直径(mm)和螺纹长度(mm)分别为a,b,c,则可计算出他们的隶属度,分别为μ1(a),μ2(a),μ1(b),μ2(b),μ1(c),μ2(c)(μ1、μ2分别表示与查询数据相对应的两个隶属度)。此时,每个参数所对应语言值便组成了需要利用的模糊规则的前件集合。前件参数有三个,每个参数有两个语言值,则可对应8条不同的模糊规则。这些规则的结论(即Y1~Y4的语言值),可以在规则库中查询出来。
与此同时,系统还需要计算该数据组与规则对应的确定度。此确定度的定义一般有两种方式:1)用隶属度的最小值来表示;2)用隶属度的乘积表示。则对于上述8条规则的第一条,若用β来表示确定度,可表示为β1=min[μ1(a),μ1(b),μ1(c)],或β1=m1(a)×m1(b)×m1(c)。本文采用了第一种方法。
解模糊的过程使用了重心法。如图3所示,在此输出隶属度函数曲线中,每个梯形的高度,就是此语言值所对应规则的确定度,整个阴影区域组成图形的重心就是精确值所在的坐标位置。
若用ki表示规则i结论隶属函数的中心,用表示隶属函数曲线下的面积,则精确值u的计算式即为:
而由于隶属函数使用了等腰三角形的形式,且高为1,若设底宽为ω,这些高度为βi的梯形面积就是。故所推理出的精确值的计算公式为:
根据式(2)的计算方法可以将模糊的推理结果解模糊化为精确量,即得到砂轮转速、工件转速、背吃刀量和中径余量的工艺参数参考值。
4 实验验证
为了验证本文所述方法的有效性,本文将200组案例数据输入系统进行学习,并给定一系列加工要求,对其进行模糊推理,得到工艺参数。将这些参数与加工过程中实际使用的工艺参数进行比较,结果如表2所示。
该实验结果表明,使用本文所述方法所推理出的工艺参数符合实际加工所需的精度要求,能够为螺纹磨削加工工艺参数的确定提供有效的参考。
5 结束语
由于螺纹磨削加工工艺的复杂性,普通的磨削数据库系统很难对此种加工的工艺参数确定起到很好的指导作用。本文以技术人员在实际加工过程中的数据作为基础,自行学习产生模糊规则库,并最终通过模糊推理算法完成对加工工艺参数的推荐,保证推理结果可靠有效的同时,便于加工企业在实际生产过程中的使用,是解决加工工艺对实际经验依赖性问题的一个有效方法。此外,由于对输入输出参数的数量和类型没有严格的限制,该方法还具有一定的通用性,能够在其他机械加工的工艺制定过程中发挥同样的作用。
摘要：螺纹磨削加工工艺参数的确定较为复杂,实际生产过程中对技术人员的经验水平有很高的要求。本文提出将模糊推理技术引入该领域,通过对实际加工数据的学习来生成模糊规则库,并以此推理工艺参数值,为加工工艺参数的确定提供有效的参考。
关键词：螺纹加工,磨削技术,模糊推理,工艺决策
参考文献
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[6]K.Hashmi,M.A.El Baradie,M.Ryan.Fuzzy-logic basedintelligent selection of machining parameters[J].Journal ofMaterials Processing Technology,1999,94:94-111.
磨削技术 篇7
工件表面的磨削质量和效率,不仅取决于磨削工艺条件,也依赖于砂轮的表面状况。磨削过程中切屑的形成和排除以及冷却液的供给都需要砂轮有足够的容屑空间。在实际磨削加工中,可能由于材料去除率高于临界值、磨削温度高、工件材料化学亲和性强、硬脆和黏性难加工材料等原因,而使砂轮空隙容易被堵塞[1,2,3],造成磨削效率降低,加工精度下降,磨削区温度升高,砂轮磨损加剧,严重时引起工件烧伤,甚至产生磨削裂纹。
文献[4]提出了一种砂轮堵塞与磨削参数、砂轮结构和材料性能相关的分析模型,CBN砂轮磨削镍基合金的实验证明了这个模型是比较正确的。文献[5]将来自表面磨削的声发射信号用于砂轮磨损有关砂轮堵塞的研究,讨论了磨削声发射信号产生机理。
砂轮孔隙的堵塞状态可作为砂轮耐用度的评定标准,为了减小砂轮堵塞对磨削加工带来的不利影响,要经常进行砂轮修整。检测砂轮堵塞有利于研究磨削时砂轮堵塞的状态和发展过程,从而优化磨削参数和调控砂轮修整频率以减小砂轮堵塞量。因此,一些国内外学者积极探索了砂轮堵塞的测量方法。目前检测砂轮堵塞一般使用下面几种方法[6,7]:① 盐酸分析法;② 比色分析法;③β射线反向散射法;④放射元素示踪法;⑤利用磁力探头检测带磁性的堵塞磨屑;⑥运用“电涡流原理”探测导电的堵塞磨屑;⑦显微照相法;⑧运用反射率测量仪测量堵塞物面积。方法①、方法②是对从被堵塞砂轮上的某一很小范围内的取样进行化学分析来评定的,程序较复杂、检测周期长、精度低且无法获得堵塞磨屑的分布状态;方法③、方法④的缺点在于实验过程中容易产生放射性污染;方法⑤虽然可行,但要求工件材料具有磁性,不能测量铝等有色金属磨削时砂轮的堵塞状态;方法⑥能实现在线检测,目前在实验室使用较多,但测量精度受堵塞磨屑几何形状和导电导磁率的影响较大,而且标定困难,易受电磁场干扰,所以推广难度大;方法⑦、方法⑧利用堵塞磨屑和砂轮表面光学性能的差异来检测砂轮堵塞面积和状态,但当砂轮表面与磨屑颜色和反射率差异不大时,或受到磨削液污染时,检测精度会急剧下降。所以研发一种高效适用的磨削砂轮堵塞检测方法是研究砂轮堵塞机理和发展过程以及探索防止砂轮堵塞的迫切需求。
文献[8]将Sobel算子用于砂轮堵塞磨屑图像边缘检测,计算了堵塞磨屑的比例以监测砂轮表面工作状态。文献[9]用数字图像处理技术来进行识别陶瓷结合剂CBN砂轮磨削镍基超合金砂轮表面堵塞实验,利用扫描电子显微镜来检测砂轮堵塞从而对该实验结果进行验证,并基于该技术,对切削参数对堵塞面积与砂轮表面积的比例的影响和对磨削性能的影响进行了研究。
基于热像检测与分割技术的砂轮堵塞检测方法是一种将主动红外检测技术和计算机图像处理技术相结合的新方法。本实验研究根据堵塞磨屑和砂轮表面材料发射率和热传导的物理特性差异,运用主动红外检测技术采集砂轮受热表面温度场数据和获取热像图;然后分别采用阈值分割、边缘检测和区域生长法对热像图进行分割,提取出砂轮堵塞的特征。把基于梯度阈值过滤的区域生长分割法的砂轮堵塞红外检测实验结果与显微照相法的砂轮堵塞检测实验结果进行了分析比较。
1 实验原理与方法
1.1 主动红外检测技术原理[10]
物体红外辐射能量的大小及其波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。红外测温仪将物体辐射的功率信号转换成电信号后,就能准确地测定它的表面温度,得到与物体表面热分布相应的热像图。
所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外,还与构成物体的材料种类、制备方法等有关。发射率表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度,其值在0~1之间。影响发射率的主要因素有材料种类、理化结构等。实验以陶瓷结合剂刚玉砂轮磨削合金钢(20CrMnTi)前后的砂轮外圆面作为堵塞检测对象,钢磨屑与砂轮陶瓷结合剂及氧化铝磨粒材料的发射率如表1所示。由表1可知,陶瓷发射率较高,而钢的发射率波动范围较大,且当钢非严重氧化时,其发射率明显小于陶瓷发射率。当磨削加工工艺合理时,堵塞磨屑严重氧化情况并不常见。因此,即使在温度相同条件下,未严重氧化的钢材磨削产生的堵塞磨屑的红外辐射强度也要低于砂轮表面材料氧化铝磨粒和陶瓷结合剂的红外辐射强度。
红外测温仪检测出的物体温度高低取决于物体实际的辐射量。当砂轮表面嵌入堵塞磨屑时,一方面由于砂轮表面材料热传导的差异在其表面形成时间和空间上的温度梯度,另一方面由于砂轮材料发射率的不同使得温度相同的表面也呈现出不同的辐射量,热辐射通过红外热像仪形成热像,热像中各像素点的温度值反映了砂轮表面材料的实际辐射量,不同材料辐射量的差异表现为温度波动,即空间上的温度梯度。
依靠物体自身热辐射而对其温度场成像的红外检测属于被动式红外检测;如果向被检试件注入一定的热量以便进行红外检测属于主动式红外检测。当金属磨屑堵塞在砂轮表面时,磨屑和砂轮磨粒、结合剂同时向外界辐射红外线,由于常温下红外辐射量较小,不同材料实际辐射量差异不明显,所以被动检测磨屑的分布很难实现。采用主动红外检测法需先对砂轮表面进行加热,这样不仅可以迅速蒸发砂轮表面的磨削液,加大检测面的温度梯度,还能使砂轮表面温度明显高于环境温度,抑制环境辐射造成的负面影响,提高检测精度。
1.2 砂轮堵塞特征提取实验原理
砂轮受热后由红外热像仪拍摄的表面热像,其分辨率和灵敏度取决于热像仪的性能参数。性能优良的热像仪能敏锐地捕捉到堵塞磨屑形状和分布状态。堵塞磨屑热辐射量较少,在热像中形成温度较低的“洼地”。砂轮表面由结合剂和磨粒等不同材料组成,由于不同材料温度和发射率的差异,砂轮表面温度场也是波澜起伏的。将堵塞磨屑的形状从热像图波澜起伏的背景噪声中准确分割出来是提取砂轮堵塞特征的主要任务,热像图分割的方法主要有阈值分割、边缘检测和区域生长等[11]。
阈值分割方法中假设条件为:每个区域都是由许多温度值相近的像素构成的,物体与背景之间或不同物体之间的温度值有较大的差别。所分割的热像特性越接近这个假设,分割效果越好。对热像的阈值分割就是先确定一个处于热像温度取值范围之中的温度阈值,然后将图像中各个像素的温度值都与这个阈值相比较,并根据比较结果将对应的像素分为两类。这两类像素一般分属热像的两类区域,从而达到分割的目的。
边缘检测是通过检测热像中不同区域的边缘来达到分割图像的目的的。边缘检测的实质是采用某种算法来提取出热像中对象与背景间的交界线。将边缘定义为热像中温度发生急剧变化的区域边界。温度场的变化情况可以用温度梯度来反映,堵塞磨屑边缘的温度梯度较高,通过构造温度场的边缘检测梯度算子来检测堵塞磨屑边缘,以反映砂轮的堵塞状态。
区域生长法的基本思想是将具有相似性质的像素集合起来构成区域,具体做法是先给定热像中要分割的目标区域中一些种子像素,再在种子像素的基础上不断将其周围的像素以一定的规则加入其中,最终实现将代表堵塞磨屑的所有像素集合成一个区域的目标。
1.3 实验方法
实验目的是测定80号陶瓷结合剂棕刚玉磨粒砂轮磨削合金钢时的堵塞状况。砂轮的规格见表2。微晶烧结刚玉磨料砂轮容屑空间较大,自锐性较好,形状保持性好。实验在超高速平面磨床上进行,磨削砂轮线速度为90m/s,磨削工件工作台速度为3.6m/min,磨削切深为0.03mm;磨削方式为逆磨;采用高速水基Hocut795 磨削液,供液压力为25MPa,流量为40L/min;实验采用的红外热像仪型号为Fluke Ti27,其性能参数如表3所示。实验采用短波红外辐射管为砂轮表面加热,该加热管总功率高达2kW,使用短波红外辐射管仅需加热20s,砂轮表面温度即可达到80~100℃。检测时,砂轮需停止旋转,将热像仪和红外辐射管分别悬挂在砂轮左上角和右上角,热像仪对焦在砂轮外圆表面,红外辐射管距砂轮外圆表面约15cm。温度传感器将温度信号反馈给控制柜,当加热温度达到控制柜预先设定的温度时自动停止加热。然后迅速手动旋转砂轮,将砂轮受热区域置于热像仪镜头下,将热像仪采集的数据传输到计算机进行处理。检测完成后将热像仪和红外辐射管从悬挂点取下,以防磨削加工时检测设备受到污染和损坏。
实验步骤如下:①首先对砂轮进行整形和修锐,去除砂轮上已有的磨屑和杂物。使用红外辐射管在距砂轮外圆表面约15cm处进行加热,20s后将红外热像仪对焦在受热的砂轮外表面并拍摄热像图;② 启动磨床磨削合金钢试件,磨削30min后用相同的方法拍摄砂轮堵塞状态下的热像图;③将红外热像仪中的数据导入计算机中的“SmartView”软件,得到热像图和温度场数据,然后使用MATLAB软件编写阈值分割、边缘检测和区域生长三种分割方法的程序,分割热像图并提取砂轮的堵塞特征。
2 实验结果
2.1 热像图
分别拍摄加热到相同温度的砂轮整形修锐后未堵塞的热像图和磨削合金钢后已经堵塞一定程度的热像图,如图1所示。由图1a可以看出,砂轮表面从边缘低温区到中心高温区逐渐由浅色转变为深色,色彩匀称,未见堵塞斑点。而图1b中大小与形状各异的堵塞斑点散布在砂轮表面,斑点处温度较低,大多呈浅色,与砂轮中心深色高温区域形成鲜明对比。截取砂轮中心深色高温区域为采样区并绘制等温线,如图2所示,堵塞点周围温度梯度较大,等温线呈现相对密集的环形纹路;堵塞点中心温度较低,等温线呈黑色或深色;在整个区域内,散布的堵塞点形成许多温度“洼地”,砂轮堵塞状态于此可见一斑。
由砂轮表面采样区堵塞前后温度梯度的模的直方图可见,在温度相近的情况下,砂轮堵塞前后温度梯度的模变化区域的上限从1 ℃ 增加到3℃,增幅较大,即堵塞磨屑的存在加剧了温度的波动及增大了温度梯度的变化范围。
2.2 分割结果
2.2.1 阈值分割实验结果
阈值分割法的分割结果与选取的温度阈值密切相关,热像图中像素点的归属类别决定于该点温度与阈值的比较结果,所以阈值的选取会直接影响堵塞点的形状和分布状态。实验选取不同的阈值(81℃和82℃)对已堵塞砂轮采样区的热像图进行分割,将低于阈值的像素点置为采样区最低温度(黑色),高于阈值的像素点保持原态,分割后的图像如图3所示。由图3可以看出,堵塞点分布状态呈周边多、中间少的趋势;提高温度阈值后,堵塞点数量、堵塞面积占采样区总面积百分比以及堵塞磨屑平均直径都明显增加(见表4)。
2.2.2 边缘检测实验结果
Roberts算子和Sobel算子是边缘检测中常用的检测器,采用这两种检测器分别对已堵塞砂轮采样区热像图进行检测,分割阈值应用Otsu方法[8]得到。将堵塞点边缘标记为黑色,检测结果如图4所示。两种边缘检测器都是通过一阶差分法构造温度梯度,并适当地划分梯度阈值实现边缘检测,检测结果近似。由图4可以看出,检测出的边缘分布比较零散,一定程度上反映了堵塞磨屑的分布状态,但是部分边缘较粗、边缘定位不精确,并且部分边缘不完整、未形成封闭的轮廓,甚至有离散的边缘点出现。
2.2.3 区域生长实验结果
区域生长是以种子像素为生长起始点,并以一定的生长准则将周边的像素合并成一个区域。堵塞点温度较低,易形成温度“洼地”,并且堵塞磨屑的边缘温度梯度较大。鉴于这一特征,选取区域内局部温度极小值点作为种子像素,采用登山算法,从种子像素沿径向从里到外搜索目标边缘点,搜索是在8个等角度间隔的方向上进行的,遇到最大温度梯度的点则被认为是到了边缘。接着将8个边缘点顺序连接起来,形成闭环的边界,然后对边界内的像素进行填充,最终形成堵塞磨屑的形状,如图5a所示。显然,堵塞点过于密集,热像图出现了过分割,原因是种子像素选取范围过大。由前面分析可知,堵塞磨屑边缘温度梯度的模较大,可以设定适当的梯度阈值将温度梯度的模较小的堵塞点过滤掉。分别计算图5a堵塞点边缘上各像素点温度梯度的模的均值,将均值在1℃以内的堵塞点剔除,得到过滤后的热像图,如图5b所示,可见堵塞点的分布状态与边缘检测结果近似。过滤前后的堵塞特征统计值见表5,过滤后,堵塞点数量和堵塞面积百分比都显著减小了,而堵塞磨屑平均直径稍微有所增加。
3 讨论
主动红外检测法将堵塞磨屑与砂轮表面材料物理特性的差异加以放大并转化为表征各像素点温度数据的热像图。热像图涵盖了堵塞面积和状况等特征的信息。堵塞磨屑温度较低,不仅形成了许多的温度洼地,也加剧了温度梯度的变化。提取砂轮堵塞特征即是从“渐变”的温度场中提取出“突变”的堵塞磨屑。不同的图像分割技术对此体现了不一样的适用性。阈值分割对堵塞磨屑的定位比较准确,但一方面由于砂轮外圆面各点视场角的差异,采样区的温度边缘低中间高,所以分割后的堵塞磨屑的分布出现了“偏聚”现象,影响了分割的准确性;另一方面温度阈值对分割结果影响很大,难以设定客观的温度阈值。边缘检测从原理上克服了“偏聚”现象,但因为某些堵塞磨屑周围各方向上的温度梯度差异大、梯度空间跨度大等原因,所以存在边缘不完整、定位不精确等问题,因此边缘检测在分割此类糊状热像图时存在一定困难。而基于梯度阈值过滤的区域生长分割法,剔除了因砂轮本身材料发射率差异形成的“伪种子像素”,极大地提高了信噪比,其分割结果比常规的区域生长法有了较大的改善,与阈值分割法相比,不仅克服了“偏聚”现象,也大幅度提高了砂轮堵塞检测结果的客观性和准确性。下面应用基于梯度阈值过滤的区域生长分割法的热像法和显微照相来对磨削砂轮堵塞的检测做一个对比的实验研究。在砂轮堵塞红外热像图分析中,图像扩张连接不连续的段,以产生连续和封闭的磨屑形状;同时去除图像中的噪声。图像分析中还考虑了金属磨屑、砂轮磨粒和砂轮结合剂的光学特性。
4 堵塞检测结果对比验证
采用显微照相法与本实验所采用的热像法做砂轮堵塞检测对比验证。首先将磨削砂轮外圆面置于超景深三维显微镜下,拍摄单颗堵塞磨屑的照片,如图6a所示(放大150倍),可见,砂轮堵塞磨屑的尺寸在386μm×281μm之内。然后采用主动红外检测法拍摄该磨屑的红外热像,提取其温度矩阵。最后采用区域生长分割法分割该磨屑热像图,分割结果如图6b所示,磨屑长5个像素、宽4个像素,面积占14个像素,根据热像仪的空间分辨率和物距,计算出每个像素点对应的实际面积约为100μm×100μm,即在拍摄所用焦距条件下热像仪的分辨率为0.1mm。可见热像分割检测出的砂轮堵塞磨屑尺寸比显微法实际尺寸稍微大一点。
再采用本文所述的主动红外检测法在砂轮外圆面随机拍摄10个堵塞区域,接着运用基于梯度阈值的区域生长分割法分割热像图,分割结果如图7所示(任列4幅)。然后用超景深显微镜在砂轮外圆面随机拍摄10个堵塞区域,并标注和统计出显微图像中堵塞磨屑的直径和数量,如图8所示(任列4幅),分别统计出两种方法所检测的砂轮堵塞的特征值,结果如表6和表7所示。对比这两个表中的结果可知,热像法检测出的堵塞磨屑平均直径和平均堵塞面积百分比分别比显微照相法高出30%和33.5%。
对比表7和表6结果可知,热像分割检测出的砂轮堵塞磨屑尺寸比显微法实际尺寸稍微大一点,主要原因是实验所采用热像仪分辨率有限,并且热像图区域生长分割法中使用的登山算法将边缘点统一纳入磨屑,这就引入了系统误差。所以红外检测设备精度和砂轮堵塞特征提取的方法仍有较大的改善空间。
5 结论
热像分割采用的阈值分割法提取的磨削砂轮堵塞磨屑出现“偏聚”现象,堵塞点数量和面积受选取的阈值影响较大。边缘检测法克服了“偏聚”现象,但仍存在边缘不完整、定位不精确等问题。而基于梯度阈值过滤的区域生长分割法剔除了常规区域生长分割法的“伪种子像素”,其磨削砂轮堵塞红外主动检测结果更客观和准确,是一种较好的方法。
基于梯度阈值过滤的区域生长分割法的热像检测的砂轮堵塞检测方法能够实现对磨削砂轮堵塞面积和状态的定量检测。该法原理可靠、操作便捷、结果直观,不受堵塞磨屑导电性和导磁性影响,抗电磁干扰和油污污染能力强,为磨削砂轮堵塞机理的研究提供了新的测试手段。本实验中检测精度受所使用的热像仪分辨率限制,检测出的堵塞磨屑平均直径和堵塞面积百分比比显微法偏大,所以红外检测设备精度和砂轮堵塞特征提取的方法仍有改善空间。使用分辨率更高的热像仪或采用合理的插值法提高热像图的分辨率,同时研究先进的特征提取方法以获取更多堵塞磨屑的边缘细节,这些都是提高红外热像法检测砂轮堵塞精度的有效途径。
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发动机曲轴轴颈中鼓度磨削的研究 篇8
（1.襄樊福达东康曲轴有限公司，襄阳441004 2.中国人民解放军驻东风公司军代室，十堰442000）
在内燃机的运转过程中，曲轴轴颈与轴瓦之间的配合间隙影响润滑油膜的形成，而通过曲轴轴颈中鼓度可降低曲轴轴瓦两侧的边载负荷，有利于轴瓦两侧润滑油膜厚度的形成及保持，避免内燃机滑动轴承过早的侧边磨损失效，提升发动机可靠性。曲轴轴颈中鼓度即轴颈中间截面直径分别减去轴颈两侧截面直径，所得差值求和后再平均，一般大马力柴油发动机曲轴轴颈中鼓度要求为1～5μm。
1 曲轴轴颈中鼓度磨削的主要方法
根据机床结构、磨削技术和数控技术的差异，现阶段曲轴轴颈中鼓度磨削主要有成型切入式磨削法和成型切点跟踪式磨削法。
1.1 成型切入式磨削法
传统曲轴磨削方法由两道工序完成，在曲轴主轴颈磨床上，以曲轴中心孔定位，以主轴颈中心连线为回转中心加工主轴颈；在曲轴连杆颈磨床上，以调偏心法磨削连杆颈，即以主轴颈定位，以被加工连杆颈的轴心线为回转中心加工连杆颈。机床装配砂轮磨料为棕刚玉、白刚玉或棕白玉混等普通砂轮，成型切入式磨削工艺为满足轴颈中鼓度要求，砂轮宽度与被磨削轴颈最终档宽一致，机床修整器通过走仿形或数控轨迹在成型砂轮外径上修整出一定的中凹量，砂轮宽度与所磨削轴颈最终档宽一致，采用切入式磨削。由于曲轴连杆颈磨床要用到偏心装夹、曲拐分度，需增加加工工艺面或工艺孔等辅助工序作为曲拐分度的基准。该磨削工艺所用机床工装结构复杂、加工效率低、加工机床或工序多、换型调整时间长，已有被逐步淘汰的趋势。
1.2 成型切点跟踪式磨削法
随着磨削技术和数控技术的发展而出现的一种新型工序集中式的曲轴类零件的磨削加工方法，切点跟踪磨削也称曲轴连续轨迹数控磨削，其磨削主轴颈的方式同普通外圆磨削，磨削连杆颈的实现方式是采用计算机数控（CNC）技术，根据建立的连杆轴颈磨削运动的数学模型，控制砂轮的横向进给（X轴）和工件回转（C轴），见图1。切点跟踪磨削工艺要求砂轮始终能与工件连杆切点接触，保持磨粒形状，普通磨料砂轮很难在跟踪运动和承受挤压的情况下保持磨料颗粒完整且砂轮不破碎。最新型的CBN磨料砂轮能很好的满足这个要求，保证连杆颈的磨削尺寸精度和表面质量。成型切点跟踪式磨削法为满足轴颈中鼓度要求，CBN砂轮宽度与被磨削轴颈最终档宽一致，类似普通砂轮修整方式，在成型CBN砂轮外径上修整出一定中凹量，采用切入式磨削。CBN砂轮保持磨料颗粒形状能力很高，可以很好的保持轴颈中鼓度要求，但是CBN砂轮采购成本很高，在实际使用过程中因为工艺的不足，如CBN砂轮在进刀时会造成侧面和圆角受力过大，一方面曲轴容易产生磨削裂纹，另一方面曲轴端面和圆角区域容易起台，此时只能通过砂轮修整解决问题，CBN砂轮的修整次数增多，造成CBN砂轮正常使用寿命的降低，降低了CBN砂轮的性价比，影响成型切点跟踪式磨削法的使用和推广。
2 矢量切点跟踪式磨削法
由于成型切入式磨削法所用机床工装结构复杂、加工效率低；而成型切点跟踪式磨削法所用成型CBN砂轮使用成本高；在切点跟踪式磨削法的基础上，国外提出了一种新的曲轴轴颈磨削法，即矢量切点跟踪式磨削法，而运用该磨削方法磨削轴颈中鼓度在国内曲轴制造厂家还没有案例。
矢量切点跟踪式磨削法与成型切点跟踪式磨削法的数学模型相似，主要差别表现为砂轮在做X轴的跟踪进给，同时还在进行Z轴方向的进给（如图2）。CBN砂轮宽度小于被磨削轴颈最终挡宽，CBN砂轮可设计成同时适用主轴颈和连杆颈磨削，曲轴一次装夹完成主轴颈和连杆颈的磨削加工，实现CBN砂轮的通用性，提高磨削效率和磨削质量。CBN砂轮采用矢量进给方式，避免直接切入进给时侧面和圆角受力挤压，降低CBN砂轮使用成本。
2.1 磨削原理
矢量切点跟踪式磨削法，CBN砂轮磨削轴颈采用矢量进给方式，解决砂轮宽度与被磨削轴颈最终挡宽不一致问题。通过CBN砂轮磨削轴颈左侧和右侧时，砂轮线速度调整，实现中鼓度磨削。其中鼓度磨削原理主要基于砂轮高速旋转产生离心力，离心力作用在砂轮基体上产生微量形变，通过砂轮基体微量形变反应在砂轮外径上实现中鼓度磨削。为实现砂轮基体形变，将砂轮基体结构进行改进 （见图3），当CBN砂轮高速旋转线速度达到60 m/s以上，砂轮基体受离心力产生微量形变，以CBN砂轮修整时线速度为基准，提高砂轮线速度，砂轮基体产生向外的线性趋势微量形变；降低砂轮线速度，砂轮基体产生向内的线性趋势微量形变（见图4）。
以砂轮型号为M100311的陶瓷CBN砂轮为例（见图5），其基体材料为调质处理的40Cr，运用有限元分析和Pro/E等理论工具，对基体进行应力和形变分布情况的模拟仿真计算，得出砂轮基体在不同的线速度下两侧外圆的最大形变量（见表1）。
2.2 磨削控制
以LT2双砂轮架CNC磨床为例，两片陶瓷CBN砂轮对称排列（见图6），通过砂轮基体微量形变实现曲轴轴颈中鼓度的磨削。
磨削轴颈中鼓度在精磨阶段通过线速度调整完成，分三个步骤。以右侧CBN砂轮磨削为例：1）以基准线速度矢量进给磨削曲轴轴颈左侧，进给到尺寸后砂轮退回；2）以基准线速度矢量进给磨削曲轴轴颈右侧，进给到尺寸后砂轮暂不退回；3）接第二步骤，砂轮线速度在基准线速度的基础上降低并迅速完成从右侧到左侧的横扫（见图7）。左侧CBN砂轮磨削与右侧类似，需要注意砂轮从右到左横扫时，砂轮线速度在基准线速度的基础上升高。
表1 M100311型CBN砂轮左、右侧外圆在不同线速度下的最大形变量
依照上述磨削控制步骤，磨削后可以得到平直的“∧”中鼓度图形，通过优化CBN砂轮磨削第三步横扫轨迹，将上述中鼓度形状修形为过渡圆滑的“⌒”中鼓度图形（见图 8）。
2.3 磨削验证
以某商用车的发动机曲轴为例，磨削工装样件30件，通过ADCOLE曲轴凸轮轴测量机检测，检测报告直线度图形符合曲轴图纸中鼓度要求 （见图9），中鼓度数据报告在2.5μm左右，符合要求。根据M100311型陶瓷CBN砂轮及LT2机床特性，当砂轮线速度在±10 m/s范围内调整时，可满足0～3μm的中鼓度磨削要求。
3 结束语
矢量切点跟踪式磨削法，不依靠修整砂轮形状磨削出中鼓度，创新出一种通过CBN砂轮基体结构修改，调整砂轮线速度，使用砂轮在不同线速度下的微量形变完成曲轴轴颈中鼓度磨削，将该理论应用于实际磨削，最终试磨获得成功。
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磨削加工中砂轮排屑难题探讨 篇9
磨削加工是一种应用广泛的金属切削方法，主要加工传统刀具难以切削的硬质材料以及表面质量、尺寸精度要求高的材料。随着大量新材料的出现和运用对零件精度、质量的要求，磨削加工应用的增长幅度超过其他传统加工方法。磨削加工中，磨粒的尺寸、形状和分布对加工起着重要作用，但在加工韧性金属时，出现砂轮急剧堵塞钝化，导致砂轮寿命缩短，为避免砂轮堵塞钝化和产 生的不利影响，分析砂轮堵塞机理、成因非常必要。
1.磨屑的形成磨削过程是通过切除一定量的工件 材料获得较髙表面质量和精度，常用刀具为砂轮。砂轮是由磨料、结合剂经压坯、干燥、烧结而行成的疏松体，其单个磨粒就是一把微小的切削刃，有很大的负前角和刃口钝圆半径。高速运动磨粒经过滑擦、耕犁后切入工件，切削层材料有明显的沿剪切面滑移后形成了短而薄的切屑，这些磨屑在磨削区内被加热到很高的温度，然后被氧化和熔化，而固化成微粒球体，在球体面上还有某些叉枝，是一种主要磨屑形式。磨削耐酸不 锈钢Cr20Ni24Si4Ti时，发现大量球状磨屑，还伴随着带状、节状磨屑以及灰烬, 这些磨屑有不少部分将会填充到砂轮气孔中，依附在磨料的四周，引起砂轮的堵塞，导致磨削精度下降，烧伤工件，缩短砂轮寿命。
2.砂轮堵塞的类型和机理分析
2.1砂轮堵塞的类型
砂轮堵塞的类型有嵌入型、粘着型和混合型。嵌入型堵塞是磨屑嵌塞在砂轮工作表面空隙处的堵塞状态;粘着型堵塞是磨屑熔结在磨粒及结合剂上的堵塞状态;混合型堵塞是既有嵌入型堵塞又有粘着型堵塞。
2.2嵌入型堵塞的机理分析
外来因素：磨削加工有一个很重要的特点，一般Fy/Fz大于2?10,工件 材料愈硬，塑性愈小，比值愈大，磨削区的磨屑在强大的正压力作用下，被机械挤进砂轮表面的空隙里。磨屑是沿磨粒前面滑出，磨粒前面的局部区域堆积着数层磨屑，在砂轮高速旋转的作用，磨粒后面形成气流旋涡区，旋涡区的空气压力显著减小，在负压力作用下，使部分磨屑依附在磨粒的后面，形成磨粒后刀面的依附性堵塞，依附物多数是灰烬和微粒。
静电场的作用：在磨削区某些小区域内形成了有砂轮和工件组成的小电场，在电场的作用下，部分磨屑将呈现极性，根据异性相吸原理，与砂轮极性相反的磨屑就被吸附在砂轮工作表面。借助于砂轮与工件之间较大的机械压力，使己吸附在砂轮表面的磨屑能稳定地嵌入砂轮表面空隙之间。
2.3粘着型堵塞的机理分析
熔化性粘结：磨削过程中绝大部分输入功率转变为磨削热，使磨削点温度高达1200k以上，磨屑遇空气快速氧化，形成低熔点的金属氧化物，在磨削区高 温加热呈熔化或微熔状态，覆盖在砂轮表面，当砂轮上这部分表面再次参与磨削时，在磨削力的作用下被挤开或强化，增加了与砂轮的亲和力和附着力，有的被挤压粘附在工件表面隆起的沟槽表面 中。通过多次随机磨削，磨粒四周粘附许多磨屑，使磨削力增大，同时温度升高, 由此引起恶性循环，加剧堵塞，直至磨粒破碎或脱落。
化学性粘结：不同元素之间的化学亲和力是粘结性堵塞的又一重要原因。磨粒和被磨削材料在髙温下接触，温度因素使它们活动能力增强，亲和力加剧，当具备一定条件时就导致化学反应，使磨粒和磨屑在砂轮表面生成一种丧失切削能力的晶体。
3.砂轮自身对堵塞的影响
3.1磨料种类
不同砂轮堵塞程度差别很大，从减少堵塞程度，改善磨削效果来看，不同的工件材料，应选用不同的磨料种类。如果选用的磨料不能适应工件材料的磨削性能，就容易产生急剧堵塞，使加工无法正常进行。如用刚玉类磨料磨削铁碳合金，碳在空气中与氧气生成一层很薄的氧化膜，能有效地阻止工件与磨料之间的化学亲和作用，但如磨削钛合金，堵塞则严重的多。有的工厂磨床上的砂轮久用不换，能磨万物，好似节约、方便，实际上损失了效率和精度。
3.2磨料粒度
磨料粒度对砂轮堵塞有一定影响，一般来说细粒度比粗粒度容易产生堵塞现象。因为细粒度砂轮的孔隙容积和磨屑截面积都小，细粒度砂轮的切刃数增加，切屑也多，加上磨削温度升高等原因，在切入次数较小的范围内，细粒度砂轮容易堵塞。随着切入次数的增多，粗粒度的砂轮与细粒度砂轮相比，切入的深度要大，磨粒切刃磨损量就大，且磨削温度上升，在孔隙里的切屑熔结物就增多。到一定次数后，粗粒度砂轮的堵塞量反而要超过细粒度砂轮的堵塞量。半精磨和精磨时，切入量小，温度低，堵塞轻，选择细砂轮;粗磨切入量大，温度高，堵塞在空隙的磨屑、熔结物多，选择粗砂轮。
3.3砂轮的硬度
砂轮的硬度指磨粒脱落的难易程度，由粘结剂的强度予以保证。粘结剂强度愈高，砂轮硬度也愈大，磨粒磨钝量就愈多，磨粒脱落前对工件的滑擦、挤压愈加严重，磨屑更容易机械地填充到砂轮空隙中去，同时还伴随着产生更多的摩擦热，摩擦热为粘结性堵塞提供熔结物。因此砂轮的硬度对堵塞量影响较大，砂轮越硬，堵塞量越大。一般情况下，砂轮硬度选用G?H,在一些难加工的材料中，也采用D?0的硬度。
3.4砂轮组织
砂轮组织反映了磨料、粘结剂、气 孔三者之间的比例关系。砂轮组织越密，工作得磨粒数越多，切削刃间距离变小，砂轮更容易堵塞。含有45%磨料的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半;含有53%磨料的砂轮比含49.2%磨料的砂轮磨削工件的堵塞量高二倍。在磨削难加工 材料时应选择组织号为7至9号的砂轮，大气孔的砂轮就大气孔砂轮效果较好。
4.磨削条件的影响
4.1砂轮线速度
砂轮线速度的增加使磨粒的最大切深减少，切屑截面积减小，同时切削次数和磨削热增加，这两个因素均使堵塞量增加，但是当砂轮线速度高达一定程度时(如达50m/s以上)砂轮的堵塞量反而大大下降。在生产中磨削不锈钢、高温合金时，50m/s砂轮速度比30m/s砂轮的堵塞量减少30%?100%。因此，在磨削难磨材料时，要么采用低于20m/s 的速度，要么采用高于50m/s的速度，选在其之间的磨削速度对砂轮的堵塞是很不利的。对于各种工件材料来说，各有一定的其堵塞量小的临界砂轮速度值。
4.2工件速度
工件的速度对砂轮堵塞程度的影响，与切削条件中其他因素有密切关系。工件线速度提高一倍，砂轮堵塞量增加三倍。这是因为工件速度越高磨粒切入深度就越浅，切屑截面积变小，相当于砂轮特性变硬，故容易引起砂轮堵塞。
4.3磨削方式
切入磨削比纵向磨削堵塞严重。在切入磨削时，砂轮与工件间接触面积大，磨粒切削刃在同一条磨痕上要擦过几次，磨削液进入磨削区困难，磨削时热量高，易造成堵塞。纵磨接触工件材料的是砂轮一侧缘，当磨损面增大到一定程度时，在磨削力作用下磨粒破碎、断裂，实现自锐。大多数磨粒能处于锋利状态下工作，使磨削力和磨削热相对来说较低。同时，受磨削力和磨削热影响区的相当 一部分可以顺纵磨方向排出到工件之外，故降低了发生化学粘附的可能性。
4.4径向切入量
径向切入量对砂轮堵塞的影响呈驼峰趋势。当径向切入量较小时(ap<0.01mm),产生堵塞现象，随着切入量的增加，平均堵塞量也增加，当切 入量增大到一定程度(ap=0.03mm)时，堵塞量又呈减少趋势，之后随着切入量的继续增加(达到ap=0.04mm)时，堵塞量又急剧上升。在磨削难磨材料时，控制最后一次径向切入量，对于提高工件的表面质量和精度是至关重要的。
4.5磨削温度
磨削时，凡是增加磨削热、导致磨削温度升高的因素，都会加剧砂轮的堵塞，堵塞形式主要是粘结型堵塞，当然也伴随着扩散型堵塞。
4.6砂轮修整速度
砂轮修整速度对堵塞有明显影响，当砂轮修整速度低时，砂轮工作表面平坦，单位面积内有效磨刀数增加，使切屑的截面积变小，切削数量增多，故容易产生堵塞。当砂轮修整速度髙时，砂轮工作面变粗，有效磨粒数减小，在砂轮表面出现凹部，起到孔隙作用，切屑易被冲走，熔结物容易脱落。
5.结语
砂轮堵塞是磨削加工中的普遍现象，无论加工条件选择得如何合理，要完全防止堵塞是不可能的，只是程度上有所不同。砂轮种类和加工条件对砂轮堵塞 有较大影响，但最主要的是被加工材料 的物理、力学性能和有无磨削液。
6.选择美高研磨机，减轻砂轮堵塞。
研磨机优势：
1.可以任意调整钻头切削刃的后角角度。2.可以任意调整钻头横人的大小和角度。3.可以任意调整每次研磨钻头的研磨量。4.有微调功能，可满足不同的加工需求。
5.一机两用。既省刀钱又省机钱，开创了钻头精准快速研磨的先河。6.刀具可再生研磨，重复利用，节省刀具成本70%以上。
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曲轴磨削工艺改进 篇10
(1) 因为磨削是磨削区瞬时温度达到或超过工件材料的相变温度, 通常磨削时工件表面的温度可能高达220～300℃或更高, 曲轴在磨削过程中, 其内部组织是马氏体和一定数量的残余奥氏体, 在磨削过程中其处于膨胀状态, 如果将表面快速加热至220～300℃并迅速冷却, 必然会产生收缩, 而这种收缩仅仅发生在工件表面, 其内部仍处于膨胀状态, 从而使表面层承受拉压力产生裂纹, 根据加热温度的逐渐增大, 裂纹也呈上升趋势。
(2) 因为淬火钢中的残余奥氏体, 在磨削时受磨削热的影响会发生分解, 之后逐渐转变成马氏体。这种新生的马氏体集中于曲轴表面, 引起曲轴局部体积膨胀, 加大了曲轴的表面应力, 导致磨削应力集中, 如果继续磨削就容易加速磨削裂纹的产生;另一方面, 在磨床上磨削曲轴时, 对曲轴而言, 既有拉力又有压力, 这样更助长了磨削裂纹的产生, 如果在磨削时冷却不均匀, 则由于磨削而产生的热量足以使磨削表面薄层重新奥氏体化, 随后再次淬火成为淬火马氏体, 因而使表面层产生附加的组织应力。再加上磨削所形成的热量使曲轴表面的温度升高极快, 这种组织应力和热应力的叠加就可能导致磨削表面出现磨削裂纹。
综上所述, 磨削表面产生裂纹的主要原因为:磨削热、冷却不到位和磨削前热处理工艺设定不合理。
磨削裂纹和表面烧伤的特征
磨削裂纹与一般淬火裂纹不同, 磨削裂纹只发生在工件磨削表面上, 深度较浅, 且深度基本一致, 较轻的磨削裂纹垂直或接近垂直于磨削方向的平行线, 是规则排列的条状裂纹;另一种较重的裂纹呈龟甲状 (即网状裂纹) , 其深度大致为0.03～0.15mm;最后一种是表面烧伤, 可以从颜色区分, 呈蓝色斑点状, 多是因为冷却不均匀造成。除最后一种外, 其他两种裂纹都可以通过磁粉探伤工艺检测出来。
消除磨削裂纹的工艺措施
针对淬火裂纹机理和特征研究分析, 对现有工艺改进如下。
1.由单口浇注式变更为四管喷射法
前面已经提到磨削裂纹的产生是因为磨削热所致, 所以降低磨削时产生的热量是解决磨削热的关键。从曲轴磨削加工冷却水浇注状况分析, 原来工艺是采用单口浇注式喷淋方式, 改进后的方式采用四管喷射法, 如图1所示。
从图1可以看到, 单口浇注法的缺点:由于浇注的管口较大, 造成在砂轮接触工件时有一个外力使水流不能全部进入到磨削区, 同时也使工件不能均匀冷却, 造成局部过冷或过热, 出现冷热不均, 就会出现磨削裂纹。使用四管喷射法的优点:在砂轮缓进的过程中, 磨削液可以浇注在曲轴被磨削表面的不同位置, 使曲轴被加工表面可以均匀受到冷却, 这样有效地控制了热量集中, 同时还可以迅速带走热量, 提高磨削效果, 使曲轴表面蓝斑减少到最低限度。
2.正确合理地修整砂轮
在磨削时, 砂轮的磨粒经受着变化的机械负荷和热负荷, 其切削刃不断受到磨损和碎裂, 当磨粒磨钝后就可能使工件表面产生裂纹, 所以砂轮就需要重新修整。砂轮的修整方法和条件对砂轮表面形貌和砂轮切削能力有很大影响, 合理选用修整方法, 可以改变磨削力的大小和砂轮的磨损状态。我公司曲轴研磨的机床是使用仿形法进行磨削, 根据曲轴本身的特点, 笔者设计一种与曲轴外径和端面呈镜向状对称的仿行板, 其轴径段差精度为±0.003mm, 如图2所示。
在仿行板上安装测头, 测头形状与金刚笔一致, 同时在砂轮上部安装金刚笔, 通过测头对仿行板临摹轨迹带动金刚笔对砂轮的修整;两者是同步进行的, 在修整过程中每次修整0.04m m的量, 通过程序记录每次修整后砂轮的直径变化, 根据直径变化, 相应输入不同的转速。根据砂轮最大外径的修整, 其相应磨削参数设置如下:砂轮最大直径为610mm时, 其转速设定S=1408r/m i n, 进给量F=2699m/m i n;砂轮最大直径为580m m时, 其转速设定S=1480r/min, 进给量F=2566m/min;砂轮最大直径为550mm时, 其转速设定S=1562r/min, 进给量F=2599m/min。其对应关系如图3所示。
只要仿形板的静态精度能够达到设计水平, 金刚笔对砂轮不同部位的修整就是均衡的, 就保证了砂轮粒度的均匀性和砂轮受力的平稳性。同时根据砂轮被修整后的不同直径合理设定不同磨削参数, 也是保证曲轴磨削精度的最好方法。
3.合理选择磨削量
合理选择磨削用量也是消除磨削裂纹不可缺少的一项措施, 目前所知道的是:磨削深度越大, 砂轮速度越高, 轴向进给力越小, 工件速度越低时, 工件表面温度越高, 工件就越容易出现裂纹。曲轴磨削的预留量是0.3m m, 以前的工艺采用一次磨削到位, 现在增加了一道粗磨工序, 粗磨量为0.2m m, 粗磨后再进行精磨, 精磨量为0.1m m, 这样就有效减少了磨削力和磨削热, 同时也加长了磨削液流出的时间, 增加了流出的流量, 对控制磨削裂纹的产生起到了一定的作用。
4.合理进行曲轴热处理
热处理方面根据产品图样的要求, 曲轴淬火状态见附表。
在磨削前, 合理安排淬火、回火工艺是非常重要的, 以往的工艺是淬火、回火后直接进行曲轴磨削, 在一段时间的试验后发现, 由于淬火、回火后曲轴表面还不能达到常温, 用手触摸可以感觉到热。所以为了更好地消除曲轴内部应力, 变通为淬火、回火后的曲轴不直接进行磨削处理, 而是搁置一天后, 第二天再进行磨削 (当然, 对于批量生产的工件而言, 为了满足生产需求, 就要求提前一天备出第二天的曲轴) 。实践证明, 采用这种方法, 能有效控制磨削裂纹的产生。