李慧群 ，韋霄騰

( 1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建　三明　366000； 2.百色學(xué)院， 廣西　百色　533000)

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氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的制作

李慧群1，韋霄騰2

( 1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建三明366000； 2.百色學(xué)院， 廣西百色533000)

對(duì)金剛石磨具的種類和現(xiàn)代磨削技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行討論，闡述了一種氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的設(shè)計(jì)與制作.設(shè)計(jì)結(jié)果表明，使用該磨具加工的成品精度高，能滿足車床工作要求.

行星運(yùn)動(dòng)式；金剛石磨具；磨削性能

目前，越來越多種類的硬質(zhì)合金、耐熱合金及工程陶瓷被應(yīng)用到加工生產(chǎn)中，磨削加工技術(shù)面臨全新挑戰(zhàn).新型金剛石磨具的設(shè)計(jì)與制造已成為磨具與超硬材料行業(yè)研究的重點(diǎn)[1].金剛石制成的磨具由于優(yōu)越的加工性能，解決了玻璃、陶瓷等高硬度材料的加工問題.對(duì)于普通的玻璃和陶瓷材料，金屬結(jié)合劑或樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪具有良好的磨加工性，可以滿足加工需求[2].如果直接將上述金剛石砂輪應(yīng)用到近年成熟起來的工程陶瓷、金屬陶瓷等新型特種材料的磨削加工，無法完全滿足加工需求，而且會(huì)遇到如下問題：由結(jié)合劑選擇不當(dāng)造成結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力不夠所引起的磨耗增大，結(jié)合劑的韌性過大而磨具中氣孔少造成磨削力下降，在磨削加工中磨具消耗過快需要定時(shí)修整.本文在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上尋找合適的裝備，通過系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，研究出一種各項(xiàng)性能都能滿足要求的專用于脆硬性材料磨削的氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具，并進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)理論確定方案的可行性.

1　氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的研究意義

作為現(xiàn)代化車床加工制造的主要組成部分，金剛石砂輪磨削加工的重要性在對(duì)硬性材料工件的加工上得到充分體現(xiàn).在對(duì)硬性材料工件進(jìn)行磨削加工時(shí)使用的砂輪主要采用燒結(jié)型金剛石砂輪.這種砂輪存在的主要問題有：

(1)金剛石砂輪在磨削加工過程中使用面積僅在沿磨具寬度方向上有限的一段，這樣會(huì)造成至少50﹪以上的磨料始終沒有參與加工，在金剛石砂輪不斷磨損達(dá)到使用壽命后未使用的部分會(huì)被浪費(fèi)[3].

(2)在上一個(gè)問題的基礎(chǔ)上，使用燒結(jié)型金剛石砂輪進(jìn)行傳統(tǒng)磨削過程中需要定期對(duì)磨具進(jìn)行修整.這個(gè)步驟必須使用一些特制磨具和采用一定的技術(shù)手段，既浪費(fèi)了大量的生產(chǎn)輔助時(shí)間(其中磨具修正輔助時(shí)間至少占整個(gè)加工時(shí)間的30﹪)又增加了勞動(dòng)強(qiáng)度和加工成本，降低了生產(chǎn)效率[4-5].

(3)由于目前條件限制，很難制造出尺寸較大、符合加工需求且又能保證良好磨削性能的燒結(jié)型金剛石砂輪.目前在車床上磨削加工普遍采用的燒結(jié)型金剛石砂輪的尺寸都較小.較小的尺寸就造成砂輪在磨削過程中的加工區(qū)域非常有限.

2　氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的設(shè)計(jì)

針對(duì)前面提出的金剛石砂輪在磨削加工中存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種磨削寬度大、加工效率高、工具成本低的氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具.該磨具不需要任何修整手段和工具對(duì)砂輪進(jìn)行修整就能夠連續(xù)進(jìn)行高速端面磨削.該氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的立體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　氣動(dòng)端面行星式金剛石磨具立體結(jié)構(gòu)圖

氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具裝置主要由氣動(dòng)傳動(dòng)裝置、磨頭彈簧卡套、壓力冷卻管、可旋轉(zhuǎn)的氣體分流器和旋轉(zhuǎn)殼體5個(gè)部分構(gòu)成.其中，氣動(dòng)傳動(dòng)裝置設(shè)有軸承、分流氣管路、螺栓和氣動(dòng)馬達(dá).這樣可以確保在加工時(shí)壓力冷卻液通過壓力冷卻管流入管道對(duì)磨頭進(jìn)行冷卻，保證高速切削時(shí)磨具溫度不會(huì)過高.

在磨具上應(yīng)用行星運(yùn)動(dòng)原理，將氣體通過分流氣管路驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)磨頭高速旋轉(zhuǎn)，其中氣動(dòng)馬達(dá)固定在旋轉(zhuǎn)殼體內(nèi)，并圍繞旋轉(zhuǎn)殼體回轉(zhuǎn)軸心線做行星式運(yùn)動(dòng).為了實(shí)現(xiàn)行星式運(yùn)動(dòng)，需要把磨具中的旋轉(zhuǎn)殼體設(shè)計(jì)成端部與機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)件連接，即可旋轉(zhuǎn)的氣體分流器的一端與機(jī)床的高壓氣體管路相連的同時(shí)另一端可以通過軸承與旋轉(zhuǎn)殼體相連，確保氣體進(jìn)入分流氣管.另外，在氣動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)殼體之間設(shè)有軸承.

為實(shí)現(xiàn)磨削過程中磨頭的夾緊，需要在伸出旋轉(zhuǎn)殼體的沒有與機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)件相連的那一側(cè)端面的氣動(dòng)馬達(dá)上安裝磨頭彈簧卡套，使冷卻液可以流至與氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的魔頭彈簧卡套端部，進(jìn)入磨頭的中孔內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到在加工時(shí)對(duì)磨頭本身及其加工區(qū)域進(jìn)行沖刷冷卻的目的.整個(gè)氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具裝置中的氣動(dòng)馬達(dá)、分流氣管路和磨頭彈簧卡套可設(shè)2～4套，相應(yīng)帶動(dòng)2～4個(gè)金剛石磨頭做高速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)施磨削加工.上述磨頭為杯形金剛石磨頭，外形為圓柱管形，壁厚約0.5 mm.它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2　杯形金剛石磨頭結(jié)構(gòu)示意圖

3　氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的磨削實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)在機(jī)床上改裝成的氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的性能和磨削特點(diǎn)，我們用磨削玻璃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明，即對(duì)玻璃在不同參數(shù)設(shè)定下進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，其中Fx為切向力，F(xiàn)y為軸向力，F(xiàn)z為法向力.

在和玻璃工件接觸前先對(duì)氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具砂輪進(jìn)行檢測(cè).氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具砂輪還沒有與玻璃工件接觸時(shí)，它的切向力、軸向力和法向力的值都很穩(wěn)定.根據(jù)理論，切向力和軸向力應(yīng)該為0.但由于存在誤差，測(cè)得的切向力和軸向力雖然不為0，但初值也很小，對(duì)實(shí)驗(yàn)效果影響不大.

繼續(xù)對(duì)砂輪在緩速磨削情況下進(jìn)行受力檢測(cè)，此時(shí)切向力和軸向力幾乎不變，取值接近于0，而法向力變化很大.在車床上繼續(xù)增大工件的進(jìn)給量時(shí)砂輪的切向力、軸向力和法向力的值都增大.

在砂輪不同的轉(zhuǎn)速和工件的進(jìn)給速度及背吃刀量的情況下，磨削玻璃的表面情況顯微圖如圖3所示.其中，V1是氣動(dòng)磨頭的速度，V2是車床主軸的轉(zhuǎn)速,ap是進(jìn)給量.在緩速磨削情況下磨削得到的表面質(zhì)量比較勻稱，導(dǎo)軌磨痕很小，幾乎沒有崩裂的凹坑.當(dāng)V1、V2都增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大的崩裂凹坑，嚴(yán)重影響加工工件表面質(zhì)量.

(a)V1=9 mm/min，V2=45 r/min，ap=1.2 mm

(b)V1=38 mm/min，V2=190 r/min，ap=1.2 mm

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在一定的砂輪旋轉(zhuǎn)速度范圍、工件的進(jìn)給速度、車床主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)的影響下，氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具的磨削質(zhì)量會(huì)受到一定的影響.我們可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)的值來達(dá)到所要求的表面質(zhì)量.但總的來說，磨削的工件表面刀軌磨痕比較勻稱，表面粗糙度比較小，崩裂凹坑比較小，具有現(xiàn)實(shí)可行性.

4　結(jié)語

本文通過對(duì)目前磨削技術(shù)的研究，綜合現(xiàn)有磨具材料和對(duì)磨削表面的影響，研制出適合脆硬性材料磨削的金剛石磨具，并通過試驗(yàn)研究和對(duì)結(jié)果的分析得出以下結(jié)論:(1)氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具應(yīng)用行星運(yùn)動(dòng)原理，使用氣體分流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選取砂輪端面磨削方式.這樣使整體設(shè)計(jì)在適當(dāng)增大尺寸的同時(shí)可以保證加工精度.另外，為了減輕磨具堵塞、脫落磨粒對(duì)工件表面的影響和切削過熱等問題，在金剛石磨具上安裝了內(nèi)流道高壓水沖刷和冷卻系統(tǒng).(2)氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具所采用的加工方法使磨料沿軸向分層磨損，可以使磨料磨粒得到更充分的合理利用，增加使用壽命，因此工具成本得到降低.(3)氣動(dòng)端面行星運(yùn)動(dòng)式金剛石磨具在為工程陶瓷、金屬陶瓷等新型特種陶瓷制品的精密磨削提供大磨削寬度的高效加工方式的同時(shí)，還提供了一種金剛石砂輪的免修整端面精密磨削技術(shù).由于是在車床上改裝，磨削實(shí)驗(yàn)得到的磨削精度不是很高，可加工的表面不大.此外，在磨削過程中，金剛石砂輪磨頭與玻璃的接觸面上出現(xiàn)一些石墨化斑點(diǎn).要消除這一現(xiàn)象需要進(jìn)一步的研究.

[1]鄭善良.磨削基礎(chǔ)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988:231-233.

[2]李伯民，趙波.實(shí)用磨削技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996:167-169.

[3]馬伏波，袁超，陳樹峰.磨削液的作用和注入方法的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，32(3) :195-198.

[4]陳慧，鄧瑩，李力. Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的研究現(xiàn)狀[J]. 重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(5)：13-16.

[5]李恒,汪永紅,鄂孔元,等.熱處理參數(shù)對(duì)超高強(qiáng)鋁合金硬度的影響[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(5)：20-23.

(責(zé)任編輯穆剛)

The manufacture of diamond grinding tools of planetary end pneumatic-type

LI Huiqun1, WEI Xiaoteng2

(1. Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Sanming Fujian 366000, China；2. Baise University, Baise Guangxi 533000, China)

The types of diamond abrasive grinding technology and the characteristics of modern grinding technology were discussed in the paper. The design and manufacture of a kind of planetary end pneumatic-type diamond grinding tools is described in details. According to the result of the design, this grinding tool can fulfill the requirement of high accuracy on the lathe.

planet sports-style; diamond grinding tools; grinding performance

2015-12-22

李慧群(1988—)，女，福建莆田人，助教，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化方面的研究.

TH136

A

1673-8004(2016)05-0005-03