第57届CIRP大会磨削方面论文介绍

2008年4月

总第164期 第2期

金刚石与磨料磨具工程

D ia m ond&A brasives Eng i nee ri ng

A pr.2008

Ser i a.l164 N o.2

文章编号:1006-852X(2008)02-0076-03

第57届CIRP大会磨削方面论文介绍

庞子瑞1,2 刘晓玲2 王宛山1 蔡光起1

(1.东北大学机械工程与自动化学院,110004)

(2.黄河水利职业技术学院机电系,475004)

0 引言

第57届C I R P(国际生产工程研究学会)大会于2007年8月19-25日在德国德累斯顿市召开。以下简要介绍本届年会磨削研究方面的主体报告和磨削分会场的论文情况。

本届年会磨削方面的主体报告是: 磨削中的热分析,作者是美国马萨诸塞州大学的S.M a l k i n和美国康涅狄格东哈特福德联合技术中心的C.Guo。该主题报告揭示了热损伤是磨削加工受限制的主要原因之一。所以,理解影响磨削温度的因素是非常重要的。一般分析方法的热模型是磨削区热源沿工件表面移动。计算磨削温度的一个关键因素是热能的分配,在磨削区仅是磨削能的一部分传给工件。对于用传统砂轮浅磨削来说,分配给工件的热能一般是60~85%。然而,对于缓进给大切深磨削,分配给工件的热能仅有5%,如此少的热能分配归功于对磨削区的冷却。磨料对磨削能的传导也能降低对工件能量的分配,特别是用高导热性CBN磨料进行磨削时。对于用CBN砂轮进行高效深切磨削时,磨削区前的材料预热能使热能随磨屑带走,所以,工件表面的温度是很低的。考虑到这些因素的影响,热分析模型得到了改进,为了更好地理解磨削温度对工件表面完整性等质量的影响而需要做更多的研究工作。

文章首先介绍了磨削加工时工件材料的去除需要很高的能耗,由于砂轮和工件的的干涉,实际上能量在磨削区是以磨削热的形式表现出来的。这就导致了由于高温引起工件表面热损伤的产生,如烧伤、相变、表面层的回火和二次淬火、残余拉应力、裂纹以及疲劳强度降低等。热损伤是影响工件质量的主要因素并且限制了磨削加工的生产效率,因此,弄清楚影响磨削温度的原因是非常重要的。1950年以来,各位学者作了大量的研究工作,最早使用的测量方法是在工件中埋入热电偶来进行测量,对于生产实际来说,还不能提供一个实用的手段来识别和控制磨削温度,一般仅限于实验室的研究。

接着文章从传统浅磨削,以外圆切入磨削为例论述了的磨削热产生的机理,并对磨削热进行了详细分析,得出了磨削区温度计算公式,根据温度计算公式中磨削区中进入工件的热流参数入手论述了磨削能的分配,并以实验数据重点论述了磨削能进入工件的比例;接着又论述了临界温度和热损伤的几种形式。从中可以看出,当用氧化铝砂轮在给定的磨削参数下进行浅磨削时,磨削温度与磨削能上升速度和传入工件的比例是成比例的,试验验证该磨削工艺下,传入工件的磨削能范围是60~85%,较容易出现热损伤。

然后,文章又以缓进给磨削为例,论述了缓进给磨削的工艺特点和缓进给的热源模型、工件温度、热能分配的合成的三角热模型及单颗粒热模型和瞬时温度。从中可以看出,用氧化铝砂轮进行缓进给磨削时,在磨削液没有烧尽的情况下,传给工件的磨削能仅有3~ 7%,如果磨削温度保持在磨削液蒸发的温度之下,热损伤就不会发生。

文章进一步分析了陶瓷、电镀CBN砂轮的磨削性能和高效深切磨削工艺(HEDG)。与传统氧化铝砂轮磨削相比,由于加工时比磨削能低,导致磨削区磨削温度较低,CB N砂轮磨削的热损伤更小,几乎没有工件烧伤现象,工件表面通常出现残余压应力。这些磨削现象归因于CBN磨料有良好的传热性,热导率大约是氧化铝磨料的35倍,所以导致了部分磨削能传给了CBN砂轮,而传入工件的能量减少。陶瓷CB N砂轮因内在的气孔而更利于磨削液的冷却效果使得热损伤更低,电镀CBN砂轮的冷却效果不如陶瓷CBN砂轮的好。一般情况下,两类CBN砂轮磨削产生的磨削能传入工件的比例都在20%左右,当磨削条件良好时(磨削液冷却),陶瓷CB N砂轮磨削仅有6~8%的热能传入工件,而电镀CB N砂轮磨削仅有4~6%传入工件。而当用电镀CBN砂轮进行高效深磨时,由于这种磨削工艺对磨削材料的预热,使得磨屑能从磨削区带走大量的热量,因此,加工工件的表面温度很低。当比去除率低时这种工艺的比磨削能高,相反当比去除率高时的比磨削能低,这是由于大的切深和快的工作速度形

第2期庞子瑞等:第57届C I RP大会磨削方面论文介绍

成的倾斜热源、CB N砂轮的导热性、合适的磨削液供给造成的。

文章最后指出,热损伤是磨削加工受限制的主要原因之一,因此计算磨削温度是非常重要的。对于计算磨削温度和控制热损伤一个关键因素是必须控制磨削中分配给工件的磨削能是多少。过去的研究说明,根据磨削的类型、磨料和磨削液的不同,分配给工件的磨削能有很大的变化。对于用氧化铝砂轮进行浅磨削,磨削能的60~85%传给了工件。对于缓进给磨削和传热性很好的CB N砂轮磨削时,由于磨削液的冷却作用,仅有很少的磨削能传给工件。对于用CBN砂轮进行高效深切磨削,由于这种磨削工艺对材料的预热,使得磨屑能从磨削区带走大量的热量,因此,在加工工件的表面温度很低。

虽然考虑到所有的因素,热模型得到了进一步的发展,磨削温度能被很好的预测出来,但是,磨削温度如何影响工件表面质量是不好理解的。为了更好的理解和量化磨削温度和时间、空间上的温度梯度对工件表面完整性的影响,还需要做更多的研究工作。对于这一挑战性问题更全面的解决方案应该是把热分析和热模型结合在一起来描述工件亚表面层的相变、微观结构、宏观结构和残余应力的演变。全文图35幅,公式50个,参考文献100种。

另外,本届年会在磨削分会场(Sessi o n on Abrasi v e Pr ocess)宣读论文9篇。磨削分会场宣读的9篇论文是:

1 磨削在线淬硬的尺寸效应

作者是德国柏林大学制造加工系的C.H e i n ze l和N.B l e il。这篇文章介绍了利用磨削中比磨削能的尺寸效应对金属零件表面进行淬火的可能性。在单一磨削工序中对材料的去除和塑性变形进行了综合考虑,认为工件在线磨削淬硬的温度需要高的比磨削能。高磨削能提供的在线淬硬方式可通过低的磨削速度和小的磨削深度来完成。这种新的工艺方式可以导致工件的高硬度、残余压应力和良好的耐磨性。全文图7幅,参考文献14种。

2 利用声发射技术在线检测材料的性能

作者是德国Leibn iz大学机床与产品工程研究所的N.K ra m er。对于高性能零件来说,不断增加的要求是局部合适的材料特性,这种局部性能能被几种材料组合成的复合零件被加工后来实现。这种复合材料零件因不同材料的去除机理而影响刀具的磨损、切削力和表面特性.为了提出合适的加工参数,在线检测被加工材料的特性是必须的。本文在钢/陶瓷复合材料的磨削加工中利用声发射技术对材料的特性进行了检测。检测中无条件的信号被记录下来与材料的特有频率范围相比较,被磨材料的磨削条件就能被单独确定下来。全文图7幅,参考文献13种。

3 超硬成型砂轮加工镍基耐热钢

作者是英国伯明翰大学机械制造工程系的D.K.

A spinw all S.L.Soo,D.T.Curtis和英国赛马会Ro lls-Royce公司的A.L.M antle。CBN磨料比金刚石磨料更耐磨,可是,这并不能评价磨料地貌的影响。预处理后的磨损速度能得到有效降低,然而,预处理对间隙的形成是非常明显的。使用金刚石磨料能获得较低的表面粗糙度,这很大程度上归因于金刚石磨料斑驳的地貌及高的磨损率。高的磨削速度能使磨损速度降低。试验条件下没有发现明显的负荷增加到砂轮上,然而,有大量的磨料脱落。在实验条件下没有发现工件烧伤或退化现象。全文图13幅,参考文献13种。

4 影响电镀CBN砂轮磨削性能的因素

作者是美国沃辛顿金刚石创新中心的R.P.Up adhyaya,J.H.Fiecoat两人。这篇文章用实验的方法研究了电镀CB N砂轮磨料晶体特性和镀层厚度对砂轮磨削性能的影响。当砂轮中CB N磨料韧性较高时能表现出良好的耐磨性、高的磨削比和低的磨削能。与前面的试验相比,尽管砂轮中CB N磨料大规模减少,但是,当镀层厚度减小时能获得耐磨性好、磨削比高及磨削能低等良好的效果。指出砂轮的磨损更多的依靠磨料晶体的裸露排列而不是实际的磨料密度。磨料的排列也能促使磨屑的去除和磨削液的注入。大范围的磨削试验证明了用高韧性磨料和薄镀层的砂轮有良好的磨削性能。全文图12幅,表1个,参考文献9种。

5 电镀CBN砂轮磨削镍合金的能力和耐磨性

作者是美国康涅狄格东哈特福德联合技术中心的C.Guo和加拿大魁北克省蒙特利尔国家研究委员会的H.A tti a等三人。电镀CB N砂轮是由单层磨料电镀而制成的。这样的砂轮会因砂轮的磨损而使磨削性能有很大的改变。这篇文章研究了电镀CBN砂轮磨

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