曲轴材料QT700-2高速超高速磨削工艺试验研究(可编辑)

曲轴材料QT700-2高速超高速磨削工艺试验研究(可编辑) 曲轴材料QT700-2高速超高速磨削工艺试验研究 学校代号: 学 号: 密 级:公开 湖南大学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 硕士学位论文 高速磨削 曲轴材料.高速超 工艺试验研究 堂僮史遣厶丝刍; 奎丕超 昱垣丝刍盈麴整 郭左熬援王堡正直王 墙差 篁僮; 扭越皇运羹王猩堂医 童 些 名 鏊;. 扭撼王捏 途窒握童旦期; 三生垒旦至墨旦 迨窒筌避旦期;生鱼旦至旦 筌趱委基金圭遂 茎韶龌熬援 ? .. ,湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名: 辫:训多年衫月。参 毒螽、趣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 、保密口,在一年解密后适用本授权书。 、不保密瓯 请在以上相应方框内打“?” 奄青?妞 作者签名: 日期:和 ;年口月护多日 翩硌莉’生馊卫魄矽涉年。多月‖曰曲轴材料?高速超高速磨削工艺试验研究 摘 要 材料具有好的铸造性能、好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切 削加工性能和低的缺口敏感性,淬火后硬度,成为加工曲轴的首 选材料。传统的曲轴磨削工艺会造成加工表面裂纹和烧伤且效率低下,成为了长 期困扰生产厂家的一大难题。因此优化磨削工艺成为了本课题的主要目标。 超高速磨削加工技术作为一种先进的现代加工技术,以超乎一般想象的极高 磨削效率。极大的砂轮磨削比,良好的工件表面完整性,给传统的磨削领域带来 了一场革命,展现了现代磨削技术发展的巨大潜力和广阔应用前景。将超高速磨 削加工技术应用到.磨削加工中不仅扩大了超高速磨削加工技术的应用范 围,也在探寻.超高速磨削加工技术的应用潜力等方面具有重要意义。 本文在北京第二机床厂曲轴磨削工艺的基础上制定实验方案,依托湖南大学 国家高效磨削工程技术中心/超高速磨削实验台,开展了超高速高效磨削实 验。采用不同的参数和砂轮通过单因素试验法进行平面磨削,研究在超高速磨削 下材料的去除机理、磨削力的变化趋势和影响因素、磨削面的形貌变化及特点, 从而探讨了各磨削用量分别对磨削加工过程和试件加工质量的影响,并据此来优 化加工方法,给以后的磨削加工提供更有效的建议。 为了提高加工效率,保证加工表面质量,实验采用了粗磨和精磨两道工序, 在粗磨中提高砂轮线速度和工作台速度、增大磨削深度,来提高 加工效率。在精 磨阶段,采用小的磨削深度和砂轮线速度来去除烧伤层,获得更 好的加工质量, 这样通过工艺优化的方法可以达到课题所预定的目标。 关键词:超高速磨削;.;磨削力;表面形貌; 工程硕士学位论文, , . .? ?. ., . . .,. ,? .?. / ,,, , ’ ,,.: , , , , . , , , . 曲轴材料?高速超高速磨肖口工艺试验研究 ; : ? ; ; ?; 工程硕士学位论文 目录 湖南大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权书?. 摘 要......................................................... .................................................. 插图索引??. 附表索引 第章 绪论?. .论文研究与选题背景? .曲轴材料.简介 .国内外曲轴磨削工艺现状.超高速高效磨削技术国内外发展简 介 .本文的研究目的及意义 .本文的研究内容? 第章磨削工艺试验的准备? .试件准备??一 .超高速磨削试验内容? .试验设备及条件 ..试验用超高速磨削试验台??. ..砂轮的选用和修整修锐. .试验结果检测仪器..磨削力的测量?.. ..试件的表面硬度与表面粗糙度的测量 .. 一表面粗糙度台阶测量仪??.. ..超景深.显微镜?.. ..磨削液的选择.. .试验过程中磨削力信号的采集与处理 .试验方案的拟定??. 本章小结? 第章曲轴材料超高速深磨磨削实验.实验结果与分析,.磨削参数 对磨削力和磨削力比的影响 ..比磨除率的研究??.. ..比磨削能研究一 。.最大未变形切削厚度的研究? 曲轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 ..不同砂轮型号对磨削力的影响 本章小结? 第章曲轴材料高速精磨表面质量 . .材料磨削的表面形貌分析? .. 砂轮精磨后结果分析一 .. .材料国产砂轮精磨后结果分析 . 砂轮精磨后表面质量分析?. ..砂轮转速对表面粗糙度的影响 ..磨削深度%对表面粗糙度的影响..工作台进给速度的影响 .国产砂轮磨削表面粗糙度的分析??. ..工作台速度对表面粗糙度的影响..磨削深度对表面粗糙度的 影响 ..砂轮转速对表面粗糙度的影响 . 砂轮与国产砂轮的对比 .磨削工艺参数的选择一 本章小结? 结论与展望参考文献. 致谢工程硕士学位论文 插图索引 图.超高速磨削试件图. /超高速平面磨削实验台??一 图.不同型号砂轮?. 图.砂轮修整装置照片?一 图.磨削力测量系统示意图??一 图. 测力仪 图. 自动转塔显微维氏硬度计.. 图。 .精密粗糙度仪 图.超景深三维显微系统 图.高速超高速磨削型喷嘴. 图.磨削力信号图图.单位宽度法向磨削力与砂轮线速度的关系 图.单位宽度切向磨削力与砂轮转速的关系? 图.磨削力比与砂轮线速度的关系图.单位法向磨削力与工作台 速度的关系图.单位切向磨削力与工作台速度的关系图.磨削力比与 工作台速度的关系图.单位宽度法向磨削力与磨削深度的关系? 图.单位宽度切向磨削力与磨削深度的关系? 图.磨削力比与磨削深度的关系图图.单位法向磨削力与材料去 除率的关系?.. 图.单位切向磨削力与材料去除率的关系?.. 图.磨削力比与比磨除率的关系??. 图.砂轮线速度对材料去除率的影响. 图.磨削深度对比磨削能的影响??. 图.工作台速度对比磨削能的影响 图.砂轮线速度对比磨削能的影响?. 图.材料去除率的比磨削能的影响?一 图. 单位法向磨削力与最大未变形切屑厚度的关系一 图.单位切向磨削力与最大未变形切屑厚度的关系.. 图.磨削力比与最大未变形切屑厚度的关系? 图.材料去除率与最大未变形切屑厚度函数图 图.比磨削能与最大未变形切屑厚度的函数图 曲轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 图.不同砂轮相同工况下对磨削力的影响? 图. 砂轮放大倍的表面形貌 图.砂轮线速度对磨削表面形貌的影响. 图.不同工作台速度对表面形貌的影响. 图.不同磨削深度对表面形貌的影响? 图.国产砂轮放大倍下的表面形貌? 图. 砂轮磨削深度对磨削表面形貌的影响. 图. 砂轮砂轮线速度对磨削表面形貌的影响??.. 图.不同工作台速度对磨削表面形貌的影响?. 图.不同工作台速度下砂轮线速度对表面粗糙度的影响 图.不同砂轮线速度下磨削深度对表面粗糙度的影响 图.不同磨削深度下工作台速度对表面粗糙度的影响 图.最大未变形切屑厚度与表面粗糙度的关系 图. 不同工作台速度对表面粗糙度的影响图.不同磨削深度对表 面粗糙度的影响 图.砂轮转速对表面粗糙度的影响?.. 图.国外砂轮与国产砂轮在相同放大倍数下的对比? 图. .材料经不同砂轮磨削后的表面形貌图.不同砂轮对表面粗糙度 的影响?一 图.磨削后工件表面形貌??. 图.磨削后工件表面形貌??. 图.磨削后工件表面形貌??. 图.粗精磨后的工件照片??.工程硕士学位论文 附表索引 表.试件特性参数表表.砂轮参数??一 表.砂轮修整和修锐参数.. 表.粗磨磨削加工工艺参数表?. 表.精磨磨削加工工艺参数表? 表.粗精磨配合参数?一曲轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 第章 绪论 .论文研究与选题背景 球墨铸铁材料在保留普通铸铁基础成分、工艺性能及多种优点的同时,强度 及塑性发生了质变,赶上甚至超过了钢,因此在汽车发动机曲轴等领域得到了广 泛地应用【。.为珠光体型球墨铸铁,具有较高强度、耐磨性、低韧性, 它这一系列优良的机械物理性能使其成为曲轴的主要材料【】。磨削工艺作为曲轴 加工的重要工艺之一,磨削对曲轴轴颈的表面粗糙度和轴颈的各 种尺寸、形位公 差有直接的影响。传统曲轴磨削工序多进给量小加工效率低;而且由于曲轴表面 淬火的高强度和耐磨性容易发生曲轴表面磨削烧伤、细微波纹和表面裂纹【。因 此,超高速精密磨削所具有的高效率和高质量的加工特点可以很好的应用到现有 的曲轴磨削加工要求中来。 本课题来源于湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心所承担的年度 “高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项“汽车曲轴加工柔性、敏捷、高 效、精密、自动化生产线示范工程”编号: .。该课题要求根 据提供的曲轴材料和技术要求,改善现有的磨削加工工艺,进行曲轴材料高速超 高速磨削工艺试验,为曲轴零件的高速超高速磨削加工打下基础。 课题要求进行相应的曲轴磨削工艺实验并对取得的磨削数据进行优化处理, 改善现有的曲轴磨削加工工艺。研究曲轴.材料在不同的高速超高速磨削 参数下的法向和切向磨削力、磨削力分力比、比磨削能、表面粗 糙度、未变形切 屑厚度、磨削烧伤深度的变化规律和磨削参数的优化准则。湖南大学在对传统磨 削工艺进行研究的基础上发现,.材料的传统加工方法可以改善的空间并 不是很大,通过采用新式的砂轮或购买较贵的磨削液对现有材料的加工质量并没 有太明显的提升,所以采用新的加工系统进行先进磨削技术实验就变得很有必要。 .曲轴材料.简介 球墨铸铁是世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料,其综合性能接 近于钢,正是基于其优异的性能,已成功地用于铸造一些受力复杂,强度、韧性、 耐磨性要求较高的零件。曲轴材料.为珠光体型球墨铸铁,它的金相组织 为石墨、珠光体还有少量的铁素体。化学成分主要有碳.~.;硅: .~.%:锰..%;硫..%,力学性能如下: 抗拉强度:?;条件屈服强度.:?;伸长率%:?。所以.具有较高强度、耐磨性,低韧性低塑性。适合于对强度要求较 高的零件,如柴油机和汽油机的曲轴、凸轮轴、部分磨床、铣床、车床的主轴、 球磨机齿轴等【。 .国内外曲轴磨削工艺现状 磨削工艺是曲轴加工中的重要工艺之一。国内磨削工艺一般分为粗磨、精磨。 国外曲轴加工,大多数厂家都是一次精磨到位。国内现在的曲轴生产线的组成基 本上为专用机床和普通机床,加工效率低下。粗加工阶段,工序多且质量不稳定, 内应力产生的可能性较大,难以达到合理的加工余量。精加工一般采用 等曲轴磨床进行粗磨.半精磨.精磨.抛光, 通常靠手工操作导致了加工质量不稳定。 传统的磨削工艺粗磨时若砂轮线速度高, 进给量大会导致磨削烧伤和裂纹,所以 只能采用低的砂轮线速度以及小的磨削深度,北京第二机床厂粗磨时采用的砂轮 线速度最高为/,磨削效率较低。在精磨时,采用进给量每次在., 多工序的方式,效率低且不能保证加工质量】。 北京第二机床厂开发的. 双砂轮架随动式切点跟踪数控曲轴磨 床采用了超高速磨削技术等国际先进技术,能够达到加工精度和生产效率,整机 刚度高、效率高、可靠性高。适合于曲轴生产线成线配套使用。. 机床的 布局是工作台固定,双砂轮架后移动式的形式。采用的随动式切点跟踪磨削 连杆颈技术,是国际最先进水平。两个砂轮架进给轴、轴与工件回转 轴、轴进行数控联动的全闭环同时被控制,来磨削曲轴两个不同相位 的连杆颈的,也可同时磨削一个连杆颈和一个主轴颈,或同时磨削两个主轴颈。 机床采用砂轮速度能达到/,该产品能够一次装夹实现汽车曲轴连杆 颈、主轴颈的批量精密加工;能够在线测量工件与误差补偿。最大限度的满足发 动机制造业曲轴精密加工的实际需要和提升国产设备技术与制造水平的迫切要求, 填补国内在该技术领域的技术和产品空白,替代进口设备,促进发动机制造业降 低制造成本。 .超高速高效磨削技术国内外发展简介 高速磨削技术在欧洲较先起步,上世纪年代起开始进行了基础研究。年 代末期,采用 立方氮化硼砂轮。德国大学 的..教授将高进给速度、大切深和砂轮线速度有机结合起来,建立并发 展了高效深磨工艺【。年代世界上第一台高效深磨磨床由德国大学和 公司合作研发成功,磨削线速度达到/。到世 德国 曲轴材料高速超高速磨削工艺试验研究 纪,阿亨工业大学实验室将磨削线速度提高到/?。 公司、 公司再超高速磨削使用方面也很有建树,这反映出欧洲企业 在高效磨削技术方面实用化的领先地位【。 年月,湖南大学进行了/的高速强力凸轮磨削工艺实验研究, 为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。年开 发了切点追踪高校磨削曲轴新工艺与软件,从根本上解决了曲拐、偏心圆等类零 件工序分散加工造成的加工效率低和重复定位误差大的难题。年对钢、 等金属材料进行了砂轮从/一/不同磨削参数的超高速磨削 工艺研究,获得了不同材料的最佳磨削参数。年研发出最高线速度达/ 的数控非圆轮廓磨床【。 湖南大学在国内首先研制了我国第一台磨削速度为 /的数控超高 速平面磨床。并进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、超高速磨削成屑 机理研究、硬脆材料的超高速深磨研究、钛合金超高速单颗粒磨削实验研 究、高速单颗粒磨削机理研究等方面的研究,部分研究成果达到国际先进水平, 部分研究成果与国际水平持平。 .本文的研究目的及意义 传统磨削在对曲轴材料.进行加工时,磨削效率低,材料容易发生磨 削烧伤等。为了提高曲轴磨削的效率,我们拟开展曲轴材料.高速超高速 磨削试验研究,研究曲轴.材料在不同的高速超高速磨削参数下的法向和 切向磨削力、磨削力分力比、比磨削能、表面粗糙度、未变形切屑厚度、磨削烧 伤深度的变化规律和磨削参数的优化准则。最终为曲轴零件的超高速大 切深高效率磨削打下坚实的基础。 本文的研究从磨削工艺入手,通过对曲轴材料.进行粗、精磨工艺试 验,完善平面磨削的机理研究,并找出最佳工艺参数,为今后曲轴零件加工提供 可参考的数据。从而提高曲轴磨削工艺的生产率,提高零件的加工表面质量,降 低生产成本,使曲轴磨削工艺技术在高新技术领域得到广泛的应用有着重要指导 意义和实践意义引。 .本文的研究内容 本文根据曲轴磨削加工工艺的现状和国内外超高速磨削技术的研究历史和现 状,提出了将高速超高速磨削应用于曲轴材料加工的可行性。据现有磨 削加工条件制定.材料高速超高速磨削加工实验方案,使用不同粒度号的工程硕士学位论文 砂轮,改变磨削参数对其进行高速超高速平面磨削实验。根据加工质量及加工效 率评估实验结果,选择出了较好的工艺参数。本文的主要内容如下: 第一章主要详细介绍本课题研究背景、目的与意义,分析了曲轴磨削加工工 艺的现状,并对国内外高速磨削领域的发展和研究成果进行了介绍。最后,提出 了本课题的来源和研究内容。 第二章主要从详细介绍了试验材料的特性、试验设备、砂轮的选用和修整、 试验结果的检测。最后根据材料的特性,结合本试验的目的并考虑试验条件制定 了具体的试验方案。 第三章在粗磨阶段主要通过对磨削力的分析,确定各磨削用量与磨削力之间 的关系,尽可能的提高加工效率。 第四章在精磨阶段主要分析磨削表面质量,确定不同磨削参数对磨削表面质 量影响关系。通过分析磨削表面和磨屑的微观形貌,研究不同工艺参数下的材料 去除机理,并得出不同去除机理与磨削表面质量的关系。并对曲轴磨削工艺参数 进行了选择。 最后总结回顾了本文对磨削工艺实验研究,展望了今后.材料磨削研 究的发展方向。 曲轴材料?高速超高速磨削工艺试验研究 第章磨削工艺试验的准备 .试件准备 球墨铸铁在保留普通铸铁基础成分、工艺性能及多种优点的同时,强度及塑 性发生了质变,赶上甚至超过了钢。具有较好的回火稳定性,热处理时变形小。 适合用于汽车曲轴等高强度的零件的加工。 ?的材料特性参数表如: 表.试件特性参数表 试件材料尺寸为长 宽×高,在长×宽 平面内沿宽度方向磨削。试件如图.所示: 图.超高速磨削试件 .超高速磨削试验内容 本试验材料为?,淬火后硬度达到,为了验证热处理的效果,首 先要采用自动转塔显微维氏硬度计对磨削的工件进行硬度检测,依据项 目要求和在北京第二机床厂曲轴磨削工艺的基础上制定好试验方案。在磨削过程 中,首先按照既定方案进行工件的超高速磨削。与此同时采用型 压电晶体测力仪对磨削力进行在线测量。由于磨削力的大小以及力信号的变化 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 硕:学位论文 律分别可以反映工件的磨削机理以及砂轮的磨损情况,由此来对 磨削力进行细致 分析观察确定砂轮磨削状态,及时的对砂轮进行修整。在精磨阶段,对磨削后的 工件进行标记,分析工件磨削后的表面质量。工件磨削后表面的粗糙度通过采用 .精密粗糙度仪来进行检测,采用超景深三维显微镜对不同工艺参数下材料 的磨削表面的微观形貌进行观察,对不同工艺参数下.的材料去除机理进 行相应的推断,把实际磨削工件表面与显微系统观察到的工件表面形貌进行对比, 推断有无裂纹、烧伤等;最后通过对试验中检测到的数据的分析来确定磨削用量 对加工质量的影响,选择出相对较好的工艺参数。为以后曲轴零件成型磨削提供 可参考的依据。 .试验设备及条件 ..试验用超高速磨削试验台 图.为 /超高速平面磨削实验台,试验在该设备上进行。本实验台安 置在深达 的混凝土防振隔离地基上,主轴为矩台拖板移动式。采用 数控系统与瑞士公司的高速精密电主轴磨头,机床主轴功率达到 ,主轴转速可达的最大值为,静刚度为:径向/,轴向 /。额定扭矩为 .,额定功率为,工作台电机功率,机床 可采用金刚石、等超硬磨料砂轮,采用美国进口动平衡系统对砂 轮进行实时平衡。冷却过滤净化系统对试验台进行冷却过滤,压力在~ 可调。同时有恒温循环供水箱对电主轴进行冷却。压缩空气供给及除湿系统对试 验周围环境进行干燥。 图. /超高速平面磨削实验台 曲轴材料?高速超高速磨削艺试验研究 ..砂轮的选用和修整修锐 对砂轮规格的选择,首先要对磨料进行选择。磨料是砂轮的主要组成部 分,它具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和一定的韧性,以承受磨削时的切削热 和切削力,同时还应具备锋利的尖角,以便于切入金属。一单晶刚 玉和棕刚玉的混合磨料:适用于球墨铸铁、冷激铸铁类材料的高效磨削,也用于 轴承钢的普通磨削。其次是结合剂的选择。结合剂和磨料两者的选择密切相关, 普通砂轮的结合剂,主要有陶瓷结合剂、菱苦土结合剂、树脂结合剂和橡胶结合 剂四类,对于超高速平面磨削来说,砂轮特性参数的选用是相当重要的,其对磨 削表面质量以及砂轮损耗等影响极大。通过对超高速高效磨削工艺的要求以及曲 轴材料?材料特性的分析,需要选用立方氮化硼砂轮进行磨削, 本试验分别采用不同的砂轮进行粗磨和精磨研究。砂轮参数如表.所示: 表.砂轮参数 砂轮 砂轮砂轮 图.不同型号砂轮 在超高速磨削过程中,由于磨削力和磨削区域高温、粘附等作用,砂轮会逐 渐被磨钝,从而导致:同时砂轮工作表面的磨粒会因不均匀磨损而失去正确的原 始几何形状,此外由于超高速磨削的磨屑非常细小很容易堵塞砂轮工作表面间隙 为使砂轮始终保持良好的磨削状态,需要定期修整砂轮。砂轮的修整 过程应分为两个工序:整形和修锐。砂轮的整形和修锐参数如表. 所示: 表.砂轮修整和修锐参数 砂轮整形装置 砂轮修锐装置 图.砂轮修整装置照片 本试验中使用金刚石滚轮对砂轮进行修整,金刚石滚轮式一种新型的 修整工具。在修整过程中可避免修整工具磨损过快而影响型面精度的情况,并可 获得较好的砂轮形貌。滚轮精度保持性好,不仅能修整具有精密形状和尺寸公差油轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 的复杂型面,并且可在长期实践内保证大批量生产零件的质量稳定性。砂轮修整 装置如图.所示。在确认砂轮修整达到所需要求后,利用碳化硅油石对砂轮进 行修锐。在磨削过程中,每组实验进行前都要进行砂轮的修锐来去除粘附在砂轮 表面的磨屑,使磨粒显露出来。 .试验结果检测仪器 ..磨削力的测量: 图.磨削力测量系统示意图 图. 测力仪 磨削过程中磨削力的来源主要有两个方面:一是在磨削的过程中, 工件发生 弹性变形和塑性变形时所产生的阻力;二是磨粒与工件表面之间的摩擦力。为便 于分析磨削中得问题,磨削力一般分为切向磨削力,法向磨削力。,以及轴向 磨削力凡。而磨削中的凡较小,可以不考虑其影响。由于砂轮的磨粒有较大负 前角,所以其法向磨削力一般大于切向磨削力,其比值即磨削力比/只在 .~范围内。磨削力比间接地说明了砂轮工作表面的磨粒锋利程度。同时磨削 力与磨削加工表面质量、砂轮的使用寿命等均有直接关系。由于磨削力比较容易 工程硕士学位论文 测量与控制,因此常用磨削力来诊断磨削状态。 图.为 测力仪,此次试验采用该仪器来测量磨削力,此测 力仪为精密三向压电晶体结构,磨削过程中三个方向的磨削力通过石英的压电晶 ~ 体传感器转换成 库伦级的电荷信号,然后测力仪内置的电荷放大器把信号 放大后输出,设置好控制单元的量程,信号经过此单元的放大后, 输出 对应磨削力的三个模拟电压信号,经过/转换板把模拟信号转换成数字信号, 输入到电脑的数据采集卡。 图.为磨削力测量系统示意图。该系统的测量基本流程是由于磨削力施加 到测力仪产生的电信号由数据采集卡收集到计算机中,然后通过数据采 集软件将信号显示,最后通过软件进行信号的分析处理。磨削力可以分解 为切向磨削力,法向磨削力,轴向磨削力口,由于磨削过程中,轴向磨削力口较 小,故试验中将它忽略不计,只测量法向的磨削力和切向的磨削力三个互相 垂直的力。 ..试件的表面硬度与表面粗糙度的测量 硬度检测是评定金属材料机械性能试验中最简单、迅速和容易实施的方法。 硬度一般是指材料抗弹塑性变形的能力。同时硬度值和材料的泊松比、弹性模量、 屈服极限、弹性极限、脆性、韧性、材料的结晶状态等参数密切相关。因而硬度 的准确测量,对合理的确定磨削工艺参数、检验是否产生磨削烧伤以及预测磨削后 的表面质量等非常有意义。 此次试验采用自动转塔显微维氏硬度计,如图.所示。此硬度计 带有公制压痕读数微分头的测量显微镜,可选摄像装置及图像处理系统, 电机能够自动加卸载控制,具备目镜及摄像通道双光通道具有操作简 单的优点。 图. 自动转塔显微维氏硬度计 曲轴材料’. 高速超高速磨削工艺试验研究 .. 一表面粗糙度台阶测量仪 图. .精密粗糙度仪 试验中采用的是上海泰明光学仪器有限公司生产的.精密粗糙度仪,设 备如图.所示,使用时首先要对该仪器进行标定。它可以对各中零件的表面粗 糙度测试取样长度为.,评定长度为取样长度的倍即,该仪器 的采样速度为./,在工件磨削后的表面上开始、中间、结束的三个不同位 置各测一次,对非正常数值重复检测,核实状态舍弃错误值,试验结果取次结 果的平均值。 ..超景深一显微镜 图.超景深三维显微系统 图.为超景深一显微镜,本实验采用它来对砂轮表面形貌和磨削后材料 表面形貌进行观测。它可以实现不同深度的目标物对焦,同时把对焦照片进行合 成,且可以进行工件表面三维形貌的拍摄,更详细反映试件表面微观形貌。工程硕士学位论文 ..磨削液的选择 磨削加工时,由于磨粒磨削工件以及形成切屑时消耗的能量大部分转化为热, 并且结合剂、磨粒、切屑之间产生的摩擦在磨削区产生极高的温度,这种磨削高 温不仅影响了工件磨削的表面质量,而且影响了砂轮的磨损。磨削液的正确应用 对于成功的磨削十分重要。磨削液的作用是对磨削弧区进行冷却和润滑。水基磨 削液的作用主要是冷却,有一定的润滑作用。 本试验采用好富顿乳化型磨削液。它属于中重负荷切削液:适于 铝、铸 铁、合金钢的切削、磨削、攻丝等。不含氯、不含硫,生物稳定型,不生菌。可 有效地起到冷却作用,使工件获得好的表面质量。 图.高速超高速磨削型喷嘴 图.为高速超高速磨削型喷嘴,磨削液通过型喷嘴注入,供液压力 ,流量/。可以冲破砂轮圆周表面形成高速回转的气流这道屏障进 入磨削区,将磨削热迅速带走。 .试验过程中磨削力信号的采集与处理 磨削过程中采用压电晶体测力仪测量磨削力的大小,数据采集软件的 采样频率为,防止磨削力信号数据失真,放大器的灵敏度为./。采 集的信号保存为相应数据通道的文本文件,通过数据分析软件处理后观察。 信号周期远远小于高频噪声信号的周期,以信号的有效值来最终确定磨削力数据。 水平方向和垂直方向的磨削力信号图.中 两图所示。曲轴材料?高速超高速磨削工艺试验研究 三三三三三三三三三三三三乏三 二::兰兰 二二::竺兰竺 竺.竺 “水平方向 三三三三三三二三三三?三三 二二:竺兰竺 二二竺:: 竺二:竺 垂直方向 图 磨削力信号图 .试验方案的拟定 此课题的目标是传统磨削在对曲轴材料.进行加工时,加工后材料表 面质量达不到要求,磨削效率低,材料容易发生磨削烧伤,细微裂纹和表面波纹。 同时对砂轮的损害严重,加工成本相对较高。为了获得更好的磨削工艺参数,提 高加工效率,我们拟开展曲轴材料.高速超高速磨削试验研究。北京第二 机床厂实际的磨削是切点跟踪式磨削,粗磨砂轮线速度为/,大约进给 次~ 次每次转一圈,每次进给.~. 左右磨削材质和砂轮不同, 进给量不同,每圈转速;精磨砂轮线速度为/,大约进给次~次 每次转一圈,每次进给.~. 左右磨削材质和砂轮不同,进给量 不同,每圈转速。 为了达到曲轴磨削加工的高效率与高表面质量,我们把曲轴材料高速磨削过 程分为在一台磨床上工件装夹后粗磨和精磨两道工序,这大大减少了磨削工序和 磨削时间,很大程度上提高了磨削效率。具体实验方案如表.和表.所示:.程硕士学位论文 表.粗磨磨削加工工艺参数表 本章小结 本章详细介绍了曲轴材料?超高速磨削工艺试验。主要包括一下几个 方面:.的材料特性,磨削试验用超高速平面磨床、砂轮的修整和修锐方 法、磨削过程中数据的采集设备,如何选用磨削液。磨削试验用砂轮及其修整方 法、并在北京第二机床厂现有曲轴磨削工艺的基础上结合超高速磨削机理制定了 具体曲轴材料高速磨削方案。 曲轴材料高速超高速磨削工艺试验研究 第章曲轴材料 超高速深磨磨削实验 本章详细分析了磨削用量对磨削力、比磨削能等的影响。同时研究了材料去 除率、磨削力变化与最大未变形切屑厚度的关系。 .实验结果与分析 ..磨削参数对磨削力和磨削力比的影响 .砂轮转速的影响 . . . 芝 苫 寰 盥 屋 趟 蟋 橱 堪 :井 图.单位宽度法向磨削力与砂轮线速度的关系 ?.:. .蝌嘲. 芝 关 爱 鳖 尽 塑 韫 ~? .~, 一?一 一‘ 二.一~ 趔。 褂 砂轮线速度/ 图.单位宽度切向屠削力与砂轮转速的关系 图。和图.显示的是在工作台进给速度‰为./时,在不同的切削深 度下,改变砂轮转速,单位宽度法向单位磨削力晶以及单位宽度切向磨削力的 变化示意图。可以观察出增大砂轮转速,单位宽度法向磨削力晶和单位宽度切向 磨削力均呈现下降的趋势。在。/时磨削力达到最小值。且单位宽度法向 磨削力的下降趋势更为明显,这是因为提高砂轮转速,单位时间内通过磨削区的 砂轮磨粒数增加,单颗磨粒未变形切屑厚度减小,因此每颗有效磨粒承受的磨削 力随之降低,因而磨削力降低 。同时从两图也可以侧面观察出单位法向磨削力 和切向磨削力在磨削深度在.~.范围内有着较为明显的增大。 :亡程硕士学位论文 .一. . 蠹. 图.磨削力比与砂轮线速度的关系 图.为磨削力比与砂轮线速度坎影响关系,从图中可以看出起初随着砂轮线 速度的增大,磨削力比有上升的趋势,当砂轮线速度珐达到/时,在%为 .和.条件下磨削力比有下降的趋势,同时也可以看出在不同的磨削深 度下,单位宽度法向磨削力晶及单位宽度切向磨削力的增长快慢程度不同, 在磨削力的尺寸效应下,由于最大未切削变形厚度“的减小使磨削力比的增大 得以验证。原因是职增大,工件与砂轮之间的摩擦力减小,显著降低。从而导 致磨削力比的增大,这也是高速磨削下能高效经济的磨削材料的原因引。 .工作台速度的影响 ./ 咖:如 。 ? 赴 避 屋 蝉 堪 恨 趟 孙 工作台速度/ 图.单位法向磨削力与工作台速度的关系 ./ /?确订 ?一 ? 主 杂? 鋈 篓 簇 鬈。 工作台速度/ 图.单位切向磨削力与工作台速度的关系 磨削力大小受‰变化的示意图为.和.。在磨削深度口为.,不同的 砂 曲轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 轮转速珐条件下,改变‰。图中可以看出磨削力两分力都随着‰ 的增加都有不同 程度的增加,法向磨削力晶的增长相对去切向磨削力显得尤为明显。原因在于最 大未变形切削厚度,似随着工作台速度的增加而增大,导致切削区有效磨刃数的 增大,故磨削力相应的增大。在砂轮线速度杪。为/和/时单位宽度法向 切削力的增长趋势大体相近。同时也反映出法向和切向磨削力随着砂轮线速度的 增大而减小。只是切向磨削力的下降趋势更为明显些。 ??订, /”瞬, 工作台速度/ 图.磨削力比与工作台速度的关系 图.为磨削力比受工作台速度影响的变化示意图,从图中可以得到,在不 同的砂轮线速度砍条件下,磨削力比有一定的波动,但范围不是很大【引。 .磨削深度的影响 磨削深度的变化对磨削力的影响如图.和.所示,从图中可以知道,在 砂轮线速度一定时,改变磨削深度的大小,不同工作台速度条件下法向磨削力和 时, 切向磨削力大小有着不同程度的增大,单位宽度法向磨削力在小于. 后,增长趋势开始趋向平稳,有减缓的趋势。 增长速率较快,当%大于. 后增长趋势更快。这是因为材料去除率随 而单位宽度切向磨削力在廿大于. 磨削深度%的增加成比例增长,磨削区内有效磨刃数相应的增加,与工件表面发 生干涉的磨粒增加,从而导致了最大未变形切削厚度似的增大,最终导致了磨 削力的增大 时材料的去除方式发生从塑性变形去除向脆性 。。当%大于. 去除的改变,脆性碎裂出现,加工表面形貌有所变化。工程硕士学位论文 / / 咖/ ? 裹 篷 厘 蜘 毯 椒 掣 鞋 磨削深度 图.单位宽度法向磨削力与磨削深度的关系 / 抄 ?一 . . 。 赶 甑 厘 . 簧 魁. 舛 . . . . .勺 磨削深度 图.单位宽度切向磨削力与磨削深度的关系 图.为磨削深度对磨削力比的影响。从图中可以知道,在块一定, 不同的工 作台速度下,随着口的增大磨削力比呈下降趋势。也可以看出‰ 在.~./ 三种条件下的磨削力比的曲线图比较接近,说明在不同工作台速 度条件下矗与 。 增长程度的比值近似一致 ./ / .畦/ 一 ~ 一 , ?差基襄馥. . . . . ?~一一?一????~??。 磨削深度 图.磨削力比与磨削深度的关系图 ..比磨除率的研究 . 比磨除率对磨削力的影响 曲轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 号 ?. ?., 仁 ? 蓬 曩。 簧 莩。 图.单位法向磨削力与材料去除率的关系 . ../ ./; .. 七 ? 也 襄 避 叵 尽 越 椒 趔 需 . . . . 材料去除率/. 图.单位切向磨削力与材料去除率的关系 图.和.显示了磨削.材料时,磨削力随材料去除率增加时的变化 一定,工作台速度‰变化; 规律,可以看出在两种条件下即:切削厚度口. 工作台速度./,切削深度口变化。法向磨削力与切向磨削力都呈 现了不 同程度的上升趋势。在.材料的比磨除率巩小于.时,大的切削厚 度导 致磨削力较大,而.材料的比磨除率大于.时成相反关系。 ... . :./ .. 材料去除率/. 图.磨削力比与比磨除率的关系 图. 以知道,在工作台速度一定的条件下,磨削力比随着材料去除率 砧 的增大出现有规律的波动起伏,而在另~种条件下,磨削力比上升趋势趋向平缓。 工程硕士学位论文 说明随着材料去除率的增加,当‰保持恒定,磨削深度增大,导致磨削厚度增 大,法向磨削力的增幅出现小于切向磨削力增幅的情况,然而磨削力比反映的是 磨粒压入工件表面的难易程度,所以随着材料去除率的进一步增大磨削过程中 的磨粒难以压入工件表面,两者之间增幅的差距逐渐减小。使得磨削力比下降逐 渐变缓‘。 .砂轮线速度对材料去除率的影响 ... 三, .三姆篮玳:轾 图.砂轮线速度对材料去除军的影响 图.给出了砂轮线速度对材料去除率的影响规律图,随着砂轮线速度砍从 /提高到/,单位时间内的材料去除率呈单调增加趋势,这也证明了高速 磨削能够提高磨削效率的原因【。 ..比磨削能研究 .磨削深度对比磨削能的影响 图. 呈现的是砂轮线速度。 /时,磨削深度对比磨削能的影响关系图, 图中显示,随着磨削深度口的增大,不同工作台速度条件下的试 验组整体呈下降 后下降趋势趋于平 趋势,%小于. 时下降趋势比较急剧,当移大于. 缓。原因在于增大磨削深度,导致了磨粒切削厚度的增加和接触 弧长的增大,同 时有效磨粒数增多,磨削时消耗的能量增加,因此比磨削能大幅 度的减小【】。 .../ ./ 。。/ 磨削深度 图.磨削深度对比磨削能的影响 曲轴材料高速超高速磨削工艺试验研究 .工作台速度对比磨削能的影响 .//叠/ 工作台速度/ 图.工作台速度对比磨削能的影响 图.给出的是在竹为.,砂轮线速度略分别为/、/及/ 条件下,随工作台进给速度‰的变化导致的比磨削能的改变。各组试验中比磨削 能都随%增大成下降趋势且趋势缓慢下来,并最终达到稳定值。此规律对将来设 计超高速磨床有一定的启发意义,在可能的情况下,提高工作台速度‰是今后研 发超高速磨床的一个重点方向,对于提高加工效率和能源消耗的减少具有重要意 义。这也正是高速高效磨削定义的最好诠释【。对比三组实验也可以大致看出比 磨削能随着砂轮线速度的增大而增大。 ?.砂轮线速度对比磨削能的影响 ?. . .. 符 兰 ? 盟 普 鲁贮 盥 篁 砂轮线速度/ ‘图.砂轮线速度对比磨削能的影晌 比磨削能在工作台速度./,口分别为.、.和.情况 下随%变化的情况如图.所示。从图中可以发现,各组实验的比磨削能随着魄的 增加整体递增。这是因为切削深度口保持恒定,%的提高会导致磨削厚度减小, .材料的去除方式为塑性去除,消耗的磨削能增大,同时观察到当砍达到 /后,增幅变缓,趋于平稳,这说明魄的提高并不会使磨削条件恶化,而 是可以在保证加工表面质量的同时提高加工效率,为现在发展中的高效深磨提供 理论依据【引。二程硕士学位论文 ./ ?../?, 芮 ? 百 兰 堡 贮 龌 篁 . . . . 。 . 材料去除率/. 图.材料去除率的比屠削能的影响 比磨削能随材料去除率的变化如图. 所示,从图中可以看出,各组试验中 增大材料去除率即未变形切削厚度增大导致比磨削能相应的减小。在比磨除 率较大时,磨削时趋于生成厚的磨屑,比磨削能较小,可知磨削力较大,更容易 在磨削表面产生损伤。可以由上文提到的磨削尺寸效应的理论来解释:材料去除 率的增加导致法向磨削力的增幅和切向磨削力的增幅间的差距缩小,切向磨削力 所消耗的磨削功率减小,导致比磨削能的减小。 在实际生产中,通常存在不同的加工要求。或许希望比磨除率较高些,工件 加工表面完整性要求不高,这时主要考虑比磨削能因素,可以选择珐适中但‰较 大的磨削参数。若对加工表面完整性要求较高,这时主要考虑磨削力因素,可以 选择珐较大%适中的磨削参数?。选择合适的工艺方案来满足对 加工工件的要求。 ..最大未变形切削厚度的研究 ?最大未变形切削厚度对磨削力的影响 ... 主 毫 趣 厘 趟 趟 髫 褂。 最大未变形切肖?厚度/ 图.单位宽度法向磨削力与最大未变形切屑厚度的关系曲轴材料 高速超高速磨削工艺试验研究 ..一. ?./ .. ?一 ? 赴 趣 厘 尽 越 掣 廿 图.单位宽度切向磨削力与最大未变形切屑厚度的关系 单位宽度法向和切向磨削力随最大未切屑变形厚度胁甜变化影响如图.和 图.所示,可以观察到,两者随最大未变形厚度朋口的增大呈整体的递增趋势。 原因在论证磨削参数对磨削力的影响时已经提到。两者关系拟合曲线分别为: ...;.....。从图中可以看出 两者的增幅存在差距,单位法向磨削力随着掰口的增大,其增长曲线斜率减小, 而切向磨削力的增幅开始激增。主要是因为州甜增大,材料去除方式由塑性去除 向脆性断裂去除转变,切应力所占得作用增大。还可以看朋口并非影响磨削力 单一表征量,两者的关系变化曲线是多重的,当磨削参数变化时,.的变化导 致了磨削力趋于不同的上升。这是因为磨削力的大小受研甜,接触弧长疋和砂轮有 效磨粒数?的影响。 。一.. 图.磨削力比与最大未变形切屑厚度的关系 如图.所示,随着最大为变形切削厚度的增大,磨削力比有先减小后增大 的趋势,原因可能在于增加矗口,导致法向磨削力与切向磨削力增幅间的差距减 小,磨削力比是表示磨粒压入工件表面难易程度的表征量,后来磨削力比增大可 能原因是由于切屑的粘附导致砂轮的钝化,使法向磨削力增大‘?。工程硕士学位论文 :.?.. . / 三静遂讯宾辖 图.材料去除率与最大未变形切屑厚度函数图 图.呈现的是材料去除率与最大未变形厚度之间的变化关系。从图中可以 看出材料去除率随着聊甜的增加,几乎成线性上升的趋势。说明两者之间有直接 的联系。 ..”. ?./ .. 裔 ? 盘 ?口 娅 襄 蠲 基 最大未变形切削厚度/ 图.比磨削能与最大未变形切屑厚度的函数图 比磨削能随最大未切屑变形厚度变化的关系如图.所示,随着朋口的增大, , 比磨削能呈单调递减的趋势,关系拟合曲线为:.... 从图中可以看出,所有的点基本上都非常接近于拟合曲线周围,主要是因为增大 ,由于有效负前角受磨削参数的影响,其值大小由于未变形切屑厚度。口,的增 大而递减,相当于磨粒变得相对锋利,切入容易,减轻了与工件问的摩擦,消耗 的能量减小,比磨削能相应的降低。 曲轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 ..不同砂轮型号对磨削力的影响 砂轮砂轮 一? 最 盥 厘 蜘 簧 趟 疆卜 不同砂轮下砂轮转速对单位法向磨削力的影晌 三.?‘轮蝴啦砂轮 . \ 苫 . 赴 趣 厘 尽 越 髫 。 :皿 砂丰幺线速度/ 不同砂轮下砂轮转速对单位切向磨削力的影响 图.不同砂轮相同工况下对磨削力的影响 图.中 两图分别表示的是砂轮粒度号为和砂轮 粒度号 在相同工况下对磨削力的影响图。从图中可以看出单位宽度法向 磨削力和单位宽度切向磨削力在砂轮磨削下较砂轮要大。可能原因 是砂轮磨粒密度较砂轮大,磨削时参与磨削的有效磨粒数多,未变 形切削厚度变小,导致了磨削力的减小。 本章小结 本章详细分析了磨削用量对磨削力、比磨削能等的影响。同时研究了材料去 除率、磨削力变化与最大未变形切屑厚度的关系。得出以下结论 超高速磨削工况下,磨削深度等磨削因素对磨削力都有很大的影响。 增大砂轮转度磨削力减小,而工作台进给速度和磨削深度的增大 使磨削力相应的 增大。 砂轮转速珐增大,单位时间内的材料去除率呈单调增加趋势, 比磨削能随最大未变形切屑厚度的增大呈现逐渐变小的趋势。 程硕:学位论文 第章曲轴材料 高速精磨表面质量 为了既能在一定程度上提高加工效率,同时又能保证工件的加工表面完整性 和使用性能,实验中分为粗磨、精磨两道工序,达到工艺优化的目标。粗磨时, 采用超高速大切深来提高磨削效率,精磨时,超高速微进给量磨削以保证加工表 面质量。 . .材料磨削的表面形貌分析 本课题选用的材料为淬火后的?材料,淬火后硬度为~,由 于其特殊的材料性能,属于难磨材料,去除方式分为塑性去除和脆性断裂去除, 造成了不稳定的砂轮状态,砂轮极易堵塞粘附,磨粒与磨屑之间大面积的粘附脱 落,磨削比增大,磨削力增大,磨削温度进一步升高,与此同时,还出现了? 材料磨削表面出现裂纹,刮痕,磨粒粘附在磨削表面等现象。基于对磨削表面进 行的超景深显微拍照所得的照片可以看出,?材料磨削时不仅有明显光直 平滑的磨痕,也有磨粒在切削过程中留在工件表面的凹坑,由此可见.的 。 材料性能随磨削去除机理的研究有重要的影响 .. 砂轮精磨后结果分析 ?砂轮表面形貌 图. 砂轮放大倍的表面形貌 图.为砂轮放大倍的表面形貌,从图中可以看出磨料由白色的 结合剂固结,使砂轮具有足够的强度和硬度;磨粒之间还有黄色的浸渍剂,用于 填充砂轮气孔,改善砂轮的冷却、润滑性能。 . 砂轮转速对?材料的磨削表面形貌的影晌 图.中、、三图分别表示的是‰./,磨削深度廿为.条 件下改变砂轮线速度对?材料磨削表面形貌的影响。在。为/时,有 曲轴材料.高速超高速磨削工艺试验研究 轻微的刮痕。随着砂轮线速度的提高,表面塑性去除痕迹有所提高。/时, /时,磨削表面主要 出现了由于磨粒断裂导致的凹坑,同时刮痕变深; 连续的划痕、划痕问的小平面、耕犁造成的隆起以及剥落坑组成,而且有材料脱 落的痕迹。表而完整件有所降低。 囊溪?蜜瀚 / 略 图.砂轮线速度对磨削表面形貌的影响 ?工作台速度对表面形貌的影响 ./ 程硕:二学位论文 ./ 图.不同工作台速度对表面形貌的影响 条件下,不同工作台速度时工件表面 图.表示的是珐 /,?. 形貌的超景深三维显微照片,从图中看以看出,口表面由塑性沟槽和脆性断裂部 分组成,同时在进给方向还有少量的裂纹;出现了区域性的裂纹,目.裂纹出 现了延长,磨粒断裂造成的剥落坑;划痕变得更加明显,划痕上材料脱落引 起的凹坑变多。因此总结为;随着工作台速度提高,表面质量进一步恶化。 川.磨削深度对表面形貌的影响 . 图.不同磨削深度对表面形貌的影响