硬質合金弧面磨削方法試驗研究

高建,趙云,葉茂,吳翔,鐘雙有

自貢硬質合金有限責任公司

1 引言

硬質合金耐磨零件是由碳化鎢、鈷、鎳等粉末按照一定比例混合,通過壓制、燒結、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線切割加工硬質合金。

近年來,關于硬質合金零件的磨削加工工藝研究主要集中在加工參數的優化、材料組織性能對加工的影響和材料去除方式等方面,黃向明等[1]通過分析砂輪單顆磨粒與工件的接觸長度和最大未變形切屑厚度的關系,建立了磨削力學模型。舒良超[2]提出一種磨削加工寬弧面的方法,在一般中小設備上利用數控系統實現精確定位分段成形磨削。鄭清等[3]提出一種結合簡化砂輪表面形貌的磨削力計算模型,可以計算各磨粒軌跡互相干涉下的實際切深。張東生等[4]利用有限元數值仿真的方法對硬質合金磨削溫度場進行了分析。詹友基等[5]對納米晶粒硬質合金的磨削力進行實驗研究與預測發現,磨削力隨砂輪線速度增加而減小,隨磨削深度和進給速度增大而增大。盧繼等[6]研究了不同加工參數對磨削表面質量的影響。蘇偉等[7]提出用雙端面磨床加工帶臺階或高徑比大的產品的裝夾改善措施。江湘顏等[8]和蘇珍發等[9]利用Fluent軟件進行磨削點的有限元仿真,并分析了工藝參數對磨削溫度的影響規律。張磊[10]通過測量不同加工參數下的磨削力發現,磨削力和磨削比能與單顆磨粒最大未變形切屑厚度、切削長度、材料的物理機械性能和材料去除方式有關。Zhang Yuzhou等[11]建立了基于砂輪表面形貌的綜合模型,并利用建立的模型對硬質合金的磨削過程進行仿真分析,得到基于未變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]利用聚焦離子束(FIB)層析成像技術對WC-Co類材料的磨削損傷進行表征,識別出硬質合金加工過程中產生的微裂紋遵循不同的顯微結構路徑。詹友基等[13]研究了加工參數對納米晶粒硬質合金磨削表面質量的影響。楊淮文等[14]探究了CFRP砂輪與鋼基體砂輪在高速磨削過程中的動力學特性,并在數控凸輪軸磨床上開展磨削過程的動力學特性試驗。

目前,對硬質合金零件的加工仍然以磨削為主,在實際加工過程中,往往除了常規的內孔、外圓和倒角磨削之外,還會經常出現倒圓弧面磨削加工。目前磨削圓弧的工藝大多采用成形法,把砂輪修整成需要磨削的形狀尺寸,采用切磨或靠磨的磨削方法接觸工件直接成形,此種加工方式操作簡單,但進刀量小,加工效率低,同時硬質合金材料硬度高,砂輪消耗快,砂輪形狀保持性低。另一種磨削方法是采用砂輪軸帶旋轉頭的數控磨床,通過旋轉頭帶動砂輪軸做旋轉運動,并在機床上做往復運動完成加工,此種加工方法磨削效率較高,但設備往往價格昂貴,普通中小型加工企業配備較少。

本文提出一種硬質合金倒圓弧磨削走磨法,并通過建立弧面磨削走磨法磨粒的運動軌跡和磨削動態有效磨刃數Nd方程,利用試驗研究了砂輪不同修整半徑R對磨削圓弧r加工效率的影響,分析了砂輪不同修整半徑R對砂輪的保持性的影響,為硬質合金弧面磨削加工提供一種參考依據。

2 建立磨削模型

2.1 砂輪修整半徑R與工件接觸長度

圓弧磨削磨粒的運動軌跡如圖1所示。將砂輪外圓修整成半徑為R的圓弧,確保砂輪修整半徑R>磨削圓弧半徑r。以o′為原點,建立磨削過程坐標系。磨削時,砂輪端面圓弧點A為砂輪起始點,其磨削過程由點位A走磨到點位B,剛好走完一個砂輪修整半徑R的1/4圓弧,這樣砂輪實際磨削部位對應完成從C到D的一個1/4圓弧磨削過程。加工過程類似平面磨削過程,圓弧r是按照走磨的進刀方式加工而成,砂輪在x方向和y方向均有一個較小進刀速度。

圖1 圓弧磨削磨粒運動軌跡

砂輪表面與工件接觸的單顆磨粒的運動方程為

(1)

(2)

式中,R為砂輪修整半徑;V為砂輪進刀速度;VS為砂輪線速度;φ為砂輪接觸點與x軸方向的夾角。

磨削時,砂輪與工件接觸單元的長度為

(3)

(4)

(5)

由于V遠小于VS,接觸角φ較小,φ≈sinφ。

根據磨削原理[15],有

(6)

式中,ap為砂輪進刀量。

2.2 動態有效磨刃數Nd

動態有效磨刃數Nd是指砂輪與工件相對運動加工過程中,在砂輪和工件的接觸弧上測得的有效磨刃數。單位面積內有效磨刃數越多加工效率越高,相關研究證明,加工過程中動態有效磨刃數比靜態有效磨刃數少,因此在進行弧面走磨磨削時需要提高動態有效磨刃數Nd。

動態有效磨刃數的計算方式為

(7)

式中,Ag為與靜態磨刃數的比例系數;c1為與磨刃密度有關的系數;ads為動態切入加工表面的深度。

(8)

式中,ks為與砂輪磨刃形狀有關的系數;de為與砂輪當量直徑;ap為磨削深度;vs為砂輪速度;vw為工件速度。

將式(8)代入式(7),可得沿砂輪與工件實際接觸弧的動態有效磨刃數為

(9)

其中

式中,p,q,α均為指數,p=2,q=1,α=1/3。

即

(10)

3 試驗驗證

3.1 試驗設備及條件

以閥座φ50×φ32×12-r3為例。設備采用帶數控系統的M2110C內圓磨床,如圖2所示。采用夾具體裝夾,方便重復定位更換閥座工件。由于磨削過程中砂輪會接近工件端面,所以不能用端蓋壓緊的方式,而是采用螺釘徑向鎖緊。根據工件尺寸計算軌跡起點至終點行程并選擇砂輪規格,以不干涉磨削為條件盡可能選擇大外徑砂輪,以增加砂輪可磨削時間,減少修整次數,同樣在不影響砂輪軸剛度的條件下,盡量選小一些的砂輪孔。砂輪半徑R>5mm,方便修整,這里選砂輪35mm×20mm×6mm,并在光學曲面磨床上把砂輪磨削區域R修整到10mm。

1.夾具體 2.閥座 3.螺釘 4.砂輪 5.砂輪軸

3.2 試驗過程

通過畫圖計算程序磨削的起點及終點坐標,并驗證其軌跡過程是否安全,無干涉、過切等現象,如圖3所示。以o點為原點建立坐標系,此處起點坐標A(0,-10),其軌跡為逆時針半徑為R7的1/4圓弧段。加工過程中,需要考慮工件高度、內孔存在制造誤差等因素,且為了避免砂輪倒圓弧過程中過切到工件內孔及端面(見圖3),將內弧r3延長線長度設定為1.5mm。

圖3 磨削軌跡模擬

砂輪軸裝夾好后,用砂輪最大外圓和夾具體對刀,接觸后輸入夾具的理論值50,砂輪端面接觸工件端面處,對刀數值輸入0,完成對刀并輸入編制好的程序即可進行磨削加工。

3.3 試驗數據記錄及分析

為了更直觀地對試驗數據進行總結和分析,以成形磨削法作為對照試驗。試驗數據如表1所示。

表1 磨削試驗數據對比

兩組試驗均采用砂輪規格35mm×20mm×6mm,磨削圓弧半徑r均為3mm。采用成形法磨削時,砂輪修整半徑R由3mm磨耗至3.2mm,砂輪磨粒體積減少約221mm3;而采用倒圓弧磨削方法加工時,砂輪修整半徑R由10mm磨耗至10.2mm,體積減少了95mm3。因此同等磨削工況下,倒圓弧磨削方法的砂輪保持性是成形法磨削的2.33倍。

假設加工余量為0.4mm,采用成形法磨削,進給速度0.12mm/min,每件需3.33min。采用倒圓弧磨削方法加工,往復運動速度為800mm/min,單行程進給量為0.005mm,即80次行程完成磨削加工。

一次磨削行程總長度l為

(11)

總行程長度L為

L=K×10.99×80=1004mm

(12)

式中,K為磨削行程系數,一般取1.1～1.2。

單件產品加工時間t為

(13)

倒圓弧磨削加工方法的實質是砂輪采取走磨方式對倒角進行加工,在磨削過程中工件有一個作用力反作用在砂輪修整圓弧R上,此作用力不停對砂輪進行修整,砂輪不會磨削出溝槽且砂輪不易變形,從而減少砂輪的修整次數和砂輪消耗,節約成本。

與成形法(見圖2)相比,由于砂輪修整半徑R>磨削圓弧半徑r,砂輪有效磨削面積增加,提高了砂輪的利用率,并減少了砂輪修整次數,圓弧磨削走磨法單件產品的加工時間是成形磨削法的37.5%,由此可見,圓弧磨削走磨法在內圓弧r的磨削上有較大優勢。

3.4 保持性和磨削加工效率

在倒圓弧磨削加工過程中,研究不同砂輪修整半徑R對磨削效率的影響,試驗記錄見表2。根據表2繪制砂輪修整半徑R與砂輪保持性和單件產品加工時間的關系(見圖4和圖5)。

表2 不同砂輪修整半徑的磨削加工試驗記錄

圖4 砂輪修整半徑R與砂輪保持性的關系

圖5 砂輪修整半徑R與加工時間的關系

從圖4可以看出,在磨削圓弧r3時,隨著砂輪修整半徑R增大,砂輪保持性也隨之增強。當砂輪修整值在R4～R10時,砂輪保持性與砂輪修整半徑R基本呈正比遞增關系。當R>10mm時,砂輪修整半徑R與砂輪保持性的遞增速度變緩。從圖5可以看出,隨著砂輪修整半徑R增大,單件產品的加工時間基本穩定在75s左右,這是因為磨削的r值未發生變化,磨削長度未發生變化,故磨削時間基本不發生變化。從微觀上看,在R=8mm時圓弧磨削時間最小,這是由于此種情形的進刀量下動態有效磨刃數最多,加工效率相對較高。

4 結語

(1)建立了弧面磨削磨粒的運動軌跡和弧面磨削動態有效磨刃數Nd方程,并利用試驗驗證了弧面磨削加工方法的有效性。

(2)在同等磨削工況下,加工磨削r3圓弧面時,采用倒圓弧磨削方法的單件產品加工時間是成形磨削法的37.5%,倒圓弧磨削方法砂輪保持性是成形磨削法的2.3倍。

(3)在磨削r3的圓弧面且R>r時,隨著砂輪修整半徑R的增大,砂輪保持性遞增,當R>10mm時,遞增速度變緩;砂輪修整半徑R的增大對磨削加工效率基本無影響。

(4)在磨削r3的圓弧面且R>r時,砂輪修整值為R8時,砂輪動態有效磨刃數最多。