CN102107376A - 一种实现磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法 - Google Patents

Abstract

一种实现磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法，包括：对工件材料在同台机床、同一型号砂轮下，进行为了获得较高磨削效率和得到一定加工精度为目标的高速或超高速磨削工艺试验；分析得出磨削加工效率、工件表面质量、亚表面损伤同各磨削工况的关系；将各优化磨削工况进行组合，用于加工，再进行磨削深度为零的光磨加工，在确保零件最终加工质量的前提下，使得磨削效率最高；确定最优的工艺路线，实现在同一台磨床上一次装夹定位完成工件的粗加工与精加工。它基于对磨削条件和磨削表面/亚表面质量的精确分析，得出效率和质量最优化的磨削加工工艺路线，可极大提高磨削加工效率，减少零件的切削加工环节和加工周期，提高设备的利用率。

Description

一种实现磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法

技术领域

本发明涉及可以实现材料磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法，特别是需要用到磨削加工去除材料切削加工过程，或其它切削方法，如车削、铣削等，和磨削加工相配合的材料切削过程。

背景技术

许多零件需要多道切削加工工序才能达到所要求的形状尺寸精度和表面质量。磨削是一种精加工方法，能够获得很高的加工精度和表面质量，但加工效率极低。所以加工精度要求较高，且去除余量也较大的零件，通常先经过车削、铣削或者粗磨等粗加工，然后再半精磨加工，最后精磨达到零件的最终的加工精度和表面质量要求。这样的加工过程往往要在多台机床上经过多次装夹定位才能完成。这无疑增加了设备和夹具的消耗和加工周期，且在不同装夹过程中加工精度也受到影响。同时因为多个设备加工的工序，需多占用车间面积。比如，工程陶瓷零件通常需要经过金刚石车刀的车削加工，然后金刚石砂轮是粗磨、半精磨和精磨加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种实现磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法，可实现在同一台磨床上一次装夹定位完成工件的粗加工与精加工，提高工件的加工效率，减少加工工序和加工设备。

本发明的技术方案是，所述实现磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法包括：

(1)对工件材料在同台机床、同一型号砂轮下，进行高速或超高速高效磨削工艺试验；试验包含两部分：第一部分，为了获得较高磨削效率的试验，允许损伤产生；第二部分，以得到一定加工精度为目标的精磨试验；高速或超高速高效磨削是指砂轮速度为50m/s～200m/s，磨削深度0.1～30mm的磨削；工件材料包括各种淬硬金属，强韧性和硬脆难加工材料；

(2)分析得出磨削加工效率、工件表面质量、亚表面损伤同各磨削工况的关系；磨削工况是指平面磨削中的砂轮线速度、工件进给速度和磨削深度等；外圆和非圆轮廓磨削中的砂轮线速度、头架转速、进给深度和进给速度等；

(3)将各优化磨削工况进行组合，用于零件加工，再进行磨削深度为零的光磨加工，在确保零件最终加工质量的前提下，使得磨削效率最高；

优化磨削工况是工件表面质量好、亚表面损伤最小、磨削加工效率最高时的磨削工况；

(4)确定最优的工艺路线，实现在同一台磨床上一次装夹定位完成工件的粗加工与精加工。

以下对本发明做出进一步说明。

磨削加工是大负前角切削加工，其损伤形式主要有热损伤和法向力引起的损伤，包括各种烧伤、残余拉应力、表面/亚表面损伤和裂纹等。在一定的机床状态以及冷却条件下，损伤深度与磨削工况有着规律性的关系。也就是可以通过改变磨削工况来对磨削损伤进行有效控制。本发明基于广泛的工艺试验，对工件在不同磨削工况(参数)下，磨削加工表面粗糙度、表面形貌以及表面/亚表面损伤的情况进行详细了解。比如，对工程陶瓷等硬脆材料需要对垂直加工面的侧面进行研磨、抛光和腐蚀来了解各磨削工况(参数)下亚表面损伤和微裂纹的深度；对淬硬钢等金属材料需通过检测磨削亚表面微观硬度或者金相观测的方法，了解回火烧伤和二次淬火烧伤深度的情况。只有对不同工况下的工件表面或亚表面的情况详细了解了才能确保按照优化的工艺链加工的工件的质量是合格的。

由以上可知，本发明为一种实现磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法，它基于对磨削条件和磨削表面/亚表面质量的精确分析，得出效率和质量最优化的磨削加工工艺路线，可极大提高磨削加工效率，减少零件的切削加工环节和加工周期，提高设备的利用率。

附图说明

图1是优化工艺链示意图；其中，零件的总去除余量深度为H，分n次进给对其去除，每次的磨削深度为a_pi(i＝1，2，3……n)，产生的损伤层深度为h_i(i＝1，2，3……n)，其中最后一次为进给为零的光磨。

图2(a)(b)(c)是不同工况下凸轮轴的表面粗糙度值；

图3(a)(b)(c)是不同工况下凸轮轴的表面微观硬度；

图4是不同磨削深度时氧化锆扫描电镜照片；其中，(a)为磨削深度a_p＝1mm，

(b)为磨削深度a_p＝3mm，(c)为磨削深度a_p＝4mm，(d)为磨削深度a_p＝6mm；工件进给速度v_w＝20mm/s，砂轮线速度v_s＝120m/s；

图5(a)(b)是部分稳定氧化锆的亚表面损伤层的横向裂纹；其中，v_s＝160m/s，v_w＝1200mm/min.，a_p＝6mm；

具体实施方式

实施例1：以应用广泛的45^#淬硬钢凸轮轴为例。

淬硬钢的组织为回火马氏体，微观硬度达到HV700kgf/mm²，塑性和导热系数均极低。由于淬硬钢的传统磨削半精和精加工的进给量一般仅为十几微米到几十微米，使得淬硬钢凸轮轴的现有加工方法通常为在普通磨床上采用白刚玉砂轮以30m/s的线速度对其进行粗磨，然后在数控磨床上采用CBN磨料砂轮对其进行半精和精磨加工。本发明以45^#淬硬钢凸轮轴为对象，在超高速非圆轮廓外圆磨床上，采用120^#陶瓷结合剂CBN砂轮，进行高速/超高速磨削加工。

为了检验磨削质量，测量了工件的表面粗糙度；为评估磨削烧伤，对工件的表面微观硬度进行检测；结果为：

由图2可知，被加工凸轮轴的表面粗糙度值均满足要求，R_a不大0.4微米；随着砂轮线速度增加表面粗糙度值降低，且除了60m/s的工况外，表面粗糙度值的变化不大；基圆转速和单边进给量对表面粗糙度的影响不大；

由图3可知，在砂轮线速度为60m/s的工况下，工件在磨削过程中发生了回火烧伤，表面硬度降低，将会导致零件的耐磨性降低。其余各工况的微观硬度显示，无烧伤发生，情况良好。

由以上实验结果可知，砂轮线速度v_s、基圆转速n、单边给进量(磨削深度)a_p的选择是，可选用除v_s＝60m/s，n＝100rpm，a_p＝0.1mm外的任意磨削参数，如采用v_s＝120m/s，n＝100rpm，a_p＝0.2mm或v_s1200m/s，n＝200rpm，a_p＝0.1mm的工况对其进行粗加工和半精加工，采用v_s＝120m/s，n＝100rpm，a_p＝0.05mm的工况对其进行精磨，最后进行无进给的光磨加工。

实施例2：以部分稳定氧化锆陶瓷块样件为例。

部分稳定氧化锆陶瓷块是典型的硬脆难加工材料，采用传统的磨削加工技术，磨削效率很低，一般维持在10mm³/mm·s左右。本发明在超高速平面磨削实验台上，采用120^#树脂结合剂金刚石砂轮对氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷进行磨削加工。并对加工表面和亚表面质量进行评估，优化磨削工艺。结果是：

由图4可知，氧化锆磨削表面主要由塑性沟槽、光滑区域、涂敷区和脆性断裂区构成，塑性去除痕迹随着磨削深度的提高而有所减少，但变化不太明显；

图5显示了部分稳定氧化锆的亚表面损伤层的横向裂纹，在对部分稳定氧化锆试件亚表面损伤的观察中只是偶尔看到亚表面横向裂纹，且亚表面残留裂纹的深度均不大于10μm，且在不同的工况下，也没有明显的变化。

因此，可对部分稳定氧化锆进行超高速高效磨削加工，磨削深度可达6mm，磨除率达120mm³/mm·s，后续辅以磨削深度约为十几微米的精加工就可实现该陶瓷零件的高效精密磨削，在同一机床一次装夹完成零件的加工。

Claims (1)

1.一种实现磨削加工效率和质量最优化的工艺链方法，其特征是，该方法包括：

(1)对工件材料在同台机床、同一型号砂轮下，进行高速或超高速高效磨削工艺试验；试验包含两部分：第一部分，为了获得较高磨削效率的试验，允许损伤产生；第二部分，以得到一定加工精度为目标的精磨试验；高速或超高速高效磨削是指砂轮速度为50m/s～200m/s，磨削深度0.1～30mm的磨削；

(2)分析得出磨削加工效率、工件表面质量、亚表面损伤同各磨削工况的关系；磨削工况是指平面磨削中的砂轮线速度、工件进给速度和磨削深度，外圆和非圆轮廓磨削中的砂轮线速度、头架转速、进给深度和进给速度；

(3)将各优化磨削工况进行组合，用于加工，再进行磨削深度为零的光磨加工，在确保零件最终加工质量的前提下，使得磨削效率最高；

优化磨削工况是工件表面质量好、亚表面损伤最小、磨削加工效率最高时的磨削工况；

(4)确定最优的工艺路线，实现在同一台磨床上一次装夹定位完成工件的粗加工与精加工。

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