CN112872974B - 基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台及强化方法 - Google Patents

基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台及强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台，包括磨削主轴、砂轮、工作台、喷嘴；砂轮安装在磨削主轴上，工件装夹在工作台上，安装到位后，砂轮下端与工件接触，形成磨削区域；喷嘴的喷口方向对准砂轮与工件磨削区域。工作台能够移动，移动时带动工件做进给运动，磨削主轴能够旋转，旋转时带动砂轮转动，实现磨削强化。本发明同时提供了基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化方法。本发明将齿轮精加工与表面强化集于同一道工序，简化工艺流程，提高齿轮加工效率，降低生产成本，提高了齿轮加工表面合格率。

Description

基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台及强化方法
技术领域
本发明属于航空航天精密加工领域，涉及一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台及强化方法。
背景技术
机械零件在工作过程中常常因材料表面不能胜任苛刻的服役条件而出现失效问题。失效部位大多由零件表面和近表面向内部扩散导致零件整体失效而影响产品性能与寿命，因此提高材料表面性能能够有效延长机械零件的使用寿命。在航天器精密驱动传动机构啮合过程中，齿轮表面往往需要接触并承受很大的载荷，表面强化程度不够会造成齿轮磨损、开裂等严重问题。当前航天器齿轮材料选用高强度不锈钢CF170，该材料是一种马氏体时效强化不锈钢，时效后抗拉强度可以达到1550MPa，作为一种强度高、抗冲击能力强的新型钢材，在较高的强度条件下使用安全可靠性，具有广阔的应用前景。
在航天器齿轮加工中，传统方法是采用离子渗氮的表层改性方式实现表面强化处理，但该方式成本高、效率低，同时存在渗氮层易出现裂纹、渗氮后齿轮变形影响精度等级等问题，导致齿轮合格率降低。磨削加工作为CF170齿轮的主要加工方法之一，通常应用于经过铣齿、滚齿等方式加工后需要精加工的齿轮，然而，磨削加工消耗的能量要远高于切削，且这些能量大多都转化为了磨削热，其中约有60％-95％的磨削热能被传入工件，并聚集在工件的表面层形成局部高温，这在齿轮磨削加工过程中容易造成磨削烧伤，引起材料表层软化以及引起残余拉应力，影响齿轮的服役性能。因此迫切的需求一种新的磨削工艺，在对CF170不锈钢齿轮精加工的同时进行表面强化，替代传统的表面渗氮强化，且同时保证加工质量，有效的提高高强度不锈钢齿轮的加工质量与效率。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台及强化方法。
本发明解决技术的方案是：
一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台，包括磨削主轴、砂轮、工作台、喷嘴；
砂轮安装在磨削主轴上，工件装夹在工作台上，安装到位后，砂轮下端与工件接触，形成磨削区域；喷嘴的喷口方向对准砂轮与工件磨削区域；
工作台能够移动，移动时带动工件做进给运动，进给速度为100mm/min—500mm/min；磨削主轴能够旋转，旋转时带动砂轮转动，使砂轮线速度为15m/s—25m/s；
喷嘴用于向磨削区域喷射冷却液；
砂轮上的磨粒沿砂轮外环面均布排列，每个磨粒被修整为扁平凸台式结构，形状为梯形，且磨粒裸露部分即与工件接触部分，被修整为球面。
喷嘴与磨削区域的距离为100-200mm。
冷却液为低温CO2气体与微量润滑液。
砂轮上的磨粒尺寸为60-80目。
一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化方法，包括如下步骤：
步骤1、将待加工的工件装夹在工作台上；
步骤2、将砂轮安装在磨削主轴上，使砂轮下端与待加工的工件接触，接触区域即为磨削区域；砂轮上的磨粒沿砂轮外环面均布排列，每个磨粒被修整为扁平凸台式结构，形状为梯形，且磨粒裸露部分即与工件接触部分，被修整为球面。
步骤3、设置喷嘴位置，将喷嘴的喷口对准砂轮与工件的磨削区域；
步骤4、磨削主轴旋转带动砂轮转动，使砂轮线速度为15m/s—25m/s；工作台移动带动工件做进给运动，使工件的进给速度为100mm/min—500mm/min，喷嘴将冷却液喷射至砂轮与工件的磨削区域，实现齿轮加工的磨削强化。
喷嘴与磨削区域的距离为100-200mm。
冷却液为低温CO2气体与微量润滑液。
砂轮上的磨粒尺寸为60-80目。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.简化工艺流程
本发明超高强不锈钢CF170齿轮在磨削精加工阶段，采用特殊结构磨粒的砂轮，在磨削加工过程中，磨粒对工件表层材料以滑擦、挤压为主，伴随少量的材料切削去除，在实现表面精加工的同时，磨粒对表层材料的挤压将对材料表面引入残余压应力，并在表层产生硬化效果，实现齿轮加工的磨削强化，并且采用低温CO2气体结合微量润滑的方式进行冷却，抑制了大量磨削热导致表面的软化、残余拉应力的引入以及表面质量变差的问题。将齿轮精加工与表面强化集于同一道工序，简化工艺流程，提高齿轮加工效率，降低生产成本。
2.提高齿轮合格率
本发明超高强不锈钢CF170齿轮加工中取消渗氮表面强化工序，有效地避免了渗氮后齿轮变形、出现渗氮裂纹等问题的发生，提高了齿轮加工表面合格率。
附图说明
图1为基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
针对目前现有技术中，CF170高强度不锈钢齿轮表面强化加工中存在的表面强化降低产品精度、易出现强化裂纹、强化成本较高等突出问题，本发明结合高强不锈钢CF170的材料特性，提供一种齿轮表面磨削强化方法，消除现行离子渗氮强化处理对于零件精度的不利影响，实现齿轮表面的磨削强化。
如图1所示，超高强钢磨削强化实验平台包括：磨削主轴1、砂轮2、工作台4和喷嘴5。
砂轮2安装在磨削主轴1上，工件3装夹在工作台4上，安装到位后，砂轮2下端与工件3接触，形成磨削区域；喷嘴5的喷口方向对准砂轮2与工件3磨削区域。
工作台4能够移动，移动时带动工件3做进给运动，进给速度为100mm/min—500mm/min；磨削主轴1能够旋转，旋转时带动砂轮2转动，使砂轮线速度为15m/s—25m/s。
砂轮上的磨粒6被修整为特殊的扁平凸起台式结构，磨粒尺寸为60-80目，磨粒沿砂轮外环面均布排列，磨粒形状被修整为特定的形状，如图所示，每个磨粒整体呈梯形结构，且磨粒裸露部分(即与工件接触部分)被修整为球面，磨粒外表面轮廓为圆弧，不存在明显的棱角，加工过程中不产生切削作用。
喷嘴5与磨削区域的距离为100-200mm。
喷嘴5用于向磨削区域喷射冷却液，冷却液为低温CO2气体与微量润滑液。低温是指-70到-100℃，微量润滑液的流量为10-20毫升/小时。
在初始安装上距离与普通磨床相似，砂轮2初始安装后和工作台的距离在400-600mm。
基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化方法，其主要步骤如下：
(1)将砂轮2安装到磨削主轴1上，如图1所示，由磨削主轴1旋转带动砂轮2转动实现磨削加工，砂轮2线速度为15m/s-25m/s。
(2)将待加工的工件3装夹在工作台4上，如图1所示，由工作台4的移动带动工件3做进给运动，进给速度为100mm/min-500mm/min。
(3)由图1所示，将喷嘴5设置于喷口方向对准砂轮2与工件3磨削区域，确保低温CO2气体与微量润滑液可以作用到砂轮2与工件3磨削区域。
本发明利用具有扁平凸台结构化磨粒的砂轮，在磨削加工过程中，磨粒对工件表层材料以滑擦、挤压为主，伴随少量的材料切削去除，在实现表面精加工的同时，磨粒对表层材料的挤压将对材料表面引入残余压应力，并在表层产生硬化效果，实现齿轮加工的磨削强化，并且采用低温CO2气体结合微量润滑的方式进行冷却，抑制了大量磨削热导致表面的软化、残余拉应力的引入以及表面质量变差的问题。
近年来航天器驱动传动机构的寿命要求越来越高，对机构中的齿轮的抗疲劳要求也逐渐提高，而高强高硬材料的选用是必然趋势。本发明提供的一种高强不锈钢表面磨削强化方法，简化了产品工艺流程，降低生产成本，提高生产效率，在航天器制造中有广泛地应用前景。
本发明同样适用于其它领域同类齿轮的表面磨削强化加工。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台，其特征在于：包括磨削主轴（1）、砂轮（2）、工作台（4）、喷嘴（5）；
砂轮（2）安装在磨削主轴（1）上，工件（3）装夹在工作台（4）上，安装到位后，砂轮（2）下端与工件（3）接触，形成磨削区域；喷嘴（5）的喷口方向对准砂轮（2）与工件（3）磨削区域；
工作台（4）能够移动，移动时带动工件（3）做进给运动，进给速度为100mm/min—500mm/min；磨削主轴（1）能够旋转，旋转时带动砂轮（2）转动，使砂轮线速度为15m/s—25m/s；
喷嘴（5）用于向磨削区域喷射冷却液；冷却液为低温CO2气体与微量润滑液；
砂轮上的磨粒（6）沿砂轮外环面均布排列，每个磨粒被修整为扁平凸台式结构，形状为梯形，且磨粒裸露部分即与工件接触部分，被修整为球面；
砂轮上的磨粒尺寸为60-80目。
2.根据权利要求1所述的一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化平台，其特征在于：喷嘴（5）与磨削区域的距离为100-200mm。
3.一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、将待加工的工件装夹在工作台上；
步骤2、将砂轮安装在磨削主轴上，使砂轮下端与待加工的工件接触，接触区域即为磨削区域；砂轮上的磨粒沿砂轮外环面均布排列，每个磨粒被修整为扁平凸台式结构，形状为梯形，且磨粒裸露部分即与工件接触部分，被修整为球面；砂轮上的磨粒尺寸为60-80目；
步骤3、设置喷嘴位置，将喷嘴的喷口对准砂轮与工件的磨削区域；
步骤4、磨削主轴旋转带动砂轮转动，使砂轮线速度为15m/s—25m/s；工作台移动带动工件做进给运动，使工件的进给速度为100mm/min—500mm/min，喷嘴将冷却液喷射至砂轮与工件的磨削区域，实现齿轮加工的磨削强化，冷却液为低温CO2气体与微量润滑液。
4.根据权利要求3所述的一种基于结构化磨粒砂轮的超高强钢磨削强化方法，其特征在于：喷嘴与磨削区域的距离为100-200mm。
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