基于過定位原理的砂輪精密成型試驗(yàn)研究

馮克明，朱建輝，杜曉旭

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450001）

基于過定位原理的砂輪精密成型試驗(yàn)研究

馮克明，朱建輝，杜曉旭

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450001）

0 引言

模壓成型又稱壓制成型，是將預(yù)成型料裝入具有一定形狀和尺寸的陰模腔內(nèi)，再經(jīng)攤料、刮平，扣上陽模，通過壓力機(jī)提供的壓力和熱量，使成型料擠壓、形變、咬合、軟化、交織并充滿型腔，形成與型腔相同形狀和預(yù)設(shè)尺寸的工件。模壓成型具有操作工藝簡單、自動化程度高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，在粉體材料毛坯成型中被大量采用。砂輪毛坯的成型也普遍采用模壓成型方法。

砂輪模壓成型壓機(jī)普遍噸位大、加熱板外露、系統(tǒng)無調(diào)平機(jī)構(gòu)、操作過程隨意性大、模具受力易偏載等，成型工藝落后；并且硬質(zhì)粉體材料壓制過程中摩擦行為復(fù)雜[1]等，致使粉體模壓成型的砂輪毛坯厚度精度普遍較低、集中度差[2]，砂輪幾何精度完全依賴后序加工來完成，這樣生產(chǎn)周期長、效率低、能耗大，不利于綠色生產(chǎn)。

隨著信息技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、空間技術(shù)、光電子和微電子技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，高速精密綠色磨削加工技術(shù)得到大力發(fā)展和推廣應(yīng)用[3～5]，作為工業(yè)牙齒的砂輪也面臨著新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，迫切要求其幾何精度更高、動態(tài)精度更優(yōu)、磨削性能更好、使用壽命更長、制造應(yīng)用更環(huán)保等，為此國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的基礎(chǔ)理論、磨具配方和磨削性能方面的研究，但如何提高砂輪毛坯成型精度方面的研究還未引起人們關(guān)注。

1 傳統(tǒng)模壓成型

1.1 模壓成型精度分析

模壓成型是復(fù)合材料生產(chǎn)中最古老而又富有活力的一種成型方法。模壓成型如圖1所示，模具2（含預(yù)成型粉體料）位于壓機(jī)上下壓板間中心位置，理論上預(yù)壓制成型的工件厚度精度主要受壓機(jī)上下壓板1的平面度、平行度，模具尺寸精度、形位精度，投攤料均勻性等因素影響。而在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，壓機(jī)滑動梁與導(dǎo)向柱的形位精度及配合不理想，壓板材料、厚度有限，壓板受力、受熱不均勻，模具受力易偏載，壓機(jī)運(yùn)行精度較低等，在小直徑切割砂輪壓制成型過程中壓制出的工件厚度偏差較大、成品率低、生產(chǎn)成本高等。即使對壓制工藝系統(tǒng)進(jìn)行了定時(shí)維護(hù)，精化了上下壓板的平面度、平行度以及投攤料均勻性，壓制成型的砂輪厚度精度仍不理想。

圖1 模壓成型示意圖

1.2 模壓成型受力分析

為了更深入地了解壓制成型工藝狀況，本文采用仿真軟件ANSYS中的Structural模型對壓機(jī)系統(tǒng)中最薄弱環(huán)節(jié)壓板進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變仿真計(jì)算。材料單元選取20節(jié)點(diǎn)的SOLID186單元，選用Structural＞Elastic＞Isotropic類型，壓板彈性模量設(shè)置為210GPa，泊松比為0.26，壓制壓力為100kN。

根據(jù)上下壓板尺寸（600mm×600mm×40mm）和模具尺寸（Ф140mm，Ф300mm兩種）建模，將壓板和模具接觸的面定義為接觸面，其中模具（不含預(yù)成型料）設(shè)置為不變形剛體，模具中預(yù)成型料具有可壓縮性，壓板設(shè)置為可變形體，并限制模具底部的所有位移。

在圖1傳統(tǒng)模壓條件下，由圖2壓板應(yīng)力與應(yīng)變分布圖可知：壓板內(nèi)應(yīng)力分布極不均勻、有一定量的應(yīng)變，壓板成微凸?fàn)?。使用直徑?40mm模具壓制時(shí)，單壓板最大位移量可達(dá)0.128mm；如果考慮壓制過程中壓機(jī)上、下壓板出現(xiàn)相同的變形，則壓板平面度偏差可能會2倍地傳遞到預(yù)成型粉體料上。

圖2 壓機(jī)壓板應(yīng)力/應(yīng)變分布圖

進(jìn)一步，使用直徑Ф300mm模具進(jìn)行有限元計(jì)算結(jié)果如圖3所示，隨模具外徑尺寸變大，壓機(jī)壓板最大應(yīng)力差變小，壓板應(yīng)變也減小，如單壓板最大位移量僅0.072mm，減小了43.8%。因此，可以認(rèn)為采用傳統(tǒng)壓制成型工藝時(shí)，不僅要考慮壓力的大小，壓機(jī)（壓板）的選擇也應(yīng)與工件（模具）的外徑相適應(yīng)。使用大壓機(jī)壓制小尺寸工件，則難以取得理想的工件厚度精度，應(yīng)嚴(yán)禁“大馬拉小車”現(xiàn)象。

圖3 壓機(jī)壓板應(yīng)力/應(yīng)變分布圖

由此可見，采用傳統(tǒng)壓制工藝生產(chǎn)小直徑工件時(shí)，工件厚度偏差主要是壓制工藝系統(tǒng)剛性不足，特別是壓機(jī)上下壓板的剛性不足是主要瓶頸，致使壓機(jī)壓板在強(qiáng)大的壓力作用下發(fā)生了彎曲變形，進(jìn)而會直接傳遞到預(yù)成型料上，影響粉體料壓制厚度精度。

為了提高壓制工藝系統(tǒng)剛性，減小壓機(jī)上、下壓板變形，按傳統(tǒng)壓制成型工藝，通常是購置高精度新壓機(jī)，擬增加壓板厚度、提高壓板材料硬度、減小壓板長度和寬度等改進(jìn)措施，但這樣投資大、成本高，效果不理想。

2 過定位壓制成型

2.1 機(jī)械過定位技術(shù)

但是，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和加工精度的提高，過定位問題得到了新的認(rèn)識，過定位技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)和高速精密加工中的應(yīng)用已經(jīng)得到普遍認(rèn)可，合理的過定位有利于提高系統(tǒng)剛性、改善加工質(zhì)量[8～10]。如數(shù)控機(jī)床中HSK刀柄替代BT刀柄就是典型的例子，利用機(jī)械過定位技術(shù)可數(shù)倍地提高刀柄的重復(fù)定位精度、動平衡精度和動靜剛度，進(jìn)而有利于提高機(jī)床系統(tǒng)加工精度。

2.2 過定位精密壓制技術(shù)

為了減小壓機(jī)上、下壓板變形，提高粉體材料壓制成型精度，本文借鑒機(jī)械過定位技術(shù)，提出了過定位精密模壓壓制方法。即在工件壓制成型過程中有意在壓機(jī)上、下壓板間，圍繞模具周圍外側(cè)對稱均布若干個(gè)與模具壓制高度（模具高度和工件預(yù)設(shè)高度之和，為預(yù)成型料壓制后的工件模具總高度）等高的標(biāo)準(zhǔn)塊，使壓機(jī)上、下壓板在Z向（上下移動方向）被多個(gè)約束點(diǎn)約束，使工件向處于過定位狀態(tài)[1]。圖4就是針對正方形壓板設(shè)置了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊的過定位壓制示意圖。

圖4 過定位壓制平面布局與主視圖

2.3 過定位壓制仿真

為了全面驗(yàn)證過定位壓制技術(shù)的可行性，在圖2（模具Ф140mm）仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用圖4平面布局原理在模具中心Ф400mm圓周上對稱均布設(shè)置了四個(gè)Ф100mm標(biāo)準(zhǔn)塊，模型網(wǎng)格劃分后如圖5所示。然后針對壓機(jī)壓板又進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算。

圖5 過定位壓制網(wǎng)格劃分圖

圖6 過定位壓制時(shí)壓機(jī)壓板應(yīng)力/應(yīng)變分布圖

進(jìn)一步分析：上述仿真計(jì)算的最大位移量0.031mm是針對壓機(jī)600mm×600mm壓板面積，而模具直徑Ф140mm，壓制工件直徑只有Ф100mm遠(yuǎn)小于壓板尺寸，由此可見壓制成型的工件厚度偏差值會更小。

3 過定位精密壓制技術(shù)在砂輪成型中的應(yīng)用

砂輪是用磨料、結(jié)合劑和填料等粉體材料經(jīng)模壓成型的中央有通孔的圓形固結(jié)磨具，砂輪的成型主要采用單向壓制成型工藝，經(jīng)過裝模、投料、攤料、刮平、壓制、脫模、固結(jié)或燒結(jié)等完成砂輪毛坯的成型過程。

本試驗(yàn)在四柱下壓式油壓機(jī)上進(jìn)行，砂輪模具及標(biāo)準(zhǔn)塊平面設(shè)置采用圖4布局。現(xiàn)場設(shè)備照片如圖7所示，標(biāo)準(zhǔn)塊布局如圖8所示，模具位于下壓板正中位置、四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊位于砂輪模具周圍最外側(cè)對稱均布，標(biāo)準(zhǔn)塊的高度與模具壓制高度相一致。

在砂輪壓制過程中，壓機(jī)滑動梁帶動下壓板、模具和標(biāo)準(zhǔn)塊上移，當(dāng)上壓板與裝有預(yù)成型料的模具接觸后，首先預(yù)成型料被壓縮，隨著滑動梁繼續(xù)上移，預(yù)成型料壓縮量逐漸加大，壓力進(jìn)一步增加，上、下壓板變形亦同步增大；其次，待上壓板與四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊接觸后，上、下壓板的變形被限制并逐漸獲得校正，直至壓制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的行程和設(shè)定的壓力穩(wěn)定狀態(tài)；最后，待保溫保壓均達(dá)到設(shè)定要求后，壓機(jī)滑動梁回退，轉(zhuǎn)入卸模程序。

圖7 實(shí)驗(yàn)油壓機(jī)

圖8 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場模具與標(biāo)準(zhǔn)塊布局

具體條件是：MYS-160T熱壓機(jī)，額定壓力1600kN，壓機(jī)上下壓板尺寸長600mm、寬600mm；壓制砂輪為1A8型D64mm×T0.15mm×H40.00mm、壓力100kN；砂輪毛坯厚度采用數(shù)顯千分尺（分辨率0.001mm）檢測。

試驗(yàn)過程分別采用傳統(tǒng)壓制工藝和過定位壓制工藝各進(jìn)行50片小批量實(shí)驗(yàn)測試，每片砂輪沿周向均布4點(diǎn)檢測砂輪厚度，進(jìn)而取每片砂輪的最大最小數(shù)據(jù)差作為砂輪厚度差記錄。兩種成型工藝各統(tǒng)計(jì)50片的砂輪厚度差數(shù)據(jù)如圖9所示，砂輪厚度差分布如圖10所示。

圖9 砂輪成型厚度差統(tǒng)計(jì)

圖10 砂輪成型厚度差分布

從圖9、圖10試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：采用傳統(tǒng)壓制工藝成型的砂輪厚度差分布范圍大，從5μm到17μm，集中度差；而采用過定位壓制工藝成型的砂輪厚度差從4μm到13μm，分布范圍明顯縮小了，集中度提高了。

進(jìn)一步計(jì)算兩種成型工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均差、標(biāo)準(zhǔn)差和方差，從表1分析數(shù)據(jù)也可看出：采用過定位壓制成型技術(shù)可分別使砂輪厚度差均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差減小22.3%、41.1%、65.3%。

表1 模壓成型試驗(yàn)砂輪厚度差均值及方差

可見，過定位壓制技術(shù)不僅對砂輪毛坯厚度精度有較大改善，而且集中度也有明顯提高，應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié)論

1）分析了影響粉體材料模壓成型工件厚度精度的因素，通過對壓板應(yīng)力應(yīng)變有限元分析，采用傳統(tǒng)壓制工藝時(shí)壓板應(yīng)力分布極不均勻，應(yīng)力差、變形量均較大；并且模具直徑相對壓機(jī)壓板尺寸越小，壓板應(yīng)力差、變形量越大。

2）提出了粉體材料精密模壓成型新技術(shù)。在粉體壓制過程中，利用機(jī)械過定位原理，通過若干標(biāo)準(zhǔn)塊的設(shè)置增加了壓機(jī)上、下壓板間的重復(fù)約束，均化了壓板應(yīng)力，限制了壓板的變形，提高了壓制系統(tǒng)剛性，有利于提高粉體壓制成型厚度精度。

3）經(jīng)小尺寸砂輪壓制成型批量實(shí)驗(yàn)表明：過定位壓制技術(shù)不僅可顯著提高砂輪壓制成型的厚度精度，并且也明顯提高了砂輪厚度尺寸集中度。過定位壓制技術(shù)原理簡單、實(shí)用性強(qiáng)，可推廣應(yīng)用于各種砂輪的生產(chǎn)制造中。

[1]王德廣,吳玉程,焦明華,等.粉末成形過程中摩擦行為研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(5):12-19.

[2]韓鳳麟.粉末冶金模具模架實(shí)用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社.1998.

[3]Hwang T W, Evans C J,Whitenton E P, et al. High speed grinding of silicon nitride with electroplated diamond wheels, part 1:wear and wheel life[J].Journal of manufacturing science and engineering,2000,122(1):32-41.

[4]Eda H, Zhou L, Nakano H, et al. Development of Single Step Grinding System for Large Scale 300 Si Wafer: A Total Integrated Fixed-Abrasive Solution[J].CIRPAnnals-Manufacturing Technology,2001,50(1):225-228.

[5]廖蘭,劉飛.高速及超高速磨削加工的綠色特性[J].機(jī)械工藝師,2001(4):11-12.

[6]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].6版.北京:高等教育出版社,2002.

[7]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2011.

[8]趙慶軍.過定位工具系統(tǒng)在重載切削中的應(yīng)用[J].工具技術(shù),2014,48(5):62-64.

[9]王超,高云郭,喬健.高重復(fù)定位穩(wěn)定精度的副車架設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2014,31(10):156-160.

[10]李世春.過定位對細(xì)長軸加工精度的影響研究[J].裝備制造技術(shù).2009(4):9-10.

[11]馮克明,朱建輝.一種砂輪模壓成型方法:中國,201410841510.1[P].2015-05-20.

Test research on grinding wheel precision molding based on the principle of over-location

FENG Ke-ming, ZHU Jian-hui, DU Xiao-xu

分析了粉體材料模壓成型特點(diǎn)，針對模壓成型工件厚度精度低的問題，選取壓制系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)壓板為研究對象，通過模壓成型受力分析，依據(jù)機(jī)械過定位原理，提出了粉體材料精密模壓成型新技術(shù)。并且通過過定位壓制工藝設(shè)計(jì)、有限元仿真及砂輪壓制成型試驗(yàn)，結(jié)果表明：傳統(tǒng)模壓成型壓板變形大，且模具直徑越小、壓板變形越大；利用過定位原理可增加壓機(jī)上下壓板間的約束，改善壓機(jī)壓板的應(yīng)力分布、減小壓板變形，進(jìn)而可明顯提高砂輪模壓成型厚度精度。

砂輪；壓制成型；過定位；精度

馮克明（1963 -），男，副總工程師，教授級高工，碩士，主要從事超硬材料制品制造與應(yīng)用技術(shù)研究。

TG74+3；TH16

A

1009-0134(2015)12(上)-0020-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.06

2015-08-17

國家科技支撐計(jì)劃（2015BAF31B00）；鄭州市重大科技專項(xiàng)（131PZDZX022）