超聲振動外圓珩磨油石條運動及磨粒切削作用分析*

祝錫晶,張小強(qiáng)

超聲振動外圓珩磨油石條運動及磨粒切削作用分析*

祝錫晶,張小強(qiáng)

(中北大學(xué),機(jī)械與動力工程學(xué)院,山西太原 030051)

磨削加工的本質(zhì)是利用砂輪上的磨粒對工件進(jìn)行的切削,超聲振動外圓珩磨技術(shù)是利用油石條對圓柱體外表面進(jìn)行珩磨作用,油石條同時受到旋轉(zhuǎn)和往復(fù)的作用,使得固結(jié)在油石條上的磨粒發(fā)生特殊的運動形式,而由超聲波所引起的振動作用加劇了磨粒對工件表面的作用,提高了效率和精度,為揭示該加工機(jī)理,文章研究了超聲振動外圓珩磨加工過程中,油石條在圓柱體表面的運動路徑,進(jìn)一步討論了固結(jié)在油石條上的磨粒在該運動過程中的切削作用。

超聲振動外圓珩磨,金剛石油石,單顆磨粒

前 言

磨削加工是使用砂輪或油石條上的磨粒對工件進(jìn)行切削的過程,通常在機(jī)械加工中被安排在工藝的最后一道工序,以保證工件的表面質(zhì)量和精度[1]。磨削加工的本質(zhì)是利用砂輪表面隨機(jī)分布的磨粒對工件進(jìn)行切削的過程,由于磨粒在砂輪表面排列具有參差不齊、分布不規(guī)則、形狀各異的特點,其磨削過程中所產(chǎn)生的切削作用力和磨粒的著力點有所不同,因此有必要針對不同的磨削過程建立磨粒切屑模型,分析其作用機(jī)理。

目前學(xué)者對單顆磨粒切削作用及仿真方向的研究,主要采用有限元分析[2]和分子動力學(xué)法[3]對其過程進(jìn)行仿真研究。在各種新型材料不斷推出的同時,針對其不同的加工技術(shù)也得到了更新。在研究過程中,首先對磨粒的形貌進(jìn)行了觀察[4],然后基于磨粒形狀不同,建立了單顆磨粒切削加工模型[5],分析了金剛石油石上固結(jié)的單顆磨粒的切削深度[6],為研究單顆磨粒切削的動態(tài)過程,分別用SPH法[7]和FEM與SPH耦合法[8]進(jìn)行了動態(tài)仿真。隨著復(fù)合加工的出現(xiàn),對單顆磨粒的研究也更加微觀,如分析微型超聲波機(jī)加工過程中單顆磨粒的去除模式[9],建立旋轉(zhuǎn)超聲鉆削下的磨粒切削力模型[10]。學(xué)者們對磨粒磨削作用的研究主要集中于常規(guī)磨削過程中磨粒的切削作用及對磨削過程的仿真研究。

超聲振動珩磨是一種新型的復(fù)合加工技術(shù),傳統(tǒng)的超聲珩磨技術(shù)是針對圓柱體內(nèi)圓表面加工,本文主要研究對圓柱體外圓表面珩磨加工過程中,油石條上的磨粒受到超聲波而產(chǎn)生的徑向振動作用下的變化。由于磨粒分布的隨機(jī)性和形狀的不規(guī)則性,在其珩磨過程中,磨粒切削作用比較獨特。本文選用六面體金剛石磨粒為研究對象,首先對珩磨過程中油石條的路徑進(jìn)行了理論分析和仿真模擬,然后根據(jù)油石運動對油石條上固結(jié)的磨粒的切削進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

1 超聲振動外圓珩磨技術(shù)

圖1 超聲振動外圓珩磨原理Fig.1 The principle diagram of ultrasonic vibration cylindrical honing system

超聲振動珩磨技術(shù),具有其獨特的加工特點,如珩磨溫度低,珩磨力小,加工精度高等[11],因此得到了很好的研究和廣泛的應(yīng)用。超聲振動外圓珩磨技術(shù)是建立在傳統(tǒng)超聲振動珩磨的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其基本原理如圖1所示。

從圖1可以看出,在外圓珩磨加工過程中,油石條包圍工件外表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動,固結(jié)在油石上的磨粒也發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動,由于磨粒的形狀不規(guī)則,因此在其運動過程中,其發(fā)生切削作用的切削面并不能確定。

2 超聲振動外圓珩磨中油石條運動路徑

根據(jù)圖1超聲振動外圓珩磨加工原理可以看出,油石置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部,其運動及加工過程其特性均難以觀察,因此為了便于分析和觀察油石的運動,將工件展開成矩形,如圖2所示,對油石運動進(jìn)行分析。珩磨加工中,珩磨頭同時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動,因此其運動路徑為與徑向成一定角度的方向。

圖2 工件表面油石條運動路徑Fig.2 The moving path of oilstone on the workpiece surface

從圖2中可以看出,油石在工件表面呈現(xiàn)出一種三角波形的速度運動規(guī)律,珩磨加工開始時,油石條位于A1位置,半個周期后,油石條運動到位置B,根據(jù)圖中顯示,在半個周期時,油石條所經(jīng)過的路徑已經(jīng)超過圓柱體表面的一半,因此當(dāng)油石條經(jīng)過一個周期后,其運動路徑之間出現(xiàn)疊加部分,在經(jīng)過幾個周期的運動后,工件表面會形成交叉網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)。交叉網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)是珩磨加工的特有表面形貌,普通珩磨加工后,在表面會形成三角形溝槽狀的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu),如圖3所示,而超聲振動珩磨加工后,會形成平頂珩磨網(wǎng)紋結(jié)構(gòu),如圖4所示。

根據(jù)工件的應(yīng)用條件和使用場合,從潤滑性能考慮,三角形溝槽狀網(wǎng)紋和平頂網(wǎng)紋都有利于工件與工件之間配合使用,溝槽內(nèi)可以存儲大量潤滑液,這在提高工件之間相互潤滑性能的同時,也延長了工件的使用壽命。

圖3 三角形溝槽狀網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of triangle groove

圖4 平頂網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)Fig.4 The flattop structure

3 油石條固結(jié)磨粒的切削作用分析

在珩磨油石條上,磨粒呈現(xiàn)無規(guī)則的排列,在常規(guī)油石條上,使用的是120/140粒度的cBN磨粒,圖5為單顆磨粒的電鏡掃描圖。從圖中可以看出,各磨粒形狀不同,但磨粒均有一定的尖銳性,且尖銳形狀不同。在研究中,為了分析磨粒運動中的切削作用,通常將單顆磨粒簡化成一種多棱錐體結(jié)構(gòu),如圖6所示。磨粒結(jié)構(gòu)確定,但在油石條上的分布及固結(jié)方向和角度不同,因此油石條上的磨粒在加工過程中,完成切削作用的磨粒切向和尖角不同。

圖7顯示的是單個油石條在超聲振動外圓珩磨過程中的作用,油石條受到珩磨壓力的作用,沿著工件進(jìn)行加工作用,從圖中可以看出在油石條上固結(jié)的磨粒呈現(xiàn)不同角度。由于外圓加工過程中,油石條在工件表面有旋轉(zhuǎn)運動,而單顆磨粒在旋轉(zhuǎn)過程中,磨粒上發(fā)生切削作用的尖角是不同的,因此在完成一個周期的珩磨過程中,磨粒進(jìn)行切削作用的角度也不同。

圖5 單顆磨粒電鏡掃描圖Fig.5 The SEM of single abrasive particle

圖6 多棱錐體磨粒幾何形狀Fig.6 The geometry of pramid abrasive particle

圖7超聲振動外圓珩磨油石條作用及油石條表面磨粒顆粒

Fig.7 The function of oilstone and its abrasive grains during ultrasonic vibration cylindrical honing

4 結(jié) 論

超聲振動珩磨技術(shù)的研究為小型圓柱體內(nèi)表面質(zhì)量的提高提供了重要的基礎(chǔ),基于此提出了外圓珩磨技術(shù),在促進(jìn)工件間相互配合的同時,也延長了工件的使用壽命。本文從珩磨油石條的角度,分析了超聲振動外圓珩磨過程中,油石條在工件表面的運動路徑,并從微觀上對固結(jié)在油石條上的磨粒的形狀和加工時的切削作用進(jìn)行了分析,這都對進(jìn)一步完善超聲振動外圓珩磨加工機(jī)理做了一定的工作。

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第11屆中國金剛石相關(guān)材料及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議在廣西北海市勝利召開

2017年8月28日至31日,由中國材料研究學(xué)會超硬材料及制品專業(yè)委員會、中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院、國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心、華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心、吉林大學(xué)超硬材料國家重點實驗室聯(lián)合主辦的第11屆中國金剛石相關(guān)材料及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議在廣西北海順利舉行。本次會議得到了國內(nèi)外超硬行業(yè)人士的熱烈響應(yīng)和支持,來自全國各地的代表共200余人參加了此次盛會。為了辦好這次會議,在短短的幾個月內(nèi),大會組委會從超硬材料及制品的不同領(lǐng)域征集到80余篇稿件,有近50個單位的近百人執(zhí)筆、數(shù)百人參與了論文撰寫。在大會上安排了14篇特邀報告及27篇普通報告,來自國內(nèi)各知名高校的教授專家、生產(chǎn)一線的技術(shù)工程師親自做學(xué)術(shù)報告,展示國內(nèi)科研領(lǐng)域的最新科研成果。本次盛會為參會人員安排了一場高質(zhì)量的學(xué)術(shù)盛宴,提供了理想的互動學(xué)習(xí)和交流平臺。

會議得到了地方各級領(lǐng)導(dǎo)的充分肯定和重視,廣西科協(xié)、北海市領(lǐng)導(dǎo)蒞臨會場并致辭,在關(guān)切之中也帶來了對超硬行業(yè)發(fā)展的美好祝福。

會議期間,組委會專門為行業(yè)多名80高齡的老專家安排集體生日晚宴,還安排了老專家座談會,這些活動得到了行業(yè)前輩們的充分認(rèn)同,集體表達(dá)了對大會組委會的謝意,對會務(wù)組的細(xì)心工作和熱情服務(wù)"點贊",也祝愿未來的會議能辦出質(zhì)量、辦出特色,更相信在材料研究學(xué)會超硬材料及制品專業(yè)委員會的努力下會議將越來越好!

本次會議流程緊湊有序,氣氛熱烈,在會務(wù)組及參會人員的共同努力下取得了圓滿成功,為以后行業(yè)同仁交流及開展合作打下了堅實的基礎(chǔ)。 (工程中心供稿)

The Study of The Oilstone Moving and Abrasive Cutting During Ultrasonic Vibration Cylindrical Honing

ZHU Xi-jing,ZHANG Xiao-qiang
(School of Mechanical Engineering&Automation,North University of China,Taiyuan,Shanxi 030051,China)

The nature of grinding process is cutting workpiece by abrasive grains on the grinding wheel.The ultrasonic vibration cylindrical honing technique uses oilstone to hone the outside surface of cylinder.Meanwhile,the rotation and reciprocation of the oilstone causes a special form of movement of the abrasives on it,while the vibration caused by ultrasonic wave promotes the honing of abrasive grains to the surface of workpieces,as a result,the efficiency and precision has been improved.In order to reveal its machining mechanism,the moving path of oilstone on cylinder surface during the ultrasonic vibration cylindrical honing process has been studied in this article to give a further discussion of the cutting action of abrasives on the oilstone during the movement process.

ultrasonic vibration cylindrical honing;diamond oilstone;single abrasive particle

TB559;O311.1;TQ164

A

1673-1433(2017)04-0040-04

2016-12-10

國家自然科學(xué)基金(51275490)

祝錫晶(1969-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向:精密與特種加工。E-mail:zxj161501@nuc.edu.cn。

祝錫晶,張小強(qiáng).超聲振動外圓珩磨油石條運動及磨粒切削作用分析[J].超硬材料工程,2017,29(4):40-43.