文章摘要
作者分上下两篇,首先介绍了砂轮修的概念及其对砂轮寿命的影响,随后介绍了使用正交实验设计、优化砂轮修整参数的方法,帮助读者掌握提高砂轮使用寿命的方法。
一、应用背景
在金属冷加工工艺中,磨削是常见的表面精加工工艺:通过磨具表面预埋裸露的磨料对工件的表面材料进行去除,可以获得较高的尺寸精度和表面质量。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图1) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图1)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135510428.png)
砂轮的基本知识,请关注本公众号的《透过案例谈理论》专题,后续将有介绍磨削和砂轮的文章。在乘用车动力总成产品制造领域中,以外圆磨削为主,通常使用树脂基氧化铝砂轮和陶瓷基立方氮化硼砂轮。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图2) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图2)](/uploads/ueditor/20220310/1-22031013553U95.png)
树脂基氧化铝砂轮,即以树脂为结合剂,氧化铝为磨料的砂轮,俗称“刚玉砂轮”。其使用特点是单价低,可用磨料层厚,通用性强,即可使用修整器修整成任意复杂形状(例如沟槽和锥面等)。其缺点是保形性差,需要频繁修整(修锐和整形),修整间隔通常在十件至几十件不等。对于加工质量要求严格的场合,每次修整后都需要对零件进行抽检,以确认加工尺寸和表面质量,势必会降低生产效率。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图3) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图3)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135629D1.png)
陶瓷基立方氮化硼砂轮(即以陶瓷为结合剂,立方氮化硼为磨料的砂轮,因氮化硼的英文缩写是CBN,因此通常也简称为“CBN砂轮”。
相对刚玉砂轮,其使用特点是耐磨性和保形性好,不需要频繁地修整,修整间隔通常在几百件。其缺点是磨料层厚度小,单边厚度通常在5至8mm,虽然修整量小和修整间隔大的特点可以带来比刚玉砂轮更长的使用寿命,但是不适用磨削表面形状复杂的工件。
二、改进意义
与刚玉砂轮相比,CBN砂轮拥有磨削效率高和质量稳定的特点,但因其价格昂贵,如不能发挥使用寿命长的特点,就不能彰显其性价比的优势。
CBN砂轮的修整可分为整形和修锐两个步骤。
整形是通过改变砂轮的宏观形状,使砂轮达到要求的几何形状和尺寸精度,并使磨粒尖端微细破碎形成锋利的磨刃;
修锐则是通过去除砂轮磨粒间的结合剂,使磨粒凸出结合剂表面,形成必要的容屑空间,使砂轮具有最佳磨削能力。
根据具体情况,整形和修锐可统一进行或同时完成,也可分步进行。随着CBN砂轮日益广泛的应用,如何在稳定质量的前提下,提升砂轮使用寿命,是摆在砂轮生产者和使用者面前共同的课题。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图4) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图4)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135ATE.png)
实际应用中,受到加工工艺、系统刚性和磨削质量等方面的限制,高速磨削工况下的CBN砂轮磨料层厚度通常为(单边)5~6mm,因此,提高砂轮理论寿命的主要途径是增大修整间隔和减少修整量。
修整间隔
是指砂轮两次修整之间所加工工件的数量。修整后砂轮重新获得锋利的磨粒和几何尺寸(成型砂轮)。如超过修整间隔,因磨粒磨钝和气孔堵塞等原因,砂轮磨削能力下降,挤压作用大于切削作用,工件表面粗糙度恶化甚至有烧伤和振纹等现象发生。
修整量
是指在每个修整间隔后砂轮被修整时的去除量,其包含往复次数和单次量两个参数,例如修整过程中,往复修整5次,单次量为3um,则修整量为15um。
综上所述,我们以砂轮理论寿命最大化为目的优化磨削参数,即要以最小的修整量,达到最大的修整间隔:在修整间隔内,工件粗糙度从上限(间隔首件)稳定变化到下限(间隔末件)。
三、参数定义
修整参数
通常,影响修整效果的参数有进给速度(修整轮沿砂轮表面的移动速度)、修整量(砂轮修整去除量,等于往复次数乘以单次量)和修整速差(修整时砂轮与修整轮的转速之差)。这些参数对工件表面质量和砂轮消耗速度均有影响,如图1所示,因此我们对其影响进行量化分析,为优化策略的制定提供数据支持。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图5) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图5)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135H5E7.png)
在设备调试和寿命设定时,通常会根据砂轮修整后的首件表面质量,调整修整参数,再跟踪后续加工工件粗糙度变化趋势,设定修整间隔。因此,我们在量化分析修整参数影响时,也相应地选取可以反映磨削表面质量的评价指标。
我们选取轮廓算数平均偏差Ra,作为表面粗糙度评价指标,其定义为:在取样长度(L)内轮廓偏距(Z)绝对值的算术平均值,如下公式所示。在实际测量中,测量点的数目越多,Ra越准确。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图6) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图6)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135J5339.png)
Ra表面测量所表示的仅是工艺上被指定的光洁度,却无法体现出轴承表面好坏的表面测量。如下图所示,当只为Ra数值测量表面时,左图和右图有同样的Ra数值,但是两个工件表面却表现出两种完全不同的情况。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图7) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图7)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135PN26.png)
左图中的上表面,它的平面区域被深沟分隔开,这种表面是非常好的轴承表面,利于油的保持。而右图表面则完全不适合这种应用。
因此在评定工件表面质量时,我们还引入轮廓的支撑长度率(Rmr)指标。其定义是从最高的峰值处向下一定深度P处,做横截面,截面与轮廓交线长度比例,计算公式如下所示。
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图8) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图8)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135R5C7.png)
![砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图9) 砂轮修整参数量化调整方法(上)—基础理论篇(图9)](/uploads/ueditor/20220310/1-220310135T0402.png)