基于過定位原理的砂輪精密成型試驗研究

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，是將預成型料裝入具有一定形狀和尺寸的陰模腔內，再經攤料、刮平，扣上陽模，通過壓力機提供的壓力和熱量，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設尺寸的工件。模壓成型具有操作工藝簡單、自動化程度高、生產成本低等特點，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。

砂輪模壓成型壓機普遍噸位大、加熱板外露、系統無調平機構、操作過程隨意性大、模具受力易偏載等，成型工藝落后；并且硬質粉體材料壓制過程中摩擦行為復雜[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，這樣生產周期長、效率低、能耗大，不利于綠色生產。

隨著信息技術、新材料技術、新能源技術、空間技術、光電子和微電子技術等現代科學技術的迅速發展，高速精密綠色磨削加工技術得到大力發展和推廣應用[3～5]，作為工業牙齒的砂輪也面臨著新的挑戰與機遇，迫切要求其幾何精度更高、動態精度更優、磨削性能更好、使用壽命更長、制造應用更環保等，為此國內外學者開展了大量的基礎理論、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注。

1 傳統模壓成型

1.1 模壓成型精度分析

模壓成型是復合材料生產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（含預成型粉體料）位于壓機上下壓板間中心位置，理論上預壓制成型的工件厚度精度主要受壓機上下壓板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。而在實際生產中發現，壓機滑動梁與導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，壓機運行精度較低等，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、生產成本高等。即使對壓制工藝系統進行了定時維護，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模型對壓機系統中最薄弱環節壓板進行了應力、應變仿真計算。材料單元選取20節點的SOLID186單元，選用Structural＞Elastic＞Isotropic類型，壓板彈性模量設置為210GPa，泊松比為0.26，壓制壓力為100kN。

根據上下壓板尺寸（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（不含預成型料）設置為不變形剛體，模具中預成型料具有可壓縮性，壓板設置為可變形體，并限制模具底部的所有位移。

在圖1傳統模壓條件下，由圖2壓板應力與應變分布圖可知：壓板內應力分布極不均勻、有一定量的應變，壓板成微凸狀。使用直徑Ф140mm模具壓制時，單壓板最大位移量可達0.128mm；如果考慮壓制過程中壓機上、下壓板出現相同的變形，則壓板平面度偏差可能會2倍地傳遞到預成型粉體料上。

圖2 壓機壓板應力/應變分布圖

進一步，使用直徑Ф300mm模具進行有限元計算結果如圖3所示，隨模具外徑尺寸變大，壓機壓板最大應力差變小，壓板應變也減小，如單壓板最大位移量僅0.072mm，減小了43.8%。因此，可以認為采用傳統壓制成型工藝時，不僅要考慮壓力的大小，壓機（壓板）的選擇也應與工件（模具）的外徑相適應。使用大壓機壓制小尺寸工件，則難以取得理想的工件厚度精度，應嚴禁“大馬拉小車”現象。

圖3 壓機壓板應力/應變分布圖

由此可見，采用傳統壓制工藝生產小直徑工件時，工件厚度偏差主要是壓制工藝系統剛性不足，特別是壓機上下壓板的剛性不足是主要瓶頸，致使壓機壓板在強大的壓力作用下發生了彎曲變形，進而會直接傳遞到預成型料上，影響粉體料壓制厚度精度。

為了提高壓制工藝系統剛性，減小壓機上、下壓板變形，按傳統壓制成型工藝，通常是購置高精度新壓機，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 機械過定位技術

但是，近年來隨著科學技術的進步和加工精度的提高，過定位問題得到了新的認識，過定位技術在機械設計和高速精密加工中的應用已經得到普遍認可，合理的過定位有利于提高系統剛性、改善加工質量[8～10]。如數控機床中HSK刀柄替代BT刀柄就是典型的例子，利用機械過定位技術可數倍地提高刀柄的重復定位精度、動平衡精度和動靜剛度，進而有利于提高機床系統加工精度。

2.2 過定位精密壓制技術

為了減小壓機上、下壓板變形，提高粉體材料壓制成型精度，本文借鑒機械過定位技術，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上、下壓板間，圍繞模具周圍外側對稱均布若干個與模具壓制高度（模具高度和工件預設高度之和，為預成型料壓制后的工件模具總高度）等高的標準塊，使壓機上、下壓板在Z向（上下移動方向）被多個約束點約束，使工件向處于過定位狀態[1]。圖4就是針對正方形壓板設置了四個標準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

為了全面驗證過定位壓制技術的可行性，在圖2（模具Ф140mm）仿真計算的基礎上，采用圖4平面布局原理在模具中心Ф400mm圓周上對稱均布設置了四個Ф100mm標準塊，模型網格劃分后如圖5所示。然后針對壓機壓板又進行了有限元仿真計算。

圖5 過定位壓制網格劃分圖

圖6 過定位壓制時壓機壓板應力/應變分布圖

進一步分析：上述仿真計算的最大位移量0.031mm是針對壓機600mm×600mm壓板面積，而模具直徑Ф140mm，壓制工件直徑只有Ф100mm遠小于壓板尺寸，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在砂輪成型中的應用

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

本試驗在四柱下壓式油壓機上進行，砂輪模具及標準塊平面設置采用圖4布局。現場設備照片如圖7所示，標準塊布局如圖8所示，模具位于下壓板正中位置、四個標準塊位于砂輪模具周圍最外側對稱均布，標準塊的高度與模具壓制高度相一致。

在砂輪壓制過程中，壓機滑動梁帶動下壓板、模具和標準塊上移，當上壓板與裝有預成型料的模具接觸后，首先預成型料被壓縮，隨著滑動梁繼續上移，預成型料壓縮量逐漸加大，壓力進一步增加，上、下壓板變形亦同步增大；其次，待上壓板與四個標準塊接觸后，上、下壓板的變形被限制并逐漸獲得校正，直至壓制系統達到設定的行程和設定的壓力穩定狀態；最后，待保溫保壓均達到設定要求后，壓機滑動梁回退，轉入卸模程序。

圖7 實驗油壓機

圖8 實驗現場模具與標準塊布局

具體條件是：MYS-160T熱壓機，額定壓力1600kN，壓機上下壓板尺寸長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顯千分尺（分辨率0.001mm）檢測。

試驗過程分別采用傳統壓制工藝和過定位壓制工藝各進行50片小批量實驗測試，每片砂輪沿周向均布4點檢測砂輪厚度，進而取每片砂輪的最大最小數據差作為砂輪厚度差記錄。兩種成型工藝各統計50片的砂輪厚度差數據如圖9所示，砂輪厚度差分布如圖10所示。

圖9 砂輪成型厚度差統計

圖10 砂輪成型厚度差分布

從圖9、圖10試驗統計數據可以看出：采用傳統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。

進一步計算兩種成型工藝試驗數據的均差、標準差和方差，從表1分析數據也可看出：采用過定位壓制成型技術可分別使砂輪厚度差均值、標準差、方差減小22.3%、41.1%、65.3%。

表1 模壓成型試驗砂輪厚度差均值及方差

可見，過定位壓制技術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，應用效果顯著。

4 結論

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

2）提出了粉體材料精密模壓成型新技術。在粉體壓制過程中，利用機械過定位原理，通過若干標準塊的設置增加了壓機上、下壓板間的重復約束，均化了壓板應力，限制了壓板的變形，提高了壓制系統剛性，有利于提高粉體壓制成型厚度精度。

3）經小尺寸砂輪壓制成型批量實驗表明：過定位壓制技術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。過定位壓制技術原理簡單、實用性強，可推廣應用于各種砂輪的生產制造中。

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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，針對模壓成型工件厚度精度低的問題，選取壓制系統最薄弱環節壓板為研究對象，通過模壓成型受力分析，依據機械過定位原理，提出了粉體材料精密模壓成型新技術。并且通過過定位壓制工藝設計、有限元仿真及砂輪壓制成型試驗，結果表明：傳統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上下壓板間的約束，改善壓機壓板的應力分布、減小壓板變形，進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用技術研究。

TG74+3；TH16

A

1009-0134(2015)12(上)-0020-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.06

2015-08-17

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