氣動端面行星運動式金剛石磨具的制作

李慧群 ，韋霄騰

( 1.福建水利電力職業技術學院， 福建　三明　366000； 2.百色學院， 廣西　百色　533000)

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氣動端面行星運動式金剛石磨具的制作

李慧群1，韋霄騰2

( 1.福建水利電力職業技術學院， 福建三明366000； 2.百色學院， 廣西百色533000)

對金剛石磨具的種類和現代磨削技術的特點進行討論，闡述了一種氣動端面行星運動式金剛石磨具的設計與制作.設計結果表明，使用該磨具加工的成品精度高，能滿足車床工作要求.

行星運動式；金剛石磨具；磨削性能

目前，越來越多種類的硬質合金、耐熱合金及工程陶瓷被應用到加工生產中，磨削加工技術面臨全新挑戰.新型金剛石磨具的設計與制造已成為磨具與超硬材料行業研究的重點[1].金剛石制成的磨具由于優越的加工性能，解決了玻璃、陶瓷等高硬度材料的加工問題.對于普通的玻璃和陶瓷材料，金屬結合劑或樹脂結合劑金剛石砂輪具有良好的磨加工性，可以滿足加工需求[2].如果直接將上述金剛石砂輪應用到近年成熟起來的工程陶瓷、金屬陶瓷等新型特種材料的磨削加工，無法完全滿足加工需求，而且會遇到如下問題：由結合劑選擇不當造成結合劑對磨粒的把持力不夠所引起的磨耗增大，結合劑的韌性過大而磨具中氣孔少造成磨削力下降，在磨削加工中磨具消耗過快需要定時修整.本文在現有實驗條件的基礎上尋找合適的裝備，通過系統優化實驗，研究出一種各項性能都能滿足要求的專用于脆硬性材料磨削的氣動端面行星運動式金剛石磨具，并進行一系列的實驗測試，根據所得的實驗數據結合相關理論確定方案的可行性.

1　氣動端面行星運動式金剛石磨具的研究意義

作為現代化車床加工制造的主要組成部分，金剛石砂輪磨削加工的重要性在對硬性材料工件的加工上得到充分體現.在對硬性材料工件進行磨削加工時使用的砂輪主要采用燒結型金剛石砂輪.這種砂輪存在的主要問題有：

(1)金剛石砂輪在磨削加工過程中使用面積僅在沿磨具寬度方向上有限的一段，這樣會造成至少50﹪以上的磨料始終沒有參與加工，在金剛石砂輪不斷磨損達到使用壽命后未使用的部分會被浪費[3].

(2)在上一個問題的基礎上，使用燒結型金剛石砂輪進行傳統磨削過程中需要定期對磨具進行修整.這個步驟必須使用一些特制磨具和采用一定的技術手段，既浪費了大量的生產輔助時間(其中磨具修正輔助時間至少占整個加工時間的30﹪)又增加了勞動強度和加工成本，降低了生產效率[4-5].

(3)由于目前條件限制，很難制造出尺寸較大、符合加工需求且又能保證良好磨削性能的燒結型金剛石砂輪.目前在車床上磨削加工普遍采用的燒結型金剛石砂輪的尺寸都較小.較小的尺寸就造成砂輪在磨削過程中的加工區域非常有限.

2　氣動端面行星運動式金剛石磨具的設計

針對前面提出的金剛石砂輪在磨削加工中存在的不足，本文設計了一種磨削寬度大、加工效率高、工具成本低的氣動端面行星運動式金剛石磨具.該磨具不需要任何修整手段和工具對砂輪進行修整就能夠連續進行高速端面磨削.該氣動端面行星運動式金剛石磨具的立體結構如圖1所示.

圖1　氣動端面行星式金剛石磨具立體結構圖

氣動端面行星運動式金剛石磨具裝置主要由氣動傳動裝置、磨頭彈簧卡套、壓力冷卻管、可旋轉的氣體分流器和旋轉殼體5個部分構成.其中，氣動傳動裝置設有軸承、分流氣管路、螺栓和氣動馬達.這樣可以確保在加工時壓力冷卻液通過壓力冷卻管流入管道對磨頭進行冷卻，保證高速切削時磨具溫度不會過高.

在磨具上應用行星運動原理，將氣體通過分流氣管路驅動氣動馬達帶動磨頭高速旋轉，其中氣動馬達固定在旋轉殼體內，并圍繞旋轉殼體回轉軸心線做行星式運動.為了實現行星式運動，需要把磨具中的旋轉殼體設計成端部與機床轉動件連接，即可旋轉的氣體分流器的一端與機床的高壓氣體管路相連的同時另一端可以通過軸承與旋轉殼體相連，確保氣體進入分流氣管.另外，在氣動馬達的轉動軸與旋轉殼體之間設有軸承.

為實現磨削過程中磨頭的夾緊，需要在伸出旋轉殼體的沒有與機床轉動件相連的那一側端面的氣動馬達上安裝磨頭彈簧卡套，使冷卻液可以流至與氣動馬達轉動軸相連的魔頭彈簧卡套端部，進入磨頭的中孔內，進而達到在加工時對磨頭本身及其加工區域進行沖刷冷卻的目的.整個氣動端面行星運動式金剛石磨具裝置中的氣動馬達、分流氣管路和磨頭彈簧卡套可設2～4套，相應帶動2～4個金剛石磨頭做高速自轉運動，實施磨削加工.上述磨頭為杯形金剛石磨頭，外形為圓柱管形，壁厚約0.5 mm.它的結構示意圖如圖2所示.

圖2　杯形金剛石磨頭結構示意圖

3　氣動端面行星運動式金剛石磨具的磨削實驗

為了檢測在機床上改裝成的氣動端面行星運動式金剛石磨具的性能和磨削特點，我們用磨削玻璃實驗進行說明，即對玻璃在不同參數設定下進行磨削實驗，其中Fx為切向力，Fy為軸向力，Fz為法向力.

在和玻璃工件接觸前先對氣動端面行星運動式金剛石磨具砂輪進行檢測.氣動端面行星運動式金剛石磨具砂輪還沒有與玻璃工件接觸時，它的切向力、軸向力和法向力的值都很穩定.根據理論，切向力和軸向力應該為0.但由于存在誤差，測得的切向力和軸向力雖然不為0，但初值也很小，對實驗效果影響不大.

繼續對砂輪在緩速磨削情況下進行受力檢測，此時切向力和軸向力幾乎不變，取值接近于0，而法向力變化很大.在車床上繼續增大工件的進給量時砂輪的切向力、軸向力和法向力的值都增大.

在砂輪不同的轉速和工件的進給速度及背吃刀量的情況下，磨削玻璃的表面情況顯微圖如圖3所示.其中，V1是氣動磨頭的速度，V2是車床主軸的轉速,ap是進給量.在緩速磨削情況下磨削得到的表面質量比較勻稱，導軌磨痕很小，幾乎沒有崩裂的凹坑.當V1、V2都增大時，會出現大的崩裂凹坑，嚴重影響加工工件表面質量.

(a)V1=9 mm/min，V2=45 r/min，ap=1.2 mm

(b)V1=38 mm/min，V2=190 r/min，ap=1.2 mm

從實驗數據分析可知，在一定的砂輪旋轉速度范圍、工件的進給速度、車床主軸轉速等參數的影響下，氣動端面行星運動式金剛石磨具的磨削質量會受到一定的影響.我們可以通過調節這些參數的值來達到所要求的表面質量.但總的來說，磨削的工件表面刀軌磨痕比較勻稱，表面粗糙度比較小，崩裂凹坑比較小，具有現實可行性.

4　結語

本文通過對目前磨削技術的研究，綜合現有磨具材料和對磨削表面的影響，研制出適合脆硬性材料磨削的金剛石磨具，并通過試驗研究和對結果的分析得出以下結論:(1)氣動端面行星運動式金剛石磨具應用行星運動原理，使用氣體分流進行驅動，選取砂輪端面磨削方式.這樣使整體設計在適當增大尺寸的同時可以保證加工精度.另外，為了減輕磨具堵塞、脫落磨粒對工件表面的影響和切削過熱等問題，在金剛石磨具上安裝了內流道高壓水沖刷和冷卻系統.(2)氣動端面行星運動式金剛石磨具所采用的加工方法使磨料沿軸向分層磨損，可以使磨料磨粒得到更充分的合理利用，增加使用壽命，因此工具成本得到降低.(3)氣動端面行星運動式金剛石磨具在為工程陶瓷、金屬陶瓷等新型特種陶瓷制品的精密磨削提供大磨削寬度的高效加工方式的同時，還提供了一種金剛石砂輪的免修整端面精密磨削技術.由于是在車床上改裝，磨削實驗得到的磨削精度不是很高，可加工的表面不大.此外，在磨削過程中，金剛石砂輪磨頭與玻璃的接觸面上出現一些石墨化斑點.要消除這一現象需要進一步的研究.

[1]鄭善良.磨削基礎[M].上海：上?？茖W技術出版社，1988:231-233.

[2]李伯民，趙波.實用磨削技術[M].北京：機械工業出版社，1996:167-169.

[3]馬伏波，袁超，陳樹峰.磨削液的作用和注入方法的研究[J].機械工程學報，2007，32(3) :195-198.

[4]陳慧，鄧瑩，李力. Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的研究現狀[J]. 重慶文理學院學報(自然科學版)，2012(5)：13-16.

[5]李恒,汪永紅,鄂孔元,等.熱處理參數對超高強鋁合金硬度的影響[J].重慶文理學院學報(自然科學版)，2012(5)：20-23.

(責任編輯穆剛)

The manufacture of diamond grinding tools of planetary end pneumatic-type

LI Huiqun1, WEI Xiaoteng2

(1. Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Sanming Fujian 366000, China；2. Baise University, Baise Guangxi 533000, China)

The types of diamond abrasive grinding technology and the characteristics of modern grinding technology were discussed in the paper. The design and manufacture of a kind of planetary end pneumatic-type diamond grinding tools is described in details. According to the result of the design, this grinding tool can fulfill the requirement of high accuracy on the lathe.

planet sports-style; diamond grinding tools; grinding performance

2015-12-22

李慧群(1988—)，女，福建莆田人，助教，主要從事機械設計制造及自動化方面的研究.

TH136

A

1673-8004(2016)05-0005-03