內(nèi)冷式砂輪的理論研究

內(nèi)冷式砂輪的理論研究,內(nèi)冷式,砂輪,理論研究 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 四 川 理 工 學 院 畢 業(yè) 設 計（論 文）說 明 書 題 目 內(nèi)冷式砂輪的理論研究 學 生 雷 志 江 系 別 機 電 工 程 系 專 業(yè) 班 級 機械設計制造及自動化03.2班 學 號 030110409 指 導 教 師 張 捷 摘 要 該設計通過對各種構(gòu)想理論的分析篩選，初步設計出內(nèi)冷式砂輪的結(jié)構(gòu)。設計對于內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，流道設計，流道布置等問題作了比較完整的分析，該次設計的內(nèi)冷式砂輪，主要是通過改造傳統(tǒng)砂輪結(jié)構(gòu)而來的，易實現(xiàn)理論的現(xiàn)實轉(zhuǎn)化，該設計有效的解決了砂輪加工中，磨削熱導致的磨削燒傷和磨削裂紋的問題，具有很高的實用價值。但該設計還有不夠完善的地方，需要更進一步的研究，于實踐中得到不斷改進并成型。 關(guān)鍵詞：內(nèi)冷式砂輪、噴液流道、切開線、開槽式砂輪、蜂窩式內(nèi)冷式砂輪 ABSTRACT The design concept of the various theoretical analysis of the screening, preliminary design cooling-wheel structure. Design for the Cold-wheel within the internal structure, the design flow, flow layout made more complete analysis, The design of the cooling-wheel, mainly through the transformation of traditional structures from the wheel, easy realization of the theory into reality. The design of an effective solution to the wheel machining, grinding thermal burns caused by the grinding and grinding cracks, has high practical value. But the design also not perfect and needs further study, the practice has been continually improving and molding. Keywords : cold-wheel, jet flow, the incision line, slot-type wheel, cellular cooling Wheel I 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 前言 1 第1章 緒論 4 第2章 內(nèi)冷式砂輪設計構(gòu)想與材料的現(xiàn)實分析 8 2.1 設想1：利用泡沫金屬 8 2.2 設想2：利用粉末冶金生產(chǎn)一種適合的材料 9 2.3 設想3：利用黏土和高硬磨粒混合燒結(jié) 10 2.4 設想4：利用傳統(tǒng)工藝制作內(nèi)冷式砂輪 13 第3章 內(nèi)冷式砂輪的結(jié)構(gòu)設計 14 3.1 開槽式內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)的初步構(gòu)想 14 3.1.1漸開線流道分析 15 3.1.2冷卻方式的分析 18 3.2蜂窩式內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)設計 20 3.2.1內(nèi)冷式砂輪流道設計研究 21 3.2.1.1切開線的發(fā)現(xiàn)與分析 21 3.2.1.2切開線流道的數(shù)學分析 22 3.2.2 蜂窩式內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)初步構(gòu)想 23 3.2.3蜂窩式內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計 24 3.2.3.1蜂窩式內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部容液及密封結(jié)構(gòu)設計 25 3.2.3.2孔道大小的確定 26 3.2.3.3砂輪的流道布置分析 27 3.2.3.4砂輪孔道的成型 30 3.2.3.5內(nèi)冷式砂輪的制作工藝情況說明 32 第4章 結(jié)論 33 參考文獻 34 致謝 35 附錄A：切削液選用參考表 36 附錄B：塑料澆鑄情況簡介 37 附錄C：磨削弧區(qū)采用徑向射流沖擊強化換熱的試驗研究 39 47 前 言 隨著現(xiàn)代機械加工的不斷發(fā)展及各種新型材料的出現(xiàn)，對其加工精度表面粗糙度要求越來越高，磨削加工有很大的發(fā)展，已廣泛應用于機械加工行業(yè)，磨削的機械零件有很高的精度和極低的表面粗糙度。隨著機械制造的精度提高，一個國家的磨削工藝水平，往往地反映了國家機械制造的水平。磨削加工除能磨削外圓，內(nèi)圓，平面外，還能磨削螺紋、齒輪，以及刀具、模具等復雜零件表面加工。磨削技術(shù)不斷研制和使用新型的超硬的磨料磨具，開發(fā)和推廣超精密磨削，高效的磨削工藝和研制，應用在高精度、高剛度的磨床和磨削加工中。 一、新型和超硬磨料磨具 1、陶瓷剛玉磨料砂輪 陶瓷剛玉磨料經(jīng)過化學陶瓷化處理，晶體瓷膠儀后破碎成顆粒，最后燒結(jié)成磨料，陶瓷剛玉砂輪韌性比普通剛玉砂輪好，其自銳性、鋒利性形狀保持及壽命比普通砂輪高2—2.5倍，但這種砂輪目前的制造成本高，通常多與白剛玉或棕剛玉砂輪混合體，這種混合砂輪僅在發(fā)達國家被普遍使用。 2、人造金剛石砂輪 人造金剛石砂輪，由磨料層、過渡層和基體三部份組成，人造金剛石砂輪用于磨削超高硬度的脆性材料，如硬度合金，花崗巖，寶石，光學玻璃，和陶瓷等。 3、立方氮化硼砂輪 立方氮化硼砂輪的立方氮化硼顆粒粘在普通砂輪表面只有很薄一層，其磨粒韌性、硬度、耐用度是剛玉類砂輪的100倍，適用于高速或超高速磨削，以及難加工材料如高速綱，耐熱鋼等。它不能用普通切削液，需要特殊的切削液。 在機械加工中砂輪磨削作為磨削加工一個重要的組成部分，不僅從砂輪材料方面得到不斷的發(fā)展，各種技術(shù)改革一時間成為一種熱點。其相應的各種砂輪磨削方式不斷出現(xiàn)來滿足現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展。 二、砂輪磨削特點 砂輪是由磨料和結(jié)合劑粘結(jié)而成的特殊多刃刀具，在砂輪表面每平方厘米面積上約有60～1400顆磨料，每顆磨粒相當于一個刀齒，磨粒是一種高硬度的非金屬晶體，它不但可磨削銅，鑄鐵等較軟的材料，而且還可以加工各種淬火鋼的零件，高速鋼刀具和硬質(zhì)合金等硬材料以及超硬材料。它與其它加工方式比較具有自己的特點： （1） 磨削速度很高，每秒可達 30m～50m；磨削溫度較高，可達1000 C～1500 C；磨削過程歷時很短，只有萬分之一秒左右。 （2） 磨削加工可以獲得較高的加工精度和很小的表面粗糙度值。 （3） 磨削不但可以加工軟材料，如未淬火鋼、鑄鐵和有色金屬等，而且還可以加工淬火鋼及其他刀具不能加工的硬質(zhì)材料，如瓷件、硬質(zhì)合金等 （4） 磨削時的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金屬層很薄。 （5） 砂輪磨削具有自銳性，磨削效率高，磨削穩(wěn)定。 砂輪磨削的現(xiàn)狀 磨削溫度高，在磨削過程中常規(guī)的冷卻方法在某些精度及表面質(zhì)量要求高的場合下已經(jīng)明顯不能達到冷卻要求，經(jīng)常出現(xiàn)冷卻不足，造成磨削裂紋等質(zhì)量問題。為了解決磨削裂紋，便出現(xiàn)了各種理論和改進方法。 各國科研人員對此進行了廣泛地研究，有的提出了設計制造特別疏松組織的砂輪，利用其內(nèi)部空隙通以一定壓力的磨削液，溫度相對較低的磨削液通過砂輪內(nèi)部達到磨削區(qū)，起到減少磨削熱，降低磨削溫度的作用。但該方法很不好控制砂輪內(nèi)部疏松狀況，因而不能很好控制磨削液，進入磨削區(qū)的磨削液實際是間斷的，因而砂輪高速旋轉(zhuǎn)時甩出的磨削液不能形成水流狀，而是霧狀，影響冷卻效果，很難控制磨削質(zhì)量；有的研制出帶通液孔的CBN砂輪，這一方案雖然保證了進入磨削區(qū)的磨削液是連續(xù)的，但由于噴嘴工作時噴出液體到達砂輪內(nèi)時壓力不穩(wěn)，并且較小。另外通液孔尺寸較小，形狀、位置不佳，使磨削液從砂輪內(nèi)部出來時成霧狀，也不能達到良好的降溫效果。 從國際上的研究情況表明，內(nèi)冷式砂輪在這方面具有很好的效果，由于其在冷卻過程中有即時冷卻的特點，也使我們對這一設計有了自己的一些想法。 內(nèi)冷式砂輪的設計目的及思路 1、 內(nèi)冷式砂輪作為砂輪磨削中的一種新技術(shù)，其本身的設計目的就是為了使磨削過程中的冷卻變得更充分，以達到快速降低磨削區(qū)溫度，從而減少因磨削熱導致的磨削裂紋等情況的發(fā)生。國際上的相關(guān)研究也取得了一些相應的成果，市場上也出現(xiàn)了一些相關(guān)的產(chǎn)品，但在技術(shù)方面還處于起步階段，內(nèi)冷式砂輪的結(jié)構(gòu)還不十分理想，從這一點來看仍然還有廣闊的研究空間和研究價值。 2、 在內(nèi)冷式砂輪方面，中國目前還沒有相應的產(chǎn)品，國際市場中的內(nèi)冷式砂輪其價格又較高，以中國國情來看很難進行規(guī)模化，因此，有必要研究設計出一種價格便宜，冷卻性能好，適應中國國情推廣和使用的內(nèi)冷式砂輪。 3、 國內(nèi)的磨削加工水平不足，在許多加工質(zhì)量要求較高的地方，我們不得不采用國外的先進技術(shù)，這也從一定程度上制約了我國的機械加工水平的發(fā)展。 由于要實現(xiàn)砂輪的內(nèi)冷，砂輪的結(jié)構(gòu)就會比較復雜，制造工藝也就相對變得復雜，必然使砂輪的制作成本增加。在設計時我們要考慮到我國目前的國情，以及砂輪在國內(nèi)的可推廣性，在這個設計中，無論我們是試圖通過何種方式來實現(xiàn)內(nèi)冷式砂輪這一設計，我們都應以減少制作的工藝，降低砂輪的成本為出發(fā)點。并經(jīng)過篩選分析，選擇一種最適合的方式入手來進行設計。 第一章 緒論 磨削與常規(guī)的機械加工相比，砂輪表面的微小磨粒切削刃的幾何形狀是不確定的（負前角為- 60°～ - 85°，刃口楔角為80°～145°，刃端鈍圓半徑為3～28μm），而且切削刃的排列（凹凸、刃距）是隨機分布的，磨削厚度非常薄，在幾個微米以下；磨削速度高達1000～7000m/min，磨削點的瞬時溫度可達1000℃以上，因此去除相同體積的材料所消耗的能量達到車削時的30倍。 磨屑的形成過程 磨屑的形成大致分三個階段，下圖用單個磨粒磨削時磨屑的形成過程。 圖1－1單個磨粒磨削過程示意圖 第Ⅰ階段（彈性變形階段） ?由于磨削深度小，磨粒以大負前角切削，砂輪結(jié)合劑及工件、磨床系統(tǒng)的彈性變形，當磨粒開始接觸工件時產(chǎn)生退讓，磨粒僅在工件表面上滑擦而過，不能切入工件，僅在工件表面產(chǎn)生熱應力。 第Ⅱ階段（塑性變形階段） ?隨著磨粒磨削深度的增加，磨粒已能逐漸刻劃進入工件，工件表面由彈性變形逐步過渡到塑性變形，使部分材料向磨粒兩旁隆起，工件表面出現(xiàn)刻痕（耕犁現(xiàn)象），但磨粒前刀面上沒有磨屑流出。此時除磨粒與工件的相互摩擦外，更主要是材料內(nèi)部發(fā)生摩擦。磨削表層不僅有熱應力，而且有因彈、塑性變形所產(chǎn)生的應力。 第Ⅲ階段（形成磨屑階段） ?此時磨粒磨削深度、被切處材料的切應力和溫度都達到一定值，因此材料明顯地沿剪切面滑移而形成切屑從前刀面流出。這一階段工件的表層也產(chǎn)生熱應力和變形應力。 ??但是由于磨粒在砂輪表面上排列的隨機性，磨削時，每個磨粒與工件在整個接觸過程中，作用情況可分如下三種：? 1、 只有彈性變形階段； ????2、彈性變形階段+塑性變形階段+彈性變形階段； 2、 彈性變形階段+塑性變形階段+切屑形成階段+塑性變形階段+彈性變形階段。 磨削熱和磨削溫度 磨削過程中所消耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟ハ鳠帷Ｔ囼炑芯勘砻鳗o根據(jù)磨削條件的不同﹐磨削熱約有60～85％進入工件﹐10～30％進入砂輪﹐0.5～30％進入磨屑﹐另有少部分以傳導﹑對流和輻射形式散出。磨削時每顆磨粒對工件的切削都可以看作是一個瞬時熱源﹐在熱源周圍形成溫度場。磨削區(qū)的平均溫度約為400～1000℃﹐至于瞬時接觸點的最高溫度可達工件材料熔點溫度。磨粒經(jīng)過磨削區(qū)的時間極短﹐一般在0.01～0.1毫秒以內(nèi)﹐在這期間以極大的加熱速度使工件表面局部溫度迅速上升﹐形成瞬時熱聚集現(xiàn)象﹐會影響工件表層材料的性能和砂輪的磨損。 磨削精度和表面質(zhì)量 大多數(shù)情況下磨削是最終加工工序﹐因此直接決定工件的質(zhì)量。磨削力造成磨削工藝系統(tǒng)的變形和振動﹐磨削熱引起工藝系統(tǒng)的熱變形﹐兩者都影響磨削精度。磨削表面質(zhì)量包括表面粗糙度﹑波紋度﹑表層材料的殘余應力和熱損傷(金相組織變化﹑燒傷﹑裂紋)。影響表面粗糙度的主要因素是磨削用量﹑磨具特性﹑砂輪表面狀態(tài)(也稱砂輪地形圖)﹑切削液﹑工件材質(zhì)和機床條件等。產(chǎn)生表面波紋度的主要原因是工藝系統(tǒng)的振動。由于磨削熱和塑性變形等原因﹐磨削表面會產(chǎn)生殘余應力。殘余壓應力可提高工件的疲勞強度和壽命﹔殘余拉應力則會降低疲勞強度﹐當殘余拉應力超過材料的強度極限時﹐就會出現(xiàn)磨削裂紋。磨削過程中因塑性變形而發(fā)生的金屬強化作用﹐使表面金屬顯微硬度明顯增加﹐但也會因磨削熱的影響﹐使強化了的金屬發(fā)生弱化。例如砂輪鈍化或切削液不充分﹐在磨削表面的一定深度內(nèi)就會出現(xiàn)回火軟化區(qū)﹐使表面質(zhì)量下降﹐同時在表面出現(xiàn)明顯的褐色或黑色斑痕﹐稱為磨削燒傷。 一、 磨削裂紋的產(chǎn)生機理 磨削裂紋的產(chǎn)生是磨削熱引起的，磨削時零件表面的溫度可能高達820～840℃或更高。 淬火鋼的組織是馬氏體和一定數(shù)量的殘余奧氏體，處于膨脹狀態(tài)(未經(jīng)回火處理尤為嚴重)。如果將其表面快速加熱至100℃左右并迅速冷卻時，必然將產(chǎn)生收縮，這是第一次收縮。這種收縮僅發(fā)生在表面，其基體仍處于膨脹狀態(tài)，從而使表面層承受拉應力而產(chǎn)生微裂紋，這是第一種裂紋。當溫度升至300℃時，表面再次產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生第二種裂紋。馬氏體的膨脹收縮隨著鋼中含碳量的增加而增大，故碳素工具鋼和滲碳淬火鋼產(chǎn)生磨削裂紋尤為嚴重。 淬火鋼中的殘余奧氏體，在磨削時受磨削熱的影響即發(fā)生分解，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種新生的馬氏體集中于表面，引起零件局部體積膨脹，加大了零件表面應力，導致磨削應力集中，繼續(xù)磨削則容易加速磨削裂紋的產(chǎn)生；此外，新生的馬氏體脆性較大，磨削也容易加速磨削裂紋的產(chǎn)生。另一方面，在磨床上磨削工件時，對工件既是壓力，又是拉力，助長了磨削裂紋的形成。 如果在磨削時冷卻不充分，則由于磨削而產(chǎn)生的熱量，足以使磨削表面薄層重新奧氏體化，隨后再次淬火成為淬火馬氏體。因而使表面層產(chǎn)生附加的組織應力，再加上磨削所形成的熱量使零件表面的溫度升高極快，這種組織應力和熱應力的迭加就可能導致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋。 二、磨削裂紋的特征 磨削裂紋與一般淬火裂紋明顯不同，磨削裂紋只發(fā)生在磨削面上，深度較淺，且深度基本一致。較輕的磨削裂紋垂直于或接近垂直于磨削方向的平行線，且規(guī)則排列的條狀裂紋，這是第一種裂紋。較嚴重的裂紋顯龜甲狀(封閉網(wǎng)絡狀)，其深度大致為0.03-0.15mm。用酸腐蝕，裂紋明顯易見。這是第二種裂紋。 三、磨削裂紋的防止措施 磨削裂紋的產(chǎn)生是因為磨削熱所致，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。 1、 一般所采用傳統(tǒng)的濕磨法，無論如何注入切削液，切削液都不可能在磨削的同時進入磨削面，因而無法降低磨削點位置的磨削熱。切削液只能是使砂輪和零件的磨削點在磨削走過后瞬時受到冷卻，同時切削液對零件的磨削點起淬火作用，因而事實上加大了磨削裂紋的產(chǎn)生。 2、 如果采用背吃刀量選擇較淺的磨法，可減少磨削裂紋。但是這種方法效果不是很顯著，而且灰塵飛揚，影響工作環(huán)境，不宜采用。 3、 選用硬度較軟、粒度較粗的砂輪來磨削，可以降低磨削熱。但如果粒度太粗時會影響工件的表面粗糙度。對于表面粗糙度質(zhì)量要求高的工件，不能采用此法，因而受到一定的限制。 4、 分粗精磨，即粗磨選用粒度較粗的軟砂輪磨削，便于強力磨削，提高效率，然后再用粒度細的砂輪進行精磨(背吃刀量較淺)。分開兩臺磨床進行粗磨和精磨，這是一種比較理想的方法。加工過程相對變長，效率降低。 5、 選用粒度較為鋒利的砂輪，PA36～46K，及時清除砂輪表面積屑，減少背吃刀量，增加走刀(磨削)次數(shù)，減小工作臺速度，?。?1～2m/min，也是一種有效的減少磨削裂紋的途徑。 6、 采用內(nèi)冷式砂輪磨削。 所謂內(nèi)冷式，即有砂輪內(nèi)部向外噴冷卻液，使其由磨削區(qū)向外流動，在磨削的過程中有效保持磨削區(qū)的溫度 ，使磨削裂紋的產(chǎn)生條件得不到滿足，從而有防止了磨削裂紋的產(chǎn)生。 磨削液的選擇 削液的正確應用對于成功的磨削十分重要。磨削液的作用是對切削弧區(qū)進行冷卻和潤滑。水基磨削液的作用主要是冷卻，也有一定的潤滑作用。而冷卻油的作用主要是潤滑，有點冷卻作用。全合成添加劑的水基磨削液，最適用于鋒利的強力磨削砂輪，這種砂輪通常工作時切削弧較長，需要較好的沖刷作用。 ??? 半合成添加劑的磨削液，最適用于磨削復雜形狀和要求潤滑性能良好，以防止燒傷的場合。單純的油劑適于磨削復雜形狀，切削弧較短、磨削光潔度要求較高的場合。而乙二醇基的磨削液適用于采用立方氮化硼砂輪而又要避免使用單純油劑的場合。具體情況參見附錄A。 第二章 內(nèi)冷式砂輪設計構(gòu)想與材料的現(xiàn)實分析 2.1 設想1：利用泡沫金屬 在查閱資料時，我們發(fā)現(xiàn)了一種稱為泡沫金屬的材料。 泡沫金屬是一種通過特殊的工藝制成的多孔金屬，具有不規(guī)則孔洞，并可以在一定范圍內(nèi)控制孔洞的密集度和孔洞的大小。 優(yōu)勢分析： 1、 泡沫金屬的多孔特性十分利于磨削冷卻液的駐存，可以使冷卻變得容易，能有效的提高冷卻速度和冷卻質(zhì)量。 2、 泡沫金屬是在現(xiàn)有的常見金屬為基礎的特殊工藝下的產(chǎn)品，取材也較為方便，對于金屬的強度等機械性能可以較好的控制，也便于實現(xiàn)后繼的工藝。 3、 作為常用金屬的特殊工藝形式，其易于實現(xiàn)鑄造等加工方式，便于制作成各種復雜形狀。 存在問題： 1、 經(jīng)過對泡沫金屬的特性進行分析發(fā)現(xiàn)，泡沫金屬的切削性能不足，可應用于切削的適用范圍不大，作為切削工具的價值不足。 2、 泡沫金屬在制作砂輪時不能滿足磨削原理。 關(guān)于泡沫金屬應用于砂輪切削的可能性構(gòu)想： 雖然在現(xiàn)在對于泡沫金屬在砂輪切削應用方面無法實現(xiàn)，但對于泡沫金屬應用于切削，我還是認為有可能的。對此我個人一直存在一種構(gòu)想，在制作泡沫金屬的過程中，加入高硬材料粒子，以加強泡沫金屬的切削性能。這不僅使泡沫金屬具有了較大的切削適應范圍，同時也可以充分利用泡沫金屬的多孔特性提高切削的冷卻質(zhì)量，從而實現(xiàn)加工質(zhì)量的提高。 多孔泡沫金屬簡介：多孔泡沫金屬材料是近年發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)功能一體化材料，也是一種金屬與氣體的復合材料，正是由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，使之表現(xiàn)出能量吸收性(如吸音、減震等)、滲透性、阻燃耐熱性、輕質(zhì)等特點，故在吸音材料、減震材料、過濾器材料以及電池電極材料等方面具有廣泛的應用。 2.2 設想2：利用粉末冶金生產(chǎn)一種適合的材料 粉末冶金的概念及特點 粉末冶金是制取金屬粉末并通過成形和燒結(jié)等工藝將金屬粉末或與非金屬粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料，又可制造各種精密的機械零件，省工省料。但其模具和金屬粉末成本較高，批量小或制品尺寸過大時不宜采用。? 粉末冶金材料和工藝與傳統(tǒng)材料工藝相比，具有以下特點：?? 1、 粉末冶金工藝是在低于基體金屬的熔點下進行的，因此可以獲得熔點、密度相差懸殊的多種金屬、金屬與陶瓷、金屬與塑料等多相不均質(zhì)的特殊功能復合材料和制品。? 2、 提高材料性能。用特殊方法制取的細小金屬或合金粉末，凝固速度極快、晶粒細小均勻，保證了材料的組織均勻，性能穩(wěn)定，以及良好的冷、熱加工性能，且粉末顆粒不受合金元素和含量的限制，可提高強化相含量，從而發(fā)展新的材料體系。?? 3、 利用各種成形工藝，可以將粉末原料直接成形為少余量、無余量的毛坯或凈形零件，大量減少機加工量。提高材料利用率，降低成本。? 要生產(chǎn)一種適合的材料，達到砂輪理想的形態(tài)，我們考慮采用粉末冶金技術(shù)。利用耐高溫磨粒與一定量的結(jié)合金屬微粒混合，然后通過粉末冶金的方式壓制成。 在這里應該注意一個問題，在磨粒與結(jié)合劑微粒混合時的比例控制上，應該找出一個最佳點，使混合粉粒在壓制燒結(jié)成形后，即能達到一定結(jié)合強度和其它機械性能外，還能在金屬內(nèi)部形成大量的微孔，以利于讓金屬在制作成砂輪后可以實現(xiàn)存貯冷卻液的作用。 優(yōu)勢分析： 1、 利用粉末冶金技術(shù)，使砂輪在制造過程中，工藝大為簡化，可以實現(xiàn)規(guī)模化、批量化、流水線生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。 2、 在復雜結(jié)構(gòu)成形方面將變得簡單，可以更容易的實現(xiàn)較復雜的設計結(jié)構(gòu)。 3、 由于采用了粉末技術(shù)，使得在砂輪質(zhì)量的控制方面更輕松，使砂輪自身的精度和加工質(zhì)量更好。 在材料的制作過程中，我們首先要解決的問題是材料混合過程中的結(jié)合劑的選擇。 結(jié)合劑選擇 鋁、銅等軟金屬粉粒 材料工藝分析： 1、 鋁、銅等金屬的溶點低，在選擇磨粒的時候可以有更大的選擇范圍，加工的要求較低。 2、 鋁、銅等金屬原料的來源方便，質(zhì)量也更容易得到保障。 存在問題： 從砂輪的切削原理分析發(fā)現(xiàn)，鋁、銅等軟金屬結(jié)合的材料無法實現(xiàn)完整的磨削過程，因為當磨粒在磨削過程中脫離砂輪后，軟金屬結(jié)合劑會在磨削過程中發(fā)生塑性流動，將磨粒脫落后形成的孔點填平，砂輪表面會在磨削過程開始后迅速形成油光表面，使砂輪失去切削功能。 通過對軟金屬材料的分析，發(fā)現(xiàn)的問題使得我們前面的設想無法實現(xiàn)，問題出在結(jié)合劑上面。因此我們也設想通過脆性材料做結(jié)合劑，如果材料的性能可能滿足制成砂輪后有足夠強度，并且可以實現(xiàn)完整的磨削過程，那么前面的設想仍然可能成為現(xiàn)實。 但在此限于我們的資料有限，暫時沒有找到合適的脆性材料，故暫時放棄這一設想。以上構(gòu)想作為一種參考，等以后有條件再做進一步探討。 2.3 設想3：利用黏土和高硬磨粒混合燒 這種砂輪的制作方法制作的砂輪，一般情況下也稱為陶瓷砂輪。 優(yōu)勢分析： 1、 目前的砂輪行業(yè)中，陶瓷砂輪也有一定的應用，相對而言也就有了可以借鑒的東西。 2、 考慮使用這種方法制作內(nèi)冷式砂輪，另一原因主要也是因為，這種方法在制作過程中可以方便的實現(xiàn)較為復雜的工藝結(jié)構(gòu)。 3、 同時黏土在我國大部分地區(qū)都可以方便的找到，便于就地取材，原料成本低。 存在問題： 1、 雖然這種方法的取材方便，原料成本低。這種方法在砂輪的制作工藝上卻相對要復雜許多。 2、 原料成份的控制比較困難，要保證砂輪的生產(chǎn)質(zhì)量就需要更多相應的投入，不利于成本控制。 3、 由于內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復雜，采用這一方式制作砂輪，燒結(jié)時較易產(chǎn)生裂紋，影響內(nèi)冷式砂輪的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。 相關(guān)材料對這種砂輪有了相對較為全面的分析，同時也表明這種結(jié)構(gòu)不適宜使用冷卻液進行冷卻。以下是來自網(wǎng)上的相關(guān)分析：?? 對普通磨削而言，在磨削機理和磨削工藝方面已經(jīng)開展了廣泛而深人的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削特別是針對有特殊加工性能的陶瓷和玻璃等工程材料的磨削機理和磨削工藝方面，國內(nèi)外開展了一些研究，但還很不全面，尚未形成完整的理論體系，還需要進行更深入的研究，找出其內(nèi)在的規(guī)律。 1 材料的基本去除機理 在陶瓷材料加工過程的研究中，最復雜的便是材料的去除機理。研究表明，在陶瓷磨削加工過程中，材料去除主要基于以下幾種去除機理：晶粒去除、剝落、脆性斷裂、破碎、晶界微破碎等脆性去除方式，粉末化去除和塑性去除方式等。 a. 材料的脆性去除機理 通常情況下，陶瓷磨削過程中，材料脆性去除是通過空隙和裂紋的成形或延展、剝落及碎裂等方式來完成的，具體方式主要有以下幾種：晶粒去除、材料剝落、脆性斷裂、晶界微破碎等。在晶粒去除過程中，材料是以整個晶粒從工件表面上脫落的方式被去除的。1990年，K.Subramanian等指出晶粒去除的同時有材料的剝落去除。剝落去除方式是陶瓷材料磨削中十分重要的去除方式工 。1992年，D.W.Richerson提出在材料剝落去除機理中，材料是因磨削過程中所生的橫向和徑向裂紋的擴展而形成局部剝落的。該方式的主要缺陷是裂紋的擴展會大大降低工件的機械強度。1995年、1996年Xu、H.H.K，、Jahamir.S等人相繼指出，對氧化鋁、玻璃陶瓷、氮化硅、碳化硅等陶瓷材料的加工表明，在陶瓷磨削過程中晶界微破碎和材料晶粒狀位錯在材料去除過程中也起了關(guān)鍵作用。1998 年，德國Achen生產(chǎn)工程研究所V Sinhoff對杯形金剛石砂輪磨削光學玻璃進行了研究，重點是研究脆性了延性轉(zhuǎn)變的特性，并將材料中的應力分布，裂紋幾何形狀等損傷看成是磨粒幾何形狀，材料特性和外載荷等因素的函數(shù)，建立磨削評價模型，然后用T.G.Bifano能量守恒定律來描述材料的脆性去除向延性去除過程的轉(zhuǎn)變過程。 b. 材料的粉末化去除機理 在精密磨削過程中，當磨削深度在亞微米級時，碎裂和破碎不會發(fā)生，此時主要可能產(chǎn)生材料粉末化現(xiàn)象。材料粉末化去除機理認為，磨削過程中磨粒會引起流體靜態(tài)壓應力，該壓應力所包圍的局部剪切應力場引起晶界或晶間微破碎，從而產(chǎn)生材料粉末化現(xiàn)象。陶瓷材料晶粒因粉末化去除被碎裂成更細的晶粒，并形成粉末域。 c. 材料的塑性去除機理 塑性去除方式類似于金屬磨削中的切屑成形過程，其中涉及了滑擦、耕犁和切屑成形，材料是以剪切切屑成形方式去除的。塑性去除機理主要是指陶瓷磨削的延性域磨削。在一定的加工條件下，任何脆性材料均能夠以塑性流動的方式被去除。壓痕斷裂力學模型預瀏了產(chǎn)生橫向裂紋臨界載荷，在低于這一臨界載荷加工條件時，材料將以塑性變形去除為主。目前國內(nèi)外許多專家學者在研究對陶瓷實現(xiàn)延展性磨削和半延展性磨削技術(shù)，以減少工件表面的微裂紋、裂縫，提高工件的使用性能。 1989年，T.G Bifano 明確提出加工脆性材料的延性域磨削新工藝，認為采用高剛度高分辨率精密磨床，通過控制進給率，就可使硬脆材料以延性域模式去除材料，并給出了臨界磨削深度表達式：DC=0.15 (E/H)(KC)2，并根據(jù)能量守恒是律描述了延性域磨削時，進給率和材料特性的關(guān)系閱。1991年，BifanoT、DowTA 、ScattergoodRO采用配有超精密進給控制裝置的專用磨床對陶瓷材料的延性域磨削進行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，對于各種脆性材料在對應的脆性轉(zhuǎn)變時的磨削進給量與材料性能(如斷裂韌性、硬度、彈性模量)之間存在一定的關(guān)系。在磨削深度足夠小的情況下，所有脆性材料將以塑性流動的方式去除而不是以脆性斷裂方式去除的 。 延性域磨削方式雖能獲得相當好的表面質(zhì)量，但效率較低且加工成本高。采用高的砂輪磨削速度可以增加塑性流動并可得到高磨除率。1993年，Inoue 等人用120#金剛石砂輪磨削RESN的實驗結(jié)果表明，在170m/s 速度下，工件表面崩裂的比例由25m/s的48%降到12%。1994年，KOvch等使用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪在160m/s速度下磨削陶瓷，獲得5100的高磨削比。1996年，Malkin 等進行的研究則進一步說明，高速超高速磨削中的表面破碎減少和塑性流動的顯著增加可能與在較高磨削溫度下所形成的玻璃相有關(guān)。 實際磨削過程的影響因素很多，如機床剛度、磨削深度、砂輪速度、磨粒尺寸、形狀、幾何角度及溫度等。要實現(xiàn)延展性磨削，其條件相當苛刻。目前大多數(shù)采用半延展性磨削，這時加工表面是由微破碎面和塑性變形完成切削的大平面交互混合形成的，能使表面缺陷減少到最低限度，獲得良好的加工表面完整性，提高工件的強度等使用性能。半延展性磨削過程中，陶瓷材料通過磨粒作用處大量的微破碎和塑性變形被去除。當磨粒的切削刃切入工件引起的應力場比缺陷小時，材料將以塑性變形的方式被去除；相反當應力場大于缺陷時，裂紋擴展引起的局部集中的脆性破壞將起主要作用。由于砂輪上磨粒的鈍銳、高度分布之別，各個磨粒的磨削深度不同，使得材料通過脆性破壞和塑性變形的共同作用而被去除，從而實現(xiàn)了半延展性磨削。 柯宏發(fā)等人提出，在對陶瓷進行半延展性磨削時，由于陶瓷的導熱性能較差，冷卻液的迅速冷卻會加大陶瓷的脆性，導致表面產(chǎn)生微裂紋。如果要獲得良好的加工表面，應不使用冷卻液，以使陶瓷盡可能的以塑性變形的方式去除。, 2.4 設想4：利用傳統(tǒng)工藝制作內(nèi)冷式砂輪 優(yōu)勢分析： 1、 傳統(tǒng)工藝有成熟的工藝方法，完整的制作設備和場地，實驗和制作方便。 2、 對于制作材料的性能和變化把握更準確合理，可以更好的避免制作過程中出現(xiàn)不必要的問題。 3、 易于實現(xiàn)設計在行業(yè)內(nèi)迅速推廣，可以更快的實現(xiàn)價值轉(zhuǎn)換。 存在問題： 傳統(tǒng)方法的問題主要在于結(jié)構(gòu)設計過程中必需要考慮結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)可能，在設計砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時要考慮砂輪自身的可實現(xiàn)性。 方案總結(jié)： 通過對以上幾個設想的分析發(fā)現(xiàn)，各種方法都或多或少的存在這樣那樣的問題。其中對于現(xiàn)有的材料來講要實現(xiàn)鑄造的方法制作砂輪還不大可能，不過作為一種構(gòu)想，也許在將來出現(xiàn)某種材料的時候也許會成為一種可能實現(xiàn)的技術(shù)。而關(guān)于利用粉末冶金的構(gòu)想，個人認為可行性較大。最主要的是找到合適的結(jié)合劑，實現(xiàn)不是不可能的。但就目前而言，由于我們的知識面還不夠，以及相關(guān)知識的不足，無法對上術(shù)的設想做進一步的研究，但在這里仍然作為一種思路提出來，希望給后來的研究一些參考，或者給個思路的借鑒。 對于這次的課題設計我們在最終考慮各方案的可性度后，決定采用傳統(tǒng)的砂輪制作方法作用突破口，主要的工作放在結(jié)構(gòu)的設計上來考慮，希望能找到一個較為合理的結(jié)構(gòu)方案來實現(xiàn)砂輪的內(nèi)冷式結(jié)構(gòu)。如果以后有條件實現(xiàn)前面的設想，完全可以把傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)應用于新的技術(shù)方法上。 第三章 內(nèi)冷式砂輪的結(jié)構(gòu)設計 要解決的主要問題： 1、設計砂輪內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，提高砂輪冷卻液的利用效率。 2、解決外冷方式冷卻不足的問題。 3、保持冷卻液在砂輪使用過程中的冷卻方向一致。 內(nèi)冷式砂輪的工作原理 內(nèi)冷式砂輪工作原理：通過液壓系統(tǒng)提供帶有一定壓力的冷卻液，經(jīng)過主軸上的供油通道輸送到砂輪內(nèi)部，然后經(jīng)由砂輪內(nèi)部的送液通道，最后從砂輪的各出液口噴出。從而實現(xiàn)砂輪工作面的快速冷卻。 3.1 開槽式內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)的初步構(gòu)想 1、 為了使冷卻液從砂輪內(nèi)部向外冷卻，砂輪與主軸接觸面繞軸開封閉槽，使冷卻液在砂輪內(nèi)部形成壓力液腔，使冷卻液能實現(xiàn)由砂輪內(nèi)送液通道向外的噴射過程。 2、 為了保證冷卻液的噴射方向始終保持不變。準備采用徑向直通道。 設計內(nèi)冷式砂輪簡圖如下： 直噴口砂輪示意圖 砂輪的噴液口徑向開口可以使砂輪在磨損的過程中始終保持出液方向不變，不過同時我們也發(fā)現(xiàn)一個問題，由于噴液口是徑向開的，磨削過程中，噴液口迎向切削方向的一側(cè)，與工件待切削面接觸時，其接觸角度較大，因此與工件的碰撞會產(chǎn)生較大的振動，并且會導致磨損加快，使加工質(zhì)量不穩(wěn)定，砂輪壽命縮短。 我們考慮是否可以將這個接觸角度變得很小，而又讓噴液口在砂輪磨損的過程中角度不發(fā)生改變，這樣就可以避免振動，克服砂輪使用壽命的制約。 3.1.1漸開線流道分析 我們首先從保持噴液口的角度在磨削過程中不發(fā)生變化這一點著手。經(jīng)過分析后我們覺得漸開線可能滿足要求。漸開線的產(chǎn)生原理如下： 由圖我們可以得出，漸開線上任一點的法線都與基圓相切，但我們得到的結(jié)論漸開線的走向不能滿足每一點的方向在該點為半徑的圓上方向一致，但如果取較少的磨削層里，可以近似認為一致，這里我們先使用這種曲線，并且繼續(xù)尋找別一種更為合適的曲線，于是我們將最初的砂輪結(jié)構(gòu)進行了修改。把徑向直通道改為漸開線通道，這樣一來，開口與工件接觸邊的角度減小，可以有效的避免徑向開口產(chǎn)生的振動，從而提高砂輪的使用壽命。 為了繪制漸開線砂輪的示意圖進行分析，但由于我們對于模擬繪圖知識的不足，所以利用AutoCAD軟件進行了近似作圖，最終形成的漸開線是利用近似的漸開線的點在曲線連接下產(chǎn)生的近似曲線 ，其具體的繪圖過程如下： 3-2漸開線繪制原理圖 我們在這里把圓等分為若干份（理論上來講），每一份弧長近似等于L，從圓周起始，角度每增加一份，切線增加長度L，便得到一條近似的漸開線。 3-3漸開線噴口砂輪示意圖 同時在修改的同時我們也對開口的方向做了一定調(diào)整，因為我們發(fā)現(xiàn)沿軸線平行開噴液口仍然存在問題，我們可以看到，砂輪磨削區(qū)并不是在每一個時間都能得到冷卻，當砂輪的一條噴液口移開工作區(qū)而另一條噴液口還沒有移入工作區(qū)的時候，工作區(qū)在這一時刻處于無冷卻狀態(tài)，會使磨削工件冷卻不充分，影響磨削質(zhì)量。 為了讓磨削過程中的各個時刻都能得到充分的冷卻，我們考慮采用斜漸開線來制作噴液口。這樣在各個時刻都會有1條以上的噴液口在磨削區(qū)，這樣就不至于出現(xiàn)冷卻盲區(qū)，更利于磨削的冷卻。 圖（1） 圖（2） 3-4砂輪開槽線形示意圖 第一次改為圖（1）的單側(cè)斜紋，但由于中間的噴口噴液時，前趨的一側(cè)則由于轉(zhuǎn)動的關(guān)系會出現(xiàn)冷卻液冷卻不到位的無冷卻地帶，故無法完成設計要求，經(jīng)過再一次改進得到圖（2）的人字斜紋，這樣在中間噴液時，冷卻液從兩側(cè)流出，整個過程中都會得到十分均勻的冷卻。 經(jīng)過修改后，砂輪的噴液口與工件之間接觸角過大導致碰撞振動的問題解決了。但同時也出現(xiàn)了新的問題，砂輪的工磨削層不能太厚，太厚的話磨削層上開的漸開線噴液口角度變化會較大，同時會將砂輪分割得很狹長并且越近砂輪中心會變得越小，砂輪的磨削層強度就不足，當砂輪在磨削過程中出現(xiàn)的輕微的接觸碰撞，都可能會導致砂輪的磨削層崩落。同時由于砂輪磨削層被分割成許多個塊，這些塊之間是完全分開的，中間的間隙使砂輪在整個磨削過程中會因為與工件的接觸而產(chǎn)生振動，使磨削表面產(chǎn)生振紋。這樣的情況下不僅砂輪的使用壽命無法保證，同時加工表面的質(zhì)量也無法得到可靠的保證。 在這個地方我們的設計進入了一個比較困難的時期，如何解決這個問題呢。在與指導老師商量后，又從網(wǎng)上查了一些內(nèi)冷式砂輪的相關(guān)資料后，我們對砂輪結(jié)構(gòu)進行了一定的調(diào)整，將砂輪的減小魔削層厚度，加大了砂輪內(nèi)襯墊的直徑，這樣在漸開線的分割下砂輪也不會出現(xiàn)強度不足的問題。 不過也因為砂輪的磨削層太少，使得砂輪的利用率變得很低，對于我們的設計，無疑是一個巨大的難題，我們在設計時的設計是從現(xiàn)實應用角度來考慮的，但現(xiàn)在的情況卻讓我們的設計開始偏離了設計的目的。 在這種情況下我們重新開始思考我們的設計，我們的設計出的問題在那里？怎么樣才能夠必變現(xiàn)在的這種狀況？ 在遇到一系列的問題后，我們突然發(fā)現(xiàn)這一段的課題研究我們都在圍繞這個最初的內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)的方案進行改進，但我們忽略了幾個問題： 1、 這種開槽式內(nèi)冷結(jié)構(gòu)是不是完全意義上的內(nèi)冷式結(jié)構(gòu)？ 2、 對于這種冷卻方式我們能不能通過外冷的方法來達到同樣的結(jié)果？噴液方式上是否可用外噴液進行等效替換？ 3、 如果用外冷其冷卻情況與內(nèi)冷有什么差別？ 3.1.2冷卻方式的分析 通過羅列出以上的這些問題，我們再次考慮這個結(jié)構(gòu)的冷卻方式，該內(nèi)冷式砂輪的結(jié)構(gòu)在內(nèi)冷式砂輪的工作原理上已經(jīng)作了一些簡要說明，在磨削的冷卻過程中，冷卻液從主軸受壓后由開好的噴液口順通道流出，其結(jié)構(gòu)來講已經(jīng)具備了內(nèi)冷的結(jié)構(gòu)要求，已經(jīng)可以稱之為內(nèi)冷式結(jié)構(gòu)。這一點也說明我們最初的設計方向還是走對了的，只是我們是設計結(jié)構(gòu)和方式可能還存在問題。于是我們對前面發(fā)現(xiàn)的問題繼續(xù)進行分析。 外冷卻方式與內(nèi)冷卻方式的分析 在分析這種冷卻是否可以用外冷方式來實現(xiàn)等效替換時，我們選擇了外噴這種針對開槽砂輪使用的冷卻方式。在這個比較過程中，我們主要從以下三個方面來看： 1、 單側(cè)噴液冷卻 單側(cè)噴液時，冷卻液從開槽的一側(cè)噴向砂輪，但我們知道砂輪在工作時處于高速旋轉(zhuǎn)中，我們假設砂輪的軸向尺寸較大時，冷卻液還未能到達砂輪磨削區(qū)的別一側(cè)時，砂輪的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)將冷卻液帶離了磨削區(qū)，這樣一來，磨削區(qū)的冷卻必然出現(xiàn)一側(cè)得到冷卻而另一側(cè)沒有得到冷卻的冷卻不均現(xiàn)象。冷卻情況示意圖如下： 3-5單側(cè)噴液冷卻示意圖 2、 兩側(cè)同時噴液 當在開槽兩側(cè)同時噴液時，由于開槽很窄（在這里說明一下開槽的問題，為了保證加工精度，必需讓開槽口小于加工的最小切削余量，否則的話砂輪的加工精度降低，那么內(nèi)冷式砂輪為了提高加工精度的設計意義也就不存在了。我們初步的設想是通過線切割的方式來完成這個開槽的工序，因此這個地方的開槽是非常窄的，準確點來說，只是開縫而已。）冷卻液可能會堵塞兩邊的槽口，使中間形成氣泡。同時砂輪的磨削過程中產(chǎn)生的切削熱會使少量的冷卻液氣化，再兩側(cè)的冷卻液堵塞槽口，氣化體不能順利排出，與開槽中間的空氣混合，會將兩側(cè)的冷卻液擋在槽口外，使砂輪的中部出現(xiàn)冷卻死角，同樣也達不到良好的冷卻效果。冷卻情況示意圖如下： 1區(qū)、3區(qū)為冷卻液冷卻區(qū)，2區(qū)為無冷卻液汽泡區(qū) 3-6液冷卻示意圖 3、 從前后側(cè)噴液 前后側(cè)噴液時，砂輪的開槽內(nèi)可以存留少量的冷卻液，但由于離心力的作用，這個存留量是相當少的，冷卻相對來說比較均勻，但內(nèi)于冷卻液的量太少，冷卻效果并沒有多大的改善。 4、 內(nèi)噴液冷卻 內(nèi)噴液冷卻這種內(nèi)冷方式的原理在前面我們已經(jīng)多次提到，主要是通過內(nèi)部的冷卻液的壓力把冷卻液壓出，通過砂輪的噴口通道噴出，為了讓內(nèi)噴液冷卻的效果分析更加清楚直觀。這里用我們初步設計的內(nèi)冷式砂輪側(cè)面剖切圖示意圖進行冷卻液的噴液冷卻分析： 3-7冷卻液流向示意圖 從上圖我們可以看到。砂輪內(nèi)部的冷卻液在壓力作用一從噴液口向外噴出，在噴到工件上時，冷卻液受阻向兩側(cè)流出，由于砂輪內(nèi)部不斷有冷卻液噴出，使得砂輪開槽內(nèi)各處時刻處于冷卻狀態(tài)，不僅使冷卻變得更充分均勻。同時開槽內(nèi)不斷流出的冷卻液還可以帶走開槽內(nèi)的切屑，有利于提高磨削加工的表面質(zhì)量。 冷卻方式比較分析 通過以上的幾種冷卻方式來看，內(nèi)冷噴液冷卻方式的效果明顯比外噴冷卻液的方式更高效，冷卻中基本可以實現(xiàn)均勻冷卻，沒有明顯的冷卻盲區(qū)。內(nèi)冷卻的冷卻方式優(yōu)于外冷卻，我們要解決的問題是尋找一種更合理的冷卻結(jié)構(gòu)來更好的實現(xiàn)砂輪的內(nèi)冷。 設計思考：我們是不是走入了一個設計的思維局限，我們最初的設計結(jié)構(gòu)在不斷的分析和改進過程中出現(xiàn)了更多的問題，而且有一些問題是我們目前無法解決的，如利用漸開線開槽制作噴液口時，就出現(xiàn)了砂輪利用率不足這個目前來說無法調(diào)和的矛盾。有沒有一種更好的結(jié)構(gòu)可以同樣實現(xiàn)內(nèi)冷而又不會導致砂輪強度不足，這樣就可以很好的解決砂輪的利用率問題。 3.2 蜂窩式內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)設計 經(jīng)過對前面的設計結(jié)構(gòu)的總結(jié)分析，以及對我們所遇到問題思考，我們放棄了開槽式內(nèi)冷式砂輪這一結(jié)構(gòu)，而是在開槽式內(nèi)冷式砂輪的結(jié)構(gòu)基礎上設計了一種更為合理的形式，我稱之為蜂窩式內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)正如名稱一樣，如同一個蜂窩的形狀，在這一設計中我們吸收了一部分開槽砂輪的結(jié)構(gòu)，流道的布置依然打算采用了漸開線流道，但把漸開線槽口改成了許多漸開線孔道，整個砂輪的磨削面就是個蜂窩狀，這樣，砂輪在各個切削過程中，磨削區(qū)都可以同時有一個漸開線孔道噴出冷卻液，而由于不再有槽口對砂輪進行整體分割，砂輪的強度也得到很大提高。既然解決了砂輪的強度問題，砂輪的利用率方面也就不再強度影響，可以極大的得到改善和提高。 3.2.1內(nèi)冷式砂輪流道設計研究 我們一開始的時候選擇了幾種流道都是以經(jīng)驗為基礎的 。并沒有經(jīng)過系統(tǒng)分析，所以在設計過程中出現(xiàn)了這樣那樣的問題。為了保證我們接來的設計工作更有效的進行，我們決定對流道進行一個系統(tǒng)的分析研究。 關(guān)于內(nèi)冷式砂輪磨削區(qū)換熱效率的情況說明 內(nèi)冷式砂輪的換熱效率與砂輪的冷卻液流量，流速，冷卻液成份等眾多原因有關(guān)，在本次設計過程中的流道大小設計與砂輪磨削區(qū)的換熱情況也有直接關(guān)系，但鑒于設計時間，設計實驗條件，自身知識面等原因考慮，我們只能在這里作簡要說明，條件允許再作進一步后續(xù)研究。 這里的內(nèi)冷式砂輪在原有的傳統(tǒng)砂輪基礎上采用了噴液孔高壓噴液原理，冷卻情況比傳統(tǒng)砂輪外冷卻以及疏松組織內(nèi)冷卻砂輪磨削相比有很多提高，從理論上分析來看，冷熱效果與磨削弧區(qū)采用徑向射流沖擊強化換熱方式的情況類似，散熱效果對于改善磨削燒傷及磨削裂紋有很大改善，相關(guān)情況參見附錄C。 3.2.1.1切開線的發(fā)現(xiàn)與分析 由于我們的模擬繪圖水平不足，在這個地方我們通過在CAD上近似繪制曲線來代替，經(jīng)過我們反復繪制曲線圖發(fā)現(xiàn)，當我們把兩個不同直徑的圓之間再分出若干圓（理論上認為），以每個圓的切線與下一圓的交點為基點，并以光滑曲線連接這些點，形成的曲線比漸開線更為理想。下面把我們發(fā)現(xiàn)的這個曲線繪制如下： （a） （b） 3-8繪制原理示意圖 這個地方我們繪制了兩組曲線，因為我們在繪制的過程中，作了多次比較發(fā)現(xiàn)分隔數(shù)量對曲線的形狀有很大影響，如上圖所示，（b）圖的分隔數(shù)量比（a）圖更多，曲線也變得更長，但我們得到的曲線也更為符合方向的一高致性。從理論上分析，當無限分隔后，我們可以得到一條曲線，以這條曲線上的任何點為半徑做圓，曲線與圓周形成的夾角都是一致的。這條是否已經(jīng)有定義我們還需查證，在這里我們把這條曲線暫時稱為切開線。 我們接下來的設計將原有的漸開線改為我們新發(fā)現(xiàn)的這條切開線。但由于實際的設計過程中我們不可能按照理論上分析的情況來無限分隔，而近似切開線的形狀與分隔數(shù)量有很多關(guān)系，故在后面的設計中我們以圓半徑間隔1為標準來等量分隔繪制曲線，并以這條近似的切開線作為我們后面使用的切開線。 3.2.1.2切開線流道的數(shù)學分析 假如在任意一點上砂輪切削方向與冷卻液流出方向二者的夾角始終保持不變，則對流道和砂輪的沖擊最小，為最佳狀態(tài)。而此時，該流道曲線應該如圖所示，其極坐標方程為： r = r (θ) 在其上任選一點A，令切削液和砂輪在該點的速度分別為V液和V砂，且夾角為〆，那么可得： tg(90o-〆)=r(θ)/r′(θ) 該式經(jīng)推導后可為：r(θ)=etg〆·θ 由于〆為常數(shù)，故可令tg〆=C，則上式又可表達為： r(θ)=etg Cθ 如果C小，則〆小，流道所占砂輪空間大，不利于多條流道布置；又由于V砂較大，故〆不可能取較大值，應根據(jù)砂輪速度來確定一合理值 3.2.2 蜂窩式內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)初步構(gòu)想 1、 為了改善砂輪的強度，防止因開槽導致的砂輪工作振動，我們將砂輪的開槽改為規(guī)律布置的孔道。 2、 把砂輪的噴液孔道線型改為我們前面所繪制的切開線，使冷卻液的出液方向能更好的保持其一致性。 3-10構(gòu)示意分析簡圖 如圖所示，我們采用了切開線來設計噴液通道，使冷卻液的噴出方向在整個砂輪使用的過程中都能更好的保持方向的一致性。 圖中冷卻液的噴液通道的切開線蜂窩狀設計結(jié)構(gòu)，由于實際砂輪需要的孔道直徑很小，因此這些規(guī)律分布的大量切開線孔道并不影響砂輪的整體結(jié)構(gòu)和使用性能。而又由于砂輪其它地方是連接的整體，砂輪的強度并不會因為這些孔道而有太大的變化。使得我們在實際設計砂輪結(jié)構(gòu)的時候可以不再擔心砂輪強度問題。同時，由于砂輪的噴液口為大量的微小孔道，磨削過程中還具有了緩沖吸振的作用，不再因為噴口與工件之間的接觸而產(chǎn)生振動，影響磨削加工表面的質(zhì)量。同時由于不再有開槽分割砂輪的磨削層，砂輪強度的增加，砂輪的磨削層厚度，即有效的磨削區(qū)可以大大的得到提高。 在孔道的安排上，我們初步設計使用的規(guī)律交錯排列方法，目的是為了讓砂輪磨削過程中，無論在任何時刻，砂輪與工件的磨削接觸面上都能有幾個點在進行冷卻潤滑，而其即將進入磨削區(qū)和剛剛離開磨削區(qū)的那些孔道可以沖刷磨削區(qū)，既可以輔助冷卻的作用，又可以起到清除磨削區(qū)切屑，使磨削質(zhì)量能得到進一步的提高。砂輪的設計結(jié)構(gòu)在此時已經(jīng)符合了我們設計課題的最初設計要求。接下來我們正式進入內(nèi)冷式砂輪具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計過程。 3.2.3蜂窩式內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計 設計要解決的一些問題： 1、 內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部容液問題。如何使砂輪內(nèi)部具有一定壓力的冷卻液均勻分布到砂輪上各個噴液通道？ 2、 砂輪內(nèi)部冷卻液的密封問題，采用怎樣的結(jié)構(gòu)對冷卻液進行？ 3、 磨削區(qū)的磨削熱散熱效果的問題分析。 4、 噴液通道的直徑大小確定，直徑確定多大才比較合適？ 5、 噴液通道密度的分布，在砂輪上分布多少孔道比較合適？如何分布？ 6、 噴液通道的形成問題，通過什么方式實現(xiàn)孔道成型？ 7、 砂輪的平衡問題。 8、 制定砂輪的工藝過程。 3.2.3.1蜂窩式內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部容液及密封結(jié)構(gòu)設計 對于砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們首先要考慮到如何均勻的將冷卻液分布到各噴液通道，而冷卻液的分布又聯(lián)系到冷卻液的密封，因此我們設想在砂輪軸芯套上開圓弧槽，砂輪軸芯套兩側(cè)適當外伸，以便于冷卻液能分布到砂輪的每個噴液口。下面是砂輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 3-11內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)示意圖A 在設計的時候我們考慮要使冷卻液均勻分布到每個孔，于是我們把整個內(nèi)腔都空起來。這里砂輪與軸之間用了密封蓋上的鍵槽作連接，而砂輪芯與密封蓋之間用6個連接螺栓進行緊固連接和密封。但我們發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)所能傳遞的扭矩小，且砂輪在運轉(zhuǎn)過程中會因為固定不全面產(chǎn)生晃動，嚴重影響砂輪的磨削加工質(zhì)量。同時由于只有單側(cè)密封蓋受了扭力，磨削過程中可能會因為某些抖動使砂輪連接產(chǎn)生松脫，存在很大的安全隱患。故我們的這種設計在結(jié)構(gòu)上存在很大的問題。 于是我們又對砂輪的冷卻系統(tǒng)進行了一些的研究，并通過這方面的了解。我們發(fā)現(xiàn)我們一直在一種思維的局限在進行設計，我們把設計結(jié)構(gòu)都定位在了主軸方向進液上了，卻沒有考慮到其它更好的方式，如果我們把設計結(jié)構(gòu)調(diào)整為從砂輪的另一端進液，那么我們設計內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會變得簡單易行。有了這一發(fā)現(xiàn)，我們馬上調(diào)整了我們的設計方向，經(jīng)過調(diào)整后我們初步的設計出了砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意簡圖如下： 3-12內(nèi)冷式砂輪結(jié)構(gòu)示意圖B 如圖所示，當我們按設想將入液口與砂輪主軸方向分在砂輪兩側(cè)后。砂輪的結(jié)構(gòu)就變得簡單了。當冷卻液從入液口流入砂輪內(nèi)腔后，自由充滿空閑的內(nèi)腔，當冷卻液布滿整個內(nèi)腔，冷卻液便形成一定壓力，帶有壓力的冷卻液便從各噴液孔道噴出。這個地方，砂輪的內(nèi)腔容液及壓力液分布將不再是問題，我們唯一要考慮的是，砂輪兩側(cè)的密封問題。 這里我們首先分析了砂輪的工作原理，及冷卻系統(tǒng)的布置情況，結(jié)合相關(guān)設計我們發(fā)現(xiàn)，主軸口一側(cè)，砂輪與主軸為固定連接，所以密封也為固定密封，可以在連接之間使用帶彈性的橡膠密封圈，而另一側(cè)，由于砂輪的冷卻液供入裝置為固定裝置，而砂輪又是與主軸一起轉(zhuǎn)動的，不便于再采用前面使用的固定密封圈，于是我們考慮采用帶端面密封的旋轉(zhuǎn)接頭。端面密封為一種旋轉(zhuǎn)軸用動密封，由動環(huán)和靜環(huán)組成密封端面，動環(huán)與砂輪主軸一起旋轉(zhuǎn)，并與靜環(huán)保持緊密貼合接觸，達到旋轉(zhuǎn)密封的目的。 3.2.3.2孔道大小的確定 要確定孔道的大小我們首先要確定我們加工過程中的余量，查《機械加工工藝手冊》平面磨削加工余量0.3～0.7之間，具體視加工面大小而定，為保證加工質(zhì)量，孔道大小取0.2自然能達到最理想的狀態(tài)，但考慮到實際的制作工藝情況和冷卻液的流動阻力等因素，我們將孔道直徑大小取為0.5。 由于孔道直徑比最小余量要略大些，那這會不會對磨削加工質(zhì)量有影響呢？當然會有一點影響，但我們不難發(fā)現(xiàn)，由于砂輪的孔道分布的，那么就是說，在任意時刻，砂輪磨削區(qū)都是由幾個這樣的冷卻噴液孔點與砂輪無孔外弧共同作用，也就是說，噴液孔在無孔外弧支承下并不會與工件表面產(chǎn)生碰撞情況，而只僅僅是起冷卻作用。所以這些孔點對磨削加工質(zhì)量的影響是十分小的，因些在這里我們出于各方面因素的考慮將其忽略。 3.2.3.3砂輪的流道布置分析 對于砂輪的流道分析，我們要考慮很多方面的問題，其中下面兩個方面作重點考慮： 1、 怎么樣分布才能使砂輪在任何時刻與磨削接觸面之間都有幾個以上的冷卻孔道對磨削接觸面進行冷卻。