高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削的基礎(chǔ)研究.pdf

1、耐高溫(>500℃)、耐高壓(>30MPa)、耐磨損、抗熱沖擊、抗熱腐蝕球閥是煤液化工程中高壓煤油漿輸送與控制的關(guān)鍵部件之一,也是鋼鐵冶煉、石油化工、核電等重大工程項(xiàng)目中關(guān)鍵部件之一。為了適應(yīng)上述苛刻的工作要求,閥門(mén)關(guān)閉件球體表面必須進(jìn)行硬化處理,其表面硬度HRC≥62、形狀精度要求為400mm直徑形狀誤差≤0.008mm,大面積合金化球面高精度加工制造成為一大難題、也是煤液化球閥加工制造的核心技術(shù)。本文針對(duì)高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削加工的

2、難點(diǎn),設(shè)計(jì)了適用于高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削加工的方法和裝備、研究了高硬度涂層材料的精密磨削機(jī)理、探討了高硬度回轉(zhuǎn)球面磨削工藝系統(tǒng)的幾何誤差補(bǔ)償技術(shù),最后將上述研究結(jié)論和成果應(yīng)用于高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削加工、并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,成功地實(shí)現(xiàn)了高硬度回轉(zhuǎn)球面高質(zhì)量和高精度的磨削加工。整個(gè)課題研究其有較強(qiáng)的系統(tǒng)性,促進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化,具有極其廣闊的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
　　 設(shè)計(jì)了適用于高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削加工的方案。該方案綜合

3、考慮了高硬度涂層材料加工困難的特性和回轉(zhuǎn)球面加工的精度保證技術(shù)等兩方面,同時(shí)又降低了機(jī)床的開(kāi)發(fā)成本、操作簡(jiǎn)單可靠。其實(shí)現(xiàn)原理主要是利用工件和杯形砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、并使它們的軸心線相交,進(jìn)而利用砂輪的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整加工位置和進(jìn)給方向；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于“四心合一”思想,即通過(guò)調(diào)整主軸、尾座頂尖、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和磨頭等回轉(zhuǎn)軸線的位置、并在空間相交于一點(diǎn),從而保證球面加工精度。
　　 對(duì)高硬度涂層材料精密磨削的磨削力從理論和試驗(yàn)等方

4、面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。為了較為方便地研究高硬度涂層材料的磨削機(jī)理,試驗(yàn)采用杯形砂輪平面磨削模擬球面磨削來(lái)加工高硬度涂層材料；系統(tǒng)分析了杯形砂輪平面磨削過(guò)程,提出了有效磨削寬度的概念,進(jìn)而分析了磨粒切削刃的磨削模型。基于單顆磨粒切削模型,從理論上分析了WC-Co涂層精密磨削的磨削力,推導(dǎo)了磨削力理論公式。對(duì)WC-Co涂層精密磨削力進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析了磨削力的特點(diǎn),驗(yàn)證了磨削力理論公式的有效性,探討了磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力、磨削分力比、磨削比能和

5、磨削刀信號(hào)的特征頻譜等指標(biāo)的影響規(guī)律。
　　 對(duì)高硬度涂層材料精密磨削的磨削溫度從理論、數(shù)值模擬和試驗(yàn)等三方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。針對(duì)杯形砂輪磨削高硬度涂層的實(shí)際工況,分別使用梯形移動(dòng)熱源和三角形移動(dòng)熱源模型對(duì)杯形砂輪平面磨削溫度場(chǎng)進(jìn)行理論建模、并推導(dǎo)出相應(yīng)的溫度場(chǎng)理論公式；將有限元法熱分析應(yīng)用到杯形砂輪磨削WC-Co涂層的溫度場(chǎng)仿真中,建立了有限元熱分析的模型、闡述了有限元熱分析的步驟、討論了工件表面溫度仿真結(jié)果的變化規(guī)律；

6、使用熱電偶測(cè)溫法對(duì)杯形砂輪磨削WC-Co涂層磨削溫度進(jìn)行測(cè)量,得出了杯形砂輪磨削WC-Co涂層的磨削溫度曲線、討論了磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律；磨削溫度抑制試驗(yàn)結(jié)果表明,向磨削弧區(qū)施加冷卻液可以大幅降低磨削溫度、有效改善磨削工況；磨削工件表面XRD物相分析試驗(yàn)結(jié)果表明,現(xiàn)行磨削用量最大條件下干磨削后工件表面物相組份基本未變、磨削溫度對(duì)工件表面材料性能影響不大。
　　 對(duì)高硬度涂層材料精密磨削的砂輪磨損進(jìn)行了深入細(xì)致地探討和

7、研究。分析了WC-Co涂層精密磨削過(guò)程中的砂輪磨損形式,試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)存在的磨損形式有磨耗磨損、磨粒脫落、結(jié)合劑磨損和粘附磨損；闡述了砂輪磨損狀態(tài)在線評(píng)估的基本原理,并將基于小波包分解的時(shí)域信號(hào)特征提取方法應(yīng)用于砂輪磨損狀態(tài)的監(jiān)控和評(píng)估,試驗(yàn)結(jié)果為砂輪修整時(shí)機(jī)的選擇、砂輪耐用度的合理確定提供依據(jù),從而達(dá)到提高磨削加工生產(chǎn)率和保證磨削加工質(zhì)量之目的。
　　 對(duì)數(shù)控精密球面磨削工藝系統(tǒng)的幾何誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究,以求進(jìn)一步提高球面磨削的精

8、度。分析了數(shù)控精密球面磨削工藝系統(tǒng)移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和正交副的運(yùn)動(dòng)誤差,闡述了幾何誤差建模的方法、原理和步驟,推導(dǎo)了工藝系統(tǒng)幾何誤差模型；并將此誤差模型應(yīng)用于數(shù)控精密球面磨削工藝系統(tǒng)的幾何誤差補(bǔ)償研究,試驗(yàn)結(jié)果表明幾何誤差補(bǔ)償后球體加工的形狀精度有所提高、從而驗(yàn)證了誤差補(bǔ)償?shù)挠行浴?br>　　 在研究高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削方法、高硬度涂層材料精密磨削機(jī)理和球面磨削工藝系統(tǒng)幾何誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上,將研究成果和結(jié)論應(yīng)用于高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削

9、、并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。對(duì)自行研發(fā)的數(shù)控精密球面磨床特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)磨頭組件的剛性數(shù)值存在變化、其規(guī)律隨進(jìn)給增大剛度也相應(yīng)增大,在磨削加工進(jìn)給系統(tǒng)間隙消除后可以滿足高硬度回轉(zhuǎn)球面精密加工要求；采用了定壓力磨削策略,避免了砂輪鈍化造成對(duì)磨削過(guò)程和加工表面質(zhì)量的破壞；提出了高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削工藝參數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即加工效率(材料去除率)、表面質(zhì)量(SEM形貌分析)和形狀精度(球度)等,并通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)研究了磨削工藝參數(shù)對(duì)上述三個(gè)評(píng)價(jià)