高硬度回轉球面精密磨削的基礎研究.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鍵部件之一,也是鋼鐵冶煉、石油化工、核電等重大工程項目中關鍵部件之一。為了適應上述苛刻的工作要求,閥門關閉件球體表面必須進行硬化處理,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。本文針對高硬度回轉球面精密磨削加工的

2、難點,設計了適用于高硬度回轉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理、探討了高硬度回轉球面磨削工藝系統(tǒng)的幾何誤差補償技術,最后將上述研究結論和成果應用于高硬度回轉球面精密磨削加工、并進行了大量的試驗研究,成功地實現(xiàn)了高硬度回轉球面高質量和高精度的磨削加工。整個課題研究其有較強的系統(tǒng)性,促進了該項技術的國產(chǎn)化,具有極其廣闊的經(jīng)濟效益和社會效益。
　　 設計了適用于高硬度回轉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球面加工的精度保證技術等兩方面,同時又降低了機床的開發(fā)成本、操作簡單可靠。其實現(xiàn)原理主要是利用工件和杯形砂輪的旋轉運動、并使它們的軸心線相交,進而利用砂輪的坐標運動來調(diào)整加工位置和進給方向；機械結構設計的獨特之處在于“四心合一”思想,即通過調(diào)整主軸、尾座頂尖、回轉工作臺和磨頭等回轉軸線的位置、并在空間相交于一點,從而保證球面加工精度。
　　 對高硬度涂層材料精密磨削的磨削力從理論和試驗等方

4、面進行了系統(tǒng)研究。為了較為方便地研究高硬度涂層材料的磨削機理,試驗采用杯形砂輪平面磨削模擬球面磨削來加工高硬度涂層材料；系統(tǒng)分析了杯形砂輪平面磨削過程,提出了有效磨削寬度的概念,進而分析了磨粒切削刃的磨削模型?；趩晤w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,推導了磨削力理論公式。對WC-Co涂層精密磨削力進行試驗研究,分析了磨削力的特點,驗證了磨削力理論公式的有效性,探討了磨削工藝參數(shù)對磨削力、磨削分力比、磨削比能和

5、磨削刀信號的特征頻譜等指標的影響規(guī)律。
　　 對高硬度涂層材料精密磨削的磨削溫度從理論、數(shù)值模擬和試驗等三方面進行了深入系統(tǒng)的研究。針對杯形砂輪磨削高硬度涂層的實際工況,分別使用梯形移動熱源和三角形移動熱源模型對杯形砂輪平面磨削溫度場進行理論建模、并推導出相應的溫度場理論公式；將有限元法熱分析應用到杯形砂輪磨削WC-Co涂層的溫度場仿真中,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果的變化規(guī)律；

6、使用熱電偶測溫法對杯形砂輪磨削WC-Co涂層磨削溫度進行測量,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)對磨削溫度的影響規(guī)律；磨削溫度抑制試驗結果表明,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物相分析試驗結果表明,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、磨削溫度對工件表面材料性能影響不大。
　　 對高硬度涂層材料精密磨削的砂輪磨損進行了深入細致地探討和

7、研究。分析了WC-Co涂層精密磨削過程中的砂輪磨損形式,試驗研究發(fā)現(xiàn)存在的磨損形式有磨耗磨損、磨粒脫落、結合劑磨損和粘附磨損；闡述了砂輪磨損狀態(tài)在線評估的基本原理,并將基于小波包分解的時域信號特征提取方法應用于砂輪磨損狀態(tài)的監(jiān)控和評估,試驗結果為砂輪修整時機的選擇、砂輪耐用度的合理確定提供依據(jù),從而達到提高磨削加工生產(chǎn)率和保證磨削加工質量之目的。
　　 對數(shù)控精密球面磨削工藝系統(tǒng)的幾何誤差補償進行研究,以求進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)移動副、轉動副和正交副的運動誤差,闡述了幾何誤差建模的方法、原理和步驟,推導了工藝系統(tǒng)幾何誤差模型；并將此誤差模型應用于數(shù)控精密球面磨削工藝系統(tǒng)的幾何誤差補償研究,試驗結果表明幾何誤差補償后球體加工的形狀精度有所提高、從而驗證了誤差補償?shù)挠行浴?br>　　 在研究高硬度回轉球面精密磨削方法、高硬度涂層材料精密磨削機理和球面磨削工藝系統(tǒng)幾何誤差補償?shù)幕A上,將研究成果和結論應用于高硬度回轉球面精密磨削

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