作者：Taghi Tawakoli, Holger Reinecke, Alireza Vesali
       摘要：砂輪輪轂的設(shè)計(jì)和制備材料決定了砂輪的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性；這些砂輪特性反過來又影響著砂輪的磨削性能。在砂輪受超大離心力和磨削力影響的高效深磨削（EHDG）工藝中，這些特性尤為典型。另一方面，通過進(jìn)程中即時(shí)檢測和后處理測量的辦法對砂輪的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行控制是優(yōu)化磨削工藝較為適宜的一種策略。本文利用兩種不同輪轂材料的CBN陶瓷結(jié)合劑砂輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對結(jié)果進(jìn)行對比，從而研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）輪轂基體對磨削工藝的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明砂輪動(dòng)態(tài)性能影響著材料去除機(jī)制并影響工件的表面粗糙度。此外，采用CFRP作為輪轂材料可以降低砂輪在加工過程中的徑向膨脹和磨削力。使用鋼材砂輪時(shí)的振幅和頻率較高，而使用CFRP輪轂材料的砂輪則可以使振幅和頻率衰減。
       關(guān)鍵詞：CFRP,HEDG,進(jìn)程中檢測,砂輪輪轂,動(dòng)力特性
1、引言
       HEDG工藝和緩進(jìn)給磨削工藝只有在配置高性能磨床和配套砂輪以及適當(dāng)潤滑劑的條件下才能實(shí)現(xiàn)高效磨削。在HEDG工藝中砂輪上的負(fù)載力較大且離心力相當(dāng)大，因此砂輪的動(dòng)力特性在整個(gè)工藝中就尤為重要。此外，HEDG工藝中由于砂輪和工件的速度較高，砂輪會(huì)產(chǎn)生彈性形變；受接觸剛度影響的彈性形變進(jìn)而會(huì)影響材料去除機(jī)制并導(dǎo)致加工誤差。砂輪的接觸剛度定義為接觸區(qū)上施以砂輪法向壓縮力Fn和砂輪彈性形變δ之間的關(guān)系。接觸剛度受磨削參數(shù)、砂輪規(guī)格等的影響。
       砂輪的另一個(gè)顯著特性是阻尼特性，該特性影響砂輪和工件在接觸區(qū)的振動(dòng)并影響工件表面粗糙度和波紋度。另一方面，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性會(huì)在切割深度上發(fā)生規(guī)則振動(dòng)，從而使得磨削力在砂輪上引起不規(guī)則磨損。
       HEDG工藝通常采用CBN或金剛石超硬磨料。超硬磨料砂輪有涂附了一層超硬磨料的輪轂基體構(gòu)成。輪轂基體的設(shè)計(jì)和材料影響著砂輪的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。近年來，多種材料被用來制備超硬磨料砂輪的輪轂基體。輪轂基體材料的基本要求有：熱傳導(dǎo)系數(shù)高、機(jī)械強(qiáng)度高、振動(dòng)阻尼性能好。常見材料主要有：鋁、鋼材、金屬/非金屬填料的人造樹脂、陶瓷和聚合物等。
       輪轂材料的選擇取決于砂輪的加工區(qū)。高速高性能深磨削工藝則采用鋼材和鋁材等強(qiáng)度高的輪轂基體。采用無心輪轂基體并對其橫截面施以恒定應(yīng)力可以實(shí)現(xiàn)500m/s的圓周速度。本實(shí)驗(yàn)實(shí)際最大圓周速度為280m/s。由于鋼材和鋁材的彈性模量-密度比作為材料化學(xué)組份函數(shù)關(guān)系的差異很小，所以在給定旋轉(zhuǎn)速度的條件下，張力基本都相同。
       制備高性能砂輪的另一種材料是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP），CFRP材料的強(qiáng)度和剛度極高，強(qiáng)重比極大。實(shí)現(xiàn)鋼材輪轂到CFRP輪轂的材料升級(jí)可以降低砂輪膨脹3倍。碳纖維（CF）含量較低的CFRP輪轂可用于砂輪低速加工，具有輕量的優(yōu)勢。由于密度低，材料重量可減輕90%左右，CFRP可以提供額外的阻尼。
       輪轂材料特別是CFRP特性對磨削工藝的影響鮮有研究。Muckli利用有限元素法在305m/s的較高切削速度條件下研究鋁材和鋼材輪轂制備而成的砂輪性能。研究表明輪轂基體的幾何形狀和材料都會(huì)影響砂輪上陶瓷結(jié)合劑CBN層上的應(yīng)力。研究還發(fā)現(xiàn)鋼材輪轂基體容易出現(xiàn)輕微膨脹，但應(yīng)力較高。
       Warnecke等人對比了人造樹脂-鋁材復(fù)合物輪轂和硬性鋁材輪轂的性能。結(jié)果表明軟性人造樹脂-鋁材輪轂發(fā)生了顯著形變，而硬性鋁材輪轂則穩(wěn)定。此外，磨削力和材料去除機(jī)制受砂輪輪轂彈性和切削速度的影響。
       本研究采用CFRP和鋼材作為CBN砂輪的輪轂材料，用于淬硬鋼工件的高效深磨削加工，以此來研究CFRP輪轂材料是如何影響磨削工藝的。研究結(jié)果主要側(cè)重于砂輪振動(dòng)和形變，磨削力和磨削表面質(zhì)量。
2、實(shí)驗(yàn)裝置
2.1 測量系統(tǒng)
       為研究分析輪轂材料對磨削工藝的影響，需要對加工過程中輪轂基體上的振動(dòng)傳播進(jìn)行探測記錄。        本研究制備了震動(dòng)測量裝置，用于進(jìn)程中檢測。在不同徑向位置的輪轂上裝配3個(gè)AE傳感器，每個(gè)傳感器相隔120°。借助非接觸數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將檢測到的信號(hào)傳送至評估單元。非接觸數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由固定在砂輪上的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)和接收環(huán)組成，如圖1d所示。最后，信號(hào)通過頻譜分析儀傳輸至計(jì)算機(jī)。該裝置可以在加工過程中檢測砂輪基體不同位置上的振幅和頻率。
2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
       表1為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。表2為砂輪輪轂材料的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床和相關(guān)設(shè)備如下：
       機(jī)床工具：Elb 微切削AC8 CNC通用平面磨床；
       表面粗糙度和輪廓儀：Hommel-Werke型T-8000； 3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
       在HEDG工藝和緩進(jìn)給磨削工藝中，切割深度會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的砂輪負(fù)載。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在碎屑不能隨冷卻液完全清除掉時(shí)。在砂輪表面采用高壓清理噴射可以防止砂輪發(fā)生負(fù)載，流速建議設(shè)置為0.3 lit/分鐘，壓力80 bar。這些措施主要取決于液體壓力而非體積流量。它可以影響砂輪的動(dòng)力特性。
       鑒于此，在類似條件下對使用高壓清理噴嘴的兩種砂輪的動(dòng)力特性進(jìn)行該研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高壓清理噴嘴能夠引起撒花輪振動(dòng)，如圖2所示。圖中使用和未使用清理噴嘴得出的CFRP信號(hào)對比就證明了這一點(diǎn)。鋼材輪轂砂輪的振幅明顯比CFRP輪轂砂輪的振幅要大，利用CFRP輪轂材料就可以衰減砂輪的振動(dòng)。        圖4為實(shí)際槽深和設(shè)定切割深度的偏差。10次無火花磨削加工后的槽深對比表明鋼材輪轂比CFRP輪轂的膨脹更大。膨脹大且彈性模量極高主要是由于其密度大所致。 （詳細(xì)內(nèi)容敬請點(diǎn)擊這里）