摘要 超高速砂輪的設(shè)計對其應(yīng)用效果產(chǎn)生重要影響。本文在系統(tǒng)分析超高速砂輪設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計和制造了以200/s為目標(biāo)的超高速砂輪并進(jìn)行了性能測試。
　　ABSTRACT The design procedure of ultra—high speed grinding wheel has great influence on its application effect．
　　Based on deep analysis of wheel design theory，a 200m/s ultra—high speed CBN electroplated grinding wheel is made．a(chǎn)nd
　　performance parameters are tested．
　　主題詞:超高速磨削 砂輪設(shè)計與制造
　　KEY-WORDS : ultra—high speed grinding grinding wheel design and manufactmting
　　超高速磨削的效果與砂輪的合理設(shè)計和制造密切相關(guān)。開發(fā)新型超高速砂輪結(jié)構(gòu)，探討砂輪基盤截面的設(shè)計方法及改進(jìn)砂輪安裝形式是超高速砂輪系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。本文在分析超高速砂輪設(shè)計過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計和制造了以200m/s為目標(biāo)的電鍍CBN超高速砂輪并進(jìn)行了性能測試。
　　1.超高速砂輪的概念與設(shè)計原則
　　Konig w．指出：對于超高速砂輪的設(shè)計和應(yīng)用必須具有一個嶄新的砂輪概念。在正確的使用條件下，超高速砂輪的磨損非常小。即使是高效深磨工藝超高速砂輪的磨削比也可達(dá)到2000甚至更高，而且隨著砂輪速度的提高磨削比有上升趨勢。高強(qiáng)度及半永久性是超高速砂輪的兩大基本特征。
　　超高速砂輪必須滿足以下基本要求：(1)安全性能好；(2)加工精度高；(3)良好的磨削性能。其中砂輪的安全性是最重要的。超高速砂輪的安全性很大程度上依賴于超高速砂輪基盤強(qiáng)度，對磨料層強(qiáng)度、基盤與磨料層的結(jié)合強(qiáng)度也有很高要求。由于超高速砂輪的磨料層厚度相對很小，其安全設(shè)計主要是基盤的綜合設(shè)計。這是超高速砂輪設(shè)計過程與普通砂輪的重要差別。
　　2.變截面超高速砂輪強(qiáng)度的計算方法。
　　準(zhǔn)確的應(yīng)力分布信息是砂輪基盤設(shè)計的基礎(chǔ)。本文建立和求解了變截面基盤應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型。

　　式(1)為變截面砂輪基盤的應(yīng)力求解公式。式中a、ρ、E、v為砂輪基盤材料熱膨脹系數(shù)、密度、彈性模量和泊松系數(shù)；w為砂輪角速度；υ為基盤徑向位移。如果給定砂輪基盤截面形狀分布y(r)、基盤溫度分布T(r)及相應(yīng)的邊界條件，即可由上式解得基盤任一半徑處的徑向切向應(yīng)力。
　　此處將基盤進(jìn)行離散化處理，把變載面基盤分割成間距不等的厚度非連續(xù)變化的多個等厚圓環(huán)體。在截面厚度變化顯著處可適當(dāng)加大等厚圓環(huán)體的分割密度以保證計算精度。若分割的圓環(huán)體過多則會增加汁算量。根據(jù)圣維南等效定理及變形連續(xù)性條件，通過實(shí)際的砂輪基盤的邊界條件(有中心孔或完整基盤)，本文利用疊加修正法得到超高速砂輪變截面基盤任意截面上的應(yīng)力和離心位移。具體求解方法見文獻(xiàn)(3)。
　　若砂輪以周向分布的法蘭孔螺釘連接，設(shè)基盤法蘭孑L心到旋轉(zhuǎn)中心的距離為r，σθ(r)、σγ(r)是無法蘭孔時基盤r處的切向及徑向應(yīng)力，如圖1所示，其孔邊應(yīng)力由下式確定：σ(A)=ktσθ-σγ (2)
　　 σ(B)=kγσγ-σθ (3)

　　離心力的作用使砂輪剛度受到一定影響，砂輪的固有頻率也產(chǎn)生相應(yīng)變化。 隨著砂輪周速的提高，一直到20000r/m，砂輪固有頻率最大可提高2．5％。但由于連續(xù)磨削是一種磨粒集合激振，磨粒的沖擊頻率隨機(jī)性很大且砂輪軸向激振能量極小，因此不足以產(chǎn)生對超高速砂輪基盤最具危險性的行波振動破壞。
　　3. 臨界轉(zhuǎn)速確定
　　作為超高速磨削砂輪，不能僅僅考慮砂輪基盤的斷裂破壞和砂輪多次啟動及停車引起的疲勞破壞，主要還應(yīng)研究基盤極限轉(zhuǎn)速下的塑性失穩(wěn)。在多向應(yīng)力情況下，當(dāng)最大剪應(yīng)力σθmax=ησf時，基盤開始出現(xiàn)塑性變形。σf為基盤材料的屈服極限，叩是主應(yīng)力比系數(shù)。按剪應(yīng)力破壞理論取η=1，則砂輪基盤的臨界角速度可由下式確定：

　　式中ri、ra為砂輪基盤內(nèi)外徑。以上得到的臨界轉(zhuǎn)速值可作為砂輪的上限速度使用。在實(shí)踐應(yīng)用中，理論推算值只能作為參考。對于封閉型磨床，砂輪破裂速度和使用速度的比值可取為1．32，出廠時作1．1倍回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。
　　4.超高速砂輪的結(jié)構(gòu)及其開發(fā)流程
　　圖2是超高速砂輪的開發(fā)流程簡圖。作為超高速砂輪目前以單層電鍍CBN砂輪居多，其結(jié)構(gòu)形式也多依據(jù)于磨床的主軸結(jié)構(gòu)。本文著重說明其中幾個應(yīng)加以重視的普遍性問題。

　　首先是砂輪直徑與主軸轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系。砂輪直徑與主軸轉(zhuǎn)速的變化可影響到砂輪成本、質(zhì)量、動能和砂輪的基盤應(yīng)力，另外還影響到砂輪的功耗。在普通速度磨削中砂輪周邊空氣層對砂輪的制動功耗影響很小，而在超高速磨削中則變得不容忽視。砂輪直徑過大，造成砂輪的空氣制動功率急劇增大；砂輪直徑過小，則造成砂輪主軸轉(zhuǎn)速過快，軸承系統(tǒng)的散熱及其穩(wěn)定性變差，另外砂輪基盤應(yīng)力會上升。因此對高速砂輪的直徑和轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化組合是完全必要的。一般可取超高速砂輪的直徑在250～400mm，砂輪轉(zhuǎn)速在10000～30000r／m左右，如圖3所示。

　　在工藝及結(jié)構(gòu)條件允許的情況下砂輪應(yīng)盡可能采用無中心孔基盤結(jié)構(gòu)并改用螺釘夾緊，這樣可以大大提高砂輪的回轉(zhuǎn)破裂強(qiáng)度。鏍釘所產(chǎn)生的夾緊力可使基盤夾緊位置附近應(yīng)力降低20％。一般在螺孔邊緣加厚可以進(jìn)一步降低應(yīng)力。
　　根據(jù)超高速砂輪系統(tǒng)的工藝條件可利用本文離散化的變截面砂輪基盤應(yīng)力求解模型對砂輪截面形狀進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計，以進(jìn)一步改善砂輪基盤的應(yīng)力分布，從而使得超高速砂輪更具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
　　使用新型基盤材料，如硬鋁及CFRP材料等，不僅主軸負(fù)荷輕、離心變形小，而且高速回轉(zhuǎn)時因空氣摩擦發(fā)熱引起的熱膨脹小，特別適用于更
　　高精度的加工。但由于受材料制造工藝的限制，砂輪基盤優(yōu)化過程
　　對材料的選擇是有限的。
　　5. 200m／s超高速砂輪的設(shè)計與制造。
　　本文在上述工作基礎(chǔ)上設(shè)計和制造了以200m／s為目標(biāo)的單層電鍍(BN超高速砂輪)。砂輪基盤直徑取為400mm。根據(jù)自行設(shè)計制造的超高速磨削試驗(yàn)機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)形式選擇孔型基盤，利用前文提出的超高速砂輪的應(yīng)力設(shè)計原理對其截面進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)取為砂輪基盤全局最大比較應(yīng)力即σc=> 最小化。砂輪工作外緣尺寸為6mm(開槽寬度)×30mm(開槽深度)。由于砂輪主要用于高效深磨，CBN磨粒取為60／80粒度。砂輪基盤的工作外緣跳動及側(cè)面跳動相對回轉(zhuǎn)中心限定在1Oμm以內(nèi)。砂輪組件的內(nèi)錐孔必須精磨，并進(jìn)行涂色檢驗(yàn)，反
　　復(fù)刮研。
　　砂輪電鍍工藝過程主要分為：基盤及磨粒準(zhǔn)備、鍍液調(diào)制、植砂和電鍍(預(yù)鍍、加厚鍍)等和相關(guān)鍍后處理工藝。鍍液是以瓦特鎳為本液加含鈷離子的溶液配制而成，如表1所示。
　　表l 單層電鍍CBN砂輪的電鍍工藝規(guī)范
　　
　　鍍液組成(g/L)
　　 操作條件
　　
　　NiSO4•7H2O 20～220
　　H3BO3 30～40
　　CoSO4•7H2O 25～35
　　NaCl 10～20
　　十二烷基硫酸鈉 O．1
　　 pH： 4．0～4．5
　　溫度： 45～60℃
　　電流密度 1～4A／dm2
　　攪拌：依過程而定。
　　
　　砂輪經(jīng)嚴(yán)格的靜、動平衡后安裝在超高速主軸上，使用特殊結(jié)構(gòu)的螺母雙向鎖定。
　　圖4為200/s超高速砂輪的外觀照片。在普通砂輪速度下用油石條對砂輪表面磨粒層進(jìn)行微細(xì)修整后可以進(jìn)行試磨。圖5示出了超高速主軸一砂輪系統(tǒng)的空載功率隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況，主軸軸承采用液體動靜壓混合軸承。在普通砂輪速度下，空氣摩擦功耗極小，僅占主軸一砂輪系統(tǒng)全部空載功耗的0．2％。

　　隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，軸承功耗增大的同時砂輪的空氣制動功率也明顯增大。砂輪空氣制動功耗增長r近75倍。此時空載功率組成比例發(fā)生了很大變化，空氣制動功耗占系統(tǒng)全部空載功耗的12％。

　　6結(jié)束語
　　目前超高速磨削技術(shù)的研究和應(yīng)用在我國正逐步展開，需要加強(qiáng)超高速砂輪的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化及其制造過程的規(guī)范化工作。另外對于超高速薄層陶瓷結(jié)合劑砂輪的制造工藝的研究也需要進(jìn)一步加強(qiáng)。