0021-elid超声珩磨机设计0021-elid超声珩磨机设计

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0021 elid 超声 珩磨机 设计
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河南理工大学万方科技学院河南理工大学万方科技学院 本科毕业设计(论文)中期检查表本科毕业设计(论文)中期检查表 指导教师: 郐吉才 职称: 教授 所在系部(单位): 机械与动力工程学院 教研室(研究室): 机制教 研室 题 目 ELID 超声珩磨机床的设计 学生姓名梅贝贝专业班级 07 机制 2 班 学号 0720150066 一、选题质量 (主要从以下四个方面填写:1、选题是否符合专业培养目标,能否体现综合训练要求;2、题目难易程 度; 3、题目工作量;4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度) 1,该选题为超声珩磨机设计,可以对我们大学四年所学知识进行一次全面的练习。 2,这将对我们以后深造学习和工作起到十分有效的帮助,也能达到一个综合训练的效 果,又加强了实际的动手动脑能力。 3,题目的难易程度很适中,对我们既是一个挑战也是一个很好的锻炼提高过程。 4,题目的工作量:要求完成 3 张以上的 A0 图纸,2.5—3 万的说明书一份。 5,选题不但能紧密的结合生产和实践,而且在我们所学课程的范围之内,对我们 以后不管是科研还是从事实际的工作都有很大的帮助。 二、开题报告完成情况 在老师指导和同学们的帮助之下,我顺利的开始本次毕业设计。我在自己经过一些查 阅资料的前提下,慢慢地理出头绪,摸索出了设计思路。 由于我们这次是超声珩磨机床珩磨头装置的设计,以前接触这方面的知识较少,所以 在刚开始不是很顺利,甚至感到有些无从下手,但是经过和指导老师的提导、与本组同学 的商量、在工厂实习和去系先进制造研究所观看实物之后, 我逐渐找到设计的切入点,顺 利的完成了开题报告。并有了一定的成果和进行了一些前期的工作,并使本次设计有了一 个良好的开始。在查阅了一些资料后,已经进行了计算设计,正在整理说明书,并进行初步 绘制草图.我将继续努力,认真完成这次毕业设计。 三、阶段性成果 1.通过对机床系统的学习,在加上老师的仔细讲解,我收集了大量的资料和文献,为设 计的顺利完成打下了坚实的基础。 2. 在老师的指导和同学的帮助下找到了设计的基本方法,开始了一些基本的原理的设计 计算,并取得了一定成果。 3. 完成了开题报告。 4.对整个设计有了一个总体的方案,并进行了前期的一些工作和设计. 四、存在主要问题 由于在超声珩磨方面的理解不够深入,实际经验不足,而且这方面参考资料有限,所以 随着设计的逐渐进行中我遇到了许多新的和更加复杂的问题,这些问题使我充分认识到了 自己在以前学习中的不足和自己与一些同学在专业知识方面的差距,所以我要以本次设计 为契机加强自己在学习上薄弱环节,争取使我的毕业设计能够取得好的成绩,也能够使我 所学的知识能够在以后的工作中发挥更大的作用。 五、指导教师对学生在毕业实习中,劳动、学习纪律及毕业设计(论文)进展等方面的评 语 指导教师: (签名) 年 月 日 河南理工大学万方科技学院河南理工大学万方科技学院 本科毕业设计(论文)开题报告本科毕业设计(论文)开题报告 题目名称 ELIDELID 超声珩磨机设计超声珩磨机设计 学生姓名梅贝贝梅贝贝专业班级0707 机制机制 2 2 班班学号 07201500660720150066 一、 选题的目的和意义: 毕业设计是我们大学生活最后的一项重要学习任务;是对四年所学知识的总 结和灵活运用;是我们结束本科学习,走上工作岗位或进一步深造的必由之路, 其意义重大。通过这一过程,我们达到以下目的: (1) 巩固、扩大和深化我们以前所学的基础课、专业课知识; (2) 培养我们综合分析、理论联系实际的能力; (3) 培养我们调查研究,正确熟练运用国家标准、手册、图册等资料、工 具的能力; (4) 锻炼自己的设计计算、数据处理、编写技术资料、绘图等独立工作能 力; (5) 培养团队精神、合作意识的能力。 二、国内外研究综述 珩磨是一种常用的精加工工艺,可获得高尺寸精度、高形状精度和低粗糙度(可达 Ra 0.05) ,并且内孔表面有交叉网纹。珩磨机床的种类有平面珩磨机床、外圆珩磨机床、内圆珩 磨机床等。目前,世界上应用最多的是内圆珩磨机床。珩磨机床的分类方法有很多种,如单 轴,多轴的不同;如数控的,机械的差别;根据珩磨主轴的安装方式可分为二种:立式珩磨 机床、卧式珩磨机床。珩磨机床作为复杂的生产工具,最根本的是加工工艺与主机结构布局 设计,而各种新工艺,新材料,新元件,新刀具,新控制系统等也将运用在珩磨机床上,未 来的珩磨机床的加工精度会更高,加工效率更快,加工范围更广泛。 三、毕业设计所用的方法 1. 在学校图书馆查阅相关资料; 2. 在工厂实践毕业实习; 3. 通过老师和工程师的指导; 4. 通过浏览因特网上的相关资料; 5. 通过对相关资料和数据的理论计算和分析。 四、主要参考文献与资料获得情况 参考文献:机械工程手册》第二版(传动设计卷) ——机械工业出版社 《实用机械设计手册》 吴相宪 王正为 黄玉堂 主编 ——中国矿业大学出版社 《机械设计》 濮良贵 纪名刚 主编 ——高等教育出版社 《机械原理》孙恒 陈作模主编 ——西北工业大学机械原理及机械零件教研室 《机床液压传动与控制》卢光贤主编 ——西北工业大学出版社 《机床电气自动控制》 陈远龄主编 —— 重庆大学出版社 五、指导教师审批意见 指导教师: (签名) 年 月 日 —I— 摘摘 要要 珩磨头上的油石容易堵塞和磨粒磨损变钝是影响珩磨质量和加工效 率的主要原因,所以采用有效的珩磨头修整方法,使珩磨头保持良好的 锋利状态和磨削性能是解决工程上一些硬脆材料磨削加工的关键技术之 一。本文介绍了在线电解修锐(ELID)技术,对金属结合剂的珩磨头进行 电解修锐。并在一定程度上介绍了一般珩磨的特点, 珩磨是一种固结磨 粒压力进给切削的精整加工方法,不仅能切除较大的加工余量而且能有 效的提高工件的尺寸精度和形状精度、降低工件表面的粗糙度。珩磨主 要加工内孔,在一定条件下也可以加工外圆、平面、球面、齿面。珩磨 轨迹是交叉网纹,珩磨加工变质层很小能提高工件的使用寿命。珩磨与 主轴一般采用浮动连接,符合广整加工的浮动加工原理。 在对 ELID 磨削原理进行深入分析总结的基础上,本文首先对 ELID 磨削必备的阴极、阳极电刷等装置进行设计开发,分析了修锐珩磨头 ELID 专用磨削液,并对其电解成膜特性进行了分析。 关键词关键词: : ELID﹑ 珩磨头﹑ 珩磨﹑油石 —II— AbstractAbstract The main reason affecting the honing quality and machining efficiency is that the rock of honing first is jammed and the grain is wore to obtuse easily. So adopting an Effectual truing method, maintaining the required sharpness of abrasive grits for honing first during grinding is one of the key technologies to realize the grinding of hard and brittle material . In this paper, we introduce the skill craft of ELID. studies on combining electrical discharge and mechanical truing for honing first and ELID grinding. Introducing the characteristic of the honing in the sometime, It is a kind of solid knot that honing whet is to process the method when a pressure enter to slice, not only can it cut off bigger process but the amount of remaining and size accuracy and shape accuracy of the ability valid exaltation work piece, lower rough degree of a surface of work. The honing whets to mainly process inside the bore, can also process the outside circle, flat surface, surface of sphere under the condition of certain. The honing whets are to adopt the conjunction with principal axis generally, matching the light processed float. Firstly, based on analyzing and summarizing the theory of ELID, the cathode And anode brush of the ELID system are designed and developed. By studying on the electrolytic Characteristics and the oxides film growing characteristics of —III— the metallic bonded honing first, the ELID grinding fluid is developed. KeyKey Words:Words: Electrolytic In-process dressing, honing first, honing, rock —IV— 目录 前言1 1.毕业设计的目的 1 2.毕业设计的主要内容和要求 1 3.程序和时间安排 2 第一章 绪论.3 1.1 课题的来源及研究背景.3 1.1.1 课题来源及研究意义 .3 1.1.2 珩磨加工的特点 .4 1.2 珩磨头修整技术的发展现状.5 1.2.1 珩磨头现有的修整方法.5 1.2.2 在线电解修锐技术的发展及研究现状 .7 1.3 论文研究的主要内容10 第二章 珩磨头的设计11 2.1 珩磨头设计因素及要求11 2.1.1 珩磨头设计时应考虑的因素 11 2.1.2 对珩磨头结构的基本要求 12 2.2 珩磨头的结构形式13 2.2.1 通用珩磨头 15 2.2.2 小孔珩磨头 16 2.2.3 大孔珩磨头 20 2.2.4 平项珩磨头 21 2.2.5 特殊珩磨头 22 2.3 珩磨油石24 2.3.1 珩磨油石的性能 24 2.3.2 珩磨油石的规格及数量 29 2.3.3 珩磨油石的连接方式 30 2.4 小结31 第三章 珩磨头在线电解修锐原理32 3.1 ELID 磨削的基本原理.32 3.2 ELID 磨削的特点.34 3.3 ELID 修锐的电化学反应原理.36 —V— 3.4 ELID 修锐中氧化膜的作用机理.39 3.5 小结42 第四章 ELID 珩磨装置系统 .42 4.1 ELID 珩磨装置42 4.2 ELID 珩磨装置及方法.44 4.2.1 背景技术 44 4.2.2 ELID 珩磨装置专用电源 49 4.2.3 阴极的设计50 4.2.4 阳极电刷的设计 52 4.2.5 ELID 高速磨削专用磨削液的研制 .53 4.2.6 ELID 磨削液的性能要求及成分选择 .53 4.3 小结54 结束语.55 致 谢57 参考文献.58 1 前前 言言 毕业设计是学生学完大学教学计划所规定的全部基础课和专业课 后,综合运用所学的知识,与实践相结合的重要实践性教学环节。它 是大学生活最后一个里程碑,是四年大学学习的一个总结,是我们结 束学生时代,踏入社会,走上工作岗位的必由之路,是对我们工作能 力的一次综合性检验。 1.1.毕业设计的目的毕业设计的目的 通过本次毕业设计,使达到以下几个效果: (1)巩固、扩大、深化学生以前所学的基础和专业知识; (2)培养学生综合分析、理论联系实际的能力; (3)培养学生调查研究、正确熟练运用国家标准、规范、手册等工 具书的能力; (4)锻炼进行设计计算、数据处理、编写技术文件、绘图等独立工 作能力。 总之,通过毕业设计使学生建立正确的设计思想,初步掌握解决本 专业工程技术问题的方法和手段,从而使学生受到一次工程师的基本 训练。 2.2.毕业设计的主要内容和要求毕业设计的主要内容和要求 本次设计的主要内容是珩磨头的ELID的修锐装置。具体设计内容 和要求如下: (1) 调查使用部门对珩磨的具体要求,现在对珩磨头修锐的方法; 收集并分析国内外同类型的先进技术、发展趋势以及有关的科技动向; 调查一些工厂的设备、技术能力和生产经验等。 (2) 珩磨头的ELID的修锐装置的设计主要是设计珩磨装置、ELID 2 装置所用的电极,确定各部分的相互关系;拟订总体设计方案,根据 总体设计方案,选择通用部件,并绘制装配图和各零件的零件图; (3) 其他零部件的设计和选择; (4) 编制设计技术说明书一份。 3.3.程序和时间安排程序和时间安排 毕业设计是实践性的教学环节,由于时间的限制,本次毕业设计 不可能按工厂的设计程序来进行,具体的说,可以分以下几个阶段: (1)实习阶段,通过毕业实习实地调查、研究、收集有关资料, 掌握ELID磨削加工技术,了解珩磨头的ELID修锐装置结构、工作原理 和设计的基本要求,花两周时间; (2) 制定方案、总体设计阶段,花两周时间; (3) 计算和技术设计阶段,绘制图纸,整理设计说明书,花四周 时间; (4) 答辩阶段,自述设计内容,回答问题,花半周时间。 3 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题的来源及研究背景课题的来源及研究背景 1.1.11.1.1 课题来源及研究意义课题来源及研究意义 珩磨时容易发生粘附、变钝、堵塞的现象,是影响硬脆材料珩磨 质量和效率的因素之一,磨损和堵塞后的珩磨头磨削性能变差,无法 继续对工件材料进行珩磨加工,这既影响了工件的加工质量,又影响 加工效率,所以,采用一种有效的珩磨头修整方法,实现工程材料的 高速高效磨削加工,对工程材料的加工的推广应用有十分重要的意义。 在线电解修锐技术(ElectrolyticIn-processDressing,简称ELID)利 用金属结合剂的溶解去除和油石表层生成的氧化物绝缘层对电解抑制 作用所构成的动态平衡,对珩磨头上的油石进行连续非线性修锐,使 油石磨粒获得恒定的突出量,从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程, 可以很好的解决一些材料的难加工问题。国内外的一些高校和学者己 经对该项技术进行了一定的理论和试验研究工作,取得一定的成果, ELID磨削可以明显的降低磨削力和工件表面粗糙度,但是目前珩磨头 在线电解修锐技术主要应用于低速、精密和超精密镜面珩磨中,研究对 珩磨头的ELID修锐机理,对提高材料的珩磨效率、改善表面加工质量 以及拓宽珩磨头在线电解修锐技术的应用领域都具有重要的意义。 珩磨头ELID修锐原理是利用金属结合剂超硬磨料珩磨头与电源正 极相接做阳极,工具电极做阴极,在珩磨头和电极的间隙中通过电解 磨削液,利用电解过程中的阳极溶解效应,对珩磨头表层的金属基体 进行电解去除,从而逐渐露出崭新锋利的磨粒,形成对珩磨头的修整 作用:同时形成一层钝化膜附着于珩磨头表面,抑制珩磨头过度电解, 4 从而使珩磨头始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以该技术将 珩磨头修整与磨削过程结合在一起,利用金属基珩磨头进行磨削加工 的同时利用电解方法对珩磨头进行修整,从而实现对硬脆材料的连续 超精密镜面磨削。ELID修锐是在磨削过程中,利用非线性电解修整作 用和金属结合剂超硬磨料珩磨头表层氧化物绝缘层对电解抑制作用的 动态平衡,对珩磨头进行连续修锐修整,使珩磨头磨粒获得恒定的突 出量,从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程,它适用于硬脆材料进 行超精密镜面磨削。 ELID修锐技术是对金属结合剂超硬磨料珩磨头在 线修整、修锐的复合磨削技术,在精密加工领域独树一帜,具有自身 的一些显著特点。 磨削过程具有良好的稳定性和可控性,易于实现磨 削过程的最优化:加工精度高,表面裂纹少,表面质量好:适应性广 泛,磨削效率高:装置简单,成本低推广性强等。 1.1.21.1.2 珩磨加工的特点珩磨加工的特点 珩磨加工可以提高工件的尺寸、几何形状精度和表面光洁度,它 的加工特点有: (1)表面质量特性好 珩磨可以获得较低的表面粗糙度,一般 可达Ra0.8~0.2μm,甚至可低于Ra0.025μm,同时珩磨表面上有均匀 的交叉网纹有利于贮油润滑。实现平顶珩磨,可使有相对运动的摩擦 副获得较理想的表面质量。珩磨加工面具有交叉网纹,有利于润滑油 的贮存和油膜的保持,并有较高的表面支承率,因而能承受较大的载 荷,乃磨损,从而延长了使用寿命。另一方面,由于珩磨速度低,且 油石与孔是面接触,因此每一磨粒的平均磨削压力很小,这样工件的 发热量很少,工件可能产生的变形量也少,工件表面几乎没有热损伤 和变质层,适于加工相对运动精度高的精密偶件,此外,珩磨加工面 几乎没有嵌砂和挤压硬质层。 5 (2)加工精度高 现代珩磨技术不仅可以获得较高的尺寸精度, 而且还能修正孔在珩磨加工中出现的轻微形状误差,如圆度、圆柱度 和表面波纹等。珩磨小孔时,圆度与圆柱度可达0.5μm,轴线直线度 可小于1μm;珩磨中等孔径,圆柱度可达5μm,圆柱度不超过10μm; 珩磨短孔时,若用刚性连接珩磨头与平面浮动夹具,还可适当提高短 孔轴线与端面的垂直度。间断孔珩磨可以提高同轴度。它不提高孔对 其他孔或表面的相互位置精度,且一般对前道工序有一定的精度要求, 否则不易保证得到较高的形状精度。 (3)珩磨效率高 可以使用多条油石或超硬磨料油石,也可提 高珩磨头的往复速度增大网纹交叉角,能较快地去除珩磨余量与孔形 误差。也可应用强力珩磨工艺,有效地提高珩磨效率。珩磨工件干净, 在冷却液的冲洗下,很少积存脏污。珩磨加工一些圆周有孔或内槽的 液压系统偶件时,可以保持这些孔与工件孔壁形成锐边,以保证偶件 的液压性能。 (4)珩磨工艺较经济 薄壁孔和刚性不足的工件,或较硬的工 件表面,用珩磨进行光整加工不需要复杂的设备与工装,操作方便。 磨料选择适当,工具设计合理,切削速度合理的情况下,珩磨的经济 效果较研磨好(主要反映在加工效率、加工精度和表面质量上),且 加工稳定,因而零组件的成品率高。并且,珩磨加工可节省研磨加工 所必须的辅助材料,如清洗用的汽油、棉花 等。采用超硬磨料做珩磨 油石,经济效果更好。 1.21.2 珩磨头修整技术的发展现状珩磨头修整技术的发展现状 1.2.11.2.1 珩磨头现有的修整方法珩磨头现有的修整方法 珩磨加工过程中,珩磨头上的油石表层的磨粒会逐渐磨钝,磨钝 6 后的油石摩擦力增大,磨削温度上升,容易发生颤振和烧伤,使被加 工工件的表面完整性受到极大的影响,同时磨钝的油石也会使油石工 作表面丧失正确的几何形状从而使加工精度降低。为了使珩磨头在使 用中能始终保持正确的形状和锐利性,需要定期对珩磨头进行修整。 修整实质上就是对珩磨头进行整形和修锐,整形是指对砂轮工作表面 进行微量“切削” ,使珩磨头达到所要求的几何形状精度,并使磨粒尖 端微细破碎,形成锋利磨刃的过程;修锐是指除去磨粒间的部分结合剂 (降低结合剂的高度),使磨粒凸出结合剂之外,形成切削刃,同时产 生足够的容屑空间的过程。 1.软弹性修整法 软弹性法修整珩磨头时,超硬磨料珩磨头以一定的速度旋转,而 卷带轮则缓慢地转动,带动砂带缓慢移动,利用珩磨头的旋转而使砂 带弹性变形不能完全恢复来实现去除珩磨头上油石上高点的目的。采 用软弹性修整法修整砂轮时,被修整的砂轮与砂带之间能自动选择合 适的挤压力,能保持修整过程稳定;砂带低速进给,与油石表面接触的 砂带上的磨粒基本上没有磨损,因而可获得较强的修整能力;砂带是弹 性的,因而它能去除砂轮表面磨粒间的结合剂,同时不损害磨粒的切 削刃。 2.激光修整法 激光修整法是利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于油 石表面,在极短的时间内使油石局部表面的金属结合剂材料以蒸发、 气化和熔融溅射的形式被去除,而不损伤超硬磨粒,从而达到修整的 目的。激光修整珩磨头时,激光照射区域小,节省油石材料;修整过程 中珩磨头上的油石不受机械力,适于磨削过程中在线修整;通过焦距的 改变,可以有选择地除去油石上阻塞的工件材料:不存在修整工具磨损 7 报废的情况,可重复利用性强;修整速度快、工效高、易实现自动化。 3.超声振动游离磨粒珩磨头修整法 超声振动珩磨头修整的机理是由超声波发生器发出的超声频电信 号传给换能器,变换成超声频的机械振动,由变幅杆放大后带动修整 器对油石进行修整。超声振动修整珩磨头是一种优良的珩磨头修整方 法。试验证明,超声振动修整后的珩磨头具有表面磨粒均匀、方向性 好等特点。对于珩磨工件来说易于避免工件烧伤、降低磨削温度、减 小磨削力、提高珩磨头的使用寿命等优点。 4.在线电解修锐技术 在线电解修锐技术是利用油石金属结合剂在电源的驱动下,在具 有电解作用的磨削液中发生电解反应而溶解去除,使油石中的磨粒露 出结合剂表面,形成一定的出刃高度和容屑空间,同时,在油石表面 逐渐形成一层氧化膜,氧化膜的不断磨损与不断生成使得上述修整过 程保持动态平衡,既避免了油石的过快消耗又自动保持了油石表面的 磨削能力。在线电解修锐技术是专门应用于金属结合剂珩磨头的修整 方法,与传统的电解修整方法相比,它具有修整效率高、工艺简单、 修整质量好等特点。 1.2.21.2.2 在线电解修锐技术的发展及研究现状在线电解修锐技术的发展及研究现状 采用传统磨削工艺对工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金、淬火钢及 半导体等硬脆材料进行加工时不仅磨削力大、磨削温度高、磨削效率 低,而且砂轮极易钝化、堵塞而丧失其切削性能,从而造成工件加工 表面脆性破坏及应力集中,加工质量恶化,难以满足高精度、高效率 的加工要求。为了解决这一问题,日本学者 HitoshiOhmori(大森整) 于 1987 年提出了砂轮在线电解修锐技术,成功解决了硬脆材料的难加 工问题。 8 从 ELID 方法提出开始,HitoshiOhmori 以及国外的许多学者就对 该技术进行了深入的研究,Hitoshi Ohmori, TakeoNakagawa, SeiMoriyasu 等学者对硬脆材料 ELID 精密磨削的表面形成机理进行了 试验分析研究,并且采用杯形砂轮实现了光学镜头的 ELID 镜面磨削。 在 HitoshiOhmori 研究的基础上,NobuhideItoh,ShinyaMorita 等学者采用铸铁结合剂金刚石砂轮对 Gd2SiO5 的 SLID 磨削特点进行了 研究:Kiyoshi Sawada,AkiraYamamot。等学者采用 ELID 技术对石英石 坯料进行了磨削试验研究; YoshihiroUehara,YutakaYamagata,YutakaYamagata 等人将 ELID 技术 应用于一些微细工件的磨削加工中。 JamesC.M.Li 就 SLID 磨削过程中阳极金属的去除率分别进行了二 维和三维模型的分析研究;RichardJ.Boland 在 ELID 磨削过程的计算 机控制与监控方面进行了探索。 ELID 精密磨削技术在日本己经得到较深入的研究和广泛的应用, 在日本有“ELID 磨削研究会”及相应的学术期刊《ELID 研削研究会报》 。 日本的富士公司、Fuji 模具株式会社、新东工业株式会社等许多公司 采用该技术进行零部件的加工生产或从事与该技术相关产品的生产开 发与技术支持,此外,日本 KURODA 公司、不二越株式会社还推出了系 列 ELID 专用磨床。富士公司采用 ELID 磨削技术加工镜头,镀膜后直 接用在望远镜、幻灯产品上,真正实现了光学镜头加工的以磨代研、 代抛的工艺革命,东京物理化学研究所将 ELID 磨削技术应用于超精密 数控加工,成功加工出光学玻璃和碳化硅陶瓷等材料的高精度非球曲 面。从 ELID 技术诞生之初,美国就投巨资进行该技术的研究开发,还 与日本进行该技术的交流与合作,美国在应用 ELID 磨削技术加工电子 计算机半导体微处理器方面已取得突破性进展,在国防、航空航天及 9 核工业等领域的应用研究也在进行。德国是最早研究 ELID 磨削技术的 几个国家之一,在 1991 年就有德国的机床厂家进行系列 ELID 专用机 床的设计。此外,英、法等国对 ELID 磨削技术也进行了深入的研究。 在亚洲,韩国很早就同日本开展卓有成效的技术交流与合作。 ELID 磨削技术在我国尚处于研究阶段,主要集中在高校,哈尔滨 工业大学的袁哲俊、张飞虎等人在 ELID 精密、超精密镜面磨削、专用 磨削液、专用电源、ELID 镜面磨削中砂轮耐用度、铸铁砂轮 ELID 镜 面磨削中电解氧化膜的作用机理以及氧化铝陶瓷和石榴石铁氧体等材 料的 ELID 磨削等方面进行了理论与试验研究,成功研制了 ELID 精密 磨削专用的脉冲电源、磨削液和砂轮,在国产机床上开发出平面、外 圆和内圆 ELID 精密磨削装置. 大连理工大学的关佳亮、郭东明等人在 ELID 镜面磨削中氧化膜的 生成机理硕士学位论文及作用、砂轮结合剂作用机理及金属结合剂砂 轮的研制等方面进行了研究。 天津大学的徐燕申、张春河等人就 ELID 超精密镜面磨削中砂轮磨 损规律以及磨削力变化规律等方面进行了试验研究。 北京工业大学的范晋伟、马春敏等人对 ELID 精密镜面磨削技术在 不同磨削方式下的应用进行了研究,并且研制出硬脆材料精密磨削的 ELID 专用磨削液,实现了硬脆材料的 ELID 精密超精密磨削。 西北工业大学史兴宽、任敬心、彭炎午等人以及西安理工大学的 王平、赵文福对铸铁结合剂微粉金刚石砂轮的在线电解修整进行了试 验研究,广西大学的段明扬、杨玲等人对青铜结合剂金刚石砂轮电解 修整进行了一定的研究。 这些研究成果促进了 ELID 技术的推广应用,目前,国内己有十几 家单位应用该技术,如 230 厂用于加工动压马达零件,23 所用于相阵 10 雷达互易移相单元陶瓷、微晶玻璃、铁氧体等航天材料零件加工, 8358 厂用于光学玻璃非球曲面加工,205 所用于光学玻璃加工,华侨 大学用于加工大理石,福建南安宏伟陶瓷厂用于加工陶瓷等。 但是,目前 ELID 技术主要应用在采用微细粒度砂轮的低速、精密 磨削中,当砂轮线速度提高后,由于砂轮与阴极之间的磨削液供给不 足,使得砂轮的修锐效率下降,达不到理想的磨削效果,这是 ELID 技 术在高速磨削的应用中所要解决的一个难题,而国内外学者对这方面 的研究比较有限。美国 StevensInstituteof Technology 的 ZhuZhenqi 学者对 ELID 磨削过程中砂轮与阴极之间磨削液的流动状态 与砂轮线速度之间的关系进行了仿真分析,对传统的刚性阴极与新设 计的弹性箔片阴极进行了对比,仿真结果表明〔1)在传统的刚性阴极 中,采用喷嘴喷射供液,砂轮线速度为 24m/s 时,极间间隙内的磨削 液为层流状态,供液充足,修锐效果好,砂轮线速度提高到 58m/s 和 118m/s 时,由于磨削液供给不足,极间间隙内的磨削液为紊流状态, 修锐效果差;(2)砂轮速度提高后,要保证极间间隙内的磨削液供给充 足,必须使得磨削液的供给速度至少为砂轮线速度的一半,而这一点 却很难实现:(3)文中新设计的弹性箔片阴极可以通过调整弹性箔片的 速度和张紧力,在较低的供液速度下保证电解反应区内磨削液充足, 较好的解决了高速 ELID 磨削中极间间隙内磨削液供液不足的问题。国 内哈尔滨工业大学的张飞虎教授对石榴石铁氧体材料进行了 ELID 高效 磨削试验研究,试验结果表明:采用铸铁结合剂金刚石砂轮 ELID # 120 磨削的磨削力仅为相同条件下树脂结合剂砂轮非 ELID 磨削的 2/5~3/5,试验中砂轮线速度为 15.7m/s,工件进给速度为 2m/min,最 大磨削深度为 4mm,实现了 ELID 高效磨削,但仍属于低速磨削,如果 能进一步提高砂轮线速度,就可以大幅度的提高磨削效率。所以如何 11 结合高速磨削与 ELID 技术的特点,实现粗粒度超硬磨料砂轮的高速高 效 ELID 磨削,成为一个有待解决的实际问题。 1.31.3 论文研究的主要内容论文研究的主要内容 珩磨头在线电解修锐技术很好的解决了一些材料的珩磨中难加工 问题,成功的实现了硬脆材料的精密、镜面珩磨,本文在基于 ELID 磨 削原理的基础上,提出珩磨头的 ELID 珩磨装置.论文研究的主要内容 包括以下四个方面: (1)对一般的珩磨头进行设计。 (2)介绍 ELID 磨削原理及特点,并从电化学反应原理的角度对 ELID 磨削的实现机理进行研究,分析氧化膜在 ELID 磨削中的作用。 (3)对 ELID 磨削所必需的珩磨头、阴极、阳极电刷、电源等装置在 珩磨中的要求进行分析,分析能进行在线的 ELID 珩磨装置.选择应用 于珩磨头 ELID 装置的专用磨削液。 (4)对 ELID 磨削中电源参数(电解电压、脉冲电流频率、脉冲电流 占空比)对磨削力和工件表面粗糙度的影响,从而选择最优化的 ELID 磨削电源电解参数。 12 2 2 珩磨头的设计珩磨头的设计 2.12.1 珩磨头设计因素及要求珩磨头设计因素及要求 在珩磨孔加工中分内孔珩磨和小孔珩磨两个方面。内孔珩磨一般 指加工直径为 25~500mm 的圆柱通孔。对不通孔和内表面不连续的孔, 也可珩磨,但较困难。小孔珩磨则指加工直径为 25mm 以下的孔。 珩磨头的作用是装置珩磨油石(亦称珩磨条或珩条) ,并由珩磨机 主轴带动实现旋转、往复运动,还可通过调整机构,使珩磨油石作径 向扩张或收缩。珩磨机的主要动作,都是通过它反映出来,以取得加 工效果。 2.1.12.1.1 珩磨头设计时应考虑的因素珩磨头设计时应考虑的因素 (1)用于通孔还是不通孔,深孔还是浅孔,以及孔径大小。 (2)加工特性、工件材料与热处理状态。 (3)使用珩磨机床的型号、规格、主轴与工作台行程距离。 (4)工件定位对家具的要求,以便确定夹具的结构形式。 (5)工件的精度与粗糙度,确定珩磨加工方法。 (即强制式珩磨或 自由式珩磨) 。 (6) 油石的结合剂应该用金属结合剂。 2.1.22.1.2 对珩磨头结构的基本要求对珩磨头结构的基本要求 (1)保证被加工孔的精度。 13 (2)遇到被加工表面上的硬点时,珩条不会被压退。 (3)当孔的轴线和主轴轴线不重合时,强制式珩杆能修整轴线的 不垂直、不重合精度。自由式珩杆能自动找正工件中心。 (4)对较大孔珩磨时,珩磨油石应能自动调整,以保证与孔在全 长范围接触,从而纠正孔形误差,补偿珩磨油石自身磨损的不均匀性。 (5)珩磨头在进孔及出孔时,能自动收缩。 (6)能精确而方便地调整珩磨油 石的径向扩张量,并应有足够的扩张 量,以保证最大限度地使用珩磨油石。 (7)能够避免各种工作状态下产 生的各种振动因素。 (8)有足够的强度和刚性。 2.22.2 珩磨头的结构形式珩磨头的结构形式 珩磨加工中,工件能够得到多高 的几何形状精度和切削效率,在很大 程度上取决于珩磨头的结构形式及设 计的合理性。珩磨头的结构形式取决 于被加工孔的尺寸、形状和精度要求, 以及所用机床的进给方式、油石的种 类及夹具的结构等。 珩磨头的结构对加工质量和生产 率都有很大的影响。对珩磨头的一般 要求是:油石能在径向均匀的胀缩, 图 2-1 珩磨头 1——壳体;2——油石座;3——锥体; 4——垫块;5——弹簧; 6——传递杆; 7——心棒。 14 对加工表面的压力能调整并保持在一定的调节范围内;油石应具有一 定的刚度,当被加工孔的形状误差使油石的压力增加时,油石在半径 方向不致发生位移和歪斜;珩磨到最后尺寸时,油石能迅速缩回,以 便于珩磨头从孔内退出。 珩磨头的形式有:通用珩磨头(珩磨 Φ20-Φ150mm 孔) 、小孔珩 磨头(Φ5-Φ20mm 孔) 、大孔珩磨头(Φ150-Φ300mm 孔) 、平顶珩磨 头、特殊珩磨头(组合式珩磨头、盲孔珩磨头、锥孔珩磨头、带气动 喷嘴的自动测量珩磨头、减少噪声的珩磨头等)等形式。设计珩磨头 时,根据所加工的孔径的大小来选择珩磨头的形式。 珩磨头一端连接机床主轴接头,杆部镶嵌或连接珩磨油石。在加 工过程中,珩磨头的杆部与珩磨油石进入工件的被加工孔内,并承受 切削转矩;在机床进给结构的作用下,驱动珩磨油石做径向扩张,实 现珩磨的切削进给,使工件孔获得所需的尺寸精度、形状精度和表面 粗糙度。不论那一种珩磨头,它必须具备以下几个基本条件: (1)珩磨头上的油石对加工工件表面的压力能自由调整,并能保 持在一定范围内。 (2)珩磨过程中,油石在轴的半径方向上可以自由均匀地胀缩, 并具有一定刚度。 (3)珩磨过程中,工件孔的尺寸在达到要求后珩磨头上的油石能 迅速缩回,以便于珩磨头从孔内退出。 (4)油石工作时无冲击、位移和歪斜。 图 2-1 所示的珩磨头,是靠液压控制油石胀缩。它主要由两个部 分组成:上部一调节头,下部一工作头。工作头是由钢质壳体 1 和壳 体上嵌装六块油石座 2 所组成.油石座 2 的两端用弹簧 5 来固定,使 它们紧紧靠在壳体 1 上。在壳体 1 内部有一根长心棒 7,通过中间传 15 递杆 6 和两个锥体 3 铰接起来。当液体压力传到心棒 7 上时,心棒 7 便向下推动中间传递杆 6,使两个锥体 3 同时往下移动,从上面推动 垫块 4,使油石座 2 徐徐向外胀开。此时,珩磨头上的油石以固定的 压力磨削金属。当珩磨过程结束时,即零件孔尺寸达到要求之后,操 纵机床,压力消失,心棒 7 便向上退回,弹簧压缩油石座 2,油石就 向内收缩。 为了防止油石在珩磨头从零件孔内进出时碰伤零件的加工表面, 在壳体 1 的周围,专门镶有夹布胶木板.调节头作调节工作头胀缩用。 当拧动珩磨头上的刻度盘时,可以直接控制两个锥体 3 的移动,通过 它来操纵油石的胀缩尺寸。在珩磨过程中,调整油石的胀缩尺寸和补 镗油石的磨损量等,都是用调节头来实现的。 2.2.12.2.1 通用珩磨头通用珩磨头 图 2-2 是中等孔径(Ф20~Ф150 mm)通用珩磨头。采用的是后进 给方式,它由磨头体、油石、油石座、导向条、弹簧、锥体涨芯组成。 当锥体涨芯移动时,油石便可涨开或收缩。珩磨头为棱圆柱体,珩磨 油石条数一般为奇数。油石座直接与进给涨芯接触,中间不用顶销与 过渡板.结构简单。进给系统刚性好。同时在珩磨深孔时,还可根据 需要在孔的中间部位或孔底进行必要的进给,以保证孔尺寸全长上的 一致性。 16 图 2-2 中等孔径(后进给)通用珩磨头 1—本体前导向;2—弹簧圈;3—本体涨锥;4—油石座 珩磨头的外径尺寸应以被加上孔径为基准,当油石处于收缩状态 时,珩磨头外径比被加工孔的孔径小。以便于珩磨头进入或退出工件 孔;当油石处于最大涨开位置时,珩磨头的外径至少应等于被加工孔 的最终要求尺寸加上油石的极限磨耗量。 有时在珩磨头体圆周上嵌有导向条。它与油石相间排列。当珩磨 头进入工件孔时。导向条起导向作用和保护油石不致碰伤,当珩磨头 退出工件孔时起定心作用。此外,它还能防止油石因磨耗不均而导致 珩磨头偏心。导向条在圆周上的外径应比被加工孔的基本尺寸小 0.1~0.5 mm,
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