低温CO2干磨削优化方案

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：例如，在改装的外圆磨床上，采用A80KV棕刚玉砂轮和粒度80的金属基体电镀CBN砂轮进行低温CO2干磨削。2）砂轮表面不会因存在通气小孔而影响CBN磨料层的粘附强度和磨削性能。为防止砂轮高速回转时低温冷气不外逸，在固定支撑盘2与砂轮夹盘法兰3的非接触连接处设计为双密封结构。由该图可见，采用冷气冷却的磨削温度明显低于干磨削，说明采用冷气冷却可有效降低磨削温度。这些因素综合作用使得CBN砂轮磨削温度明显低于刚玉砂轮。

除冷却空气外，利用低温二氧化碳进行强冷磨削，也是干式磨削加工中常见的一种方法。例如，在改装的外圆磨床上，采用A80KV棕刚玉砂轮和粒度80的金属基体电镀CBN砂轮进行低温CO₂干磨削。砂轮线速度为20m/s，工件材料为Q235，工件速度为11～34m/min，磨削深度为10～35μm。

利用电镀CBN砂轮进行内冷却，在结构设计上应满足以下几点：

1）应能够均匀而有效地将低温冷气传输到砂轮表面，直至磨削区内。

2）砂轮表面不会因存在通气小孔而影响CBN磨料层的粘附强度和磨削性能。

3）应保证砂轮在高速回转时的平衡性，即结构应对称，动平衡效果好。

图5-6 内冷却电镀CBN砂轮及其夹盘结构

1—导气管 2—支撑盘 3—砂轮夹盘法兰 4—金属基体砂轮 5—砂轮夹盘基体

图5-7 砂轮气孔分布形式

图5-6所示是基于以上原则设计出的一种内冷却电镀CBN砂轮及其夹盘结构。具有一定压力的低温冷气经导气管1、砂轮夹盘法兰3中的内沟道和金属基体砂轮4的径向微孔传到砂轮表面。导气管1通过固定在磨床上的支撑盘2与砂轮夹盘相连。为防止砂轮高速回转时低温冷气不外逸，在固定支撑盘2与砂轮夹盘法兰3的非接触连接处设计为双密封结构。砂轮的平衡通过砂轮夹盘基体5外侧梯形环道内的平衡块解决。为使低温冷气能够均匀地喷射到磨削区，在金属基体的砂轮表面上均匀开设了许多微孔，其分布形式如图5-7所示。砂轮上布孔的基本原则是：在砂轮轴向方向上尽可能宽的区域能得到冷却；砂轮磨削区内得到的冷却尽可能均匀；在结构上应保证砂轮高速回转的平稳性和磨削时的足够强度，且受力均匀。

电镀CBN砂轮的外冷却喷嘴内径为5mm，喷嘴出口处为扁状，冷气直接喷向磨削区。外冷却喷嘴安装时，要尽量贴近砂轮并靠近磨削区，以提高冷却效果。室温为8℃，供气压力为0.12MPa时，距喷嘴出口10mm处温度为－25℃左右，而30mm处降为－10℃左右，可见距离越近，冷却效果越好。

图5-8所示为不同工件速度和磨削深度下，干磨削所获得的试验结果。从该图中可以看出，随着工件速度的增大，工件表面温度有所增加。另外，在工件速度不变的情况下，随着磨削深度的增加，磨削温度也增加。磨削深度的增加，使热源强度增大，接触弧长增大，热源作用于工件表面时间增加，因而磨削温度升高。

图5-8 工件速度对磨削温度的影响

注：砂轮材料为CBN；工件材质为Q235；砂轮圆周速度为20m/s。

图5-9所示为采用A80KV棕刚玉砂轮和电镀CBN砂轮分别进行干磨削和外冷却磨削时，所获得的磨削温度对比曲线。由该图可见，采用冷气冷却的磨削温度明显低于干磨削，说明采用冷气冷却可有效降低磨削温度。CBN砂轮与A80KV棕刚玉砂轮相比，同等条件下能获得较低的磨削温度。与刚玉砂轮相比，CBN磨料硬度高，磨粒锋利，为磨屑形成提供了足够的容屑空间。另外，电镀CBN砂轮导热性好，能将磨削热迅速导出。这些因素综合作用使得CBN砂轮磨削温度明显低于刚玉砂轮。

图5-9 磨削深度对磨削温度的影响

注：砂轮材料为CBN；工件材质为Q235；砂轮圆周速度为20m/s；工件速度为22m/s。

图5-10所示为砂轮速度20m/s时，不同工件速度和冷气压力下内冷却和外冷却所获得的磨削温度曲线。图中压力等于0时，即干磨削的情况。可以看出，内冷却和外冷却磨削温度均随着冷却压力的增加而降低，这是由于冷气压力越大，冷气从磨削区带走的热量就越多，使得磨削温度降低。工件速度对强冷磨削的温度也有影响。工件速度越慢，工件表层的冷却越充分，磨削温度越低。因而，通过控制工件速度和冷气的流量或压力等，以达到控制工件表面温度，改善表面质量的目的。

图5-10 冷气压力p对磨削温度的影响

注：砂轮材料为CBN；工件材质为Q235；砂轮圆周速度为20m/s。

从图5-10中还可以看出，在冷却压力不大于1MPa时，外冷却的冷却效果稍稍优于内冷却。随着冷气压力的增大或者说随着冷量的增加，内冷却的冷却效果在不断地加强。当冷气压力达到1MPa时，内外冷却的效果达到相当水平。对外冷却而言，其优势在于它能直接集中到冷却磨削区部位，在压力不大的情况下，冷气利用效率高；而内冷却冷气很大一部分用于砂轮基体的降温。因而冷气压力小于1MPa时，外冷却优于内冷却。但是，对外冷却而言，冷气难于达到磨削区，喷嘴的结构和方向，对冷却效果也有很大影响。随着压力的增加，内冷却既可以使冷气直接达到磨削区带走热量，又可大幅度地降低砂轮基体温度的双重优势逐渐显露出来。对外圆磨削而言，内冷却的优势还在于冷却效果的发挥不受工件半径大小的影响。因而，对外圆磨削而言，冷气内冷却很有发展前途。

低温CO2干磨削优化方案

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