談薄壁磨盤關鍵加工工藝
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摘要：薄壁磨盤是砂輪產(chǎn)品中的典型產(chǎn)品之一，其有著質(zhì)量輕、安裝方便等優(yōu)點。薄壁砂輪的高精度為加工制造帶來了一定的困擾，論文采用自定向下的思維，以內(nèi)應力的產(chǎn)生和消除作為薄壁砂輪加工的主線，著重針對薄片砂輪加工中的車削、磨削、粘接等典型工藝進行了分析和優(yōu)化，降低工序中內(nèi)應力的產(chǎn)生，為產(chǎn)品的最終質(zhì)量打下基礎。本文為薄壁砂輪的加工提供了一些思路。
關鍵詞：薄壁；自頂向下；應力
在對薄壁磨盤類工件進行加工時，基體端面易因為加工應力釋放、及砂輪塊和基體結合面的應力釋放導致薄壁磨盤發(fā)生變形，造成產(chǎn)品的形位公差、形狀公差等不能夠滿足圖紙要求，亦不能夠滿足客戶使用情況。薄壁磨盤若出現(xiàn)端面不平的情況，客戶上機磨削工件會出現(xiàn)平面度超差、粗糙度超差等問題。薄壁磨盤的形位公差、形狀公差是否合格是薄壁磨盤質(zhì)量優(yōu)劣的關鍵因素之一，同時也是薄壁磨盤加工的難點之一。
1薄壁磨盤工藝分析
圖1所示為薄壁磨盤，屬于薄壁類產(chǎn)品，薄壁磨盤基體厚度3mm，基體材質(zhì)為65Mn,要求硬度HRB30-32，平面度要求0.03mm，平行度要求0.04mm，基體要求粗糙度Ra1.6，基體上面布局著180個金屬結合劑砂輪塊，砂輪塊直徑φ10，厚度5.3，結合劑型號為H，金剛石粒度為120#。65Mn一般熱處理工藝為：淬火處理，溫度830℃，淬火劑:油，回火溫度540℃，力學性能優(yōu)良。難點分析：直徑厚度比大，直徑φ300：3=100:1，端面布置180個砂輪塊，亦基體需要開180個槽，基體端面開槽一般采用銑削的方式進行，鑒于基體壁薄，銑削會導致在基體應力集中、變形，槽內(nèi)部還需粘接砂輪塊，也使得一定的粘接應力造成基體存在內(nèi)應力，導致基體無法保證平面度砂輪，最終無法滿足薄壁的平行度。結合磨盤特點，采用逆向思維的方式，運用自頂向下的方法，結合現(xiàn)場機加工情況，以磨盤基體內(nèi)應力的產(chǎn)生和消除為線索，對磨盤的加工工藝進行分析優(yōu)化。擬定制工藝：擬定工藝路線：下料→調(diào)質(zhì)處理→粗車→磨削→熱處理→銑→鉗→磨削→熱處理→檢測→粘接→鉗→磨削→檢測以內(nèi)應力的產(chǎn)生、消除、轉換等作為工作的重點。最終以消除內(nèi)應力為目的，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。論文主要針對產(chǎn)生內(nèi)應力較突出的工序進行分析、優(yōu)化。為在加工中檢測薄壁基體的變形情況，論文將薄壁磨盤劃分為縱向劃分成外、中、內(nèi)分別是A、B、C三個區(qū)域；按照坐標象限劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個區(qū)域。如下圖所示：
2車削應力分析
傳統(tǒng)車削加工主要采用三爪卡盤、四爪卡盤進行加持，以三爪卡盤為例，當基體貼平卡爪并加緊時，基體相對于卡盤有三個支撐點，同時受到F1、F2、F3三個法向力，車削受力情況如圖2、3所示。根據(jù)作用在刀具上的切削合力F分解為相互垂直的切削力Fc、進給力Ff、背向力Fp，結合作用力是相互的原理，如圖1所示，分析可得，作用到工件上的合力為F'。在實際加工過程中，因薄壁基體強度低，支撐點少，切削點相對三個支撐點的力臂在一直改變，如圖3所示，對于薄壁工件，車削處于不穩(wěn)定狀態(tài)，車削產(chǎn)生振動，車削熱不易散去，導致基體變形嚴重，嚴重時將無法進行正常車削。根據(jù)以上分析可知，為實現(xiàn)車削的穩(wěn)定進行、減少內(nèi)應力產(chǎn)生，需從增加工件的支撐面、減少車削振動、降低車削熱等方面進行改善。結合現(xiàn)場實際加工情況，采用電磁吸盤吸持的方式來增加工件加工時的支撐面，對比分析，采用吸盤吸持加工后，降低了加工時的振動，通過薄壁基體和吸盤貼合面的增加，工件在加工時候的散熱能夠快速通過吸盤帶走一部分，實現(xiàn)了工件的穩(wěn)定加工。采用同樣的車削參數(shù)，用三爪卡盤和吸盤做為加持工裝進行試驗，運用平面度儀檢測基體的平面度的各處的最大值結果，如表2、3。由試驗效果可知，采用吸盤做為車削薄壁基體的支撐，整體變形變小，殘余內(nèi)應力明顯減少，分析主要優(yōu)點：有助于散熱，提高工件的導熱率，切削溫度下降快，降低切削溫度、減少切削熱，提高刀具耐用度，降低因切削熱引起內(nèi)應力及變形。
3銑削路徑分析
在銑削過程中，借鑒車削增加支撐面的方式，采用吸盤對工件吸持后進行銑削加工，基體端面布局著180個槽，將180個槽簡化為180個應力產(chǎn)生點，控制180個應力點的出現(xiàn)順序，通過應力點相互作用，實現(xiàn)降低銑削過程對基體的應力集中。在銑削前熱處理工序中，已將前道工序中車削、磨削的殘余應力消除大部分，經(jīng)銑削后，通過平面度儀檢測基體的平面度各處的最大值。從檢測圖表分析可知，軌跡2變形量最小，因此，工藝采用軌跡2進行加工，優(yōu)點分析：采用內(nèi)外整圈交替銑削，在加工過程中，工件散熱較好，且加工點的交替受力，降低了殘余應力。
4粘接優(yōu)化分析
薄壁基體經(jīng)熱處理后，前面加工工序產(chǎn)生的殘余內(nèi)應力消除殆盡，為避免在粘接過程中產(chǎn)生內(nèi)應力或者盡量小的產(chǎn)生內(nèi)應力，因此需要對膠黏劑的選擇及粘接工藝進行研究。磨盤主要用于粉末冶金件的端面磨削，長期浸泡在磨削液環(huán)境中，同時在磨削中產(chǎn)生一定的熱量。粘接對象為65Mn和金屬結合劑砂輪塊，金屬結合劑砂輪塊主要為銅錫燒結而成，可以借鑒金屬-金屬粘接進行膠黏劑。磨盤采用圓形塊和淺槽配合的嵌接形式；受力主要受工件的壓應力和磨削應力，粘接面為直徑φ10mm的圓形。綜合分析膠黏劑的特點，結合無機膠黏劑有不收縮、可室溫固化的特點，從粘接應力的方向出發(fā)，擬采用無機膠黏劑對砂輪進行粘接固化。但在加工過程中，齒的高度有一定的誤差，且槽深亦有區(qū)別，需對塊進行加壓固化，對比薄壁基體加壓不均勻也會產(chǎn)生一定的內(nèi)應力，因此，需對加壓過程進行分析優(yōu)化。采用大理石平板做為載體，將磨盤底部放置到平臺上，在保證粘接強度的情況下，同時保證薄壁基體槽在受壓均勻，避免因為受力不均勻產(chǎn)生翹曲、變形的情況，擬采用在加壓蓋板與砂輪塊中間墊介質(zhì)的方法。主要選用的介質(zhì)為：5mm硅膠墊、5mm聚氨酯、5mm橡膠皮。分布采用介質(zhì)進行加壓固化，同時分布采用5KG、10KG、20KG加壓固化，測量固化后最大變形量。經(jīng)對比分析可知，采用硅膠墊，加壓20KG固化，薄壁砂輪的變形量最小，能夠達到薄壁砂輪平面要求。
5結論
薄壁磨盤結構簡單，但加工變形大，通過分析加工工序，采用自頂向下的思路，以內(nèi)應力的產(chǎn)生和消除為突破口，重點分析并優(yōu)化了車削、銑削、粘接環(huán)節(jié)的工藝，降低了工序中內(nèi)應力的出現(xiàn)，保證了薄壁磨盤的產(chǎn)品質(zhì)量，為同類型產(chǎn)品的加工提供了思路，具有很好的示范作用。
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作者：陳曉強 張毅 牛俊凱 時云鵬 李國偉 閆道恒 單位：鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司