一种新型的电镀CBN磨具基体设计

    【摘要】根据当前加工窄深槽现状和难题，介绍了一种新型的加工窄深槽磨具的基体设计，并用有限元对其进行了模态分析，得出了磨具振动的频率。
    【关键词】CBN磨具；磨粒粒度；固有频率
    【中图分类号】 TG74＋9   【文献标识码】 A  【文章编号】 1003－ 773Ｘ（2008）03－ 0114－ 02

引言

高精度窄深槽一直是机械加工的难题。以前，对普通材料零件上的宽度＞2 mm的窄深槽，通常是用切口铣刀预先铣槽，经热处理后再用较薄的树脂或陶瓷结合剂砂轮磨削加工。这种工艺加工效率低、砂轮强度低、刚性差、寿命短，较难达到高加工精度。采用普通砂轮缓进给磨削工艺，通过一次磨削热处理后的工件时可加工出较高精度的窄深槽。对于宽度＜2 mm的窄深槽，铣削加工时，成本高，精度低；采用普通砂轮缓进给磨削时，砂轮工作部位的厚度很薄，修整量大，磨削和修整时极易破碎，加工成本很高。近年来，电镀超硬磨料砂轮广泛用于高精度槽的缓进给磨削。国外已用电镀CBN砂轮在硬度HRC42的4340 钢件上缓进给磨削出宽1.52mm、深6.35 mm、带有 R为0.38 mm 圆角的窄深槽。国内也用电镀CBN砂轮在普通钢材上缓进给磨削出宽1.5 mm的窄深槽。许多由难加工材料制造的航空零件，有各种各样高精度的型槽，特别是飞机涡轮叶片根部高精度齿槽和窄深直槽的加工，一直是国内叶片加工的难点。本文将介绍电镀 CBN 砂轮缓进给磨削窄深槽的磨具基体设计。

1 磨具基体的半径设计

磨具速度增加，磨削表面粗糙度值减小，这是由于增大砂轮速度会使单颗磨粒未变形、磨屑厚度减小的缘故。高速度磨削可以提高金属切除率，降低磨削力、减少功率消耗，可以提高磨削效率。提高CBN磨具速度，可使工件表面粗糙度改善；磨具速度越高，工件表面粗糙度越好，切向和法向磨削力下降，这样就减小了单个磨粒上承受的力，因而磨具磨损减小、磨削热可降低。但是磨具速度的增加使磨粒的最大切深减小，切屑截面面积减小，同时切削次数和磨削热增加，这两个因素均使堵塞量增加［1］。根据工艺要求磨具的线速度要到30 mps以上时，机床转速要能达到6000rpm；为了防止机床振动带来不利影响，我们一般选取4000rpm。这时，磨具边缘的线速度v＝πdn。d为磨具直径，n为机床转速。我们选d＝200 mm，计算得v＝41.9mps，符合加工工艺的速度要求。

2 磨具基体的厚度选择

磨具总厚度为2 mm，考虑到镀层和底镍的厚度，设计的基体厚度 δ＝2－ 2d1－ 2d2。d1为电镀磨料粒径，d2为底镍厚度。一般，底镍厚度3￣5μm，取 4μm。磨料粒度的选择主要考虑磨削效率和工件表面粗糙度的要求。综合两方因素我们选择100￣120粒度的CBN，按照GB6408－ 98标准，相应尺寸为120￣150μm，可取最大值150μm，算得厚度δ＝1.692 mm。但是考虑到砂粒的热膨胀，根据经验热膨胀大概为5μm，因此最后的厚度定为δ＝1.687 mm。

3 磨具基体的建摸和有限元分析

1）磨具建模和磨具网格划分后的单元模型

2）进行有限元分析，查看3阶固有频率。
    ＊＊ INDEX OF DATA SETS
    ON RESULTS FILE ＊＊SET TImE／FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE
1  2 477.2      1     1      1
2  7 661.8      1     2      2
3  7 696.3      1     3      3
    （3）各阶固有频率磨具变形情况。当磨具以临界旋转时，磨具基体受到应力最大，应变最大，到达“临界”状态时，磨具强烈振动，导致磨具寿命下降，甚至破坏磨具［2］。磨具临界转速和频率关系为： n＝60×F。n为转速（rpm）， F 为频率（Hz）。可将磨具频率转化为临界转速，见上表。磨具的工作转速为4 000 rpm。由上表可以看出，磨具的工作转速远低于临界转速。
    磨具在这些频率下，变形量都很小，不会导致磨具在工作时损坏，能够正常工作。

4 结论

在保证磨具制作工艺条件下，按上述设计磨具对机床损害少，磨具寿命高，加工精度也能得到保证。

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一种新型的电镀CBN磨具基体设计

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