基于磨削温度和动态有效磨粒比的多层超硬磨料砂轮磨削性能研究

Grinding with superabrasive wheel is an efficient high precision machining method for brittle & hard to machine materials. The surface roughness of workpiece depends on the distribution of grains and the number of active grains which participate in the grinding process. The rise of grinding temperature is caused by the scraping, ploughing and cutting of the grains. When the grinding temperature is too high the workpiece and grains will be burned. The aim of this research is to reveal the mechanism of heat generation during grinding process and explore the possibility of using stable active grain ratio to evaluate the grinding performance of multilayer superabrasive wheel by studying the relationship between grinding temperature and the active grain ratio. A self-developed thin film thermocouples with good dynamic response will be made and be used to measure the grinding temperature at the contact zone. The active grain ratio is estimated from the number of active grains which is calculated by analyzing the grinding temperature signals at the contact zone during surface grinding with a super abrasive wheel. The grinding temperature signals are de-noising with soft threshold wavelet transform. The heat model of single grain will be established on the basis of Triangular Heat and the number of active grains, which can be used to predict thermal damage.A new type of multilayer superabrasive wheel will be made by expendable pattern casting method. Grinding experiments are carried out to evaluate its grinding performance in order to optimize the compositions and process parameters of the wheel to further improving its grinding performance.

超硬磨料砂轮磨削是硬脆难加工材料获得高精度的高效加工方法。砂轮表面磨粒分布状况及参与磨削的有效磨粒数量与加工表面粗糙度直接相关；磨削温度升高是参与磨削的有效磨粒划擦、耕梨和切削作用的结果，温度过高会引起工件及磨粒的热损伤。因此本课题拟研究磨削温度与动态有效磨粒比的关系，揭示超硬磨料砂轮磨削热产生的机理，并探索以稳定的动态有效磨粒比作为评价多层超硬磨料砂轮磨削性能的可行性。课题将研制动态响应特性高的薄片热电偶测量平面磨削接触弧区温度，采用给定软阈值的小波变换对温度信号去噪，分析动态有效磨粒的数量从而推算有效磨粒比，结合移动热源模型建立单颗磨粒温升数学模型，以期对磨削热损伤进行预测。采用消失模铸造方法制备新型金属基细粒度多层超硬磨料砂轮进行磨削实验，基于稳定的动态有效磨粒比对其磨削性能进行评价以进一步优化超硬磨料砂轮的配方和制备工艺，提高砂轮的磨削性能。

加工质量和砂轮耐用度是精密磨削加工中评价砂轮磨削性能的两个重要指标。砂轮表面磨粒的形状、锋利程度、密度以及出露高度分布情况等地貌特性直接影响砂轮对工件材料的去除能力，进而对磨削力、磨削温度、工件表面粗糙度、亚表面损伤和砂轮磨损等产生重要影响。砂轮表面磨粒的分布情况及有多少磨粒真正参与了磨削与工件表面质量、加工效率以及砂轮寿命直接相关。磨削温度是磨削加工过程中的主要物理现象，磨削温度过高会造成工件及砂轮磨粒热损伤。磨削热的产生是由砂轮磨粒对工件划擦、耕梨和切削作用引起的，所以磨削温度必然与参与磨削的有效磨粒有数量上的某种关系。本课题通过测量磨削温度，从平面磨削弧区温度信号中提取参与磨削的有效磨粒数量，研究有效磨粒数与磨削温升的关系从而评价超硬砂轮的磨削性能。本项目主要完成以下研究内容。.基于热电偶动态特性，根据磨粒经过磨削接触弧区的频率确定热电偶可以实现不失真测量的厚度，采用薄片热电偶法测量不同金刚石砂轮平面磨削陶瓷时接触弧区的温度。.制备单颗磨粒的钎焊金刚石砂轮。通过单颗磨粒磨削陶瓷，研究了单颗磨粒的磨削温度，分析有效磨粒在不同磨削深度对工件表面质量的影响。制备多颗磨粒各种方式排布的钎焊金刚石砂轮，研究了多磨粒的金刚石砂轮有效磨粒及其磨削温度。基于单颗磨粒的磨削热模型，采用有限元的方法对磨削温度及工件表面温度场进行仿真模拟，模拟结果与磨削实验测量值吻合。因此基于动态有效磨粒的磨削温度仿真可以用来预测磨削温度，防止工件磨削烧伤和磨削工具过早损坏。.采用消失模铸造方法制备多层磨粒的铝基金刚石砂轮，用电解法进行整形和修锐。与普通的金刚石砂轮进行了相同条件下的磨削实验对比。采用给定软阈值的小波变换对热电偶法测量的多层磨粒金刚石砂轮的磨削温度信号进行去噪处理，提取磨粒的热脉冲信息从而获得动态有效磨粒的数量。采用图像法提取多层磨粒金刚石砂轮工作表面单位面积的理论磨粒数。实际参与磨削的动态有效磨粒数与理论磨粒数的比值，即动态有效磨粒比。根据动态有效磨粒数和磨粒比可以监控砂轮的工作状态。实验结果显示课题组采用消失模铸造法自行研制的新型金刚石砂轮在高速、小切深时磨削性能优于普通金刚石砂轮。