超硬磨料砂轮挤磨削方法及其低速高效磨削机理研究

Increasing wheel speed is one significance development direction to improve grinding efficiency. However, high wheel speed is usually associated with higher grinding temperature and higher requirement for grinding machine. But inversely low wheel speed is easy to get lower grinding temperature and better ground surface quality. In theory, improving grinding efficiency can be realized by low wheel speed. This program develops a new squeeze grinding process, which employs super-hard feature of diamond abrasive and a constraint profile formed by high speed rotary squeeze grinding tool to control and extrude free ordinary abrasive particles, and then workpiece is removed by the squeeze grinding effect of the free particles which get grinding ability by means of the rotating of squeeze grinding tool. The squeeze grinding process can realize a relative lower grinding speed because of rolling cutting function of the free particles being in motion state, and thus lead to a low grinding temperature and better surface quality. Furthermore, working efficiency of squeeze grinding process can be improved by increasing the arc length or the rotation speed of squeeze grinding tool under the condition of low grinding speed. Squeeze grinding process has been feasible by prophase researches and has the feature of low speed and high efficiency in grinding, but some problems of chip formation process and dynamic characteristics of squeeze grinding with free particles are not proved. Therefore, the study of squeeze grinding mechanism should be completed to develop the squeeze grinding method and basic process system. .This research can provide theoretical basis for exploring a new high efficiency grinding approach under low grinding speed.

长久以来高效磨削都是朝着提高磨削速度的方向发展，但是高的磨削速度往往伴随着高的磨削温度和对装备的过高要求。相反低速磨削的磨削速度低、温度也低，可以获得好的磨削表面质量，从理论上讲也存在低速高效的磨削方法。本项目发展一种新的磨削方法——挤磨削，该方法是基于金刚石材料超硬特性，利用挤磨砂轮表面金刚石包络形面高速回转形成的约束形面约束挤压普通自由磨料，磨削弧区的自由磨粒在旋转挤压作用下获得磨削能量，进而以挤磨方式去除工件材料。由于自由磨粒运动状态多为滚碾切削，运动速度很低，从而取得低温切削效果，获得良好的磨削表面质量；而且增加磨削弧长和挤磨砂轮旋转速度可以大幅度提高挤磨削效率，实现低速高效磨削效果。前期研究表明挤磨削方法是可行的，且具有低速高效磨削特性，但其成屑过程、磨粒挤磨动力学特性等机理尚未探明，需要进一步开展相关磨削机理研究，建立挤磨削方法、基本工艺体系，为发展低速高效磨削提供科学依据。

磨削中较大的磨削力、磨削温会引起加工表面烧伤、热应力、微裂纹等缺陷，是制约磨削提高效率和精度的主要瓶颈，寻找低温高效精密的磨削方法是一直追求的目标。低速磨削是一个重要领域，项目发展了一种挤磨削方法，原理是利用具有超硬特性的金刚石磨料约束硬度差一些的普通磨料，然后普通磨料再对被加工材料挤磨去除。研究表明该方法具有低速磨削精密特性，可以获得高效精密磨削效果。主要研究成果有：.（1）磨削方法和机理方面，建立挤磨削方法几何模型，采用动力学原理分析挤磨自由磨粒切削运动形态、磨粒切削弧长及成屑机制，建立挤磨削过程力学数学模型。阐明了其低速高效的磨削机理，为挤磨削方法和基本原理的建立奠定了理论基础。.（2）挤磨约束形面形成及约束机理方面，采用MATELAB建立挤磨削砂轮包络形面几何模型，分析了挤磨砂轮包络磨粒运动轨迹和约束形面形成，结果表明：挤磨速度和包络形面磨粒排布方式是对约束形面全包络性影响的主要因素；采用Abaqus分析了挤磨砂轮挤磨过程中回转速度和挤磨力对砂轮形态的影响。为挤磨砂轮设计提供了理论依据。.（3）基础磨削工艺规律方面，通过试验研究探明砂轮粒度、自由磨粒粒度和浓度、挤磨间隙等主要因素的影响规律，并进行了典型难磨削材料应用验证。表明，挤磨削的磨削力和温度大幅度低于传统磨削，且磨削金属表面呈现压应力；同时挤磨削对微细磨料砂轮有修锐和等高性修整作用，可以实现微细超硬磨料砂轮的超精密磨削，在磨削碳化硅、光学玻璃等高精度光学元件领域有重要的应用前景。.科学意义：挤磨削具有低速磨削特性，可以大幅度降低磨削力和温度，可获得磨削表面呈现压应力，为金属零件的抗疲劳制造提供了精密的加工方法；另一方面挤磨削对砂轮磨刃有等高性修整和修锐作用，可以进行微细粒度超硬磨料砂轮挤磨削，获得具有高的轮廓精度和超光滑的超精密加工表面。总之挤磨削为推动磨削技术的发展有着显著的潜力。