工程陶瓷珩磨加工珩磨头的设计(编辑修改稿)

工程陶瓷珩磨加工珩磨头的设计(编辑修改稿)内容摘要：

料表明，磨削加工占整个机械加工的40%左右，在金属切削机床的11各大类中，磨床的品种是最为繁多的一种。 利用珩磨头珩磨工件精加工表面，主要用于汽车、航空、液压件、轴承等行业中珩磨工件的孔加工。 随着我国交通运输、航天、军事、工业的飞速发展，高级铁路、公路、神州系列的建设步伐的加快，国家安全的日益重要，对零件的精密度要求越来越高，产品质量要求也逐步提高，所以发展珩磨业是必要的。 长期以来，由于国外的垄断，国内技术的落后，以及我国各行业发展的相对落后，对于精密度要求一直很低，甚至大部分标准是沿用国外的标准。 但随着改革开放和政策的改变，大量人才回国、政府和本土企业等各方面的重视，我国珩磨业发展迅速。 在20世纪70年代我国开始采用金属结合剂的金刚石油石和立方氮化硼油石，在用它们以加工淬火钢或铸铁时，磨耗量仅为普通油石的1/150～1/250左右，同时油石对工件的压力也可提高大约2～3倍，从而使珩磨的效率和表面质量进一步得到提高。 《20142018年中国人造金刚石珩磨条行业调查及发展前景分析报告》从行业市场份额、行业需求增长率、竞争者数量、行业产量、利润、企业规模、技术、进入退出壁垒等几个方面，综合分析，定性判断人造金刚石珩磨条行业所处的行业将进入快速发展期。 综合国家统计局、国家信息中心、海关总署、行业协会等权威部门发布的统计信息和统计数据，糅合各类年鉴信息数据、财经媒体信息数据、商用数据库信息数据，从行业发展现状，当前产业政策，行业所处生命周期，行业市场竞争程度，市场稳定性几个方面分析，我国目前对珩磨加工的要求高，需求大。 为了早日实现我国尽快发展我国珩磨业，也是我校领导和教授对行业的远瞻性，本次毕业设计的课题“工程陶瓷珩磨加工珩磨头的设计”在对国家技术开发和科技发展支持的同时，让我们充分融合书本知识，对设计和开发新产品有解。 ：1）.国外研究情况：早在十八世纪左右，为了适应缝纫机、钟、手表、自行车、枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国等发达国家研制出用天然磨料砂轮的磨床。 这些磨床在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成，它们结构简单、刚度低，在磨削时容易产生振动，所以要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876年在巴黎博览会展出的美国布朗夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。 它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。 1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。 在1900年前后，随着人造磨料的发展，液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。 近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。 如20世纪初，研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。 1908年自动测量装置开始应用到磨床上。 到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成并投入使用，50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床，60年代末又出现了砂轮线速度达60～80米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床，70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。 20世纪70年代开始采用金属结合剂的金刚石油石和立方氮化硼油石，用以加工淬火钢或铸铁时，磨耗量仅为普通油石的1/150～1/250，同时油石对工件的压力也可提高2～3倍，从而使珩磨的效率和表面质量进一步得到提高2）.国内研究情况：早期我国磨床工业及磨料工业几乎一片空白， 1944年上海亚中机械厂（今上海第三机床厂）才制造出我国第一台外圆磨床。 解放后，我国相续建立了现代化的磨床，磨料，磨具制造厂及专业研究所，造就了一大批从事磨床设计制造、磨床磨具研究、制造专业的专科科学技术队伍。 1955年以前，成功试制造了黑、绿色碳化硅、棕色的刚玉，陆续开发了各种磨具。 1963年我国成功合成了第一颗人造刚玉，于1966年投入批量生产。 接着1967年成功研制立方硼油石，1974投入批量生产。 至今我国对高速磨削的研究有了多年的历史和经验，在70年代进行了80mm/s，120mm/s的磨削工业试验。 前几年，也计划开展了250mm/s的磨削研究。 改革开放前后：我国的磨料磨具为了和世界同步，在以下几个方面进行了研究或改进:（1） 进行提高磨床的精度，（2）提高磨削的自动化程度，(3)进行高速研磨，(4)加大高精度和高光洁度，(5)能强力磨削，(6)宽砂轮和多砂轮的磨削，(7)提高磨床的加工生产率，(8)发展特殊磨削和成型磨削，(9)超硬磨料磨具。 超硬材料如人造金刚石和立方氮化硼目前被称为世界上最硬的物质，莫氏硬度为10176。 ：主要研究珩磨头的运行方式、结构等。 根据设计题目的要求，查阅相关资料，了解观察现有珩磨机珩磨头的结构，了解其不足之处并与自己的设计要求相结合，培养感性认识，为后期设计奠定基础。 充分利用学校现有资源，在图书馆查阅珩磨机珩磨头的结构，并向老师请教其工作原理及相关零部件的性能、工作要求等。 第一章 光整加工：珩磨是一种以数根固结磨料的珩磨条所组成的珩磨头对内控表面进行光整加工的传统方法。 珩磨是磨削加工的一种特殊形式，属于光整加工。 需要在磨削或精镗的基础上进行。 珩磨加工范围比较广，特别是大批大量生产中采用专用珩磨机珩磨更为经济合理，对于某些零件，珩磨已成为典型的光整加工方法，如发动机的气缸套，连杆孔和液压缸筒等。 ：光整加工是指精加工后从工件上去除极薄的材料层，以提高工件加工精度和 降低表面粗超度的加工方法，光整加工主要包括：超精加工、珩磨加工、超声波珩磨加工等。 ：光整加工是一种选择压力作用点的加工方法，面与面接触，使突出来的点受到的压力最大。 当工具与工件在一定面上接触，施加压力后，自动的选择局部突出的地方加工，故仅切除承受压力处的部分，这加工方法使工具与工件分布随着进给机构的前进而同时逐步提高精度，即使工件多少存在误差，由于加工过程中工具上的误差点也被切除，相互提高了加工精度，故与一般强制加工方法不同，光整加工可获得较高的加工精度。 但是因为切削层小，故需要较长的加工时间。 对加工精度而言，用细粒度的磨条以一定的压力压在旋转的工件上，并在轴向作往复振荡进行微量切削的光整加工方法。 超精加工一般安排在精磨工序之 后进行，其加工余量很小（一般为 5～8 微米），常用于加工各种内外圆柱面、圆锥面、平面、球面等，如曲轴、轧辊、滚动轴承套圈和各种精密零件等。 工件经超精密加工后，表面粗糙度可达 ～ 微米，表面加工纹路由波纹曲线相互交叉形成，从而易于形成油膜，提高润滑效果，因此耐磨性较好。 由于切削区温度较低，表面层有轻度塑性变形，所以表面带有一定的残余压应力。 超精密加工常用的磨条粒度一般为 ～W2。 常用的切削液为 80％左右的煤油加 20％左右的机油，并经严格过虑，磨条压力一般为 ～ 兆帕，磨条振幅一般为 1～6 毫米，工件圆周速度一般不超过 700 米/分。 若需要提高零件的形状精度及去掉磨削变质层，必须去掉 毫米左右的余量，此时采取将超精加工分为粗精两阶段，粗加工时用较粗粒度的磨条、较大转速和磨条压力，精加工时取相对较小的值。 ：光整加工可获得比一般机械加工更高的加工精度。 光整加工后可将工件的形状和尺寸精度提高一级，～。 珩磨加工的工件表面质量特性好、加工效率高、经济性好，加工应用范围广。 其特点是使用微粒组成的高品质微粒磨料固结磨具油石保证高的加工精度，要求磨料粒度、模具和组织保持良好的一致性，要求模具尺寸形状保持较高的准确性。 为了实现各切削刃作微小的切削和高效的切削，要求磨具和工件有较大的接触面积，因此精整加工要求有良好的降温、冷却和排屑条件。 一般光整加工因固结磨粒磨具的接触面积大，为了防止其发热变形、切屑堵塞磨具，固切削速度远低于磨削速度。 为了不降低加工表面质量和加工效率，一般速度可在100m/min300 m/min之间选择。 光整加工具有特殊的加工形式。 模具与工件的相对复杂的运动得到精度较高的产品。 诸如交叉切削运动（如珩磨加工）和相对振动切削运动（超精密加工）。 光整加工所需的磨具不需修整。 而是通过压力进给切削可通过各种加压方式 进行控制，使其从粗加工到精加工得到自动周期性自锐。 超精加工、珩磨所用油石微刃切削力均匀，可以获得低粗糙的加工表面。 现 超声波振动磨削及珩磨可以加工凹部及工件内表面异形孔，多角形等表面。 第二章 一般珩磨在一定压力下，珩磨头上的砂条（油石）与工件加工表面之间产生复杂的的相对运动，珩磨头上的磨粒起切削、刮擦和挤压作用，从加工表面上切下极薄的金属层。 主要加工直径 5～500 毫米甚至更大的各种圆柱孔，孔深与孔 径之比可达 10 或更大。 在一定条件下，也可加工平面、外圆面、球面、齿面等。 珩磨头外周镶有 2～10 根长度约为孔长 1／3～3／4 的油石，在珩孔时既旋转运 动又往返运动，同时通过珩磨头中的弹簧或液压控制而均匀外涨，所以与孔表面 的接触面积较大，加工效率较高。 珩磨后 孔的尺寸精度为 IT7～4 级，表面 粗 糙 度可达 ～ 微米。 珩磨余量的大小，取决于孔径和工件材料，一般 铸铁件为 ～ 毫米，钢件为 ～ 毫米。 珩磨头的转速一般为 100～200 转／分，往返运动的速度一般为 15～20 米／分。 为冲去切屑和磨粒， 改善表面粗糙度和降低切削区温度，操作时常需用大量切削液，如煤油或内加少量锭子油，有时也用极压乳化液。 珩磨工艺(Honing Process)是磨削加工的一种特殊形式，又是精加工中的一种高效加工方法。 这种工艺不仅能去除较大的加工余量，而且是一种提高零件尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度的有效加工方法，在汽车零部件的制造中应用很广泛。 珩磨加工原理 珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石,由涨开机构（有旋转式和推进）。 珩磨工艺(Honing Process)是磨削加工的一种特殊形式，又是精加工中的一种高效加工方法。 这种工艺不仅能去除较大的加工余量，而且是一种提高零件尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度的有效加工方法，在汽车零部件的制造中应用很广泛。 珩磨加工原理：1）.在一定压力下，珩磨头上的砂条（油石）与工件加工表面之间产生复杂的的相对运动，珩磨头上的磨粒起切削、刮擦和挤压作用，从加工表面上切下极薄的金属层。 珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石,由涨开机构（有旋转式和推进式两种）将油石沿径向涨开, 使其压向工件孔壁,以便产生一定的面接触。 同时使珩磨头旋转和往复运动,零件不动或珩磨头只作旋转运动,工件往复运动,从而实现珩磨。 2）.在大多数情况下,珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的。 这样,加工时珩磨头以工件孔壁作导向。 因而加工精度受机床本身精度的影响较小,孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。 所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。 其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。 3）.珩磨时由于珩磨头旋转并往复运动或珩磨头旋转工件往复运动,使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹,而且在每一往复行程时间内珩磨头的转数不是整数, 因而两次行程间,珩磨头相对工件在周向错开一定角度,这样的运动使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹亦不会重复。 此外,珩磨头每转一转,油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠度,使前后磨削轨迹的衔接更平滑均匀。 这样,在整个珩磨过程中,孔壁和油石面的每一点相互干涉的机会差不多相等。 需要说明的一点:由于珩磨油石一般采用金刚石和立方氮化硼等磨料,加工中油石磨损很小,即油石受工件修整量很小。 因此,孔的精度在一定程度上取决于珩磨头上油石的原始精度。 所以在用金刚石和立方氮化硼油石时,珩磨前要很好地修整油石,以确保孔的精度。 为了减少机床主轴与工件的中心不同轴度和主轴旋转精度对工件加工精度的影响，珩磨头与机床主轴间采用浮动连接，以工件孔作导向。 珩磨时，珩磨头圆周上的油石与孔壁的重叠接触点相互干涉，一方面油石将孔壁上的干涉点磨去，另一方面孔壁也相应的使用油石上面的磨粒尖角或整个磨粒破碎或脱落，使油石面与工件孔壁在珩磨过程中，既旋转又做往复运动，使工件孔的加工面形成交叉的螺旋线切削轨迹。 由于每次往复行程时间内珩磨头的转数为非整数，两次行程间珩磨头相对又错开一定位置，这样复杂的运动使珩磨油石的每一个磨粒在孔壁上运动的轨迹不重复。 在整个珩磨的过程中，孔壁及油石面上每一个点相互干涉的机会差不多均等。 这样在孔壁面和油石的接触面积不断增加，相互干涉的作用和切削作用不断减弱，孔与油石面的圆度和圆柱度不断提高，孔壁的粗糙度降低，达到要求的尺寸精度后，完成孔的珩磨。 珩磨加工的运动方式图特点：1）加工精度高：采用珩磨加工孔时，其圆度、锥度为（）纳米。 表面粗糙度可达Ra（）但不能提高位置精度。 所以采用珩磨加工，可以代替部分磨削加工，其加工效率与磨削相当。 它加工的形状和位置精度，与前道工序有密切关系，所以在珩磨前要保持工件的形状、位置精度。 珩磨比磨削加工精度高,因为磨削时支撑砂轮的轴承位于被珩孔之外,会产生偏差,特别是小孔加工,磨削精度更差。 珩磨一般只能提高被加工件的形状精度,要想提高零件的位置精度,需要采取一些必要的措施。 如用面板改善零件端面与轴线的垂直度(面板安装在冲程托架上,调整使它与旋转主轴垂直,零件靠在面板上加工即可)。 2）表面质量好： 珩磨后的表面具有交叉网纹，有利于储存润滑油的储存盒油膜的保护，并具有夹较高的支撑率，能承受较大的载荷，耐磨损，使用寿命长，由于珩磨的速度只有普通磨削的十分之一，油石与工件是面接触，每个磨粒所承受的磨削力很小，因此，珩磨过程中的热量很小，使工件表面不产生烧伤、裂纹和变质层，也几乎没有嵌砂和挤压硬质层。 因而广泛用于气缸套、缸筒的内孔精加工。 珩磨加工面几乎无嵌砂和挤压硬质层。 3) 加工范围广： 珩磨主要用于孔的加工，如圆柱孔、盲孔、锥孔等，也可以用于平面、外圆、球面等成型面的加工，珩磨的孔径为（11200）MM或更大，孔长可达12000mm，长径比可大于10 ，几乎所有的材料都能进行珩磨加工。 特别是金刚石和立方氮化硼磨料的应用，进一步拓展了珩磨的运用领域，同时也大大提高了珩磨加工的效率。 4)切削余量少： 为达到图纸所要求的精度，采用珩磨加工是所有加工方法中去除余量最少的一种加工方法。 在珩磨加工中，珩磨工具是以工件作为导向来切除工件多余的余量而达到工件所需的精度。 珩磨时，珩磨工具先珩工件中需去余量最大的地方，然后逐渐珩至需去除余量最少的地方。 5)纠孔能力强： 由于其余各种加工工艺方面存在不足，致使在加工过程中会出现一些加工缺陷。 如：失圆、喇叭口、波纹孔、尺寸小、腰鼓形、锥度、镗刀纹、铰刀纹、彩虹状、孔偏及表面粗糙度等。 （注意：珩磨只能改变形状精度，不能改变位置精度）6）对机床精度要求低：珩磨加工除采用专有用的珩磨机，也可以在车床、镗床、钻床上进行珩磨。 超高硬度金刚石和立方氮化硼磨料的珩磨条和珩磨轮的应用，加上进给方式改进和自动测量的应用，推动了珩磨工艺的发展，广泛应运于高精度孔的加工，其特点更为突出。 采用珩磨工艺加工可以通过去除最少加工余量而极大地改善孔和外圆的尺寸精度、圆度、直线度、圆柱度和表面粗糙度。 应运范围：加工精度高，～，～，～，而且无烧伤、嵌砂和裂纹；珩磨主要用于加工孔，适用于加工长径比大于10的深孔，还可以适用于其它成形加工(球面、平面、外圆等)。 珩磨孔的直径为Φ1～Φ1200mm，长度可达12000mm。 几乎所有的材料均可以进行珩磨；珩磨后的表面纹理，有利于油膜的形成，而使工件使用寿命增长；珩磨对机床的精度要求低，工人劳动强度低，可适用普通机床(车、铣、镗、钻床)加工高精度的孔。 1）珩磨能获得较高的尺寸精度和形状精度，加工精度为IT7～IT6级，孔的圆度和圆柱度误差可控制在3～5μm的范围之内，但珩磨不能提高被加工孔的位置精度。 2）珩磨能获得较高的表面质量，～，表层金属的变质缺陷层深度极微（～25μm）。 3）与磨削速度相比，珩磨头的圆周速度虽不高，但由于砂条与工件的接触面积大，往复速度相对较高，所以珩磨仍有较高的生产率。 珩磨在大批大量生产中广泛用于发动机缸孔及各种液压装置中精密孔的加工，孔径范围一般为φ15～500㎜或更大，并可加工长径比大于10的深孔。 但珩磨不适用于加工塑性较大的有色金属工件上的孔，也不能加工带键槽的孔、。