结构化砂轮磨削细长杆钢件性能研究

结构化砂轮磨削细长杆钢件性能研究

李帅

山西航天清华装备有限责任公司 山西 长治 046012

摘要：砂轮磨削是现代工业生产中最主要的一种工艺。通过掌握各种工艺的概念和种类，明确各种工艺的特性和适用场合，合理选用和使用砂轮磨削工艺，实现高效率、高品质的金属切削。

关键词：结构化砂轮；长杆钢件；性能研究

1 结构化砂轮磨削技术的特点

1.1 结构化砂轮的设计原理

在对现有的结构化砂轮加工工艺进行了研究与完善的基础上，提出了一种新的加工方法——结构型砂轮。该方法不只是单纯地调节砂轮的外形、结构，还涉及砂轮与被加工对象交互作用的综合优化。其特殊的砂轮构型及排列形式是影响磨削效率、质量及加工稳定性的重要因素。

以砂轮的结构设计为例，结构化砂轮采用了先进的计算机辅助设计和仿真技术，对砂轮的几何形状、砂粒大小、砂粒间距等参数进行精确控制。该设计可实现对被加工对象的外形、表面特征进行自适应，降低了磨削力，降低了加工热量，改善了加工效率。

另外，在结构性磨轮的设计中，也注意到了沙粒的排列形式。常规的砂粒排布通常比较均一，而结构化砂轮通过对沙粒分布的合理设计，实现了沙粒在研磨时的分散，降低了研磨热量的集中。这样的结构不但可以增加研磨加工的稳定度，而且可以有效地延长研磨轮的寿命。

1.2 结构化砂轮磨削过程中的力学特性

结构化砂轮的机械性能是决定其性能的关键因素。磨削过程中，砂轮与工件的交互作用力是决定研磨效果的关键因素。研究其机械性能，是优化磨削工艺参数，提高加工精度，提高磨削效率的关键。

在磨削过程中，砂轮与工件之间的接触力是一个复杂的动态系统。在磨削加工过程中，由于磨削器的高速转动，工件进给时，所受的作用力也在发生改变。磨削过程中所产生的冲击载荷除受磨削工具、磨削加工工艺等因素外，还与磨削深度、进给速度及磨削速度等因素有关。所以，精确地建模是实现研磨工艺预报与控制的关键。

1.3 结构化砂轮磨削过程中的热学特性

在对结构化砂轮磨削时，其热力学性质是一个重要的影响因子。在磨削加工中，由于砂轮与工件的高速摩擦，会形成较大的热能，这种热能不但会降低研磨效率，还会对被磨零件的表面质量及砂轮的使用寿命造成极大的负面影响。在此基础上，进一步研究了材料的导热性能，为优化加工工艺和提高加工效率提供了理论依据。

以某型号不锈钢杆件为例，在结构化砂轮磨削过程中，通过对其进行结构加工，发现其加工区域高温可达到上百摄氏度，易产生热裂和砂轮磨损。通过对其进行再冷却，可使其达到较高的研磨效果，达到较好的效果。

2 细长杆钢件磨削的挑战与解决方案

2.1 细长杆钢件磨削的难点分析

由于细长杆钢件磨削的结构特点及材质特点，造成了加工困难。但是，它的长、径比例非常大，在研磨时极易产生弯曲、振荡等现象，从而降低了加工的精度。另外，由于钢材本身具有较高的硬度和较高的抗磨损性能，给加工制造带来了困难。

2.2 结构化砂轮在细长杆钢件磨削中的应用

采用构造型砂轮对细长杆钢件进行研磨加工具有十分重要的意义。细长杆钢件零件因其长径比大、刚性差、易变形等特性，采用常规的砂轮研磨方法很难满足其高精度和高效率的需求。而通过对砂轮几何形状、颗粒排列方式及结合剂种类的优化，可大幅提升工艺的稳定性与生产效率。

例如，在航天领域磨削细长杆，使用了结构性砂轮进行磨削。试验结果表明，采用这种新型的加工方法，可以使加工的加工效率提高30%以上，而加工出的零件的加工质量可减少20%左右。这种明显的改进，不但使制造时间大大减少，而且使产品的品质得到改善，给企业创造了明显的效益。

2.3 磨削参数优化与工艺改进

经过深入研究不同磨削参数对细长杆钢件磨削效果的影响，我们成功优化了磨削参数与工艺。通过精确调整砂轮转速至1500r/min、进给速度为0.05mm/r以及磨削深度为0.2mm，我们实现了磨削效率与质量的最佳平衡。这一参数的优化不仅大幅提升了磨削效率，而且显著降低了磨削过程中产生的热损伤及表面粗糙度。这一成果体现了我们对磨削工艺的深入理解和持续改进的决心。

3 磨削性能评价体系

3.1 磨削效率的评价指标

磨削效率是衡量磨削效果的一个重要参数，它是衡量磨削加工能力和加工经济性的一个重要标志。采用结构型砂轮进行长杆钢件的加工，提高加工效率具有十分重要的意义。通过对磨削工艺参数的优化、砂轮结构的优化、装备的改进，是实现高效磨削的一种有效途径。

实践中，利用国际上最先进的数控磨床及特制的结构化砂轮，对细长钢件零件进行了加工试验。试验证明，采用合适的加工工艺，可以明显地改善加工效果。相对于常规的磨削方法，结构化砂轮在磨削过程中具有更好的散热性能和更高的磨削力，降低磨削次数和能耗。

3.2 磨削加工品质评定标准

磨削加工中，磨削品质的评估是非常重要的。它既是磨削过程的结果，又是磨削制品的品质与使用性能的重要因素。而在加工过程中，工件的加工精度是一个重要的参数。工件的表面粗糙程度对其抗磨损性能、抗腐蚀性能和服役寿命有很大的影响。为此，必须对磨削加工时的砂轮颗粒大小、速度及进给进行精确的调控，从而达到减小加工表面粗糙度，提高加工质量的目的。

在评定加工质量时，除加工表面粗糙度以外，还应考虑加工精度。磨削加工的质量对工件的外形质量有很大的影响。要保证加工质量，就必须对其进行精密的修复，以保证其外形、尺寸符合工件的需求。在此基础上，实现合理的磨削工艺，保证磨削力的平稳可控，防止由于磨削力太大或太弱而造成的工件外形偏差或变形。

3.3 磨削工艺的稳定和可靠度评估

在加工工艺中，最主要的衡量参数是稳定和可靠度。稳定性是指磨削力、温度、砂轮磨损等因素在磨削加工中的稳定性，而可靠度是指磨削加工长期运转后仍能维持其工作特性的稳定性。这两项性能指标与研磨过程的品质及效率有着密切的联系。利用统计的手段，对加工中的各种参量进行监控与分析，从而评价加工的稳定性。比如，采集磨削力、磨削温度等相关参量，通过对各参量的均值和方差进行分析，实现对各参量的定量评价，进而评价磨削加工的稳定性。同时，采用时序分析等手段，实现了对磨矿生产运行状态的实时监控与预报，并能对生产运行中可能出现的不稳定问题进行有效的预警与控制。

对于系统的可靠性评估，采用试验与仿真两种方式。首先，通过室内长期连续的磨削试验，对磨削失效、砂轮磨损等现象进行分析，并对出现的次数及出现的概率进行分析。其次，采用有限元法等数值模拟手段，对磨削加工中的应力、温度分布进行模拟，实现对刀具磨损特性的预报。将试验与仿真相结合，实现对研磨工艺可靠性的综合评价。

4 总结

综上所述，结构化砂轮磨削技术具有广阔的应用范围和市场空间。随着技术的不断发展和完善，在今后的产品开发过程中，结构化砂轮磨削技术将扮演越来越大的角色，并对我国的制造业发展起到积极的推动作用。

参考文献：

[1]吴丹,张严,项兴东.结构化砂轮磨削细长杆钢件性能研究[J]. 硬质合金,2022,39(02):127-132.

[2]郑晓猛,杜三明,张永振等.磨削加工对GCr15SiMn轴承钢表面组织性能的影响[J]. 材料热处理学报,2020,41(01):86-93.DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2019-0321.

[3]王俊博. 筋条表面磨削的砂轮设计、制造与拓扑磨削机理研究[D]. 沈阳理工大学,2022.DOI:10.27323/d.cnki.gsgyc.2022.000276.

[4]关铭瑞. 结构化砂轮磨削加工微结构表面创成机制研究[D]. 北京交通大学,2021.DOI:10.26944/d.cnki.gbfju.2021.002547.