陶瓷CBN砂輪的強(qiáng)度
發(fā)布時(shí)間：2018-12-27
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摘 要： 通過(guò)對(duì)使用速度120m/s陶瓷CBN砂輪所受應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，提出了其制造工藝中對(duì)金屬基體、粘接層和CBN層的強(qiáng)度要求，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 高速 陶瓷CBN砂輪 強(qiáng)度
1 前言
高速、高效、高精度磨削已成為CBN磨削技術(shù)發(fā)展的主流。陶瓷CBN砂輪的使用速度普遍達(dá)到80-120m/s，150-200 m/s的砂輪已逐步進(jìn)入實(shí)用階段。它的制造技術(shù)成為CBN磨削技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到砂輪使用的效果以及設(shè)備和人身的安全。強(qiáng)度則是該種砂輪制造工藝中必須首先關(guān)注的最重要技術(shù)參數(shù)之一。
砂輪在高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力和其本身的強(qiáng)度是研究使用安全性的兩個(gè)關(guān)鍵。對(duì)于使用速度80～120m/s的高速砂輪來(lái)講，高速回轉(zhuǎn)時(shí)整體的高強(qiáng)度顯得尤為重要。應(yīng)從三個(gè)部分來(lái)考察它的強(qiáng)度：基體、粘結(jié)層和磨料層。它們的強(qiáng)度大于高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，砂輪就不會(huì)破裂，磨料層也不會(huì)從基體上剝離。從而保證砂輪使用的安全性。
2 應(yīng)力分析
磨具的機(jī)械強(qiáng)度主要有抗拉、抗折、抗壓和抗沖擊強(qiáng)度。由于砂輪在高速回轉(zhuǎn)中產(chǎn)生很大的離心力，使其內(nèi)部以受拉應(yīng)力為主。因而，抗拉強(qiáng)度的高低就與砂輪可能破裂的程度有關(guān)。與抗壓和抗折強(qiáng)度相比，一般材料的抗拉強(qiáng)度都較低。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：陶瓷磨具的抗拉強(qiáng)度是抗折強(qiáng)度的1/2～1/3。是抗壓強(qiáng)度的1/5～1/9。所以磨具的抗拉強(qiáng)度能滿(mǎn)足其回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的抗應(yīng)力的要求，是磨具安全使用的首要條件。
下面從最大應(yīng)力學(xué)說(shuō)的計(jì)算公式，來(lái)分析砂輪高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力。
砂輪在繞自身軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生兩種力：一是沿半徑方向的徑向應(yīng)力σR；一是沿旋轉(zhuǎn)的切線方向的切向應(yīng)力σT。σR和σT的最大值、最小值及在砂輪上距中心的任一點(diǎn)a處應(yīng)力的計(jì)算公式分別表述如下：
在上述式中：
ρ—材料密度 kg/m3
v—砂輪線速度 m/s
μ—泊桑比
r—孔半徑 cm
R—砂輪半徑 cm
α—孔徑與外徑之比，α=r/R
a—砂輪上任一點(diǎn)距中心的距離 cm
上述公式表明，砂輪在回轉(zhuǎn)時(shí)所受應(yīng)力的大小與所用材料的密度、使用線速度、外徑和孔徑的尺寸及所考慮的受力點(diǎn)離中心的距離有關(guān)。切向應(yīng)力遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)力。
本文所涉及砂輪的規(guī)格尺寸如 表1所示。
砂輪使用速度120m/s，破裂系數(shù)選2，即破裂速度為240m/s，基體材料為鋼或鑄鋁時(shí)，密度ρ和泊桑比μ分別為7.8克/cm3、2.7克/cm3和0.26、0.34。CBN層的μ值取0.3，密度ρ分別以ρ1, ρ2 , ρ3 來(lái)計(jì)。
根據(jù)公式（1）和有關(guān)的計(jì)算參數(shù)，在使用速度120m/s時(shí)，不同規(guī)格、不同基體材料時(shí)砂輪所受的最大切向應(yīng)力計(jì)算值如表2所示。
按公式（3）、（4）可計(jì)算出砂輪粘接層和CBN層在不同成型密度時(shí)所受的應(yīng)力，以及在考慮應(yīng)力集中系數(shù)為1.75時(shí)，測(cè)試抗拉強(qiáng)度的“8”字塊所需要達(dá)到的強(qiáng)度值。具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。
由表2，表3的計(jì)算值可知，對(duì)所選定的砂輪規(guī)格尺寸，當(dāng)使用速度最高為120m/s時(shí)，為確保砂輪不破碎，基體抗拉強(qiáng)度必須是：鋼基體大于395.1MPa，鑄鋁基體大于138.5Mpa；為保證CBN層不剝離，不破裂，粘接層和CBN層的“8”字塊的抗拉強(qiáng)度必須在32.2MPa～16.0MPa 以上（不同規(guī)格、不同成型密度時(shí)則不同）。
3 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)
3.1 基體材料的選擇
幾種金屬材料的抗拉強(qiáng)度如表4所示。
從表4數(shù)據(jù)可以看出，一般鋼材的抗拉強(qiáng)度均可滿(mǎn)足120m/s砂輪基體的強(qiáng)度要求，一般鋁材的抗拉強(qiáng)度比所需強(qiáng)度高出不多，考慮到鑄鋁的組織均勻性不太好，高速回轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)增大砂輪的動(dòng)不平衡性，影響磨削效果。根據(jù)這些金屬材料的性質(zhì)和高速砂輪的強(qiáng)度要求，當(dāng)使用速度≥80m/s時(shí)，砂輪基體材料以選擇鋼材為宜。
3.2 粘接強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)
選擇的粘接劑，在不同的粘接條件下“8”字塊的抗拉強(qiáng)度如表5所示
由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同粘接條件下，粘接的平均抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于砂輪在120m/s時(shí)粘接層處所受的應(yīng)力。
3.3 CBN層強(qiáng)度
CBN磨料層的強(qiáng)度是結(jié)合劑自身強(qiáng)度，磨料強(qiáng)度及結(jié)合劑對(duì)磨料把持力的一種綜合體現(xiàn)。由于試樣制作上的問(wèn)題，本文以CBN磨料試條的抗折強(qiáng)度間接衡量其抗拉強(qiáng)度的大小。不同牌號(hào)磨料，不同濃度，不同結(jié)合劑用量及成型密度下的抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及取抗折強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度=2.5時(shí)，抗拉強(qiáng)度的計(jì)算值如表6所示。
參照表3可知，CBN層的強(qiáng)度也完全可以滿(mǎn)足砂輪在120m/s時(shí)的強(qiáng)度要求；
3.4 砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度檢測(cè)及使用驗(yàn)證
選擇14A1 450×20×127和1A1600×16×305兩種規(guī)格的砂輪，按使用速度120m/s的1.5倍進(jìn)行回轉(zhuǎn)強(qiáng)度檢測(cè)均為合格。在凸輪軸生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以80～125m/s速度使用，沒(méi)發(fā)生過(guò)砂輪掉塊或破碎現(xiàn)象。
綜上所述， 通過(guò)正確選擇砂輪的基體材料、粘接劑和粘接工藝及砂輪的結(jié)合劑和配方，砂輪的整體強(qiáng)度完全可以滿(mǎn)足使用速度120m/s的需要。
關(guān)鍵詞： 高速 陶瓷CBN砂輪 強(qiáng)度
1 前言
高速、高效、高精度磨削已成為CBN磨削技術(shù)發(fā)展的主流。陶瓷CBN砂輪的使用速度普遍達(dá)到80-120m/s，150-200 m/s的砂輪已逐步進(jìn)入實(shí)用階段。它的制造技術(shù)成為CBN磨削技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到砂輪使用的效果以及設(shè)備和人身的安全。強(qiáng)度則是該種砂輪制造工藝中必須首先關(guān)注的最重要技術(shù)參數(shù)之一。
砂輪在高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力和其本身的強(qiáng)度是研究使用安全性的兩個(gè)關(guān)鍵。對(duì)于使用速度80～120m/s的高速砂輪來(lái)講，高速回轉(zhuǎn)時(shí)整體的高強(qiáng)度顯得尤為重要。應(yīng)從三個(gè)部分來(lái)考察它的強(qiáng)度：基體、粘結(jié)層和磨料層。它們的強(qiáng)度大于高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，砂輪就不會(huì)破裂，磨料層也不會(huì)從基體上剝離。從而保證砂輪使用的安全性。
2 應(yīng)力分析
磨具的機(jī)械強(qiáng)度主要有抗拉、抗折、抗壓和抗沖擊強(qiáng)度。由于砂輪在高速回轉(zhuǎn)中產(chǎn)生很大的離心力，使其內(nèi)部以受拉應(yīng)力為主。因而，抗拉強(qiáng)度的高低就與砂輪可能破裂的程度有關(guān)。與抗壓和抗折強(qiáng)度相比，一般材料的抗拉強(qiáng)度都較低。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：陶瓷磨具的抗拉強(qiáng)度是抗折強(qiáng)度的1/2～1/3。是抗壓強(qiáng)度的1/5～1/9。所以磨具的抗拉強(qiáng)度能滿(mǎn)足其回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的抗應(yīng)力的要求，是磨具安全使用的首要條件。
下面從最大應(yīng)力學(xué)說(shuō)的計(jì)算公式，來(lái)分析砂輪高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力。
砂輪在繞自身軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生兩種力：一是沿半徑方向的徑向應(yīng)力σR；一是沿旋轉(zhuǎn)的切線方向的切向應(yīng)力σT。σR和σT的最大值、最小值及在砂輪上距中心的任一點(diǎn)a處應(yīng)力的計(jì)算公式分別表述如下：
在上述式中：
ρ—材料密度 kg/m3
v—砂輪線速度 m/s
μ—泊桑比
r—孔半徑 cm
R—砂輪半徑 cm
α—孔徑與外徑之比，α=r/R
a—砂輪上任一點(diǎn)距中心的距離 cm
上述公式表明，砂輪在回轉(zhuǎn)時(shí)所受應(yīng)力的大小與所用材料的密度、使用線速度、外徑和孔徑的尺寸及所考慮的受力點(diǎn)離中心的距離有關(guān)。切向應(yīng)力遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)力。
本文所涉及砂輪的規(guī)格尺寸如 表1所示。
砂輪使用速度120m/s，破裂系數(shù)選2，即破裂速度為240m/s，基體材料為鋼或鑄鋁時(shí)，密度ρ和泊桑比μ分別為7.8克/cm3、2.7克/cm3和0.26、0.34。CBN層的μ值取0.3，密度ρ分別以ρ1, ρ2 , ρ3 來(lái)計(jì)。
根據(jù)公式（1）和有關(guān)的計(jì)算參數(shù)，在使用速度120m/s時(shí)，不同規(guī)格、不同基體材料時(shí)砂輪所受的最大切向應(yīng)力計(jì)算值如表2所示。
按公式（3）、（4）可計(jì)算出砂輪粘接層和CBN層在不同成型密度時(shí)所受的應(yīng)力，以及在考慮應(yīng)力集中系數(shù)為1.75時(shí)，測(cè)試抗拉強(qiáng)度的“8”字塊所需要達(dá)到的強(qiáng)度值。具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。
由表2，表3的計(jì)算值可知，對(duì)所選定的砂輪規(guī)格尺寸，當(dāng)使用速度最高為120m/s時(shí)，為確保砂輪不破碎，基體抗拉強(qiáng)度必須是：鋼基體大于395.1MPa，鑄鋁基體大于138.5Mpa；為保證CBN層不剝離，不破裂，粘接層和CBN層的“8”字塊的抗拉強(qiáng)度必須在32.2MPa～16.0MPa 以上（不同規(guī)格、不同成型密度時(shí)則不同）。
3 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)
3.1 基體材料的選擇
幾種金屬材料的抗拉強(qiáng)度如表4所示。
從表4數(shù)據(jù)可以看出，一般鋼材的抗拉強(qiáng)度均可滿(mǎn)足120m/s砂輪基體的強(qiáng)度要求，一般鋁材的抗拉強(qiáng)度比所需強(qiáng)度高出不多，考慮到鑄鋁的組織均勻性不太好，高速回轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)增大砂輪的動(dòng)不平衡性，影響磨削效果。根據(jù)這些金屬材料的性質(zhì)和高速砂輪的強(qiáng)度要求，當(dāng)使用速度≥80m/s時(shí)，砂輪基體材料以選擇鋼材為宜。
3.2 粘接強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)
選擇的粘接劑，在不同的粘接條件下“8”字塊的抗拉強(qiáng)度如表5所示
由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同粘接條件下，粘接的平均抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于砂輪在120m/s時(shí)粘接層處所受的應(yīng)力。
3.3 CBN層強(qiáng)度
CBN磨料層的強(qiáng)度是結(jié)合劑自身強(qiáng)度，磨料強(qiáng)度及結(jié)合劑對(duì)磨料把持力的一種綜合體現(xiàn)。由于試樣制作上的問(wèn)題，本文以CBN磨料試條的抗折強(qiáng)度間接衡量其抗拉強(qiáng)度的大小。不同牌號(hào)磨料，不同濃度，不同結(jié)合劑用量及成型密度下的抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及取抗折強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度=2.5時(shí)，抗拉強(qiáng)度的計(jì)算值如表6所示。
參照表3可知，CBN層的強(qiáng)度也完全可以滿(mǎn)足砂輪在120m/s時(shí)的強(qiáng)度要求；
3.4 砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度檢測(cè)及使用驗(yàn)證
選擇14A1 450×20×127和1A1600×16×305兩種規(guī)格的砂輪，按使用速度120m/s的1.5倍進(jìn)行回轉(zhuǎn)強(qiáng)度檢測(cè)均為合格。在凸輪軸生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以80～125m/s速度使用，沒(méi)發(fā)生過(guò)砂輪掉塊或破碎現(xiàn)象。
綜上所述， 通過(guò)正確選擇砂輪的基體材料、粘接劑和粘接工藝及砂輪的結(jié)合劑和配方，砂輪的整體強(qiáng)度完全可以滿(mǎn)足使用速度120m/s的需要。
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