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                  高速陶瓷CBN砂輪的強度
                  2013/8/4  -
                  摘  要:  通過對使用速度120m/s陶瓷CBN-GrindingWheel-CBN-Grinding-Technology.html">CBN砂輪所受應力進行分析計算,提出了其制造工藝中對金屬基體、粘接層和CBN層的強度要求,并給出了實驗結果。      
                  ABSTRACT:  By making an analysis and a count of the stress of vitrified CBN grinding      
                  wheels at speed of 120m/s, the author gives out the strength requirement for the metal   
                  base, cohered layer and CBN layer in the process of manufacture, and the experimental   
                  results      
                  關鍵詞:  高速 陶瓷CBN砂輪 強度      
                  KEYWORDS:  High-Speed, Vitrified CBN Grinding Wheels, Strength       
                  1  前言      
                  高速、高效、高精度磨削已成為CBN磨削技術發展的主流。陶瓷CBN砂輪的使用速度普遍達到80-120m/s,150-200 m/s的砂輪已逐步進入實用階段。它的制造技術成為CBN磨削技術的重要環節,直接關系到砂輪使用的效果以及設備和人身的安全。強度則是該種砂輪制造工藝中必須首先關注的最重要技術參數之一。      
                  砂輪在高速回轉時所產生的應力和其本身的強度是研究使用安全性的兩個關鍵。對于使用速度80~120m/s的高速砂輪來講,高速回轉時整體的高強度顯得尤為重要。應從三個部分來考察它的強度:基體、粘結層和磨料層。它們的強度大于高速回轉時所產生的應力,砂輪就不會破裂,磨料層也不會從基體上剝離。從而保證砂輪使用的安全性。      
                  2  應力分析      
                  磨具的機械強度主要有抗拉、抗折、抗壓和抗沖擊強度。由于砂輪在高速回轉中產生很大的離心力,使其內部以受拉應力為主。因而,抗拉強度的高低就與砂輪可能破裂的程度有關。與抗壓和抗折強度相比,一般材料的抗拉強度都較低。經驗數據表明:陶瓷磨具的抗拉強度是抗折強度的1/2~1/3。是抗壓強度的1/5~1/9。所以磨具的抗拉強度能滿足其回轉時產生的抗應力的要求,是磨具安全使用的首要條件。      
                  下面從最大應力學說的計算公式,來分析砂輪高速回轉時所產生的應力。      
                  砂輪在繞自身軸旋轉時,其內部產生兩種力:一是沿半徑方向的徑向應力σR;一是沿旋轉的切線方向的切向應力σT。σR和σT的最大值、最小值及在砂輪上距中心的任一點a處應力的計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—砂輪上任一點距中心的距離  cm      
                  上述公式表明,砂輪在回轉時所受應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離中心的距離有關。切向應力遠大于徑向應力。      
                  本文所涉及砂輪的規格尺寸如 表1所示。      
                  砂輪使用速度120m/s,破裂系數選2,即破裂速度為240m/s,基體材料為鋼或鑄鋁時,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 來計。      
                  根據公式(1)和有關的計算參數,在使用速度120m/s時,不同規格、不同基體材料時砂輪所受的最大切向應力計算值如表2所示。      
                  按公式(3)、(4)可計算出砂輪粘接層和CBN層在不同成型密度時所受的應力,以及在考慮應力集中系數為1.75時,測試抗拉強度的“8”字塊所需要達到的強度值。具體計算結果如表3所示。     
                  由表2,表3的計算值可知,對所選定的砂輪規格尺寸,當使用速度最高為120m/s時,為確保砂輪不破碎,基體抗拉強度必須是: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”字塊的抗拉強度必須在32.2MPa~16.0MPa 以上(不同規格、不同成型密度時則不同)。      
                  3   強度實驗      
                  3.1 基體材料的選擇      
                  幾種金屬材料的抗拉強度如表4所示。      
                  從表4數據可以看出,一般鋼材的抗拉強度均可滿足120m/s砂輪基體的強度要求,一般鋁材的抗拉強度比所需強度高出不多,考慮到鑄鋁的組織均勻性不太好,高速回轉時會增大砂輪的動不平衡性,影響磨削效果。根據這些金屬材料的性質和高速砂輪的強度要求,當使用速度≥80m/s時,砂輪基體材料以選擇鋼材為宜。      
                  3.2  粘接強度實驗      
                  選擇的粘接劑,在不同的粘接條件下“8”字塊的抗拉強度如表5所示     
                  由以上實驗結果可以看出,在不同粘接條件下,粘接的平均抗拉強度遠大于砂輪在120m/s時粘接層處所受的應力。      
                  3.3  CBN層強度      
                  CBN磨料層的強度是結合劑自身強度,磨料強度及結合劑對磨料把持力的一種綜合體現。由于試樣制作上的問題,本文以CBN磨料試條的抗折強度間接衡量其抗拉強度的大小。不同牌號磨料,不同濃度,不同結合劑用量及成型密度下的抗折強度實驗結果及取抗折強度/抗拉強度=2.5時,抗拉強度的計算值如表6所示。      
                  參照表3可知,CBN層的強度也完全可以滿足砂輪在120m/s時的強度要求;      
                  3.4  砂輪回轉強度檢測及使用驗證      
                  選擇14A1 450×20×127和1A1600×16×305兩種規格的砂輪,按使用速度120m/s的1.5倍進行回轉強度檢測均為合格。在凸輪軸生產現場以80~125m/s速度使用,沒發生過砂輪掉塊或破碎現象。      
                  綜上所述, 通過正確選擇砂輪的基體材料、粘接劑和粘接工藝及砂輪的結合劑和配方,砂輪的整體強度完全可以滿足使用速度120m/s的需要。      
                  *本文是作者在承擔科技部基金項目時所撰寫論文的摘要                       (作者:劉一來) 
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