ELID超声珩磨机设计论文

摘 要 珩磨头上的油石容易堵塞和磨粒磨损变钝是影响珩磨质量和加工效率的主要原因，所以采用有效的珩磨头修整方法，使珩磨头保持良好的锋利状态和磨削性能是解决工程上一些硬脆材料磨削加工的关键技术之一。本文介绍了在线电解修锐(ELID)技术，对金属结合剂的珩磨头进行电解修锐。并在一定程度上介绍了一般珩磨的特点, 珩磨是一种固结磨粒压力进给切削的精整加工方法，不仅能切除较大的加工余量而且能有效的提高工件的尺寸精度和形状精度、降低工件表面的粗糙度。珩磨主要加工内孔，在一定条件下也可以加工外圆、平面、球面、齿面。珩磨轨迹是交叉网纹，珩磨加工变质层很小能提高工件的使用寿命。珩磨与主轴一般采用浮动连接，符合广整加工的浮动加工原理。 在对ELID磨削原理进行深入分析总结的基础上，本文首先对ELID磨削必备的阴极、阳极电刷等装置进行设计开发，分析了修锐珩磨头ELID专用磨削液，并对其电解成膜特性进行了分析。 关键词: ELID﹑ 珩磨头﹑ 珩磨﹑油石 Abstract The main reason affecting the honing quality and machining efficiency is that the rock of honing first is jammed and the grain is wore to obtuse easily. So adopting an Effectual truing method, maintaining the required sharpness of abrasive grits for honing first during grinding is one of the key technologies to realize the grinding of hard and brittle material . In this paper, we introduce the skill craft of ELID. studies on combining electrical discharge and mechanical truing for honing first and ELID grinding. Introducing the characteristic of the honing in the sometime, It is a kind of solid knot that honing whet is to process the method when a pressure enter to slice, not only can it cut off bigger process but the amount of remaining and size accuracy and shape accuracy of the ability valid exaltation work piece, lower rough degree of a surface of work. The honing whets to mainly process inside the bore, can also process the outside circle, flat surface, surface of sphere under the condition of certain. The honing whets are to adopt the conjunction with principal axis generally, matching the light processed float. Firstly, based on analyzing and summarizing the theory of ELID, the cathode And anode brush of the ELID system are designed and developed. By studying on the electrolytic Characteristics and the oxides film growing characteristics of the metallic bonded honing first, the ELID grinding fluid is developed. Key Words: Electrolytic In-process dressing, honing first, honing, rock 目录 前言 1 1.毕业设计的目的 1 2.毕业设计的主要内容和要求 1 3.程序和时间安排 2 第一章 绪论 3 1.1课题的来源及研究背景 3 1.1.1课题来源及研究意义 3 1.1.2珩磨加工的特点 4 1.2珩磨头修整技术的发展现状 5 1.2.1 珩磨头现有的修整方法 5 1.2.2在线电解修锐技术的发展及研究现状 7 1.3论文研究的主要内容 10 第二章 珩磨头的设计 11 2.1珩磨头设计因素及要求 11 2.1.1珩磨头设计时应考虑的因素 11 2.1.2对珩磨头结构的基本要求 12 2.2珩磨头的结构形式 13 2.2.1通用珩磨头 15 2.2.2小孔珩磨头 16 2.2.3大孔珩磨头 20 2.2.4平项珩磨头 21 2.2.5特殊珩磨头 22 2.3珩磨油石 24 2.3.1珩磨油石的性能 24 2.3.2珩磨油石的规格及数量 29 2.3.3珩磨油石的连接方式 30 2.4小结 31 第三章 珩磨头在线电解修锐原理 32 3.1 ELID磨削的基本原理 32 3.2 ELID磨削的特点 34 3.3 ELID修锐的电化学反应原理 36 3.4 ELID修锐中氧化膜的作用机理 39 3.5小结 42 第四章 ELID珩磨装置系统 42 4.1 ELID珩磨装置 42 4.2 ELID珩磨装置及方法 44 4.2.1背景技术 44 4.2.2 ELID珩磨装置专用电源 49 4.2.3 阴极的设计 50 4.2.4阳极电刷的设计 52 4.2.5 ELID高速磨削专用磨削液的研制 53 4.2.6 ELID磨削液的性能要求及成分选择 53 4.3小结 54 结束语 55 致 谢 57 参考文献 58 —IV— 前 言 毕业设计是学生学完大学教学计划所规定的全部基础课和专业课后，综合运用所学的知识，与实践相结合的重要实践性教学环节。它是大学生活最后一个里程碑，是四年大学学习的一个总结，是我们结束学生时代，踏入社会，走上工作岗位的必由之路，是对我们工作能力的一次综合性检验。 1.毕业设计的目的 通过本次毕业设计，使达到以下几个效果： （1）巩固、扩大、深化学生以前所学的基础和专业知识； （2）培养学生综合分析、理论联系实际的能力； （3）培养学生调查研究、正确熟练运用国家标准、规范、手册等工具书的能力； （4）锻炼进行设计计算、数据处理、编写技术文件、绘图等独立工作能力。 总之，通过毕业设计使学生建立正确的设计思想，初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而使学生受到一次工程师的基本训练。 2.毕业设计的主要内容和要求 本次设计的主要内容是珩磨头的ELID的修锐装置。具体设计内容和要求如下: （1） 调查使用部门对珩磨的具体要求，现在对珩磨头修锐的方法；收集并分析国内外同类型的先进技术、发展趋势以及有关的科技动向；调查一些工厂的设备、技术能力和生产经验等。 （2） 珩磨头的ELID的修锐装置的设计主要是设计珩磨装置、ELID装置所用的电极，确定各部分的相互关系；拟订总体设计方案，根据总体设计方案，选择通用部件，并绘制装配图和各零件的零件图； （3） 其他零部件的设计和选择； （4） 编制设计技术说明书一份。 3.程序和时间安排 毕业设计是实践性的教学环节，由于时间的限制，本次毕业设计不可能按工厂的设计程序来进行，具体的说，可以分以下几个阶段： （1）实习阶段，通过毕业实习实地调查、研究、收集有关资料，掌握ELID磨削加工技术，了解珩磨头的ELID修锐装置结构、工作原理和设计的基本要求，花两周时间； (2) 制定方案、总体设计阶段，花两周时间； (3) 计算和技术设计阶段，绘制图纸，整理设计说明书，花四周时间； (4) 答辩阶段，自述设计内容，回答问题，花半周时间。 1 绪论 1.1 课题的来源及研究背景 1.1.1 课题来源及研究意义 珩磨时容易发生粘附、变钝、堵塞的现象，是影响硬脆材料珩磨质量和效率的因素之一，磨损和堵塞后的珩磨头磨削性能变差，无法继续对工件材料进行珩磨加工，这既影响了工件的加工质量，又影响加工效率，所以，采用一种有效的珩磨头修整方法，实现工程材料的高速高效磨削加工，对工程材料的加工的推广应用有十分重要的意义。 在线电解修锐技术(ElectrolyticIn-processDressing，简称ELID)利用金属结合剂的溶解去除和油石表层生成的氧化物绝缘层对电解抑制作用所构成的动态平衡，对珩磨头上的油石进行连续非线性修锐，使油石磨粒获得恒定的突出量，从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程，可以很好的解决一些材料的难加工问题。国内外的一些高校和学者己经对该项技术进行了一定的理论和试验研究工作，取得一定的成果，ELID磨削可以明显的降低磨削力和工件表面粗糙度，但是目前珩磨头在线电解修锐技术主要应用于低速、精密和超精密镜面珩磨中,研究对珩磨头的ELID修锐机理，对提高材料的珩磨效率、改善表面加工质量以及拓宽珩磨头在线电解修锐技术的应用领域都具有重要的意义。 珩磨头ELID修锐原理是利用金属结合剂超硬磨料珩磨头与电源正极相接做阳极，工具电极做阴极，在珩磨头和电极的间隙中通过电解磨削液，利用电解过程中的阳极溶解效应，对珩磨头表层的金属基体进行电解去除，从而逐渐露出崭新锋利的磨粒，形成对珩磨头的修整作用：同时形成一层钝化膜附着于珩磨头表面，抑制珩磨头过度电解，从而使珩磨头始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以该技术将珩磨头修整与磨削过程结合在一起，利用金属基珩磨头进行磨削加工的同时利用电解方法对珩磨头进行修整，从而实现对硬脆材料的连续超精密镜面磨削。ELID修锐是在磨削过程中，利用非线性电解修整作用和金属结合剂超硬磨料珩磨头表层氧化物绝缘层对电解抑制作用的动态平衡，对珩磨头进行连续修锐修整，使珩磨头磨粒获得恒定的突出量，从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程，它适用于硬脆材料进行超精密镜面磨削。 ELID修锐技术是对金属结合剂超硬磨料珩磨头在线修整、修锐的复合磨削技术，在精密加工领域独树一帜，具有自身的一些显著特点。 磨削过程具有良好的稳定性和可控性，易于实现磨削过程的最优化：加工精度高，表面裂纹少，表面质量好：适应性广泛，磨削效率高：装置简单，成本低推广性强等。 1.1.2 珩磨加工的特点 珩磨加工可以提高工件的尺寸、几何形状精度和表面光洁度，它的加工特点有： （1）表面质量特性好 珩磨可以获得较低的表面粗糙度，一般可达Ra0.8~0.2μm，甚至可低于Ra0.025μm，同时珩磨表面上有均匀的交叉网纹有利于贮油润滑。实现平顶珩磨，可使有相对运动的摩擦副获得较理想的表面质量。珩磨加工面具有交叉网纹，有利于润滑油的贮存和油膜的保持，并有较高的表面支承率，因而能承受较大的载荷，乃磨损，从而延长了使用寿命。另一方面，由于珩磨速度低，且油石与孔是面接触，因此每一磨粒的平均磨削压力很小，这样工件的发热量很少，工件可能产生的变形量也少，工件表面几乎没有热损伤和变质层，适于加工相对运动精度高的精密偶件，此外，珩磨加工面几乎没有嵌砂和挤压硬质层。 （2）加工精度高 现代珩磨技术不仅可以获得较高的尺寸精度，而且还能修正孔在珩磨加工中出现的轻微形状误差，如圆度、圆柱度和表面波纹等。珩磨小孔时，圆度与圆柱度可达0.5μm，轴线直线度可小于1μm；珩磨中等孔径，圆柱度可达5μm，圆柱度不超过10μm；珩磨短孔时，若用刚性连接珩磨头与平面浮动夹具，还可适当提高短孔轴线与端面的垂直度。间断孔珩磨可以提高同轴度。它不提高孔对其他孔或表面的相互位置精度，且一般对前道工序有一定的精度要求，否则不易保证得到较高的形状精度。 （3）珩磨效率高 可以使用多条油石或超硬磨料油石，也可提高珩磨头的往复速度增大网纹交叉角，能较快地去除珩磨余量与孔形误差。也可应用强力珩磨工艺，有效地提高珩磨效率。珩磨工件干净，在冷却液的冲洗下，很少积存脏污。珩磨加工一些圆周有孔或内槽的液压系统偶件时，可以保持这些孔与工件孔壁形成锐边，以保证偶件的液压性能。 （4）珩磨工艺较经济 薄壁孔和刚性不足的工件，或较硬的工件表面，用珩磨进行光整加工不需要复杂的设备与工装，操作方便。磨料选择适当，工具设计合理，切削速度合理的情况下，珩磨的经济效果较研磨好（主要反映在加工效率、加工精度和表面质量上），且加工稳定，因而零组件的成品率高。并且，珩磨加工可节省研磨加工所必须的辅助材料，如清洗用的汽油、棉花 等。采用超硬磨料做珩磨油石，经济效果更好。 1.2 珩磨头修整技术的发展现状 1.2.1 珩磨头现有的修整方法 珩磨加工过程中，珩磨头上的油石表层的磨粒会逐渐磨钝，磨钝后的油石摩擦力增大，磨削温度上升，容易发生颤振和烧伤，使被加工工件的表面完整性受到极大的影响，同时磨钝的油石也会使油石工作表面丧失正确的几何形状从而使加工精度降低。为了使珩磨头在使用中能始终保持正确的形状和锐利性，需要定期对珩磨头进行修整。修整实质上就是对珩磨头进行整形和修锐，整形是指对砂轮工作表面进行微量“切削”，使珩磨头达到所要求的几何形状精度，并使磨粒尖端微细破碎，形成锋利磨刃的过程;修锐是指除去磨粒间的部分结合剂(降低结合剂的高度)，使磨粒凸出结合剂之外，形成切削刃，同时产生足够的容屑空间的过程。 1.软弹性修整法 软弹性法修整珩磨头时，超硬磨料珩磨头以一定的速度旋转，而卷带轮则缓慢地转动，带动砂带缓慢移动，利用珩磨头的旋转而使砂带弹性变形不能完全恢复来实现去除珩磨头上油石上高点的目的。采用软弹性修整法修整砂轮时，被修整的砂轮与砂带之间能自动选择合适的挤压力，能保持修整过程稳定;砂带低速进给，与油石表面接触的砂带上的磨粒基本上没有磨损，因而可获得较强的修整能力;砂带是弹性的，因而它能去除砂轮表面磨粒间的结合剂，同时不损害磨粒的切削刃。 2.激光修整法 激光修整法是利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于油石表面，在极短的时间内使油石局部表面的金属结合剂材料以蒸发、气化和熔融溅射的形式被去除，而不损伤超硬磨粒，从而达到修整的目的。激光修整珩磨头时，激光照射区域小，节省油石材料;修整过程中珩磨头上的油石不受机械力，适于磨削过程中在线修整;通过焦距的改变，可以有选择地除去油石上阻塞的工件材料:不存在修整工具磨损报废的情况，可重复利用性强;修整速度快、工效高、易实现自动化。 3.超声振动游离磨粒珩磨头修整法 超声振动珩磨头修整的机理是由超声波发生器发出的超声频电信号传给换能器，变换成超声频的机械振动，由变幅杆放大后带动修整器对油石进行修整。超声振动修整珩磨头是一种优良的珩磨头修整方法。试验证明，超声振动修整后的珩磨头具有表面磨粒均匀、方向性好等特点。对于珩磨工件来说易于避免工件烧伤、降低磨削温度、减小磨削力、提高珩磨头的使用寿命等优点。 4.在线电解修锐技术 在线电解修锐技术是利用油石金属结合剂在电源的驱动下，在具有电解作用的磨削液中发生电解反应而溶解去除，使油石中的磨粒露出结合剂表面，形成一定的出刃高度和容屑空间，同时，在油石表面逐渐形成一层氧化膜，氧化膜的不断磨损与不断生成使得上述修整过程保持动态平衡，既避免了油石的过快消耗又自动保持了油石表面的磨削能力。在线电解修锐技术是专门应用于金属结合剂珩磨头的修整方法，与传统的电解修整方法相比，它具有修整效率高、工艺简单、修整质量好等特点。 1.2.2在线电解修锐技术的发展及研究现状 采用传统磨削工艺对工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金、淬火钢及半导体等硬脆材料进行加工时不仅磨削力大、磨削温度高、磨削效率低，而且砂轮极易钝化、堵塞而丧失其切削性能，从而造成工件加工表面脆性破坏及应力集中，加工质量恶化，难以满足高精度、高效率的加工要求。为了解决这一问题，日本学者HitoshiOhmori(大森整)于1987年提出了砂轮在线电解修锐技术，成功解决了硬脆材料的难加工问题。 从ELID方法提出开始，HitoshiOhmori以及国外的许多学者就对该技术进行了深入的研究，Hitoshi Ohmori, TakeoNakagawa, SeiMoriyasu等学者对硬脆材料ELID精密磨削的表面形成机理进行了试验分析研究，并且采用杯形砂轮实现了光学镜头的ELID镜面磨削。 在HitoshiOhmori研究的基础上，NobuhideItoh,ShinyaMorita等学者采用铸铁结合剂金刚石砂轮对Gd2SiO5的SLID磨削特点进行了研究:Kiyoshi Sawada,AkiraYamamot。等学者采用ELID技术对石英石坯料进行了磨削试验研究;YoshihiroUehara,YutakaYamagata,YutakaYamagata等人将ELID技术应用于一些微细工件的磨削加工中。 JamesC.M.Li就SLID磨削过程中阳极金属的去除率分别进行了二维和三维模型的分析研究;RichardJ.Boland在ELID磨削过程的计算机控制与监控方面进行了探索。 ELID精密磨削技术在日本己经得到较深入的研究和广泛的应用，在日本有"ELID磨削研究会”及相应的学术期刊《ELID研削研究会报》。日本的富士公司、Fuji模具株式会社、新东工业株式会社等许多公司采用该技术进行零部件的加工生产或从事与该技术相关产品的生产开发与技术支持，此外，日本KURODA公司、不二越株式会社还推出了系列ELID专用磨床。富士公司采用ELID磨削技术加工镜头，镀膜后直接用在望远镜、幻灯产品上，真正实现了光学镜头加工的以磨代研、代抛的工艺革命，东京物理化学研究所将ELID磨削技术应用于超精密数控加工，成功加工出光学玻璃和碳化硅陶瓷等材料的高精度非球曲面。从ELID技术诞生之初，美国就投巨资进行该技术的研究开发，还与日本进行该技术的交流与合作，美国在应用ELID磨削技术加工电子计算机半导体微处理器方面已取得突破性进展，在国防、航空航天及核工业等领域的应用研究也在进行。德国是最早研究ELID磨削技术的几个国家之一，在1991年就有德国的机床厂家进行系列ELID专用机床的设计。此外，英、法等国对ELID磨削技术也进行了深入的研究。在亚洲，韩国很早就同日本开展卓有成效的技术交流与合作。 ELID磨削技术在我国尚处于研究阶段，主要集中在高校，哈尔滨工业大学的袁哲俊、张飞虎等人在ELID精密、超精密镜面磨削、专用磨削液、专用电源、ELID镜面磨削中砂轮耐用度、铸铁砂轮ELID镜面磨削中电解氧化膜的作用机理以及氧化铝陶瓷和石榴石铁氧体等材料的ELID磨削等方面进行了理论与试验研究，成功研制了ELID精密磨削专用的脉冲电源、磨削液和砂轮，在国产机床上开发出平面、外圆和内圆ELID精密磨削装置. 大连理工大学的关佳亮、郭东明等人在ELID镜面磨削中氧化膜的生成机理硕士学位论文及作用、砂轮结合剂作用机理及金属结合剂砂轮的研制等方面进行了研究。 天津大学的徐燕申、张春河等人就ELID超精密镜面磨削中砂轮磨损规律以及磨削力变化规律等方面进行了试验研究。 北京工业大学的范晋伟、马春敏等人对ELID精密镜面磨削技术在不同磨削方式下的应用进行了研究，并且研制出硬脆材料精密磨削的ELID专用磨削液，实现了硬脆材料的ELID精密超精密磨削。 西北工业大学史兴宽、任敬心、彭炎午等人以及西安理工大学的王平、赵文福对铸铁结合剂微粉金刚石砂轮的在线电解修整进行了试验研究，广西大学的段明扬、杨玲等人对青铜结合剂金刚石砂轮电解修整进行了一定的研究。 这些研究成果促进了ELID技术的推广应用，目前，国内己有十几家单位应用该技术，如230厂用于加工动压马达零件，23所用于相阵雷达互易移相单元陶瓷、微晶玻璃、铁氧体等航天材料零件加工，8358厂用于光学玻璃非球曲面加工，205所用于光学玻璃加工，华侨大学用于加工大理石，福建南安宏伟陶瓷厂用于加工陶瓷等。 但是，目前ELID技术主要应用在采用微细粒度砂轮的低速、精密磨削中，当砂轮线速度提高后，由于砂轮与阴极之间的磨削液供给不足，使得砂轮的修锐效率下降，达不到理想的磨削效果，这是ELID技术在高速磨削的应用中所要解决的一个难题，而国内外学者对这方面的研究比较有限。美国StevensInstituteof Technology的ZhuZhenqi学者对ELID磨削过程中砂轮与阴极之间磨削液的流动状态与砂轮线速度之间的关系进行了仿真分析，对传统的刚性阴极与新设计的弹性箔片阴极进行了对比，仿真结果表明〔1)在传统的刚性阴极中，采用喷嘴喷射供液，砂轮线速度为24m/s时，极间间隙内的磨削液为层流状态，供液充足，修锐效果好，砂轮线速度提高到58m/s和118m/s时，由于磨削液供给不足，极间间隙内的磨削液为紊流状态，修锐效果差;(2)砂轮速度提高后，要保证极间间隙内的磨削液供给充足，必须使得磨削液的供给速度至少为砂轮线速度的一半，而这一点却很难实现:(3)文中新设计的弹性箔片阴极可以通过调整弹性箔片的速度和张紧力，在较低的供液速度下保证电解反应区内磨削液充足，较好的解决了高速ELID磨削中极间间隙内磨削液供液不足的问题。国内哈尔滨工业大学的张飞虎教授对石榴石铁氧体材料进行了ELID高效磨削试验研究，试验结果表明:采用铸铁结合剂金刚石砂轮ELID磨削的磨削力仅为相同条件下树脂结合剂砂轮非ELID磨削的2/5~3/5，试验中砂轮线速度为15.7m/s，工件进给速度为2m/min,最大磨削深度为4mm，实现了ELID高效磨削，但仍属于低速磨削，如果能进一步提高砂轮线速度，就可以大幅度的提高磨削效率。所以如何结合高速磨削与ELID技术的特点，实现粗粒度超硬磨料砂轮的高速高效ELID磨削，成为一个有待解决的实际问题。 1.3论文研究的主要内容 珩磨头在线电解修锐技术很好的解决了一些材料的珩磨中难加工问题，成功的实现了硬脆材料的精密、镜面珩磨，本文在基于ELID磨削原理的基础上，提出珩磨头的ELID珩磨装置.论文研究的主要内容包括以下四个方面: (1)对一般的珩磨头进行设计。 (2)介绍ELID磨削原理及特点，并从电化学反应原理的角度对ELID磨削的实现机理进行研究，分析氧化膜在ELID磨削中的作用。 (3)对ELID磨削所必需的珩磨头、阴极、阳极电刷、电源等装置在珩磨中的要求进行分析，分析能进行在线的ELID珩磨装置.选择应用于珩磨头ELID装置的专用磨削液。 (4)对ELID磨削中电源参数(电解电压、脉冲电流频率、脉冲电流占空比)对磨削力和工件表面粗糙度的影响，从而选择最优化的ELID磨削电源电解参数。 2 珩磨头的设计 2.1珩磨头设计因素及要求 在珩磨孔加工中分内孔珩磨和小孔珩磨两个方面。内孔珩磨一般指加工直径为25～500mm的圆柱通孔。对不通孔和内表面不连续的孔，也可珩磨，但较困难。小孔珩磨则指加工直径为25mm以下的孔。 珩磨头的作用是装置珩磨油石（亦称珩磨条或珩条），并由珩磨机主轴带动实现旋转、往复运动，还可通过调整机构，使珩磨油石作径向扩张或收缩。珩磨机的主要动作，都是通过它反映出来，以取得加工效果。 2.1.1珩磨头设计时应考虑的因素 （1）用于通孔还是不通孔，深孔还是浅孔，以及孔径大小。 （2）加工特性、工件材料与热处理状态。 （3）使用珩磨机床的型号、规格、主轴与工作台行程距离。 （4）工件定位对家具的要求，以便确定夹具的结构形式。 （5）工件的精度与粗糙度，确定珩磨加工方法。（即强制式珩磨或自由式珩磨）。 (6) 油石的结合剂应该用金属结合剂。 2.1.2对珩磨头结构的基本要求 （1）保证被加工孔的精度。 （2）遇到被加工表面上的硬点时，珩条不会被压退。 （3）当孔的轴线和主轴轴线不重合时，强制式珩杆能修整轴线的不垂直、不重合精度。自由式珩杆能自动找正工件中心。 （4）对较大孔珩磨时，珩磨油石应能自动调整，以保证与孔在全长范围接触，从而纠正孔形误差，补偿珩磨油石自身磨损的不均匀性。 （5）珩磨头在进孔及出孔时，能自动收缩。 （6）能精确而方便地调整珩磨油石的径向扩张量，并应有足够的扩张量，以保证最大限度地使用珩磨油石。 （7）能够避免各种工作状态下产生的各种振动因素。 图2-1 珩磨头 1——壳体；2——油石座；3——锥体； 4——垫块；5——弹簧； 6——传递杆； 7——心棒。 （8）有足够的强度和刚性。 2.2珩磨头的结构形式 珩磨加工中，工件能够得到多高的几何形状精度和切削效率，在很大程度上取决于珩磨头的结构形式及设计的合理性。珩磨头的结构形式取决于被加工孔的尺寸、形状和精度要求，以及所用机床的进给方式、油石的种类及夹具的结构等。 珩磨头的结构对加工质量和生产率都有很大的影响。对珩磨头的一般要求是：油石能在径向均匀的胀缩，对加工表面的压力能调整并保持在一定的调节范围内；油石应具有一定的刚度，当被加工孔的形状误差使油石的压力增加时，油石在半径方向不致发生位移和歪斜；珩磨到最后尺寸时，油石能迅速缩回，以便于珩磨头从孔内退出。 珩磨头的形式有：通用珩磨头（珩磨Φ20-Φ150mm孔）、小孔珩磨头（Φ5-Φ20mm孔）、大孔珩磨头（Φ150-Φ300mm孔）、平顶珩磨头、特殊珩磨头（组合式珩磨头、盲孔珩磨头、锥孔珩磨头、带气动喷嘴的自动测量珩磨头、减少噪声的珩磨头等）等形式。设计珩磨头时，根据所加工的孔径的大小来选择珩磨头的形式。 珩磨头一端连接机床主轴接头，杆部镶嵌或连接珩磨油石。在加工过程中，珩磨头的杆部与珩磨油石进入工件的被加工孔内，并承受切削转矩；在机床进给结构的作用下，驱动珩磨油石做径向扩张，实现珩磨的切削进给，使工件孔获得所需的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度。不论那一种珩磨头，它必须具备以下几个基本条件： （1）珩磨头上的油石对加工工件表面的压力能自由调整，并能保持在一定范围内。 （2）珩磨过程中，油石在轴的半径方向上可以自由均匀地胀缩，并具有一定刚度。 （3）珩磨过程中，工件孔的尺寸在达到要求后珩磨头上的油石能迅速缩回，以便于珩磨头从孔内退出。 （4）油石工作时无冲击、位移和歪斜。 图2-1所示的珩磨头，是靠液压控制油石胀缩。它主要由两个部分组成：上部一调节头，下部一工作头。工作头是由钢质壳体1和壳体上嵌装六块油石座2所组成．油石座2的两端用弹簧5来固定，使它们紧紧靠在壳体1上。在壳体1内部有一根长心棒7，通过中间传递杆6和两个锥体3铰接起来。当液体压力传到心棒7上时，心棒7便向下推动中间传递杆6，使两个锥体3同时往下移动，从上面推动垫块4，使油石座2徐徐向外胀开。此时，珩磨头上的油石以固定的压力磨削金属。当珩磨过程结束时，即零件孔尺寸达到要求之后，操纵机床，压力消失，心棒7便向上退回，弹簧压缩油石座2，油石就向内收缩。 为了防止油石在珩磨头从零件孔内进出时碰伤零件的加工表面，在壳体1的周围，专门镶有夹布胶木板．调节头作调节工作头胀缩用。当拧动珩磨头上的刻度盘时，可以直接控制两个锥体3的移动，通过它来操纵油石的胀缩尺寸。在珩磨过程中，调整油石的胀缩尺寸和补镗油石的磨损量等，都是用调节头来实现的。 2.2.1通用珩磨头 图2-2是中等孔径(Ф20～Ф150 mm)通用珩磨头。采用的是后进给方式，它由磨头体、油石、油石座、导向条、弹簧、锥体涨芯组成。当锥体涨芯移动时，油石便可涨开或收缩。珩磨头为棱圆柱体，珩磨油石条数一般为奇数。油石座直接与进给涨芯接触，中间不用顶销与过渡板．结构简单。进给系统刚性好。同时在珩磨深孔时，还可根据需要在孔的中间部位或孔底进行必要的进给，以保证孔尺寸全长上的一致性。 图2-2 中等孔径(后进给)通用珩磨头 1—本体前导向；2—弹簧圈；3—本体涨锥；4—油石座 珩磨头的外径尺寸应以被加上孔径为基准，当油石处于收缩状态时，珩磨头外径比被加工孔的孔径小。以便于珩磨头进入或退出工件孔；当油石处于最大涨开位置时，珩磨头的外径至少应等于被加工孔的最终要求尺寸加上油石的极限磨耗量。 有时在珩磨头体圆周上嵌有导向条。它与油石相间排列。当珩磨头进入工件孔时。导向条起导向作用和保护油石不致碰伤，当珩磨头退出工件孔时起定心作用。此外，它还能防止油石因磨耗不均而导致珩磨头偏心。导向条在圆周上的外径应比被加工孔的基本尺寸小0.1～0.5 mm，但比油石收缩状态时的外径大，并与油石圆周同轴。 图2-3为一种采用前进给方式的通用珩磨头．它与后进给方式的不同之处在于：其涨芯体的移动是由转动括动套而带动螺母在四方槽内移动，从而使得涨芯体沿轴向伸出或缩回，并带动油石座的径向伸出和缩回(在“O”形密封圈的拉力作用下)。这种珩磨头不需要涨芯操作杆。在加工中，当珩磨头尾部退出工件时，可使用勾头扳手转动活动套，从而完成油石的径向进给。因此这种珩磨头的操作简单方便。油石进给容易控制．比较适合于卧式深孔珩磨加工。 图2-3 中等尺寸(前进给)通用珩磨头 l一珩磨头体；2—油石3一油石座；4—涨芯体；5—垫片； 6一螺杆；7一滑动螺母；8—活动套；9—螺钉； 10—密封圈 2.2.2小孔珩磨头 珩磨Φ5-Φ20mm的小孔时，可将珩磨头体与油石座做成一体，使涨芯与珩磨头体在整个长度上为面接触，以增强刚性。 （1）单油石珩磨头：如图2-4所示珩磨头，适用于加工直线度要求很高，孔径为Ф5～Ф20 mm的孔，珩磨头由两根导向条与一根切削油石组成。两根导向条非对称分布，宽度大的导向条用来承受油石产生的径向力和切向力的合力(合力通过它的支承面中间)，防止珩磨头变形；窄导向条起辅助支承的作用，使珩磨头与孔的接触状态稳定，以提高加工精度。导向条的材料用硬质合金或人造金刚石。根据孔径大小，导向条可做成镶嵌式或用电镀法将金刚石微粉镀在磨头体表面上，也可镀上粗粒度金刚石，然后用立方氮化硼砂轮或油石将其磨钝，使其失去切削能力。 图2-4 单油石珩磨头 1—涨楔；2一磨头体；3一油石座；4一辅助导向条；5一主导向条 (2)对开轴瓦式珩磨头：由两个半圆形轴瓦构成，如图2-5所示。适用于加工直线度要求较高，有间断表面的孔。珩磨头的径向扩张进给是通过楔形涨芯作用于两个半圆形轴瓦的斜面上，缩回是靠轴向两端的两个“O”形弹簧圈的弹力。它可用普通磨料油石粘接于磨头表面。也可用几根金刚石油石用低熔点的焊条焊接于磨头表面。油石长度为一般珩磨头所选用的油石长度的两倍。此磨头便于在磨床上修磨它的切削表面，加工精度稳定。切削效率比单油石珩磨头高10％左右，使用寿命长。 图2-5对开轴瓦式珩磨头 1，3—O形弹簧2—油石4—珩磨头5—调节板6—联结轴7—调节件 （3）可调整的整体珩磨头：在大量生产中用这种珩磨头(见图2-6)束加工高精度的孔。孔的形状误差可达0.5m以下，尺寸误差可控制在2～3 µm内，表面粗糙度R达0.2 µm。 图2-6 可调整的整体珩磨头 磨头体为一整体套筒，两边对称开两条轴向槽，在其表面上镀0.3～0.5 mm厚度的金刚石磨粒，磨头体内孔为1：50的锥孔。利用锥孔中的锥形涨芯使整个磨头体产生弹性变形而调整到预定的尺寸。在加工过程中没有涨缩运动。因此可将其看做一种成形工具。 使用这种珩磨头的机床，一般均为立式多轴多工位珩磨机。珩磨头与主轴间为刚性连接。工件夹具设计成浮动形式。 这种珩磨头的运动与一般的珩磨运动不同，磨头一方面作旋转运动，一方面径向快速接近工件。轴向工作进给(进给速度为l～1.5 m／min)，快速退回。一个工作循环即可完成一件加工。 (4)双斜面小孔珩磨头：这种珩磨头的头部结构如图2-7所示，其主要特点是： 1)珩磨头体上的导向条采用一种整体式结构，即为头体上外圆的一部分对导向条部分进行渗氮处理，使其表面硬度达HVl 200左右，以提高导向条的耐磨性。珩磨头体上采用长方槽来容纳涨开机构，如图2-8所示。 2)油石座采用双斜面涨开机构，以提高油石径向运动的稳定性和减小油石座的径向尺寸同时将斜面涨开机构安置在油石座的侧面，大大减小了油石座的径向尺寸，有利于径向空间的利用，如图2-9所示。 3)采用薄片式涨芯，并用双斜面与油石座配合，如图2-10所示。 4)油石用胶与油石座连接，易于粘接。 5)珩磨头与夹持体之问以双螺纹套连接，以提高连接的柔性。 6)采用螺纹进给加力机构完成油石的径向进给运动。 图2-7 双斜面高效小孔珩磨头 l一珩磨头体；2一涨芯；3一油石；4一油石座 此种珩磨头可直接安装在普通车床上，配以其他附件就可以投入使用。油石在半径方向上的最大伸出量可达2 mm。油石用钝或破损后，给油石座粘上新的油石后稍稍修磨即可使用。这种小孔珩磨头具有刚性好、切削效率高、结构简单、制造工艺性好等方面的独特优点，有着良好的应用效果。 图2-8珩磨头体 图2-9 油石座 图2-10 薄片式涨芯 2.2.3大孔珩磨头 它主要用于大孔径Ф150～Ф300mm的珩磨加工，图2-11为凸环式大孔珩磨头，凸环的外径接近珩磨孔径，以支持油石座和承受珩磨切削力，具有较好的刚性。油石座上的横销3紧贴凸环内端面，对油石轴向定位并承受珩磨时的轴向力。移动涨锥1使油石座4伸出，借弹簧圈5缩回油石。同时为了减小涨芯和油石座的体积(减轻珩磨头的重量)，可以在涨芯体与油石座之间采用斜端面柱销来完成顶出油石的运动。 图2-11 凸环式大孔珩磨头 1—涨锥；2一凸环；3—油石座横销；4—油石座；5—弹簧圈 2.2.4平项珩磨头 它主要用于具有相对运动摩擦副的零件的内孔珩磨，如内燃机气缸孔等。与普通珩磨相比，它所加工的表面微观几何形状是不同的，承载面积增大4倍左右具有较高的珩磨效率。珩磨头装有粗、精珩磨两副油石。珩磨头装在具有双阶段进给装置的珩磨机主轴上，分别进行粗、精珩磨。磨头进入工件孔前，两油石均处于收缩状态。加工开始时，涨芯向下移动。由于斜面的作用。粗珩油石涨开(见图2-12(a))。进行粗珩，并可扩张进给。当加工到预定尺寸时，锥度涨芯向上移动，粗珩油石收缩(见图2-12(b))，再继续向上移动时，精珩油石涨开。珩磨到最终尺寸时．涨芯向下移动，两组油石均处于收缩状态(见图2-12(c))，然后珩磨头退出工件，加工循环结束。 图2-12 平顶珩磨头工作原理 (a)粗珩油石涨开；(b)精珩油石涨开；(c)粗、精珩油石收缩 图2-13为平顶珩磨头，粗珩时活塞杆C推动套杆11，使外锥套下移，涨开粗珩油石座6。在珩磨头的两个对称硬质合金导向条上配有气动测量喷嘴12，待粗珩到预定尺寸后，通过气动测量仪发出信号，使粗珩油石降压并缓慢退回。活塞杆B迅速推动内锥3，使精珩油石涨开，进行精珩。待预定精珩时间完毕后，油石卸压缩回，珩磨头复位。此珩磨头的另一个特点是制造精密．所有油石座与磨头体上的油石槽均经研配，以保证进给系统的可靠性。 2.2.5特殊珩磨头 (1)盲孔珩磨头：一种可采用普通珩磨头，按通孔珩磨原则选择油石长度，珩磨中使油石在盲孔底端换向时自动停留(1～2 s)，或在预定时间间隔(可通过试验来确定)内，对盲孔底端进行若干短行程的珩磨，此法宜采用耐用度较高的金刚石油石。另一种是长短油石组合珩磨，在孔的全长上用长油石珩磨，在孔的盲孔端将短油石涨出，增加切削刃，既可保证孔的精度。又可提高珩磨效率，如图2-14所示。 (2)锥孔珩磨头：锥孔珩磨头即如图2-15所示珩磨头。锥形心轴l与磨头体2通过键7带动而一起旋转。同时磨头体又带动油石座3与油石4作旋转及往复运动(锥形心轴不作往复运动)。因油石座与油石是沿锥形心轴1的锥面上移动的．并且要求锥形心轴在轴向上无窜动，因此，工件孔的锥度精度取决于锥形心轴的锥度。 图2-13 平顶珩磨头 1—本体；2—外涨锥；3—内涨锥；4—斜销；5—粗珩油石；6—油石座；7—复位弹簧； 8—精珩油石座；9—精珩油石；10—复位弹簧；11—套杆；12—导向条喷嘴 图2-14 盲孔珩磨 （a）长油石珩磨 ； （b）长短油石珩磨 图2-15 锥孔珩磨头 1—锥形心轴2—磨头体3—油石座4—油石5—工件6—弹簧圈7—键 2.3珩磨油石 珩磨前正确地选择油石，是保证顺利完成珩磨工艺的重要条件之一。油石的特性同砂轮一样，也是用磨料、粒度，硬度、结合剂等几个参数来表示的。 2.3.1珩磨油石的性能 1.珩磨油石的磨料 珩磨油石的磨料是油石的一个重要性能，它直接影响到珩磨加工的表面质量和生产率。生产中使用的珩磨油石主要有白刚玉、棕刚玉、黑色碳化硅和绿色碳化硅等，近几年发展到使用人造金刚石、立方氮化硼做珩磨油石的磨料。 刚玉系制成的珩磨油石，适宜珩磨淬火钢、高碳钢以及薄壁零件和抗拉强度高和韧性较大的金属。它的主要缺点是在珩磨过程中，磨料往往很快崩坏，而且常常会整粒地掉下来，失去切削能力。因此常要更换油石或者重新修磨油石。 碳化硅系油石的硬度比刚玉高。绿色碳化硅硬度比黑色碳化硅更高，但它们的韧性比较差，磨粒表面的棱角磨钝后，磨料本身能自动分裂而逐渐剥落，从面产生新的切削刃，这是碳化硅磨料的优点。碳化硅油石适用于珩磨强度低和性能脆的材料，如铸铁及黄铜等有色金属和非金属材料。 金刚石系磨料可分为天然金刚石和人造金刚石两种。天然金刚石硬度高，强度大，大负荷珩磨时不易碎裂，磨削性能好，磨削力小，价格较为昂贵，适用于珩磨高强度、低韧性的工件材料。人造金刚石较天然金刚石硬度高，但强度较天然金刚石低，自锐性好，适合于加工韧性较差的硬或软的工件材料，价格低，所以较天然金剐石用途范围广。 立方氮化硼的硬度高、热稳定性好，对黑色金属的化学反应与刚玉一样属惰性，是加工钢材料的一种好磨料，尤其适合于加工硬且韧性大的钢件材料，如特种工具钢(高钒高速铜)、耐热合金钢、镍基高温合金、钛合金和高铬不锈钢等。这些特殊材料用人造金刚石油石则难以加工。立方氮化硼磨料的这些特殊加工性能，还表现在它加工时切屑自离性好，故不会发生切屑黏结在油石上的现象．保证了它对这些材料加工性能始终如一的正常进行。 表2-1 珩磨油石磨料应用范围 磨料名称 代号 适用加工工件材料 应用范围 棕刚玉 A 未淬火的碳钢、合金钢等 粗珩 白刚玉 WA 经热处理的碳钢、合金钢等 精珩、半精珩 单晶刚玉 SA 韧性好的轴承钢、不锈钢、耐热钢等 粗珩、精珩 铬刚玉 PA 各种淬火与未淬火钢件 精珩 黑色碳化硅 C 铸铁、铜、铝等及各种非金属材料 粗珩 绿色碳化硅 GC 铸铁、铜、铝等。多用于淬火钢及各种脆、硬的金属与非金属材料 精珩 人造金刚石 MBD 各种钢件、铸铁及脆、硬的金属与非金属材料，如硬质合金 粗珩、半精珩 天然金刚石 各种钢件，韧性较差的硬或软的工件材料 粗珩、半精珩 立方氮化硼 CBN 韧性好且硬度和强度较高的各种合金钢 粗珩、精珩 2．珩磨油石的粒度 珩磨油石的粒度的粗细直接影响加工表面的表面粗糙度和生产率，因此一般根据生产率与表面粗糙度决定珩磨油石的粒度。在表面粗糙度允许的前提下，粒度应尽量选择得粗一些，以获得高的生产率。一般粗珩选用80～180，半精珩选用180～280，精珩选用W40以上。 表2-2 普通珩磨油石粒度与珩磨表面粗糙度的关系 磨料 粒度 珩磨表面粗糙度R／µm 淬火钢 未淬火钢 铸 铁 有色金属 刚玉碳化硅 ～180 I.25～1．0 —— —— 1.0 —— l.6～1.25 刚玉碳化硅 240 0.63 —— l.0～0．8 0.63 1.25～1.0 刚玉碳化硅 WS0 0.4～0.32 1．0～0.63 —— —— 0.5～0.4 —— 0.8 刚玉碳化硅 W40 0.362～0.25 —— 0.63～0.5 —— 0.5～0.4 —— 0.8～0.63 刚玉碳化硅 W28 0.2～0.16 —— 0.32～0.25 —— 0.32～0.25 —— 0.5～0.4 刚玉碳化硅 W20 —— 0.16～0.10 0.25～0.20 0.16～0.125 —— 0.4～0.32 表2-3 金刚石珩磨油石粒度与珩磨表面粗糙度的关系 珩磨油石粒度 80 100～120 150 180 240 280 W40 W28 W20 珩磨表面粗糙度R/µm 1.6～0.8 0.8～0.4 0.4 0.4～0.2 0.20～0.10 0.10 0.10～0.05 0.05 ﹤0.05 立方氮化硼珩磨油石粒度与人造金刚石珩磨油石相同，一般采用120，150，180，280，W40，W28，W20，W14等。 3．珩磨油石的硬度 珩磨油石的硬度取决于珩磨金属的硬度。从油石的自锐性出发，珩磨硬的金属要选较软的油石；珩磨软金属则要选择较硬的油石。油石硬度的高低，是指结合剂对磨粒粘结能力的强弱，它与磨粒本身的硬度高低无关。珩磨油石的硬度过低，说明结合剂对磨粒的粘结能力低，磨粒脱落快，油石消耗量大，尺寸不易控制，脱落的磨粒也易划伤工件，不易获得较好的表面质量。珩磨油石的硬度过高，已磨耗的磨粒不易脱落，油石自锐性不良，油石表面易堵塞，切削性能低甚至消失，工件表面质量低劣，容易引起工件表面烧伤。所以，合理地选择油石的硬度，对珩磨油石的寿命、珩磨效率、珩磨工件表面粗糙度以及能否顺利地进行珩磨有很大影响。如下表： 表2-4 珩磨油石的硬度 油石粒度 双边珩磨余量/mm 油石硬度 钢件 铸铁 100～150 0.05～0.5 L～Q N～T 0 0I～0．1 N～T Q～Y 180～280 0.05～0.5 T～P L～R 0.01～0.1 L～S Q ~ T W40～W20 0.05～0.15 E～M K～Q 0.01～0.05 M～R M～T 4．珩磨油石的结合剂及组织 普通磨料的珩磨油石一般采用陶瓷、树脂结合剂。陶瓷结合剂(代号V)油石较脆，硬度不均匀，珩磨过程中经常发生块状剥落的现象。剥落的油石碎片会擦伤孔壁表面，破坏加工表面质量，影响生产率和孔的尺寸精度。树脂结合剂(代号B)的油石强度比较高，且有一定弹性，能抗振，油石磨损均匀，寿命长，不易打碎，珩磨出来的零件表面粗糙度较陶瓷结合剂的低。但树脂结合剂易受碱的侵蚀，如果冷却液中含碱量超过1.5％时，结合剂会遭到破坏，油石的强度和硬度会显著下降，所以珩磨时应避免用含碱的冷却液。一般在珩磨压力较高的条件下使用，用于低粗糙度珩磨。 超硬磨料油石，如金刚石、立方氮化硼油石通常采用的结合剂有4种类型，树脂、陶瓷、青铜和电镀金属。树脂结合剂主要用于低粗糙度珩磨；陶瓷结合剂自锐性好，珩磨效率高，用于粗珩、半精珩；青铜结合剂(代号Q)，强度高，耐磨性好，自锐性较差，用于脆、硬材料或韧性材料的粗珩；电镀金属结合剂(代号D)，用于成形油石、小孔珩磨头，珩磨效率高，耐用度低。 2.3.2珩磨油石的规格及数量 珩磨油石的规格是指油石的形状和尺寸。它的断面尺寸为矩形，珩磨大直径的孔时，为了延长油石寿命，也可采用断面为方形的油石。 （1）油石长度L。油石长度L根据珩磨头的长度和孔径选取。 （2）油石的截面尺寸。珩磨软材料可选宽油石，珩磨硬材料需选窄油石，珩磨钢件比珩磨铸铁油石宽度要窄一些。珩磨小孔，油石尽可能宽些；珩磨大孔，油石宽度B≤25 mm。使用金刚石或立方氮化硼油石，其宽度一般为普通油石的l/2～1/3。具体数据如下。 表2-5 珩磨油石截面尺寸及数量 珩磨孔径／mm 油石数量/ 条 普通油石截面 B×H 金刚石油石截面 B×H 5～10 l～2 1.5×2.2 L0～13 2 2×1.5 2×1.5 13～16 3 3×2.5 3×2.5 16～24 3 4×3 3×3 24～37 4 6×4 4×4 37～46 3～4 8×6 4×4 46～75 4～6 8×8 5×6 75～I10 6～8 10×8，12×10 5×6 110～180 6～8 12×10，14×12 6×6 180～310 8～10 16×13，20×20 >300 >10 20×20，25×25 (3)金刚石、立方氮化硼油石的结构形状、尺寸与所选用的结合剂有关，一般树脂、陶瓷和电镀金属结合剂的油石，由于自锐性较好，其形状可近似普通磨料油石。而青铜结合剂油石必须采用带槽结构的窄油石，如图4-16所示，以提高其自锐能力和防止堵塞。槽宽b约为l～2 mm，槽深t不小于磨料层h，一般为1.5 mm。 图2-16 金刚石和立方氮化硼油石的形状结构 (a)珩磨小孔用油石；(b）带槽油石 (4)油石数量在不影响珩磨头刚性的前提下，尽可能采用多条油石，并适当减少油石宽度，若能保持油石总宽度占孔周长的0.15～0.28倍，就可获得较高的珩磨效率，还可减少孔的变形量。 2.3.3珩磨油石的连接方式 小孔珩磨头所用的油石一般不需连接，可与珩磨杆径向的孔配合，由锥芯推动扩张、收缩。中孔、大孔珩磨头所用的油石，一般采用机械夹固、胶合、压制(在塑料油石座上)等连接方式。 1．机械夹固式 图2-17(a)是用螺钉或其他机械夹紧方式连接，切削力负荷集中在夹紧螺钉上，易引起珩磨油石破裂，结构不紧凑，但更换珩磨条方便。 2．肢合式 图2-17(b)是用树脂漆、赛璐珞及虫胶等方法胶合连接。胶合牢固可靠。由于油石底面胶层有厚有薄，胶台后的油石高度不一致，须经修整后才能使用。 3．压制式 图2-17(c)是用塑料热模压制成型。珩磨轻巧省力，既可提高珩磨效率，又能延长油石寿命，比胶合式更经济，适宜在大量生产中使用，一般珩磨头直径为12～75 mm。 图2-17 油石的连接方式 （a)机械夹固式；(b)胶合式