錠桿錠尖立方氮化硼砂輪及加工工藝設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 錠桿錠尖立方氮化硼砂輪及加工工藝設(shè)計(jì) 專業(yè)年級(jí)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化三班學(xué)生姓名： 王 立 民指導(dǎo)教師： 王 登 華 職稱： 碩 士2007年 9月18日2007年 10月30日江西藍(lán)天學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 題 目 ： 錠桿錠尖立方氮化硼砂輪及加工工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師： 王登華學(xué)生姓名： 王立民系 別： 制造系專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化三班起訖時(shí)間： 2007.9.182007.10. 30目 錄一、立方氮化硼砂輪（CBN）的設(shè)計(jì)2立方氮化硼（CBN）砂輪各特性及尺寸的確定a.砂輪的特性1） 磨基的確定2） 磨料的選擇3） 粒度的選擇4） 結(jié)合劑的選擇5） 濃度的選擇

2、b.砂輪的尺寸1）砂輪的內(nèi)徑2）砂輪的外徑3）砂輪的寬度二、錠桿加工工藝的設(shè)計(jì)1.生產(chǎn)綱領(lǐng)2.毛坯的確定3.加工工藝方法4.機(jī)床的選擇5.夾具的選擇6.砂輪的選擇7.量具的選擇8.工藝尺寸的確定序 言機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)是在學(xué)完了機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)和大部分專業(yè)課后，并在進(jìn)行了實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的有一個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。這次設(shè)計(jì)是我們能綜合運(yùn)用機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)中的基本理論，并結(jié)合實(shí)訓(xùn)中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí)，提高了加工工藝設(shè)計(jì)能力，為今后從事的工作打下了良好的基礎(chǔ)。由于能力所限，經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)中還有 許多不足之處，希望老師多加指教。 立方氮化硼砂輪（CBN）的設(shè)計(jì)凡在加工工序中起磨削、研磨、拋光作用的工具統(tǒng)稱

3、磨具。磨具根據(jù)其所用的磨料不同分為普通磨具和超硬磨具兩大類。所謂普通磨具是指用普通磨料制成的磨具，如剛玉系磨料、炭化硅系磨料和炭化硼系磨料制成的磨具。而所謂超硬磨具是指用超硬材料做磨料所制成的磨具，如金剛石磨具、立方氮化硼（CBN）磨具。樹脂棕剛玉砂輪磨削時(shí)存在的缺點(diǎn)： 1. 磨削時(shí)棕剛玉砂輪磨耗大，因此批量生產(chǎn)時(shí)工件的尺寸分散大，是進(jìn)一步提高錠桿錠尖外形精度非常困難；2. 砂輪用量大，砂輪質(zhì)量的波動(dòng)對(duì)磨削效果影響程度大；3. 由于砂輪磨削快，需要經(jīng)常修整，砂輪更換頻繁，使得；勞動(dòng)強(qiáng)度大，工具費(fèi)用高，輔助工時(shí)增加，難以提高生產(chǎn)效率；4. 棕剛玉砂輪鋒利保持性差，錠桿錠尖尺寸小極易造成表面燒傷和

4、產(chǎn)生變質(zhì)層；5. 樹脂棕剛玉在磨削過程中產(chǎn)生的粉塵和異味影響操作工人的身心健康。立方氮化硼（CBN）砂輪被世界權(quán)威機(jī)構(gòu)譽(yù)為“過去半個(gè)世紀(jì)提高工業(yè)生產(chǎn)的最大貢獻(xiàn)之一，導(dǎo)致磨削革命”。立方氮化硼（CBN）砂輪的應(yīng)用早某些工業(yè)化國家中已進(jìn)入普及階段,在日本工具制造廠的磨削加工車間已難以見普通磨削的使用，而我國紡織機(jī)械加工中很少見到立方氮化硼（CBN）砂輪的磨削加工。 立方氮化硼（CBN）砂輪磨削的優(yōu)點(diǎn)： 1立方氮化硼（CBN）砂輪能長期保持良好的切削性能和磨削性能，立方氮化硼（CBN）磨料磨粒鋒利，磨削比大，磨削溫度低，工件材料變質(zhì)層小，可大大提高工件磨削表面質(zhì)量和生產(chǎn)率： 2、解決某些難加工材料的

5、問題，而且適合與高速、強(qiáng)力和成行磨削。 為了證實(shí)立方氮化硼（CBN）砂輪的優(yōu)越性，我通過書本上的實(shí)驗(yàn)研究表明再同樣的磨削參數(shù)下，立方氮化硼（CBN）砂輪的磨削力與磨削溫度均低與棕剛玉砂輪。 因此用立方氮化硼（CBN）砂輪取代棕剛玉砂輪是可取的。二立方氮化硼（CBN）砂輪各特性及尺寸的確定超硬磨料具有許多優(yōu)異的的特性，因而其磨具也有許多異于普通磨具的特性。但由于超硬磨料本身價(jià)格昂貴，使用不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致加工成本上升。所以，合理的選用超硬磨料磨具，才能獲得良好的綜合效果。 a 超硬磨料磨具特性的選擇（1）磨基的確定 磨基我們選擇鉛合金，因?yàn)殂U合金相對(duì)于鐵來說，質(zhì)量輕，慣性小，磨削效率相對(duì)也高。 （2）

6、磨料的選擇 超硬磨料主要成分為金剛石磨料和立方氮化硼兩大類，由于兩種超硬磨料性質(zhì)的不同，金剛石磨料主要用于硬質(zhì)合金，陶瓷、光學(xué)玻璃、寶石、半導(dǎo)體材料、石材、混凝土等硬而脆的工件材料，但不已用于加工鐵族金屬材料，否則金剛石本身易導(dǎo)致強(qiáng)烈的化學(xué)磨損。而立方氮化硼的化學(xué)穩(wěn)定性較好，加工一些難磨的金屬材料尤其是磨削工具鋼、磨具鋼、不銹鋼、耐熱合金鋼等具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 金剛石磨料有天然和人造之分，天然金剛石晶粒表面光滑，抗沖擊性能好。而人造金剛石晶粒表面粗糙，脆性大，兩類金剛石的磨削性能各具特色。對(duì)受沖擊負(fù)荷的場(chǎng)合，采用天然金剛石較好：而對(duì)于一般磨銷場(chǎng)和，則使用人造金剛石效果更佳。 人造金剛石磨料目前有

7、五種牌號(hào)：RVD、MBD、SCD、SMD、DMD，它們分別有其自身的特點(diǎn)和適用于不同的途徑： RVD型：晶體呈針狀，晶面粗糙，用于樹脂、陶瓷結(jié)合劑制品，加工硬質(zhì)合金材料或研磨膏等。 MBD 型：晶體大部分為等積形，晶面較粗糙，用于金屬結(jié)合劑制品、電鍍制品、鉆探工具或研磨膏等，加工硬質(zhì)合金及非金屬材料。 SCD 型：晶體較完整，表面光滑，抗壓強(qiáng)度高。用于制造金屬結(jié)合劑制品，地質(zhì)鉆頭和切割機(jī)工具等。 SMD 型：晶形完整，表面光滑，抗壓強(qiáng)度高于SCD。用于制造切割工具、地質(zhì)鉆頭、休整工具等。 DMD 型：顆粒為淡黃色或淡綠色，多為透明無雜質(zhì)的完整八面晶體，強(qiáng)度高。適于制作休整工具和其他單粒工具。

8、立方氮化硼（CBN）目前還無牌號(hào)之分，只大致地分為一型、二型。立方氮化硼一型抗壓強(qiáng)度較二型低，主要用于制造樹脂結(jié)合劑磨具和研磨膏；立方氮化硼二型主要用于制造陶瓷、金屬及電鍍結(jié)合劑磨具。另外，立方氮化硼還有鍍附金屬衣和未鍍附金屬衣之分，和金剛石磨料一樣，鍍附金屬衣磨料主要用于樹脂結(jié)合劑磨具。磨粒表面鍍金屬衣之后，既可提高磨粒的抗壓能力，游客增加磨粒和結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度，延長砂輪的使用壽命，降低加工成本。一般于磨時(shí)用鍍銅金屬衣磨料，濕磨時(shí)選用鍍鎳金屬衣磨料。鍍層厚薄會(huì)影響磨具的使用效果，鍍層太薄，達(dá)不到所期望的目；鍍層太厚，對(duì)避免工件燒傷，提高磨削效率不利。一般情況下，鍍層增重量以不超過磨料原重量的

9、50%為宜。干磨條件下，以采用較小增重量和不鍍金屬衣磨料為宜。平磨、外圓磨磨具多在有磨削液條件下使用，故可采用較大增重量的鍍附金屬衣磨料。對(duì)于一些成型磨削、間斷磨削，還可選用增重量為50-100%的磨具。（3）粒度的選擇 超硬磨粒力度的選擇，一般根據(jù)工件的粗糙度要求，磨削效率要求以及結(jié)合劑的最佳粒度范圍來選擇。 普通磨粒粒度的選擇原則基本上使用于超硬磨料。所不同的是要達(dá)到相同的粗糙度值，超硬磨粒的粒度套細(xì)一至二個(gè)力度號(hào)。同樣，在滿足加工表面粗糙度要求的前提條件下，應(yīng)盡量選擇粗粒度，以提高磨削效率。 此外，選擇超硬磨粒磨具時(shí)，還應(yīng)考慮結(jié)合劑結(jié)合能里的大小對(duì)粒度的影響。對(duì)于一定的結(jié)合劑來說，一般有

10、一最佳的粒度范圍，過粗或過細(xì)都不利于磨削加工。粒度過粗，則磨粒在磨削中受力較大而使磨具磨損過快。過細(xì)則砂輪表面易堵塞導(dǎo)致磨削溫度上升。一般來說，樹脂結(jié)合劑磨具，選用100/120以細(xì)；陶瓷結(jié)合劑磨具在100/120-170/200以內(nèi)；金屬結(jié)合劑其粒度在70/80-230/270以內(nèi)。 另外，鍍附金屬衣磨料，其磨削粗糙度較小，因而，要達(dá)到相同磨具粒度號(hào)加工表面粗糙度Ra(um)樹脂結(jié)合劑金屬結(jié)合劑80/100100/120100/120-170/200170/200-270/325325/400-MP10-20MP8-12MP4-8MP4-8MP1.5-30.160.630.080.320.0

11、40.160.020.080.010.040.322.50.161.250.160.63的粗糙度，在磨具其他特征相同的情況下，鍍附金屬衣磨粒粒度可稍粗一些。超硬磨料磨具粒度與加工表面粗糙度的關(guān)系 （4） 結(jié)合劑的選擇 結(jié)合劑選擇主要依據(jù)其自身的性能而定，以為結(jié)合劑本身性能的好壞對(duì)磨具的磨削性能影響較大。超硬磨料磨具結(jié)合劑主要有：樹脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑及金屬結(jié)合劑。 1樹脂結(jié)合劑（B）： 結(jié)合劑本身彈性好，有拋光作用，高溫下結(jié)合劑易燒毀。樹脂磨具自銳性能良好不易堵塞，一次性休整后很少再休整，磨削效率高，磨削粗糙度低。由于樹脂結(jié)合劑磨具的優(yōu)越性能，其在超硬磨料磨具中使用廣泛。樹脂磨具金剛石磨具用于

12、硬質(zhì)合金刀具、工具鋼、硬質(zhì)合金工件及部分非金屬材料的半精磨、精磨。樹脂立方氮化硼磨具主要用于高鋇高速鋼刀具刃磨，磨具鋼、不銹鋼、耐熱合金剛工件的半精磨、精磨等。 2陶瓷結(jié)合劑（V）： 陶瓷結(jié)合劑強(qiáng)度較高，耐熱性能好，磨具耐磨性好，切削鋒利，磨削效率高，磨削過程中不易發(fā)熱和堵塞，熱膨脹量小，易控制加工精度，且容易休整。陶瓷結(jié)合劑磨削一般用于粗磨、半精磨，解除面積較大的成型磨削，超硬磨料燒結(jié)體的磨削等。 3金屬結(jié)合劑（M）: 金屬結(jié)合劑分青銅結(jié)合劑和電鍍結(jié)合劑兩種。青銅結(jié)合劑鋼性好、強(qiáng)度大、其磨具強(qiáng)度高、耐磨性好、使用壽命長、形狀保持性好、能承受較大的負(fù)荷、但其自銳性差，容易堵塞發(fā)熱、休整困難。青

13、銅結(jié)合劑金剛石磨具主要用于玻璃、陶瓷、石材、混泥土、半導(dǎo)體材料和超硬材料等非金屬材料的粗、精磨和切割，少量用于硬質(zhì)合金的粗磨和成型磨削。 電鍍結(jié)合劑強(qiáng)度更高。其磨具磨料層薄，磨粒密度高，砂輪表面切削鋒利，磨削效率高，經(jīng)濟(jì)性好，不需要休整，但磨具壽命段。電鍍結(jié)合劑磨具主要是用于形狀復(fù)雜的成型磨具、小磨頭、套料刀、切割鋸片、電鍍餃刀以及用于高速磨削方式之中。（5）濃度的選擇 濃度是超硬磨料磨具所具有的特殊性，是指超硬磨料磨具工作層內(nèi)沒立方厘米體積內(nèi)所含的超硬磨料的重量。國際規(guī)定單位體積內(nèi)含0.88g超硬磨料其濃度為100%。含量每增加或減少0.22g,其濃度相應(yīng)增加或者減少25%。濃度是超硬磨料磨

14、具的重要特性之一,它對(duì)磨具的磨削效率和工序的加工成本有著重大影響。濃度過高,很多磨料易過早脫落,導(dǎo)致磨料的浪費(fèi);濃度過低,磨削效率不高,不能滿足加工要求。 磨具濃度的選擇主要考慮結(jié)合劑種類、磨料粒度大小、加工工序和磨具形狀要求等因素。不同種類結(jié)合劑由于其結(jié)合能力不同，而且有最佳的濃度范圍，結(jié)合劑強(qiáng)度越高，其最佳濃度范圍也越高。如下表所示為不同結(jié)合劑人造磨具的濃度范圍。結(jié)合劑及種類濃度范圍（%）金剛石磨具立方氮化硼磨具樹脂507575100陶瓷7510075125青銅100150100150 不同結(jié)合劑磨具的濃度范圍磨具粒度較細(xì)，其濃度應(yīng)當(dāng)?shù)鸵恍Ｒ詽M足細(xì)粒度磨具進(jìn)行精密磨削，要獲得較高光潔度的

15、要求。如拋光和高潔度磨削中，常采用低濃度樹脂結(jié)合磨具，個(gè)別濃度抵達(dá)25%。對(duì)于加工效率要求高的粗磨工序，采用粗粒度、高濃度磨具進(jìn)行磨削能較好的滿足加工效率及工序要求。磨具濃度的選擇還應(yīng)考慮到磨具形狀和加工方式。對(duì)于工作面寬，特別對(duì)于要求保持磨具形狀精度的成型磨削方式，端面磨削和溝槽磨削，應(yīng)當(dāng)選擇較高濃度的磨具。b.砂輪形狀尺寸1.磨料的確定 磨料的性質(zhì)直接影響砂輪的磨削效果，國外許多公司針對(duì)各種結(jié)合劑和加工對(duì)象的不同，研制出了很多不同牌號(hào)的立方氮化硼（CBN）磨料。從磨料的低成本，便于推廣考慮，我們選用了CBN-850型磨料。立方氮化硼（CBN）是有六方氮化硼和接觸，經(jīng)過混配料、壓型、組裝，在

16、高溫高壓下合成的。立方氮化硼（CBN）有以下性質(zhì)：1） 立方氮化硼（CBN）的幾何形狀 其最典型的幾何形狀是正四面體晶面和負(fù)四面體晶面的結(jié)合，常見的形態(tài)有：四面體、假八面體、假六角形。2） 熱力學(xué)性質(zhì) 衡量指標(biāo)有導(dǎo)熱率、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)等如表A所示。立方氮化硼（CBN）磨粒的熱穩(wěn)定性能如表B所示。從表中可以看出立方氮化硼（CBN）磨粒具有很好的熱穩(wěn)定性。在很高的溫度才開始氧化。導(dǎo)熱率（W/（cm.0C）0.796密度（g/cm*3）3.48比熱容(J/(g.0C)0.67熱擴(kuò)散系數(shù)(cm*2/s)0.18熔點(diǎn)或分解點(diǎn)(0C)3227(10.5GPa)表A立方氮化硼（CBN）的熱物理性質(zhì)溫度/

17、K周圍介質(zhì)及條件狀態(tài)1573空氣、氧氣開始氧化17731873真空轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)33983498高壓下（5.06.0GPa）強(qiáng)脈沖加熱轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)表B立方氮化硼（CBN）在不同介質(zhì)條件下的 熱穩(wěn)定性2 光學(xué)性質(zhì)單晶立方氮化硼（CBN）對(duì)1.06um紅外光的反射率很高，吸收率低。1）結(jié)合劑的確定 在磨料、粒度、硬度相同，并在同樣條件下加工同樣的工件時(shí)，陶瓷結(jié)合劑磨具磨損比其他結(jié)合劑要小，因而它的使用壽命較長。陶瓷結(jié)合劑應(yīng)用的范圍最廣，能做成各種磨粒、硬度、組織、形狀和不同大小的磨具。陶瓷結(jié)合劑在磨削時(shí)性能穩(wěn)定，耐水、耐酸、耐堿、耐油，且部首天氣和溫度變化的影響，能在多種磨削液條件下進(jìn)行磨削，也

18、可用于干磨。和其它結(jié)合劑相比，陶瓷結(jié)合劑可制成不同氣孔尺寸的磨具，如大氣空砂輪、松組織砂輪等，磨削時(shí)不易切削堵塞，因而磨削效率也高。通常陶瓷結(jié)合劑砂輪的使用速度在35以下，但也可制成高于35的高速砂輪，如50m/s、60m/s、80m/s乃至120m/s的高速砂輪。陶瓷結(jié)合劑砂輪在磨削過程中能較好的保持外形，所以適合于成型磨削，如磨螺紋、磨齒輪、樣板磨削及其它成型磨削。陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪具有下列優(yōu)點(diǎn)：1）陶瓷結(jié)合劑砂輪帶有大量氣孔，這些氣孔有利于排屑，從而減輕砂輪堵塞而產(chǎn)生磨削熱，降低工件表面磨削溫度，避免燒傷現(xiàn)象產(chǎn)生。2）結(jié)合劑耐熱性好，磨料把勢(shì)力強(qiáng)所以陶瓷砂輪耐磨損，形狀保持性好，有利于

19、提高零件加工精度。3）結(jié)合劑硬而脆，容易休整。采用上面優(yōu)點(diǎn)我們采用了陶瓷材料為本砂輪的結(jié)合劑。2）填料的確定 砂輪的工作層除了立方氮化硼（CBN）磨料和結(jié)合劑外，還應(yīng)加入一定量的填料來保證立方氮化硼（CBN）磨料層的成型密度，提高砂輪強(qiáng)度，調(diào)整砂輪組織及降低砂輪成本。填料選擇應(yīng)考慮填料與立方氮化硼（CBN）磨粒熱膨脹系數(shù)之差，填料和結(jié)合劑的親和力，在燒結(jié)過程中是否變質(zhì)，以及填料的強(qiáng)度和粒度等因素。經(jīng)過對(duì)多種材料進(jìn)行性能測(cè)試和不同配比的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，主要加入了適量的炭化硅、銅粉、鋁粉，有效的提高了磨具強(qiáng)度及加快磨削熱的傳遞。3）濃度的確定 濃度是立方氮化硼（CBN）砂輪的主要特性，綜合考慮加工材料、

20、磨料、粒度、磨削方式等因素，確定采用100%的濃度值。4）硬度的確定 砂輪的硬度是指砂輪上磨粒受力后自砂輪表層脫落的難易程度。也反映磨粒與結(jié)合劑的粘固程度。砂輪磨粒難脫落時(shí)叫做硬高度，反之就叫做硬低度?？梢姡拜喌挠捕戎饕山Y(jié)合劑的粘結(jié)強(qiáng)度決定，而與磨粒的硬度沒有關(guān)系的，切勿將兩者混淆。軟1級(jí)的砂輪結(jié)合劑體積占砂輪體積的1.5%，超硬級(jí)砂輪的結(jié)合劑約占砂輪體積的24%；結(jié)合劑體積，每增加1.5%，砂輪硬度將增加一級(jí)。在同一種結(jié)合劑下，結(jié)合劑體積百分率高時(shí)，砂輪硬度就高。 一般說來，砂輪組織較疏松時(shí)，砂輪硬度低些。樹脂結(jié)合劑的砂輪，硬度比陶瓷結(jié)合劑的低些。下表為硬度分級(jí)代號(hào)等級(jí)大級(jí)超軟軟中軟中中

21、硬硬超硬小級(jí)超軟軟1軟2軟3中軟1中軟2中1中2中硬1中硬2中硬3硬1硬2超硬代號(hào)GB248284DEFGHJKLMNPQRSTY砂輪硬度的選用原則：1）工件材料越硬，應(yīng)選用愈軟的砂輪。這是因?yàn)橛膊牧弦资鼓チＤp，需要較軟的砂輪以使磨鈍的磨粒及時(shí)脫落，但是磨削有色金屬（鋁、黃銅、青銅等）、橡皮、樹脂等軟材料，卻也要用較軟的砂輪。這是因?yàn)檫@些材料易使砂輪堵塞，選用軟些的砂輪可使堵塞處較易脫落，露出鋒銳的新磨粒。2）砂輪與工件磨削接觸面積較大時(shí)，磨粒參加切削時(shí)間較長，較易磨損，應(yīng)選用較軟的砂輪。3）半精磨與粗磨相比，需要較軟的砂輪，以免工件發(fā)熱燒傷。但精磨和成型磨削時(shí)，為了使砂輪廓形保持較長時(shí)間，

22、則需用較硬一些的砂輪。4）砂輪氣孔率較低時(shí)，為防止砂輪堵塞，應(yīng)選用較軟的砂輪。5）樹脂結(jié)合劑砂輪由于不耐高溫，磨粒容易脫落，其硬度可比陶瓷結(jié)合劑砂輪選高12級(jí)。機(jī)械加工中，常用的砂輪硬度等級(jí)是軟2至中2，我們這次選用的等級(jí)是K級(jí)。 6.砂輪的結(jié)構(gòu)尺寸在M61329高精度外圓磨床上磨削錠桿錠尖，通過工作臺(tái)的縱向移動(dòng)，在砂輪寬度上可連續(xù)完成數(shù)根錠桿錠尖的磨削工作，從理論上講砂輪寬度越大，連續(xù)加工的錠桿數(shù)越多，當(dāng)砂輪寬度的增加影響砂輪的制造難度，因此確定立方氮化硼（CBN）砂輪寬度為40mm.砂輪直徑同樣考慮使用需要和制造難度確定為直徑為400mm，內(nèi)孔直徑為207H7與機(jī)床主軸相配合。砂輪外徑的確定：我們要用的砂輪，使得工件的表面粗糙度為Ra0.2，所以我們的齒輪的表面速度要很高而M61329的磨床殼砂輪又不能碰到它，根據(jù)兩者的綜合因素考慮砂輪外徑取400mm。（砂輪詳細(xì)尺寸見A2圖紙）二 2.1 生產(chǎn)綱領(lǐng)已知零件的年生產(chǎn)綱領(lǐng)為200萬件，可知起生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，初步確