陶瓷涂层活塞环精密成形磨削

在特种车用陶瓷发动机中，为了增强对砂尘的耐磨性，采用陶瓷涂层活塞环，它是在金属基体上喷涂 烧结高硬度、高耐磨性的陶瓷层而形成。这种陶瓷活塞环桶形外环面的加工，如果沿用普通合金铸 件活塞环的加工方法，由于陶瓷材料硬度很高，使用普通碳化硅砂轮或氧化铝砂轮在加工过程中磨 削比非常小，经金刚石笔修整成微凹形状后，砂轮形状保持性很差，磨一个陶瓷涂层活塞环，需修 整砂轮廓形达９次之多，且由于普通砂轮磨粒对陶瓷基本没有切削作用，陶瓷层加工表面受到严重 的挤压和滑擦，表面产生微裂纹，甚至挤裂破碎，加工表面的完整性遭到破坏。陶瓷活塞环的加工 应采用超硬磨粒金刚石砂轮磨削，但传统的金刚石笔修整方法由于修整笔易被磨耗而不能用于金刚 石砂轮，因此关键在于采用什么方法修整金刚石砂轮使其获得要求的微凹的砂轮廓形。电火花修整 是金属结合剂金刚石砂轮有效的成形修整方法”·”，但对于加工陶瓷活塞环这样要求金刚石砂轮 修整成微凹形面，存在着成形电极损耗失形等问题；而碳化硅（ＧＣ）杯形砂轮修整器的修整方法 则在过去的研究中主要针对直线廓形”’“。本文提出了一种修整金刚石砂轮成微凹廓形，用以成 形磨削陶瓷活塞环桶形外环面的方法，并对这种成形修整的方法进行了成形理论的研究。ｌ金刚石 砂轮微凹廓形的修整方法图１是修整原理示意图。建立直角坐标系ＯＸＹＺ，被修整金刚石砂轮１ 以转速ｎｌ旋转，其轴线设为Ｘ轴，修整器用碳化硅（ＧＣ）杯形或桶形砂轮２，内半径为门，外 半径为ｒ。，以转速ｎ。旋转，原点０和ＹＯＺ面的设定方法是：使修整器砂轮２的轴线位于ＹＯ Ｚ面内；被修整金刚石砂轮１相对于修整器砂轮２的轴线的安装位置，即在ＸＯＺ面内相对于Ｚ轴 的安装位置，根据修整廓形的要求可以是对称的或是不对称的，对称安装情况下，修整的金刚石砂 轮廓形曲线也是对称的，不对称安装时修整的廓形曲线则是不对称的，设被修整金刚石砂轮１廓形 曲线的左右端点是Ａ，Ｂ，其Ｘ坐标分别为ｘ；，ｘ。；ＧＣ修整器砂轮２在以ｎ。转速自旋转的 同时，沿Ｙ方向以速度Ｖ往复作送进修整运动，其旋转轴线在＊ＯＺ面内与其沿Ｙ方向的送进速度 Ｖ垂直的方向，即Ｚ轴方向，取偏斜某一给定角度ａ的方位；对于每个修整送进工作行程，沿Ｚ方 向以进给量面逐次进给。用ＧＣ砂轮作为修整器修整金刚石砂轮，而取上述偏斜角ａ的方位，则以 简单的回转和直线方式作相对修整运动，即可获得中凹的金刚石砂轮修整廓形。２修整成形的理论 分析与廓形的计算设被修整的金刚石砂轮经修整后的廓形为Ｘ一八Ｘ）。如图２，ＧＣ修整器砂轮 可视为由半径为变量ｒ（＜ｒ＜ｒ。），宽度为ｄ。的薄圆桶的集合体；由于修整器砂轮的自旋转 运动，所以每一薄圆桶虽在修整过程中磨耗，但仍将保持其工作表面形状为垂直于其自旋转轴线的 以ｒ为半径的薄圆桶端面圆；由于修整器砂轮２的旋转轴线在ＹＯＺ平面内且相对于Ｚ轴偏斜ａ角 ，这个薄圆桶端面圆在ＺＯＸ面内的投影形状为一个以厂为长轴半径、以ｒｓｉｎａ为短轴半径的 椭圆，在图中椭圆的对称轴坐标系ｍｏ’ｎ中以方程立十一一．＝ａ—ｌ表示；由于Ｚ方向的进给 和Ｙ方向的送进修整运动，这些椭圆的集合体将以沿Ｙ方向的运动相继共同创成被修整砂轮１的廓 形。因此，在得到的廓形线的每个不同位置上，廓形曲线的曲率将等于在该点作创成运动的椭圆上 相应点的曲率。此设为关系１。由于这些曲率各不相同的椭圆均参与创成被修整砂轮的廓形，在Ｚ ＯＸ面内投影的这些椭圆应均与被修整砂轮的廓形相切；这些椭圆又都以Ｚ轴为对称轴，因此创成 廓形的位置分布必然是：被修整砂轮１上靠近Ｚ轴的部位由曲率大的椭圆（即由半径厂小的薄圆桶 端面圆）创成，离Ｚ轴较远的部位则由曲率小的椭圆（即由半径厂大的薄圆桶端面圆）创成，否则 被修整砂轮的廓形线将不可能与所有的椭圆相切。此设为关系对。另一方面，修整器砂轮２在其工 作面上的任一环面的磨耗体积与其创成的被修整砂轮１的廓线上相应部位线长上的去除体积成比例 ；而经过充分多的修整行程进入稳定过程后，对于每个进给量的送进工作行程，被修整金刚石砂轮 １的廓形曲线形状将保持不变，即被修整金刚石砂轮１的去除高度沿廓形线线长上分布均等，修整 器砂轮的工作表面形状也将保持不变，即修整器砂轮的磨耗层高度在其工作面上也分布均等。因此 修整器砂轮１在其工作面上的任一环面的磨耗层面积与其创成的被修整砂轮１上相应部位线长上的 去除层圆周面积成比例。此设为关系血。综合关系１、关系正、关系血，并考虑初始条件，得到被 修整金刚石砂轮１的廓形曲线函数由下述方程（１）（２）及初始条件确定。基于关系Ｋ、ｗ得其 中Ｋ（ｒ，ｘ，ａ）是椭圆兰一工全方一１在ｍ—ｘ点处的曲率初始条件为其中Ｒ是被修整砂轮１ 上廓形曲线左端点的半径。３实验实例对１２５ｍｍ型陶瓷涂层活塞环给定的成形参数要求，根据 上述理论方程（１）用数值解法求得ＧＣ修整器砂轮偏斜角ａ，用上述方法修整金刚石砂轮成中凹 形状，然后进行陶瓷涂层活塞环的成形磨削实验，实验条件如表１，得到的活塞环外环面截面廓形 如图３。图中的计算廓形，符合活塞环图纸提出的Ｄ，Ｅ，Ｆ三点为３个特性点坐标和光滑中凸廓 形的要求；磨割得到的陶瓷活塞环截面形状，除因使用的金刚石砂轮粒度较粗（６０”）引起的粗 糙度影响外，轮廓形状与计算成形基本相符，符合活塞环的廓形要求，而且表面没有挤压征象。这 一批实验件共１２只，砂轮经一次修整后，连续磨削这１２只陶瓷活塞环，截面形状都符合要求。 陶瓷涂层活塞环精密成形磨削@冯之敬$清华大学精密仪器与机械学系!北京100084@金之 垣$清华大学精密仪器与机械学系!北京100084陶瓷涂层;;活塞环;;廓形;;金刚石砂 轮;;修整陶瓷活塞环的加工应采用超硬磨粒金刚石砂轮磨削，但传统的金刚石笔修整方法由于修 整笔易被磨耗而不能用于金刚石砂轮。为了修整金刚石砂轮使其获得要求的微凹的砂轮廓形，提出 了用碳化硅（ＧＣ）杯形砂轮取偏斜α角的方位修整金刚石砂轮，获得中凹的金刚石砂轮修整廓形，以成形磨削陶瓷涂层活塞环桶形外环面的方法，分析了这种方法的修整成形机理，提出了计算α角和计算砂轮修整廓形的理论公式。1Hitoshi Ohmori, Takeo Nakagawa. Electrolytic In-process dressing (ELID) for mirror surface grinding.The 4th Sino-Japan Joint Seminar on Ultra-precision Technology, 1992, 11. 139-153
2 Suzuki K, Ubmatsu T, Nakagawa T. On-machine trueing/dressing of metal bond grinding wheels byelectro-discharge machining. Annals of the CIRP, 1987, 36(1 ): 115-118
3松井正己,庄司克雄,山尾昌道.研究(第1报).精密工学会志,1986,52(2):291～296,(第2报),精密工学会志1987,53(3):486～490
4冯之敬,庄司克雄,周立波,等.小直径CBN砂轮的修整精度.清华大学学报,1994,34 (5):57～62，实验条件如表１，得到的活塞环外环面截面廓形如图３。图中的计算廓形， 符合活塞环图纸提出的Ｄ，Ｅ，Ｆ三点为３个特性点坐标和光滑中凸廓形的要求；磨割得到的陶瓷 活塞环截面形状，除因使用的金刚石砂轮粒度较粗（６０”）引起的粗糙度影响外，轮廓形状与计 算成形基本相符，符合活塞环的廓形要求，而且表面没有挤压征象。这一批实验件共１２只，砂轮 经一次修整后，连续磨削这１２只陶瓷活塞环，截面形状都符合要求。陶瓷涂层活塞环精密成形磨 削@冯之敬$清华大学精密仪器与机械学系!北京100084@金之垣$清华大学精密仪器与机 械学系!北京100084陶瓷涂层;;活塞环;;廓形;;金刚石砂轮;;修整陶瓷活塞环的加 工应采用超硬磨粒金刚石砂轮磨削，但传统的金刚石笔修整方法由于修整笔易被磨耗而不能用于金 刚石砂轮。为了修整金刚石砂轮使其获得要求的微凹的砂轮廓形，提出了用碳化硅（ＧＣ）杯形砂 轮取偏斜α角的方位修整金刚石砂轮，获得中凹的金刚石砂轮修整廓形，以成形磨削陶瓷涂层活塞环桶形外环面的方法，分析了这种方法的修整成形机理，提出了计算α角和计算砂轮修整廓形的理论公式。1Hitoshi Ohmori, Takeo Nakagawa. Electrolytic In-process dressing (ELID) for mirror surface grinding.The 4th Sino-Japan Joint Seminar on Ultra-precision Technology, 1992, 11. 139-153
2 Suzuki K, Ubmatsu T, Nakagawa T. On-machine trueing/dressing of metal bond grinding wheels byelectro-discharge machining. Annals of the CIRP, 1987, 36(1 ): 115-118
3松井正己,庄司克雄,山尾昌道.研究(第1报).精密工学会志,1986,52(2):291～296,(第2报),精密工学会志1987,53(3):486～490
4冯之敬,庄司克雄,周立波,等.小直径CBN砂轮的修整精度.清华大学学报,1994,34(5):57～62