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    304不锈钢砂带磨削试验研究.pdf

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    304不锈钢砂带磨削试验研究.pdf

    304不锈钢砂带磨削试验研究黄云1,2杨春强1黄智1,21.重庆大学 ,重庆 ,4000302.重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心 ,重庆 ,400021摘要 采用2种不同磨料砂带对304不锈钢进行了工艺试验 ,对磨削后工件表面粗糙度及砂带磨损表面形貌进行了观测 。讨论了磨削时间和法向磨削压力对表面粗糙度的影响 。在磨粒磨损理论模型的基础上 ,揭示了砂带的磨损机理 。分析了锆刚玉和碳化硅磨粒的自锐过程 。结果表明 ,在磨削时间小于8s时 ,表面粗糙度Ra值随磨削时间快速减小 ,当磨削时间大于20s时 ,Ra的大小与接触轮硬度的关系不大 。Ra随着法向磨削压力的增加而减小 ,当法向磨削力在60~80N时 ,表面粗糙度有稳定的较小值 。锆刚玉磨料有较强的自锐作用 ,以缓慢钝化磨损为主 ;而碳化硅磨粒则出现局部脱落 、较大的磨损小平面和严重的黏盖磨损 。关键词 砂带磨削 ;304不锈钢 ;表面粗糙度 ;砂带磨损中图分类号 TG580 文章编号 1004132X(2011)03029105Experimental Research on Abrasive Belt Grindingfor 304Stainless SteelHuangYun1,2Yang Chunqiang1,2Huang Zhi 1,21.ChongqingUniversity,Chongqing,4000302.ChongqingEngineeringResearch Center for Material Surface Precision Machiningand Whole Set Equipments,Chongqing,400021AbstractProcess tests of belt grindingfor 304stainless steel were conducted with two kinds ofabrasive grains.The surface roughness and the surface topographyof belt wear were observed.Theinfluence of grindingtime and normal grindingforce on surface roughness were discussed.The wearmechanism of belt wear was revealed based on a model of abrasive grain’s wear.The self-sharpingprocesses of silicon carbide and zirconia were analyzed.It has been shown that surface roughness Ravalues are rapidlydeceased when grindingtime is less than 8s.The Ra values seem to be independentof the roler’s hardness when the grindingtime is over 20s.The Ra values are deceased with normalgrinding force increasing.The optimum surface roughness can be reached when the normal grindingforces are between 60Nand 80N.Zirconia has a better abilityof self-sharpingand the wear process isdominated passivation wear.Abrasive grains partial loss,larger wear smal planes and serious coverwear are observed on silicon carbide abrasive grains.Keywordsbelt grinding;304stainless steel;surface roughness;belt wear收稿日期 20100423基金项目 重庆市科技攻关项目 (CSTC2007AB3004)0 引言304不锈钢具有热稳定性好 、耐腐蚀性及耐磨性好等特点 ,并且具有全面和良好的综合性能 ,因此被广泛应用在航空 、航海 、汽车配件 、医疗器具等领域[1-2]。随着生产的发展 ,人们对其加工精度及加工效率的要求也愈来愈高 ,但是由于其韧性大 、导热系数小 、弹性模量低等特点 ,在使用砂轮磨削加工时易产生以下问题 ①磨削力大 、磨削过程发热加剧 ;②磨屑易黏附砂轮 ;③磨屑难以切离 、磨粒容易磨钝 ;④加工表面易产生烧伤和裂纹 ,表面粗糙度增大 ,工件表面质量不易保证[3-5]。这些问题在一定程度上限制了304不锈钢的推广和使用 。为此 ,研制性能卓越的不锈钢磨削工具 ,提高磨削效率与磨削质量 ,已成为非常迫切的要求 。砂带磨削技术的发展 ,为解决上述问题提供了一条有效的途径 。砂带磨削是一种优质高效的工艺技术 。砂带磨削具有磨削 、研磨和抛光等多重作用 ,使得表面加工质量粗糙度小 ,加工表面发热少 ,即使干磨也不易烧伤工件 ,具有 “冷态加工 ”的美誉[6-7]。本文通过2种不同磨料砂带对304不锈钢进行磨削试验 ,分析磨削时间 、法向磨削压力对工件表 面 粗 糙 度 的 影 响 。借 助 扫 描 电 子 显 微 镜(SEM)观察砂带表面磨损形貌 ,研究砂带磨损机理 ,以期提高304不锈钢的加工精度和磨削效率 ,实现304不锈钢的大规模应用 。192304不锈钢砂带磨削试验研究黄云杨春强黄智1 磨粒和加工表面的实际接触时间在磨削过程中 ,当旧的磨粒磨损后 ,就不断会有新的磨粒参与磨削 ,因此参与磨削的磨粒数基本上是不变的 。磨粒和加工表面的实际接触时间ts是一个非常重要的参数 ,它对磨粒的磨损有着直接的影响 。ts对应于砂带从点A到运动到点B(图1)。ts可以用下式来表示 ts=lva图 1砂带磨削模型2 工艺试验研究2.1 试验材料的选用试 验 材 料 选 用304不 锈 钢 (国 际 为0Cr18Ni9),规格为35mm400mm。2.2 试验装置试验装置包含外圆砂带磨床试验机 、表面粗糙度仪 、SEM等 。试验在重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心外圆砂带磨削试验机床上进行 ,同时配备相应的变频器对主动轮进行矢量变频调速实现无级调速 。表面粗糙度的测定采用针描法 ,使用北京时代集团制造的粗糙度仪TR200,测定的粗糙度参数为Ra。当磨削试验完成后 ,在扫描电子显微镜上分析砂带表面的微观形貌特征 。2.3 试验条件该试验采用顺磨方式 ,所采用的试验条件见表1。表 1试验条件名称 参数砂带线速度 vs(m/s)0~40法向磨削力 F(N) 15,30,45,60,75,90接触轮硬度 HS70,90砂带种类 461F(黑色碳化硅 )577F(锆刚玉 )砂带规格及粒度 100mm1250mm(宽 周长 )P80冷却条件 干磨3 试验结果分析3.1 表面粗糙度的影响因素研究磨削加工一般作为机械零件的终加工工序 ,其主要目的是保证零件的表面粗糙度和形状精度要求 。磨削表面的创成过程是磨粒与工件表面材料相互干涉的最终结果 。由于磨削过程复杂 ,影响表面粗糙度的因素众多 ,磨削过程的物理关系往往很难精确表达[8-9]。3.1.1 磨削时间对表面粗糙度的影响磨削时间与表面粗糙度的关系如图2所示 ,接触轮的硬度标准为邵氏硬度 (HS),从图2可以知道 ,无论是硬度为90HS还是硬度为70HS的接触轮 ,它是橡胶硬度的一种表示方式 。表面粗糙度的变化都分为两个阶段 表面粗糙度Ra值快速减小阶段和稳定阶段 。从一个阶段变化到另一阶段的时间与的实际接触时间ts相一致 ,由图2可以看出 ,两个阶段的分界线大约是在8s,即ts=8s。因此 ,磨削时间对表面粗糙度的影响很大 。当t<ts时 ,磨粒的等高性差 ,表面粗糙度值大 ,随着磨粒的锋利性的降低 ,表面粗糙度的值快速下降 。当t>ts时 ,磨粒磨损使砂带表面形貌标准偏差稳定地减小 ,磨粒等高性变好 ,表面粗糙度的大小也趋于稳定 。由图2可看出 ,随着磨削时间的延长 ,表面粗糙度值的大小与接触轮硬度的关系不大 。图 2磨削时间与表面粗糙度的关系(磨削条件 锆刚玉磨料砂带P80,砂带线速度 vs=28m/s,磨削深度a=0.3mm)3.1.2 法向磨削力对粗糙度的影响图 3法向磨削压力与表面粗糙度的关系(磨削条件 锆刚玉磨料砂带P80,vs=28m/s,a=0.3mm)法向磨削压力与表面粗糙度的关系如图3所示 ,从图3可以知道 ,表面粗糙度随着磨削压力的增大而减小 。当法向磨削压力较小时 (30N以下 ),表面粗糙度减小得较快 ;当法向磨削压力较大时 ,表面粗糙度的减小变得缓慢 。表面粗糙度值的减小直接与参与磨削的磨粒数Ng和磨粒的形状有关 。Ng随着法向磨削压力的增大而增大 ,292中国机械工程第 22卷第 3期 2011年 2月上半月然而 ,磨粒的形状一方面与法向接触压力有关 ,另一方面与磨削时间有关 。当法向磨削压力大时 ,磨粒的快速磨损使表面粗糙度减小得缓慢 。压力的增大 ,使振动加剧 ,磨粒脱离严重 ,Ng减小 。在较小的法向磨削压力下 ,磨削时间长的表面粗糙度比磨削时间短的表面粗糙度要小 。这是因为在较小的法向磨削压力下 ,磨粒的磨损率较小 ,并且能保持较长时间的切削性 ,磨削时间长可以对表面多次磨削 ,使表面粗糙度值减小 。然而 ,在大的磨削压力下 ,表面粗糙度的大小与磨削时间的关系不大 。3.2 砂带磨损研究砂带磨损与磨削效率 、加工精度 、表面质量和生产成本等密切相关 ,因此砂带磨损机理也受到了国内外研究人员的广泛关注[10]。砂带磨损在正常情况下有三种基本形式 ①黏盖 。是指微细切屑残留并黏焊在磨粒外表面上 ,阻碍磨粒继续参与切削 ,严重降低磨削能力 。有时 ,大量切屑黏附在磨粒之间的容屑空间 ,即发生堵塞 。②脱落 。磨削时 ,磨粒所受的作用力超过其黏着力时 ,则磨粒将从黏结剂中脱落或与黏结剂一起掉落 。③磨钝 。由于磨粒与被加工材料多次反复摩擦 ,使磨粒顶点钝化为小平面或磨粒尖顶部的破断而无切刃 。在这三种磨损形式中 ,黏盖往往和被加工材料的性质和砂带的选择有关 ,脱落则是由于磨削力过大或者砂带黏结剂质量较差而造成的 。磨钝则是贯穿于整个磨削过程之中 ,是砂带磨损最普遍和最根本的形式 ,所以下面主要对磨钝这一形式进行分析 。3.2.1 磨粒的磨损机理模型因为磨粒的形状不规则 ,并且随机的分布在砂带上 ,这使得磨粒的磨损机理非常复杂[11]。但是 ,还是可以通过如图4的理论模型对磨粒的钝化磨损做一些定性分析 。图 4磨粒磨损的模型磨粒钝化主要是磨粒的磨耗磨损和破碎磨损 。磨耗磨损是由磨粒与工件相对运动时的摩擦而致 。破碎磨损是磨粒因受冲击顶尖破碎或整个磨粒因黏结剂的破裂而脱落 。通过对砂带形貌的电镜观察分析可知 ,新砂带的磨粒顶部几乎没有小平面 ,而是参差不齐的尖峰垂直 “耸立 ”。随着磨削的进行 ,顶部逐渐出现小平面的磨粒数增多 ,小平面面积加大 ,这时各顶峰变平并且其高几乎在一条直线上 (图4)。砂带以恒定的速度va运动 ,3Δt是磨粒和工件的实际接触时间 ,即对应于ts。在磨粒顶端经过快速磨损之后 ,直至使用寿命终结 ,砂带一直处于稳定磨损阶段 ,一方面切除材料 ,另一方面和工件发生摩擦 ,在峰顶部形成不断增大的磨钝小平面 ,同时一些锋刃较低的磨粒逐步显露出来 ,参与磨削工作 。在3Δt后 ,与工件接触的磨粒的磨损保持常量 ,因为总有新的磨粒替代旧磨粒参与磨削 。图5描述了磨粒的磨损的过程 。如果磨削时间小于ts(如t1),磨粒磨损程度取决于磨削时间 。但是 ,如果磨削时间大于ts(如t2),磨损达到最大 ,不再随磨削时间的变化而变化 。图 5磨削时间和磨粒磨损的关系3.2.2 砂带磨损表面形貌研究磨料的微结构和使用条件对砂带磨粒的具体磨损形式和演变过程影响很大 。为了提高砂带使用寿命和增加材料切除率 ,从微观角度来研究不同种类磨料的磨粒磨损形式 ,进而分析砂带磨损的变化规律[12]。由图6a可以看出 ,磨削304不锈钢后锆刚玉磨料砂带磨粒顶部出现了钝化的小平面 ,但其表面相对平滑 ,此外除磨粒边缘有少量破碎外 ,几乎没发现有块状破碎和黏附磨损 ,砂带磨粒以缓慢钝化磨损为主 。碳化硅磨料与锆刚玉相比 ,砂带磨损形式呈现出明显的差异 (图6b),碳化硅磨料磨削后的磨粒顶部几乎都出现较大的磨损小平面 ,在磨损小平面周围出现有少量的磨粒脱落和破碎现象 ,且砂带表面有较明显的裂纹 。从放大后的SEM照片还可以发现小平面几乎被黏附物覆盖 ,即砂带磨粒顶部被黏附物包裹 ,并且磨削过程中还可以观察到大量明亮的火花 。以上迹象表明碳化硅磨料砂带在磨削过程中磨粒与304不锈钢的亲合力较强 ,出现了较严重的黏盖磨损 。通过以上对比分析可以看出 ,砂带的磨损形式392304不锈钢砂带磨削试验研究黄云杨春强黄智(a)锆刚玉砂带磨损微观形貌(b)碳化硅砂带磨损微观形貌图 6锆刚玉和碳化硅砂带磨损微观地貌图(磨削条件 锆刚玉和碳化硅磨料砂带P80,vs=28m/s,a=0.3mm)主要是磨粒的微细破碎磨损和黏盖磨损 ,兼有少量小块状破碎磨损 ;锆刚玉砂带的磨损过程稳定 ,以磨粒缓慢钝化磨损为主 。而碳化硅磨损比锆刚玉严重 ,有较大的磨损小平面和严重的黏盖磨损 。3.2.3 磨粒的破碎与自锐作用通常单个碳化硅磨粒由一个或几个粗大的晶体构成 ,从图7a可知 ,在磨削过程中 ,磨粒顶点首先钝化成小平面 。随着磨削的持续进行 ,锋利的磨粒顶部钝化成小平面并逐渐扩展变大 ,磨粒与工件表面摩擦增加而切削作用减小 ,这一变化将会加速磨粒的磨损 。锆刚玉作为一种抗破碎性强的磨粒 ,通常由多个晶体构成 。从图7b可知 ,单个晶体由黑色片状Al2O3和白色片状ZrO2交替堆叠形成 。在磨削过程中 ,首先是ZrO2层快速被磨掉 ,然后才是下层Al2O3缓慢地被磨掉 ,这种交替磨损的原因就在于ZrO2层相对Al2O3层较软 ,每次ZrO2层被(a)碳化硅磨粒磨损过程(b)锆刚玉磨粒磨损过程图 7碳化硅和锆刚玉磨粒磨损过程示意图磨掉就会使下面新的Al2O3层暴露出来 ,即形成耐磨而较锋利的切削刃 。4 结论(1)磨粒和加工表面的实际接触时间ts对表面粗糙度Ra有很大的影响 ,由试验结果知ts=8s。即当磨削时间t<8s时 ,表面粗糙度快速减小 ;当t>8s时 ,表面粗糙度大小趋于稳定 。在磨削时间大于20s后 ,表面粗糙度值的大小与接触轮硬度的关系不大 。(2)表面粗糙度随着法向磨削压力的增大而减小 。当法向磨削压力较小时 (30N以下 ),表面粗糙度减小得较快 ;当法向磨削压力较大时 ,表面粗糙度减小变得缓慢 。当法向磨削力在60~80N时 ,表面粗糙度有稳定的最小值 。(3)砂带磨损有三种基本形式 黏盖 、脱落和磨钝 。根据锆刚玉和碳化硅的SEM图像分析可知 ,锆刚玉砂带的磨损过程稳定 ,磨粒边缘有少量破碎外 ,以磨粒缓慢钝化磨损为主 。而碳化硅磨损比锆刚玉严重 ,有较大的磨损小平面和严重的黏盖磨损 。锆刚玉磨粒的自锐作用较强 ,能不断形成锋利的切削刃 。参考文献 [1]熊家强 ,谢刚 ,唐广波 .304不锈钢热变形过程奥氏体动态再结晶及流变应力研究 [J].云南冶金 ,2008,37(5)37-42.[2]Gajendra P S,Alphonsa J,Barhai P K.Effect of-Surface Roughness on the Properties of the Formedon AISI 304Stainless Steel after Plasma Nitriding[J].Surface &Coatings Technology,2006,2005807-5811.[3]王德泉 ,陈艳.砂轮特性与磨削加工 [M].北京 中国标准出版社 ,2001.[4]李宝膺 ,华丽 ,石占先.不锈钢抛光工艺与磨具选择[J].金刚石与磨料磨具工程 ,2007(4)72-74.[5]Minori N,Mamoru K.ExperimentalStudy on GrindingFluids for Abrasive Belt Grinding of Stainless 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。重庆大学机械工程学院硕士研究生 。黄智 ,男 ,1977年生 。重庆大学机械工程学院博士研究生 ,重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心高级工程师 。液体阀门泄漏检测装置的研制及试验研究廖庆斌王晓东胡必忠武汉第二船舶研究所 ,武汉 ,430064摘要 以声发射理论为基础 ,研制了一种适用于液体阀门泄漏检测的装置 ,设计了相应的试验台架并对其检测性能进行了试验研究 。大量的台架试验表明 在同样的泄漏量情况下 ,液体阀门检测频率调定在25kHz时检测效果最为理想 。在阀后和阀前的压力差不低于1.0MPa、泄漏量不小于3.5mL/s时 ,阀后和阀前的声音值的差值不低于2dB,有较明显的泄漏声 ;当阀后和阀前的压力差不小于3.5MPa、泄漏量不小于2.5mL/s时 ,阀后和阀前的声音值的差值在3dB以上 ,泄漏声明显 。该液体阀门检测装置具有便携性强 、操作方便 、性能稳定 、可靠性高等特点 ,并且对于阀门微小的泄漏也能检测 ,有望在船舶液体阀门的泄漏检测中推广使用 。关键词 泄漏 ;检测装置 ;液体阀门 ;声发射中图分类号 TB42 文章编号 1004132X(2011)03029505Design and Experimental Investigation about a Leakage DetectingDevice for Liquid ValveLiao Qingbin WangXiaodong Hu BizhongWuhan second shipdesign and research institute,Wuhan,430064AbstractA leakage detectingdevice for liquid valve was developed based on the theoryof acousticemission,and correspondingexperimental system was designed to test its performance.The experi-mental results show that the checked results are the best when the checkingfrequencyenacted in25kHz under the same leakage rate.The sound difference on the back and front of the liquid valve isno less than 2dB when their pressure difference is no less than 1.0MPa,and the liquid leakage rate isno less than 3.5mL/s,the sound of leakage is relativelyevidence.The sound difference on the backand front of the liquid valve is no less than 3dB in the condition of their pressure difference is no lessthan 3.5MPa,and the leakage rate is no less than 2.5mL/s,the sound of leakage is evidence.Owingto its smal-size with beingeasyto carry,convenient in operation,run steadily,and it is effective tosmal leak.The leakage detectingdevice is an optimum and promisingdevice for leakage detection ofliquid valve in the field of ship.Keywordsleakage;detectingdevice;liquid valve;acoustic emission0 引言液体阀门在船舶中大量使用 ,各种阀门泄漏危害表现越来越明显 ,因此液体阀门的密封检测显得尤为重要[1-2]。阀门的密封检测也称为阀门的泄漏检测 ,而阀门的泄漏可分为内泄漏 (内漏 )和外泄漏 (外漏 )。阀门不能严密的关闭而导致的收稿日期 20100410泄漏称为内漏 ,常发生在阀座与运动件的接触面上 。阀门外漏是指阀内介质直接漏到环境中 。根据工程经验 ,对船上大量使用的各种阀门而言 ,阀门的外漏易于发现 ,发生概率相对较小 ,且易于发现和处理 ,对船舶的安全隐患也较小 。船舶阀门最大的安全隐患来自于内漏 ,内漏不但难于发现 ,并且由于部分阀门安装位置的限制 ,检测工艺也难于开展 ,目前我国船舶阀门的内漏检测技术相592液体阀门泄漏检测装置的研制及试验研究 廖庆斌王晓东胡必忠

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