200m/s电镀CBN超高速砂轮的设计与制造
摘要：超高速砂轮的设计对其应用效果产生重要影响。本文在系统分析超高速砂轮设计理论的基础上，设计和制造了以200m/s为目标的超高速砂轮并进行了性能测试。
超高速磨削的效果与砂轮的合理设计和制造密切相关。开发新型超高速砂轮结构，高速砂轮探讨砂轮基盘截面的设计方法及改进砂轮安装形式是超高速砂轮系统设计的关键。本文在分析超高速砂轮设计过程的基础上，设计和制造了以200m/s为目标的电镀CBN超高速砂轮并进行了性能测试。
1 超高速砂轮的概念与设计原则
Konig W.指出：对于超高速砂轮的设计和应用必须具有一个崭新的砂轮概念。在正确的使用条件下，超高速砂轮的磨损非常小。即使是高效深磨工艺超高速砂轮的磨削比也可达到2000甚至更高，而且随着砂轮速度的提高磨削比有上升趋势。高强度及半永久性是超高速砂轮的两大基本特征。
超高速砂轮必须满足以下基本要求：(1)安全性能好;(2)加工精度高;(3)良好的磨削性能。其中砂轮的安全性是重要的。超高速砂轮的安全性很大程度上依赖于超高速砂轮基盘强度，对磨料层强度、基盘与磨料层的结合强度也有很高要求。由于超高速砂轮的磨料层厚度相对很小，其安全设计主要是基盘的综合设计。这是超高速砂轮设计过程与普通砂轮的重要差别。
2 变截面超高速砂轮强度的计算方法
准确的应力分布信息是砂轮基盘设计的基础。本文建立和求解了变截面基盘应力的数学模型。
式(1)为变截面砂轮基盘的应力求解公式。式中α、ρ、E、v为砂轮基盘材料热膨胀系数、密度、弹性模量和泊松系数。Ɯ为砂轮角速度;u为基盘径向位移。如果给定砂轮基盘截面形状分布y(r)、基盘温度分布T(t)及相应的边界条件，即可由上式解得基盘任一半径处的径向切向应力。
此处将基盘进行离散化处理，把变载面基盘分割成间距不等的厚度非连续变化的多个等厚圆环体。在截面厚度变化显著处可适当加大等厚圆环体的分割密度以保证计算精度。若分割的圆环体过多则会增加计算量。根据圣维南等效定理及变形连续性条件，通过实际的砂轮基盘的边界条件(有中心孔或完整基盘)，本文利用叠加修正法得到超高速砂轮变截面基盘任意截面上的应力和离心位移。。
高速砂轮若砂轮以周向分布的法兰孔螺钉连接，设基盘法兰孔心到旋转中心的距离为r，σ0(r)、σr(r)是无法兰孔时基盘r处的切向及径向应力。
离心率的作用使砂轮收到一定影响，砂轮的固有频率也发生了相应的变化。随着砂轮周转的速度提高，一直打到20000r/m，砂轮的固有频率大提高2.5%，但由于磨削是一种磨粒集合激振，磨粒的冲击频率随机性很大且砂轮轴向激振能量小，因此不足以产生对超高速砂轮基盘具危险性的行波振动破坏。
3 临界转速确定
作为超高速磨削砂轮，不能仅仅考虑砂轮基盘的断裂破坏和砂轮多次启动及停车引起的疲劳破坏，主要还应研究基盘限转速下的塑性失稳。在多向应力情况下，当大剪应力σmax=ηρf时，基盘开始出现塑性变形。σf为基盘材料的屈服限，η是主应力比系数。
高速砂轮式中ri、ra为砂轮基盘内外径。以上得到的临界转速值可作为砂轮的上限速度使用。在实践应用中，理论推算值只能作为参考。对于封闭型磨床，砂轮破裂速度和使用速度的比值可取为1.32，出厂时作1.1倍回转试验。
4 超高速砂轮的结构及其开发流程
超高速砂轮的开发流程简图。作为超高速砂轮目前以单层电镀CBN砂轮居多，其结构形式也多依据于磨床的主轴结构。本文着重说明其中几个应加以重视的普遍性问题。
