一种用于成形磨削的内冷却开槽砂轮装置的制作方法

本发明属于磨削工具技术领域，具体涉及一种用于成形磨削的内冷却开槽砂轮装置。

背景技术：

相关资料表明，磨削加工占机械加工总量的30％。成形磨削是加工制造中应用范围较广泛的一种方法，磨削加工中，砂轮与工件的切削运动会在磨削区产生大量的磨削热，使得磨削区域温度迅速上升。磨削区域温度升高不仅可能会导致零件加工表面产生烧伤和磨削裂痕，而且会降低砂轮磨粒的强度，加快砂轮的磨损等。如果不能有效的降低磨削区域温度，将会严重影响齿轮的表面质量和砂轮的使用寿命。因此磨削过程中对于磨削温度的控制很重要。改善磨削液的供液方式，增强冷却效果，可以有效降低磨削温度，从而提高磨削质量。成形磨削加工一般采用喷淋冷却方式，这种方式具有结构简单，冷却液量大等特点，但是由于磨削区域的封闭性和高速旋转的砂轮产生的外部气流，会使得外部冷却液难以充分进入磨削区域，冷却液的冷却效果较差。随着冷却技术和制造技术的不断进步，内部冷却方式渐渐的应用于磨削加工中。相比喷淋冷却方式，采用内部冷却的方式能够将冷却液充分作用于磨削区域，能够有效的降低磨削区域的温度，保证零件的加工质量。

内冷砂轮的冷却液通道结构影响冷却液的射流冷却效果。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于成形磨削的内冷却开槽砂轮装置，解决成形磨削加工时，过高的磨削区温度对零件加工表面质量的影响，进而提高工件的磨削质量。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案是：

一种用于成形磨削的内部冷却开槽砂轮装置，包括有主轴和旋转组件，所述主轴的下端与砂轮上基体及砂轮下基体相连接；主轴的下端设有螺纹，通过夹紧螺母将砂轮上基体和砂轮下基体紧固在主轴上；主轴高速旋转时，将带动砂轮组件一同高速旋转；主轴的下端面开设有冷却液入口，通过气动旋转接头将冷却液入口与冷却液进液管相连接；

所述砂轮组件包括砂轮上基体、磨粒块、砂轮下基体、储液腔和翅状弧形的分叉通道；砂轮上基体与砂轮下基体通过连接螺栓连接；螺栓与砂轮上基体与砂轮下基体之间垫有止动垫片，砂轮上基体与砂轮下基体被夹紧螺母锁紧；砂轮上基体与砂轮下基体内部嵌有环形的储液腔和与储液腔相连通的若干分叉通道，若干分叉通道构成冷却液通路。

所述砂轮的内径处设有冷却液入口，冷却液入口与储液腔相通；砂轮外圆圆周表面磨削区设有通道的出口；所述通道沿砂轮圆周切向方向的截面为矩形；储液腔的高度大于翅状弧形分叉通道高度；

储液腔为环状槽道，靠近砂轮内径一侧设有冷却液入口，另一侧则与每组翅状弧形分叉通道的入口相连；

具有相同入口的分叉通道为一个通道组，若干个通道组绕砂轮轴心呈环形阵列布置。

所述每个通道组分叉n次，n≥1。

所述通道组数为n∈[8，20]。

所述的通道组数为10。

所述通道组数，每个通道组有n+1个出口，相邻的通道组出口之间的磨削面上粘接磨粒块。

所述的分叉通道，弧形的弧度根据砂轮直径和通道组数的不同可以发生变化；原则上使砂轮内冷通道出口处的流速矢量方向与磨削表面相对运动方向的夹角为：5°≤夹角≤15°。

所述的磨粒块通过陶瓷结合剂分别粘着于砂轮上基体、砂轮下基体的磨削端面上。

所述的环形储液腔与翅状弧形分叉通道通过凹槽相连。

所述砂轮的内部设有若干组翅状弧形分叉通道构成的冷却液通路，砂轮的环形储液腔和砂轮外圆周表面磨削区分别设有冷却液的入口和出口。具有相同初始入口的通道为一个通道组；每组流道包括一个流道入口和若干个流道出口，所述通道入口和砂轮的环形储液腔相连接，通道出口位于砂轮的外圆周表面磨削区上。

内冷却开槽砂轮是利用外部的加压装置，将冷却液以高压的形式注入砂轮的内部储液腔，通过外部压力、自身重力、以及砂轮高速旋转时产生的离心力，使冷却液以高速高压的状态直接从微通道喷射到磨削弧区，进而降低磨削弧区的温度，改善工件的加工质量。

本发明相对现有的技术，具有的优点和积极效果是：

本发明借鉴自然界中动植物的高效输运导管系统去设计砂轮内部冷却通道结构。利用“拟自相似性”这一特点，将生物微管体系中有用的几何特征运用到内冷却开槽砂轮通道的结构中，以提高内冷砂轮的冷却效率。自然界中昆虫翅膀的翅脉(如图4所示)以及树叶的叶脉(如图5所示)等，都是具有良好散热及输运特性的天然微通道结构。本发明借鉴昆虫中最大的鳞翅目昆虫—鳞翅目昆虫的前翅的翅脉分布网络(如图4所示)，设计本砂轮的内冷通道结构。为了提高冷却液的换热效果，该通道沿流向方向呈现一定的弯曲弧度，使得通道出口处的冷却液流动方向与工件相对运动方向之间的夹角尽可能小。通过不断缩小通道截面以提高冷却液的射流冲击速度，高效利用冷却液，增加磨削区域的强化换热；此外，通道组的出口数量较常规平行通道多出数倍，使得冷却液可以高频率输出持续冲刷磨削弧区，从而避免过高温度对齿轮表面质量的影响，改善断续磨削的质量，提高砂轮的强度和使用寿命。

本发明提供的一种齿轮成形磨削内冷砂轮，采用若干组弧形分叉通道构成冷却液通路。该内冷通道沿冷却液流动方向进行分叉，一个流道组具有多个冷却液出口。分叉通道为若干组绕轴心均匀布置的弧状分叉槽道，其入口与储液腔相通，出口指向砂轮外圆周表面磨削区，冷却液从此处高速飞出冲刷工件。整个结构利用砂轮旋转时产生的离心力，使冷却液以高速、高压状态从多个通道出口喷射到磨削弧区，使磨削弧区的温度得到大幅度降低，工件的加工质量得到显著提高。

相比于常规内冷砂轮，本发明的砂轮内冷通道沿流向方向呈现一定的弯曲弧度，使得通道出口处的冷却液流动方向与工件相对运动方向之间的夹角尽可能小，从而使得冷却液的冷却效率得到提高；此外，通道出口个数成倍增多，且出口处的冷却液压力与流速显著提高。这使得砂轮磨削过程中，高速高压的冷却液能够尽可能持续不断地从微通道喷射冲刷工件，使得磨削弧区的温度能够被有效降低，从而改善工件的加工质量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的整体结构全剖视图。

图3(a)为本发明砂轮内冷分叉通道的结构示意图。

图3(b)为本发明砂轮内冷分叉通道3d打印内冷却通道实物图

图4为本发明借鉴的自然界的动植物的高效输运导管系统-昆虫翅膀的翅脉图。

图5为本发明借鉴的自然界动植物的高效输运导管系统-橡树树叶中的叶脉图。

图6(a)为三种磨削工况下砂轮磨削进给量对磨削温度的影响变化曲线图。

图6(b)为三种磨削工况下对比例中，砂轮转速对磨削温度的影响图。

图6(c)为进口压强对磨削温度的影响曲线图。

图7是本申请实施例2中的增加次级通道的翅状弧形分叉冷却液通道结构。

图中：1-主轴，2-连接螺栓，3-上基体，4-磨粒块，5-下基体，6-止动垫片，7-夹紧螺母，8-气动旋转接头，9-冷却液进液管，10-冷却液入口，11-储液腔，12-密封圈，13-分叉通道；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

实施例1

如图1所示，一种用于成形磨削的内部冷却开槽砂轮装置，包括有主轴和旋转组件，所述主轴1的下端与砂轮的上基体3及砂轮下基体5相连接；主轴的下端设有螺纹，通过夹紧螺母7将砂轮上基体3和砂轮下基体5紧固在主轴1上；主轴1高速旋转时，将带动砂轮组件一同高速旋转；主轴的下端面开设有冷却液入口，通过气动旋转接头8将冷却液入口10与冷却液进液管9相连接；

所述砂轮组件包括砂轮上基体3、磨粒块4、砂轮下基体5、储液腔11和翅状弧形分叉通道13；砂轮上基体3与砂轮下基体5通过连接螺栓2连接；螺栓与砂轮上基体3与砂轮下基体5之间垫有止动垫片6，砂轮上基体3与砂轮下基体5被夹紧螺母锁紧；砂轮上基体3与砂轮下基体5内部嵌有环形的储液腔11和与储液腔11相连通的若干分叉通道13，若干分叉通道13构成冷却液通路。

所述砂轮的内径处设有冷却液入口，冷却液入口与储液腔11相通；砂轮外圆圆周表面磨削区设有通道的出口；所述通道沿砂轮圆周切向方向的截面为矩形；储液腔11的高度大于翅状弧形分叉通道高度；在储液腔11的上下端部挖有凹槽，里面放置胀圈密封圈12，以保证冷却液在进入储液腔时不会发生泄漏。

储液腔11为环状槽道，靠近砂轮内径一侧设有冷却液入口，另一侧则与每组翅状弧形分叉通道的入口相连；

具有相同入口的分叉通道为一个通道组，若干个通道组绕砂轮轴心呈环形阵列布置。

所述每个通道组分叉n次，n≥1。所述通道组，考虑到冷却效果和空间尺寸结构限制，通道组数为n∈[8，20]，本实例所选取通道组数为10。

所述通道组数，每个通道组有n+1个出口，相邻的通道组出口之间的磨削面上粘接磨粒块。

所述的分叉通道形状呈翅状弧形，弧形的弧度根据砂轮直径和通道组数的不同可以发生变化；为了提高换热效果，原则上使砂轮内冷通道出口处的流速矢量方向与磨削表面相对运动方向的夹角为：5°≤夹角≤15°。

所述的冷却液通路为翅状弧形分叉通道13。

所述砂轮上基体3与砂轮下基体5通过夹紧螺母7紧固在主轴1上。

所述砂轮上基体3、砂轮下基体5通过连接螺栓2相连接，砂轮下基体5与连接螺栓2之间放有止动垫片6以防止松动。

所述砂轮内壁上开设有冷却液的入口，在砂轮上基体3与砂轮下基体5中间加工出来圆环状的储液腔11，用于储存冷却液并进行稳流。

所述磨粒块4通过陶瓷粘结剂粘着与砂轮上基体3与砂轮下基体5的磨削端面上。

所述砂轮上基体3、砂轮下基体5的内表面加工有可以放置环形储液腔与和与之相连通的若干组翅状弧形分叉通道的凹槽。

所述冷却液进液管9通过气动旋转接头8与主轴1相连以给砂轮内部提供冷却液。在外部压力的作用下，冷却液通入到主轴内孔道后经过砂轮上基体3与砂轮下基体5中间加工出来圆环状的储液腔(11)，进而流入砂轮内部分叉通道13中，使得冷却液直接作用于磨削弧区，实现齿轮成形加工的内部冷却。

如图2所示，砂轮上基体3与下基体5之间通过连接螺栓2连接，砂轮上基体3与砂轮下基体5之间加工了能嵌合储液腔11和分叉通道13的槽道，为了防止冷却液从上下基体的分界处泄露，用3d打印的方式加工了砂轮内部冷却液通路，如图3(b)所示，并将其嵌入砂轮上基体3、砂轮下基体5之间的相应位置处。储液腔与砂轮基体之间采用胀圈密封圈进行密封。磨粒块4采用陶瓷结合剂粘接在砂轮上基体3、砂轮下基体5的磨削端面上。当砂轮开始工作时，冷却液通过冷却液入口10流入储液腔11，在储液腔中进行稳流和压力调整后进入翅状弧形的分叉通道13中，然后在重力、外部压力以及离心力的作用下从通道出口沿切线方向飞出冲刷冷却磨削弧区。

对采用带有通道组数n＝10的翅状分叉通道的内冷砂轮进行磨削试验研究，并将得到的结果与无冷液也的干磨削和传统外部浇铸冷却砂轮的磨削结果进行对比。在不同工况下磨削温度随磨削深度及砂轮转速的变化曲线趋势如图6(a)～(b)所示，其中，图6(a)所示为磨削进给量对磨削弧区温度的影响，可以看出，随着磨削进给量增加，干磨削、传统外部浇注法和内冷却磨削时的磨削弧区的温度也随之升高，干磨削时，磨削进给量由15μm增加到20μm时，磨削弧区的温度升高71℃，当磨削进给量由20μm增加到25μm时，磨削弧区的温度升高16℃。传统外部浇注法冷却时，磨削进给量由15μm增加到20μm时，磨削弧区的温度升高48℃，当磨削进给量由20μm增加到25μm时，磨削弧区的温度升高38℃。内冷却时磨削进给量由15μm增加到20μm时，磨削弧区的温度升高43℃，当磨削进给量由20μm增加到25μm时，磨削弧区的温度升高34℃。从图6(a)中可以看出相比于外部浇注法冷却，采用内冷却方式进行磨削加工时磨削弧区的温度下降了约30％左右，因此可以有效的降低磨削弧区的温度。

图6(b)所示为磨削转速对磨削弧区温度的影响，可以看出，砂轮转速越高，干磨削、传统外部浇注法和内冷却磨削时的磨削弧区的温度越高。干磨削时，砂轮转速由1200rpm增加到1400rpm时，磨削弧区的温度升高29℃，当砂轮转速由1400rpm增加到1600rpm时，磨削弧区的温度升高39℃。传统外部浇注法冷却时，砂轮转速由1200rpm增加到1400rpm时，磨削弧区的温度升高17℃，当砂轮转速由1400rpm增加到1600rpm时，磨削弧区的温度升高42℃。内冷却时砂轮转速由1200rpm增加到1400rpm时，磨削弧区的温度升高了19℃，当砂轮转速由1400rpm增加到1600rpm时，磨削弧区的温度升高39℃。相比于外部浇注法冷却，内冷却的降温效果更好，温度下降了约30％。

图6(c)所示为冷却液入口压强对磨削弧区温度的影响，可以看出随着进口压强增加，传统外部浇注法和内冷却磨削时的磨削弧区的温度都下降。传统外部浇注法冷却时，进口压强由0.4mpa增加到0.5mpa时，磨削弧区的温度降低了15℃，当砂轮转速由0.5mpa增加到0.6mpa时，磨削弧区的温度降低42℃。内冷却时砂轮转速由0.4mpa增加到0.5mpa时，磨削弧区的温度降低19℃，当砂轮转速由0.5mpa增加到0.6mpa时，磨削弧区的温度降低39℃，相比于外部浇注法冷却，磨削区的温度下降了约30％。

实施例2

如图7所示，本实施例中，参考昆虫翅脉的结构，在相邻两组通道之间设计次级通路，以进一步提高通道之间的冷却液流动压强和速度的均匀性。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。