金刚石微粉砂轮超精磨磨削技术

爱锐网 2019-01-15 23:49:35

金刚石砂轮磨削硬脆材料是一种有效的超硬磨料精密加工方法,它磨削能力强、耐磨性好、使用寿命长,磨削力小、磨削温度低、表面无烧伤、无裂纹和组织变化,加工表面质量好,且磨削效率高,因此近年来得到广泛应用,但在几何形状精度和表面粗糙度上很难满足超精密加工的更高要求,因此提出了金刚石微粉砂轮超精密磨削加工方法。


按我国国家标准规定,磨粒直径在50μm以下称为微粉。金刚石微粉砂轮一般是以粒度为w40一w5的金刚石微粉为磨料,采用树脂、陶瓷、金属(如铜、纤维铸铁等)为结合剂烧结而成,其特点如下:


(1)金刚石微粉砂轮由于其微粉磨料的粒度很细,可以获得极低的表面粗糙度,同时在精密磨床或超精密磨床上磨削可获得很高的磨削精度,是一种比较理想的微纳米超精密加工方法。

  

(2)金刚石微粉砂轮超精密磨削是一种固结磨料的微量去除加工方法,具有一般磨削的特点,可方便地磨削外圆、孔、平面和成形等表面,加工效率高,加工质量好,极具发展前途。

  

(3)金刚石微粉砂轮由于磨料粒度很细,容屑空间很小,磨屑容易堵塞,因此,除一般修整外,尚要进行在线修整,才能保证磨削的正常进行和加工质量。本来,超硬磨料砂轮的修整就是一个难题,因此,金刚石微粉砂轮的修整是一项关键技术。

  

(4)由于金刚石微粉砂轮的容屑空间很小,因此要严格控制磨削时的磨削深度,磨削加工应在精密磨床或超精密磨床上进行,机床上应有微进给系统。


金刚石微粉砂轮超精磨磨削机理


传统的用游离磨料进行精密加工和超精密加工方法,如研磨、抛光等,其加工机理主要是磨粒的滚动和挤压作用使被加工表面产生塑性变形和塑性流动,同时有磨粒的微切作用,总的可归结为延展式磨削。


金刚石微粉砂轮超精密磨削时,主要是微切削作用,在切削过程中有切屑形成、耕犁(隆起)、滑擦(滑动和摩擦)等现象产生,这是由于磨粒具有很大的负前角和切削刃钝圆半径;又由于是微粉磨粒,因此具有微刃性;同时,又由于砂轮经过精细修整,磨粒在砂轮表面上具很好的等高性,因此其切削机理比较复杂,可分析有以下几种现象:

  

(1)切屑形成分布在砂轮表面上比较高(突出)且比较锋利的磨粒,能获得足够大的磨削深度,可以形成切屑,且能看到切屑离开工件表面时由于氧化和燃烧所产生的火花。

  

(2)耕犁分布在砂轮表面卜不够突出和锋利的磨粒不能形成切屑,只能在工件表面上划出犁沟,在犁沟两边形成隆起,会影响表面粗糙度。

  

(3)滑擦分布在砂轮表面上的有些磨粒,其突出高度和锋利程度很低,不能形成切屑和耕犁,只能在工件表面上产生滑动和摩擦,由于磨削速度很高,将产生磨削热,造成热塑性流动,影响表面质量。

  

(4)挤压和塑性变形分布在砂轮上的有些磨粒,凸出高度很小,且无刃口,只能挤压被加工表面的轮廓尖峰,使其产生塑性变形而趋于平坦和光滑,从而改善了表面粗糙度。

  

(5)弹性破坏在晶体结构材料中,有晶格缺陷存在,一般在大约l林。的间隔内就有一个位错缺陷。由于金刚石微粉砂轮超精密磨削时,其加工应力的作用范围是在位错缺陷平均l可隔(1林m)以内,因此会产生原子级或分子级的弹性破坏,这种破坏不会产生塑性变形和残留变质层,但对表面微观结构有影响。


超硬磨料砂轮的修整

目前超硬磨料是指金刚石和立方氮化硼,超硬磨料砂轮的修整一直是一个难题。


超硬磨料砂轮修整过程

  

超硬磨料砂轮的修整一般分为整形和修锐两个过程。

  

整形是使砂轮达到一定的尺寸和几何形状,通常在砂轮产品出厂时进行,但在砂轮使用时由于安装在磨床主轴上有安装误差,如砂轮外圆与磨床主轴不同心或其端面与磨床主轴不垂直等、则必须进行整形。另外,要进行成形磨削时也需要进行整形。整形要求有一定精度的尺寸和几何形状,而且有较高的效率。

  

修锐主要是使金刚石磨粒突出而形成切削刃和容屑空间,以便于磨削,因为金刚石非常硬,其他材料很难加工它,因此修锐主要是去除金刚石磨粒周围的结合剂,使其裸露,如果去除得太多,则金刚石磨粒可能脱落,若去除太少则可能不能形成切刃和足够的容屑空间,通常以露出三分之一为宜。修锐过程中也可能有些金刚石磨粒会产生破碎而形成新刃,与所用修锐方法有关。

  

普通砂轮修整时,通常整形和修锐是一步完成的,在修整时其磨粒主要是被破碎而形成新刃,因此其修整机理有所不同。

  

超硬磨料砂轮的修整方法

  

超硬磨料砂轮的修整方法很多,现介绍几种有实效的常用修整方法:

  

(1)碳化硅(G)C杯形砂轮磨削法修整器安装在磨床工作台上,修整时,杯形砂轮轴线与被修整砂轮轴线垂直,杯形砂轮沿被修整砂轮圆周的切线方向作往复进给运动,并在每一往复进给运动中,当杯形砂轮与被修整砂轮脱开时,在垂直方向进行一定量的吃刀。这种修整方法比较实用,但杯形砂轮损耗较大,其修整机理是靠修整时碳化硅杯形砂轮的脱落磨粒起研磨作用去除金刚石磨粒周围的结合剂。杯形砂轮修整法是由日本东北大学庄司克雄教授提出的。

  

(2)电解修整法砂轮接正极,在其与负电极之间通以电解液。通电时,电流由支架经电刷传人砂轮,从而产生电解作用,通过电化学腐蚀去除砂轮上的金属结合剂而达到修锐效果。这种方法可在线修锐,装置简单,修锐质量好,受到广泛应用,但只能修锐金属结合剂的金刚石砂轮,且需要专配的防腐蚀电解液以免锈蚀机床。电解修整法是由日本物理化学研究所大森整教授提出的,称为电解在线修锐,英文缩写为EHD(Electrolytie in一proeess dressing)。


(3)电火花修整法电源提供直流电,砂轮接正极,修整器接负极,形成正极性加工。由于砂轮是旋转的,故要通过电刷将电源接到砂轮轴上再传至砂轮。这种修整方法既可整形,又可修锐,同时可用于在线修整,工作液可直接用磨床的磨削液,方法简单方便,应用广泛,但只适用于金属结合剂砂轮。我国清华大学制造工程研究所在这方面做了不少工作,是一个很有前途的金刚石微粉砂轮修整方法。

  

(4)砂带磨削法采用刚玉、碳化硅砂带修整金刚石微粉砂轮是利用砂带带基的软质材料的弹性来去除金刚石磨粒周围的接合剂而进行修锐,是一种软弹性修整法,简称弹性修整法。这种方法可用于各种结合剂的金刚石砂轮,修整效果较好,但在整形时效率较低,用于修锐较好。我国清华大学制造工程研究所在这方面也做了不少工作。

  

  其他尚有研磨法、喷射法、超声波振动法、激光法、清扫法等,在此不再赘述。


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