（机械制造及其自动化专业论文）电镀单层cbn磨具的研究及其结构优化设计.pdfVIP

太原理工大学硕士研究生学位论文 电镀单层c b n 磨具的研究及其结构优化设计 摘要 c b n 磨料的出现和应用引发了2 0 世纪磨具行业的一次重大革命，由 c b n 所制作的磨具已经深入磨削加工的各个领域。高精度窄深槽加工一直 是机械加工的难题，研究开发新型电镀单层c b n 磨具，将会为传统机械精 加工工艺的发展提供有力的支持。 对于许多由难加工材料制造的航空、汽车、液压泵等零件上有高精度 要求窄深槽加工，特别是宽度为2 m m 以上的窄深槽加工，采用传统粘结、 烧结的砂轮缓进给磨削工艺，可以通过一次磨削加工出较高精度的窄深槽。 但对于宽度不大于2 m m 的窄深槽，采用普通砂轮缓进给磨削时，磨料很容 易脱落使砂轮的精度和寿命降低，为了保证加工精度，必须在加工的过程 中对磨具进行修形；由于砂轮工作部位的厚度很薄，在磨削和修整时极易 破碎，而且加工成本很高。因此开发出一种具有更新换代意义的新型磨具 ( 电镀单层c b n 磨料磨削工具) 已迫在眉睫。与传统磨具相比，电镀单层 c b n 磨具在制作工艺、加工精度和使用寿命等方面都显出了很大的优势。 近几年，国内有关电镀c b n 磨具的研究已经取得了很大的进展，但在电镀 c b n 薄片砂轮工艺研究上还处于开发阶段，制作成功的高精度电镀c b n 薄 片砂轮寿命低，生产成本过高。本文根据电镀理论及窄深槽的磨削特点， 对电镀c b n 薄片砂轮的基体设计、制造及其电镀工艺进行了分析研究，并 进行了简单的电镀实验和磨削试验。 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 目前电镀c b n 薄片砂轮存在的主要问题是磨粒的等高性、均匀性差。 本文从分析影响磨粒等高性和均匀性的原因入手，对落砂法和埋砂法的工 艺特点进行了比较，提出电镀c b n 薄片砂轮的置砂工艺采用悬一埋结合的 新工艺方法。然后对置砂方案进行了设计，提出镀底镍、置砂、加厚镀分 开进行，置砂时砂轮基体竖放，整个过程分六个区域依次完成，每个区域 同时完成两侧和圆周三个型面的置砂的工艺方案。根据置砂要求设计制造 了一套电镀夹具，从根本上解决了c b n 磨粒分布的等高性和均匀性问题。 依据电镀理论、技术分析及掌握的经验，并进行了电镀实验。 磨削温度高、砂轮易变形是电镀c b n 薄片砂轮磨削窄深槽的主要问题， 本文从改善散热条件和磨削表面的冷却效果、利于减少砂轮内应力和纠正 基体变形出发。专门设计了砂轮夹具，并对砂轮的整体结构进行优化；考 虑到磨削时线速度较大，容易发生振动。为此，通过实验对砂轮做了动平 衡和静平衡配平以及应用有限元法计算砂轮的固有频率，避开了共振区， 降低了磨削加工过程中的振动。 为了验证电镀砂轮的磨削性能和使用的可靠性，本文设计了正交实验 进行磨削加工，先采用极差分析得出磨削用量( 线速度，进给量，磨削深度) 的影响程度。在通过磨削速度、进给量、磨削深度与粗糙度关系的直观图 得出较优磨削用量组合。考虑到加工效率又对极差分析的结果通过作磨削 速度对粗糙度影响的单因素实验来进一步验证，最后得出了磨削用量最优 组合为v = 3 7 5 m s 、a p = 4 m m m i n 、h = 1 5 m m 时，加工表面粗糙度值凡= o 0 4 6 u m 。 另外，实验也验证了所制作的电镀c b n 薄片砂轮当以较高的切削速度缓进 给磨削高速钢时，能加工出宽约为1 8 5 r a m 、深1 5 m m 窄深槽。这表证明了本 太原理工大学硕士研究生学位论文 电镀工艺能够满足加工工艺要求，因此，电镀工艺悬一埋结合的方案是可 行的。 关键词：c b n ，- 砂轮结构，电镀工艺，悬一埋置砂，磨削实验 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a c ho fg r i n d l n gt o o lo fs l n g l e l a y e r e l e c t r o p l a t e dc b na n do p t i m l z a t i o nd e s i g nf o r l t ss t r u c t u r e a b s t r a c t t h ee m e r g e n c ea n da p p l i c a t i o n so fc b na b r a s i v eh a v et r i g g e r e dag r e a t a b r a s i v ei n d u s t r yr e v o l u t i o ni nt h e2 0 t hc e n t u r y , t h ea b r a s i v em a d eo fc b n h a v ew i d e l ya p p l i e di na l la r e a so fg r i n d i n g d e e pn a r r o wh i g h p r e c i s i o n m a c h i n i n gp r o c e s s h a sa l w a y sb e e nap r o b l e m ，t h e r e f o r er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn e ws i n g l e l a y e rp l a t i n gc b na b r a s i v e w i l lb et h es t r o n g s u p p o r tf o rt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lf i n i s h i n gp r o c e s s f o rm a n yh i g hp r e c i s i o no fn a r r o wd e e ps o c k e tm a c h i n i n gi nt h ep a r t s m a d eo fd i f f i c u l t t o m a c h i n em a t e r i a l sf r o mt h e a e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e ， h y d r a u l i cp u m p sa n do t h e rh i g h p r e c i s i o np a n s ，e s p e c i a l l yt h en a r r o wd e e p s o c k e tw i t hw i d t hm o r et h a n2m m ，h i g hp r e c i s i o nn a r r o wa n dd e e ps o c k e tc a n b em a c h i n e dw i t ht r a d i t i o n a lb o n do rs i n t e r i n g b u tw h e nm a c h i n i n gt h es o c k e t w i t hw i d t hl e s st h a n2 m mw i t ht r a d i t i o n a l p r o c e s s ，t h ea b r a s i v ee a s i l y s h e d s ，w h i c hl e a dt ot h ew h e e l ss h o r te x p e c t a n c ya n dl o wp r e c i s i o n t o g u a r a n t e et h ep r e c i s i o n ，t h ea b r a s i v em u s tb ed r e s s e dd u r i n gt h em a c h i n i n g ；b u t t h ea b r a s i v ea r ee a s il yb r o k e nd u r i n gt h em a c h i n i n ga n dd r e s s in gb e c a u s et h e t h i c k n e s so f t h em a c h i n i n gp a r ti sv e r yt h i n m o r e o v e rt h ec o s t sa r eu s u a l l yh i g h t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n to fn e wa b r a s i v e ( a b r a s i v ep l a t e dw i t hc b n ) i su r g e n t v 太原理j 人学硕十研究生学位论文 c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la b r a s i v e s ，a b r a s i v e sp l a t e dw i t hs i n g l e l a y e rc b n h a v em a n ya d v a n t a g e si np r o d u c t i o np r o c e s s ，w o r k i n ga c c u r a c ya n dl i f e i n r e c e n ty e a r s ，e l e c t r o p l a t i n gc b na b r a s i v er e l a t e dr e s e a r c hh a sb e e nm a d eag r e a t d e a lo fp r o g r e s s ，b u ti nt h i ne l e c t r o p l a t i n gc b ng r i n d i n gw h e e lt e c h n o l o g yi s a l s oi nt h ed e v e l o p m e n ts t a g e ，t h es u c c e s s f u lp r o d u c t i o no fh i g h p r e c i s i o nt h i n e l e c t r o p l a t i n gc b ng r i n d i n gw h e e l s l i f e i sl o wa n dp r o d u c t i o nc o s t sa r et o o h i g h b a s e d o nt h e t h e o r y a n d e l e c t r o p l a t i n gd e e p n a r r o w g r i n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，t h et h i ne l e c t r o p l a t i n gc b ng r i n d i n gw h e e lm a t r i xd e s i g n ， m a n u f a c t u r ea n de l e c t r o p l a t i n gp r o c e s sh a sb e e na n a l y z e d ，a n ds i m p l eg r i n d i n g p l a t i n ge x p e r i m e n t sa n dt e s t sh a v eb e e nd o n e c u r r e n t l yt h em a i np r o b l e m so ft h i ne l e c t r o p l a t i n gc b ng r i n d i n gw h e e la r e p o o rc o n t o u r a n du n i f o r m i t y d e b r i sf r o mt h ei m p a c to fr e a s o n so fc o n t o u ra n d u n i f o r m i t y , t h i sa r t i c l ed r a w sac o m p a r i s o no f c r a f tc h a r a c t e r i s t i co ff a l l i n gs a n d a n db u r y i n gs a n d ，a n dp r o p o s e st h en e wt e c h n o l o g ym e t h o d s ，t h a ti st h e c o m b i n a t i o no fs u s p e n d i n gs a n da n db u r y i n gs a n d t h e nt h i sa r t i c l ed e s i g ns e t sa t t h eg r a n u l a t i n gs u b s t a n c ep l a n ，a n dp r o p o s e st h a tn i c k e lp l a t i n g ，g r a n u l a t i n g s u b s t a n c ea n dt h i c k e rp l a t i n ga r es e p a r a t e l yd o n e ，s u b s t a n c ei sg r a n u l a t e da tt h e w h e e lm a t r i x ，t h ew h o l ep r o c e s sa r ec o m p l e t e di ns i xr e g i o n s ，a n ds u b s t a n c ei s g r a n u l a t e do nb o t hs i d e sa n dt h r e ec i r c u m f e r e n t i a ls u r f a c e so f e a c hr e g i o na tt h e s a m et i m e ，c l a m pi sd e s i g n e da c c o r d i n gt og r a n u l a t i n gs u b s t a n c ed e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t s ，w h i c hf u n d a m e n t a ll ys o l v e st h ec b na b r a s i v e c o n t o u r sa n dt h ed i s t r i b u t i o no fu n i f o r mi s s u e s b a s eo nt h et h e o r yo f v 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 e l e c t r o p l a t i n g ，t e c h n i c a la n a l y s i s ，a n dt h em a s t e r e de x p e r i e n c e ，e l e c t r o p l a t i n g e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e h i g hg r i n d i n gt e m p e r a t u r e ，a n dw h e e ld e f o r m i n ge a s i l ya r ek e yi s s u e so f g r i n d i n gn a r r o wa n dd e e ps o c k e t ，t h i sa r t i c l ef r o mt h ei m p r o v e m e n tr a d i a t i o n c o n d i t i o na n dt h eg r i n d i n gs u r f a c e sc o o l i n gp e r f o r m a n c e ，f a v o r st h er e d u c e d g r i n d i n gw h e e li n t e r n a ls t r e s sa n dt h ec o r r e c t i o ns u b s t r a t ed i s t o r t i o ne m b a r k s s p e c i a l l yd e s i g nc l a m po ft h ew h e e l ，a n do p t i m i z e st h ew h e e la n dt h eo v e r a l l s t r u c t u r e c o n s i d e r i n gt h el i n ks p e e di sg r e a tw h e ng r i n d i n g ，t h ew h e e li se a s yt o h a v et h ev i b r a t i o n t h e r e f o r e ，t h et r a n s i e n te q u i l i b r i u ma n dt h es t a t i cb a l a n c e b a l a n c i n gh a sb e e nm a d eb ye x p e r i m e n ta sw e l la st h ea p p l i c a t i o no ff i n i t e e l e m e n tm e t h o dc a l c u l a t e sg r i n d i n gw h e e l sn a t u r a l f r e q u e n c y ，w h i c hh a s a v o i d e dt h er e s o n a n c er e g i o n ，r e d u c e di nt h ea b r a s i v em a c h i n i n gp r o c e s s v i b r a t i o n t oc o n f i r mg r i n d i n gw h e e l sg r i n d i n gp e r f o r m a n c ea n dt h eu s er e l i a b i l i t y ， t h i sa r t i c l ed e s i g n st h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt oc a r r yo nt h ea b r a s i v em a c h i n i n g ， f i r s tm i s s e se x t r e m e l ya r eu s e dt oo b t a i ng r i n d i n ga m o u n tu s e d ( 1 i n ks p e e d ，t o f e e dq u a n t i t y ，g r i n d i n gd e p t h ) i n f l u e n c e t h e nt h es u p e r i o rg r i n d i n ga m o u n ti s o b t a i n e db yt h er o u g h n e s sr e l a t i o n s d i r e c t v i e w i n gc h a r to fg r i n d i n gs p e e d ，f e e d q u a n t i t y ，g r i n d i n gd e p t h c o n s i d e r i n gt h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ，t h em i s s e s e x t r e m e l yr e s u l ti sf u r t h e rc o n f i r m e db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tm o s ts u p e r i o r c o m b i n a t i o nw h i c hi st h eg r i n d i n ga m o u n tu s e dv = 3 7 5 m s ，a p = 4 m r n m i n ， h = 15 m m ，p r o c e s s i n gs u r f a c er o u g h n e s sv a l u e = o 0 4 6i so b t a i n e d m o r e o v e r ，t h e v ii 太原理t 大学硕十研究生学位论文 e x p e r i m e n ta l s oc o n f i r m st h a tt h et h i nc b ng r i n d i n gw h e e lc a nm a c h i n et h e s o c k e tw i t hw i d t ha p p r o x i m a t e l y1 8 5 r a ma n dd e p t h15 m mw h e ng r i n d i n g h i g h s p e e ds t e e la th i g hc u t t i n gv e l o c i t ya n ds l o wf e e dg r i n d i n g t h i st a b l eh a s a l s op r o v e nt h a tt h i sc r a f to ft h es u s p e n d i n g - - b u r y i n gs a n dc a ns a t i s f yt h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t ，t h e r e f o r e ，t h es u s p e n d i n 鼬u r y i n gs a n d c r a f ti sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c b n ，g r i n d i n gw h e e l s t r u c t u r e ，e l e c t r o p l a t i n gp r o c e s s ， s u s p e n d i n u 咖n gs a n d ，g r i n d i n ge x p e r i m e n t v i i1 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 王象圃 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；7 学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 签名：兰苤! 至!日期：幽：笪：笸 导师签名： 兰珥 日期： 塑丝! # 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 金刚石和c b n 磨料工业化生产的实现被誉为是本世纪磨料行业所取得的两大具有 里程碑意义的突破性成果。c b n 磨料的出现和应用引发了2 0 世纪磨具行业的一次重大 革命，由c b n 所制作的磨具已经深入磨削加工的各个领域，加工范围覆盖了包括各种 高硬、高脆、高强韧性材料在内的几乎全部被加工材料，而各类产品的精加工也进入一 个高效作业的新时代【l 】。高精度窄深槽加工一直是机械加工的难题，研究开发新型电镀 单层c b n 磨具，将会为传统机械精加工工艺的发展提供有力的支持。 1 1c b n 砂轮的发展与现状 c b n ( 立方氮化硼) 是继人造金刚石之后，于1 9 5 7 年由美国通用电气( g e ) 公司首先 研制成功的一种新型超硬磨料。第一代c b n 产品为单晶( 如c b n 杰，c b n 仑等牌号) ，第 2 代c b n 产品为微晶。这两代c b n 磨料的硬度大致相同，但微晶c b n 磨粒每次发生破 裂( 沿晶解面) 时，便产生锋利的新切削刃，具有自锐作用，故广泛应用于砂轮。 c b n 的硬度和热稳定性高，能耐1 2 5 0 1 3 5 0 高温；耐化学腐蚀性好；热导率高( 是刚 玉的4 6 倍) ，能将磨削热迅速导出( 进入工件的热量约为磨削时产生总热量的4 ，而用刚 玉砂轮时则高达6 3 ) ，防止工件烧伤与变形；磨钢料时的切除率高，磨削比大( 磨削钢时 的磨削比为4 0 0 0 1 0 0 0 0 ，是刚玉的1 2 0 一- - 1 5 0 倍) ：砂轮寿命长( 可达刚玉砂轮的1 0 0 倍以 上) ，是代替刚玉磨料磨削淬硬钢、高速钢、高强度钢、不锈钢和耐热合金等高硬度、高 韧性金属的最佳磨料，现己在汽车、拖拉机、轴承、机床、工具、航天和军工等行业中得 到了应用，且应用领域不断扩大。此外，c b n 砂轮应用于高速磨削，若采用金属基体 c b n 砂轮，线速度超过2 5 0 m s 也不会破碎，是一种适合超高速磨削的磨具。 开始发展起来的c b n 砂轮为金属、树脂和陶瓷结合剂的c b n 砂轮。随着高效磨削 和精密磨削技术的发展，普通的c b n 砂轮己不能满足实际生产中的不同需要。近十年 来开发出了许多c b n 磨料新品种及新砂轮。 太原理工火学硕十研究生学位论文 1 1 1 烧结型砂c b n 砂轮 烧结型c b n 砂轮是以金属、树脂和陶瓷等作为结合剂，用高温烧结法制造，成型 性好，其结合强度高、耐热性和耐磨性主要取决于结合剂的类型；砂轮的气孔使砂轮有 较大的容屑空间和较好的热交换效果；砂轮的自锐性好；c b n 磨料为复合层，使用寿 命长。但砂轮在烧结过程中不可避免地存在着收缩及变形，所以在使用前必须对砂轮进 行整形，但砂轮修整比较困难；磨粒的结合强度低，即砂轮的硬度较低，且砂轮气孔率 越高硬度越低。此外，由于砂轮的制造工艺决定了其表面形貌是随机的，各磨粒的几何 形状、分布及切削刃所处的高度不一致，因此磨削时只有少数较高的切削刃切到工件， 限制了磨削质量和磨削效率的进一步提高。 近几年，德国k r e b s k r e b s i e d e l 公司推出了一种新型多气孔的陶瓷结合剂c b n 砂轮。多气孔新陶瓷结合剂砂轮具有易于修整、冷却良好、材料磨除率高、易形成长磨 屑等特点，并已在凸轮面磨削、齿轮面磨削、平面磨削和坐标磨削等领域中应用，磨削 时的砂轮线速度为6 0 m s 。我国经多年开发研制，已有多种低熔点的陶瓷结合剂c b n 砂 轮，同时开发的还有钢基体、组合式砂轮，并在工业上有很大应用。如用国产陶瓷结合剂 生产的c b n 砂轮( 直径5 6 0 0 m m ，磨削速度6 5 m s ) 磨削汽车冷激合金铸铁( 硬度h r c 4 5 ) 凸 轮轴，与刚玉砂轮相比，耐用度提高1 0 0 倍以上，砂轮寿命提高4 0 倍，砂轮和修整工具的 直接费用降低1 5 ，生产效率提高1 0 。用陶瓷结合剂c b n 砂轮磨削喷油嘴针阀体的加 工效果也十分明显。又如中国船舶工业总公司6 3 5 4 研究所将陶瓷c b n 砂轮成功地用于 硬齿面磨削( 材料g c r l5 ，硬度h r c 5 8 - - 一6 2 ) 。 1 ，1 2 电镀c b n 砂轮 近几年来，由于各种高效、高性能磨床的问世以及砂轮制造技术的进步，市场上出现 了各种单层c b n 磨料砂轮。电镀c b n 砂轮是以镍、钴等作基体金属，利用电镀工艺把 c b n 磨粒固结在经精密加工成的一定尺寸和几何形状的金属基体( 也可用碳纤维复合材 料等作基体) 的表面上而成。因砂轮廓形可由基体制成复杂形状，单层c b n 磨粒由电镀 工艺获得，磨粒磨钝后可以重复电镀多次，并能采用高的磨削速度( 可高达2 5 0 3 0 0 m s ) ， 故更适用于高速磨削和成形磨削。 电镀c b n 砂轮存在的缺陷：在镀层金属与基体及磨料的结合面上并不存在牢固的 2 太原理一i ：大学硕士研究生学位论文 化学冶金结合，磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中，因而把持力小，c b n 颗粒在负荷较重的高效磨削中易脱落( 或镀层成片剥落 ) 而导致整体失效；为增加把持力 就必须增加镀层厚度，其结果足磨粒裸露高度和容屑空间减小，砂轮容易发生堵塞，散 热效果差，工件表面容易发生烧伤。目前国内的电镀砂轮制造尚未实现按加工条件的要 求而优化设计出砂轮的最佳形貌，单层电镀c b n 砂轮的这些固有弊端必然会大大限制 它在高效磨削中的应用。 1 1 3 单层钎焊c b n 砂轮 采用高温钎焊工艺是通过一种熔焊工艺将一层磨料固定在钢制基体上，结合剂与基 体和磨料之间主要靠化学结合力结合在一起。钎焊合金材料与c b n 磨粒之间除机械包 嵌外，还凭借钎焊提供界面上真i f 的化学冶金结合，从而可从根本上改善磨料、结合剂 ( 钎焊合金材料) 和基体三者之问的结合强度。如美国n o r t o n 公司用铜将c b n 磨粒钎焊 在基体上，其结合强度可达1 5 5 m p a 。因此只需2 0 - 3 0 的埋入率即可把持住磨粒，即 磨粒的裸露高度高达7 0 - 8 0 ，大大增加了客屑空间，并能使磨粒获得更锋利的形貌。 因而在与电镀砂轮相同的加工条件下，其磨削力、功率消耗、磨削温度均更低，意味着可 达到更高的工作速度，这在3 0 0 5 0 0 m s 以上的超高速磨削中有着特殊的意义，是今后 高速磨削首选的磨削工具。例如，目前已在我国汽车工业中应用的快速点磨削技术 ( q u i c k p o i n tg r i n d i n gt e c h n o l o g y ) 就是采用这种砂轮来实现的【2 1 。 目前利用单层钎焊c b n 薄砂轮( 宽度仅数毫米) 和超高线速度( 1 2 0 - 1 5 0 m s ) 砂轮人 们开发了磨削工艺。加工时使砂轮轴线与工件轴线在水平方向上形成一倾斜角，以使砂轮 与工件之间理论上的线接触变成点接触。这样就可大大减少磨削接触区面积，而极高的磨 削速度既可使磨屑变薄、磨粒负荷减轻，又可使磨削热来不及传到工件和砂轮上，几乎都 被磨屑带走，提高工件加工精度和表面质量。点磨削的砂轮寿命长( 可使用一年) ，修整频率 低( 每次修整可磨削加工2 0 万件) ，材料磨除率高，同时由于它采用和n c 车床一样的两坐 标联动来实现复杂回转体零件的磨削。能一次安装加工出外圆、锥面、曲面、螺纹、台阶 和沟槽，比切入磨削有更大的柔性，同时冷却效果极佳，磨削温度低，甚至可以真正实现干 磨削。目前该工艺已在我国上海大众汽车有限公司桑塔纳轿车生产线上使用，取得了显著 的经济效益。 单层高温钎焊c b n 工艺代替电镀c b n 工艺，可以从根本上改变c b n 、结合剂、 3 太原理f ：大学硕十研究生学位论文 基体三者之问的结合强度，但制作成本高，制作精度较难保证。目前在制造工艺上还不 成熟，研制合理的钎料合会配方是开发单层钎焊c b n 砂轮的关键，在工业化生产钎焊 砂轮过程中，严格控制结合剂层的厚度及均匀性十分必要，这些问题还没有得到有效解 决。此外，由于高温钎焊工艺温度较高对c b n 磨料会造成一定的影响【3 1 。 1 2 窄深槽工艺要求与加工现状 高精度窄深槽的共同特点是深度大、宽度小、精度高，许多是由难加工材料制造而 成。在传统的制作工艺中，对于普通材料零件上宽度2 m m 以上的窄深槽加工，通常是 采用切口铣刀预先铣槽，经热加工处理后再用厚度较薄的树脂或陶瓷结合剂砂轮磨削加 工。这种工艺加工效率低，砂轮强度低、刚性差、寿命短、磨削性能极其不稳定，较难 达到高的加工精度。后来，用普通砂轮缓进给磨削工艺，可以通过一次磨削加工出较高 精度的窄深槽。缓进给磨削就是采用较小的工件进给速度( 5 - 3 0 0 m m m i n ) 和大的切 深( 1 3 0 m m ) 与一体，既可以获得较高的槽精度和较低的表面粗糙度值，有可以获得 较高的生产效率。由于叶片材料的高温强度高、硬化相多、塑性好、硬度低( h r c 3 2 - - - 4 5 ) 、导热性差( 热导率仅为4 5 号钢的3 0 呦，在磨削过程中，磨粒产生较剧烈的磨耗磨损、 粘附磨损和扩散磨损。砂轮易粘附堵塞，造成磨削力增大，磨削热增多，磨削热集中在磨削 区麽削温度高。工件磨削表面塑性变形程度大，加工硬化严重。用普通砂轮缓进给磨削 时，砂轮寿命短，容易产生磨削烧伤，工件的磨削精度和表面质量不易保证。对于宽度不大 于2 m m 的窄深槽，采用铣削加工，成本高，精度低；采用普通砂轮缓进给磨削时，砂 轮工作部位的厚度很薄，修形量很大，在磨削和修整时极易破碎，加工成本很高。近年 来，电镀超硬磨料砂轮广泛应用于高精度型槽的缓进给磨削。目前，国外已经成功地研制 出薄片电镀c b n 砂轮在硬度为h r c 4 2 的钢件上缓进给磨削出宽1 5 2 m m 、深6 3 5 m m 、 带有半径为0 3 8 m m 圆角的窄深槽【4 1 。国内也用电镀c b n 砂轮在普通钢材上缓进给磨 削出宽1 5 m m 的窄深槽【5 】。 另外为了解决单层电镀砂轮容屑空间比较小的问题，新开发出了一种金属单层c b n 砂轮。金属单层c b n 砂轮是通过一种高温熔焊工艺将一层磨料固定在钢制基体上，结 合剂与基体和磨料之间主要靠化学结合力结合在一起，所以可以从根本上改变c b n 、 结合剂、基体三者之问的结合强度，因而磨粒被包裹体积较小，磨粒尺寸的8 0 露出结 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 合剂界面，而不会发生脱落。由于其相应的容屑空f b j 较大，可获得较高的磨除率，磨削 力相对而言也比较小。由于其容屑空间相对较大，磨削液也易于进入磨削区，为进一步 提高高效深磨的磨除率提供了条件。但这种方法的制作成本高，制作精度较难保证。 总之，许多由难加工材料制造的航空、汽车、液压泵零件上有各种各样高精度深槽， 特别是发动机涡轮叶片根部的窄深槽、液压泵转子的窄深槽的加工一直是国内加工的难 题【4 。 1 3 单层电镀c b n 砂轮的特性 目前，国内普遍采用传统粘结、烧结的树脂c b n 砂轮，但在进行高硬、高脆等材 料的加工过程中，磨具的结合强度不高以及本身强度低的弊端暴露出来。在负荷较大的 高效磨切作业中磨料很容易脱落从而导致磨具失去本身的固有精度，为了保证加工精 度，必须在加工的过程中对磨具进行修形，但修形难度大，修形中磨粒容易脱落，对于 薄片砂轮修形很容易使砂轮破碎，这样无疑增加了2 j n q - 成本。此外由于磨料的大量脱落 使得加工精度不能保证，磨具的寿命被大大缩短1 5 , 6 1 。很明显，传统磨具的这些固有弊端 必然会限制它在高效、高精密i j h - r 中的应用，为了充分发挥c b n 磨具的优势，国外在 2 0 世纪8 0 年代初期开始以电镀c b n 磨具替代传统烧结、粘结磨具，开发出一种具有 更新换代意义的新型磨具一电镀单层c b n 磨料磨削工具 7 , 8 1 。 近几年来，由于各种高效、高性能磨床的l 、u j 世以及砂轮制造技术的进步，市场上出 现了各种单层c b n 磨料砂轮。电镀c b n 砂轮是以镍、钴等作基体金属，利用电镀工艺 把c b n 磨粒固结在经精密加工成的一定尺寸和几何形状的金属基体( 也可用碳纤维复合 材料等作基体) 的表面上而成。因砂轮廓肜可由基体制成复杂形状，单层c b n 磨粒由电 镀工艺获得，磨粒磨钝后可以重复电镀多次，并能采用高的磨削速度( 可高达2 5 0 3 0 0 m s ) ，故更适用于高速磨削和成形磨削。 电镀磨具分复合镀和单层镀两种。单层电镀砂轮是将层磨料通过电镀或电沉积获 得的镍基结合剂层固定在钢制基体上，砂轮的形状保持性好，成本低，是自动化磨削的 最佳选择。与传统磨具相比，电镀单层c b n 磨具有其自身的优势。( 1 ) 电镀工艺相对 简单，磨具制备容易；( 2 ) 虽然只有单层磨料，但仍具有足够高的使用寿命；( 3 ) 无需 修形，使用方便：( 4 ) 单层结构本身决定了它可以达到传统磨具无法达到的最高切削速 5 太原理工大学硕七研究生学位论文 度，等等。在传统的烧结磨具中，c b n 的潜能仅发挥了3 1 0 ，这已被许多研究者 所证明。而电镀单层c b n 砂轮具有高精度的金属基体，电镀析出的金属( 最常用的是 镍) 把c b n 磨粒牢牢把持在基体表面上，即使在重负荷加工工艺中c b n 磨粒也不会从 金属结合剂中脱落出来，砂轮的磨损仅在磨粒自身遭到破坏时才发生。以上所述已为电 镀c b n 砂轮在平面磨、成型磨、内圆磨、成型精磨及切割工序的实验中所证明。电镀 单层c b n 砂轮的另一突出的优点是不必修整与找平砂轮，以恢复其切削能力。正是由 于单层电镀磨具的自身优势，使得他在国外超硬磨料磨具的生产应用中占有相当大的份 额，在高速特别是超高速的磨削中则更是占据着无可争议的主导地位f 9 , 1 0 , | i l 。 1 4 电镀单层c b n 砂轮的磨削特点 电镀单层c b n 砂轮使用的磨粒和磨粒的结合方式决定了磨削过程的特点：( 1 ) 超 硬磨料( 金刚石和c b n ) 的硬度、耐磨性和导热性比普通磨料高，它们可以有效地磨削高温 合金材料。特别是c b n 的耐热性和对铁族金属化学惰性优于金刚石，在加工高硬度的铸 铁、淬硬钢以及铁基、镍基、钴基高温合金和其他难加工材料时更具潜力。研究结果表 明，c b n 砂轮缓进给磨削高温合金时，其磨削性能明显优于金刚石砂轮。这是因为缓进给 磨削时，磨粒和工件接触点的温度远高于一般往复磨削时的温度，金刚石的耐热性和高温 韧性比c b n 差，磨粒磨削点的高温导致金刚石迅速磨损。( 2 ) 采用一般结合剂的c b n 砂轮，其磨粒是靠结合剂机械包埋镶嵌固定的，由于c b n 磨料的浸润性差，压型时磨粒 与结合剂的紧密度不够以及气孔等的存在，这种机械包埋镶嵌的作用不强，如需保证砂 轮正常工作，磨粒在结合剂中埋入率要求达到7 0 一- 8 0 ，磨粒的裸露高度只有2 0 - 3 0 ，因此砂轮磨削时容易堵塞。电镀砂轮的最大特点是磨粒裸露高度大( 可达4 0 5 0 ) ，有较锋利形貌，容屑空问大，故其切削能力强，其产生磨屑酷似微小的铣削切屑，故磨 削力小且有很高的材料切除率。例如用直径为2 0 3 r a m 的电镀c b n 砂轮，采用浓度为 2 2 的乳化油水溶液为磨削液，以5 3 1 0 6 m s 的线速度磨削7 1 8 铬镍铁合金与铬钒钢，材 料切除率高达7 c m 2 r a m ( 在2 5 4 m m 砂轮宽度上每分种切除1 7 7 8 c m 2 ) 【12 1 。( 3 ) 由于c b n 磨料的硬度与强度高不易磨钝，且因为c b n 不象普通磨料是热的良导体，这样减少了 传递到工件表面的热量，所以磨削热相对较低。 总之，在不同类型的c b n 砂轮中，电镀c b n 砂轮具有形状设计灵活，基体强度高，磨 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 粒把持能力强，形状保持性和尺寸稳定性优良，磨粒分布密度和暴露程度大，容屑空问大， 磨削力小，磨削温度低，磨削效率高，基体可以重复使用等特点，尤其适用于缓进给成形磨 削和高速、超高速磨削。国内外已成功地将电镀c b n 砂轮应用于许多零件上各种型槽 的缓进给成形磨削【1 3 , 1 4 , 1 5 。 1 5 电镀单层c b n 砂轮的技术现状 1 5 1 国外技术现状 国外在电镀c b n 单层磨具方面的研究较早，电镀工艺已较成熟。关于电镀磨具在 国外生产中成功应用的实例，可以举出很多，如：美国的工具与生产系统公司( 苏塞克 斯，威斯康星) 采用g e 公司提供的b o r z o n 牌电镀c b n 砂轮，在圆周速度1 5 0 m s 的g u h r i n g 机床上，可以用很高的材料去除率常规加工淬硬合金钢，大大缩短了工作时 间；日本k a s h i f u j i 工厂和o s a k a 金钢石工业公司研制的带螺旋齿的电镀c b n 砂轮用于 高速强力超静加工淬火齿轮，连续加工3 6 0 0 0 个齿轮仍可确保加工精度的要求，这说明 砂轮损耗极小，有很高的寿命，采用电镀微粉c b n 砂轮进行硅片纳米级磨削，表面粗 糙度r 。可有效控制在8 n m 以下1 1 6 a 7 l 。另外，欧美一些国家的公司能够用电镀c b n 砂轮 磨削汽车凸轮轴，单件工时可从5 分钟降低到2 分1 0 秒：l i t t o n 工业自动化公司曾试验 测算电镀c b n 砂轮磨制汽车凸轮轴，成本降低5 0 ，疲劳寿命提高3 0 ，磨制拉刀疲 劳寿命提高了1 0 - - - 2 0 1 1 8 1 。电镀单层c b n 磨具在国外成功应用于齿轮、凸轮轴、高 硬石材切割的加工过程中。 现在国外主要倾向于技术条件的理论与实验研究。如通过建立电镀结合剂c b n 砂 轮磨损的静态分析，研究计算砂轮磨损量的方法，从而确定c b n 磨粒的最佳要求；通 过模拟电镀结合剂c b n 砂轮的磨削过程确立砂轮使用的适合条件；通过对磨削效率、 磨削力与加工表面粗糙度、砂轮磨损强度的关系的研究，建立磨削周期和磨削规范的要 求而对磨削过程进行控制。 1 5 2 国内研究情况 我国的金刚石电镀制品是与树脂结合剂和青铜结合剂金刚石磨具一起从2 0 世纪6 0 年代发展起来的。后来逐渐开发了各种非磨削工具一除磨具之外的其它电镀金刚石工 7 太原理一l ：人学硕： 研究生学位论文 具。近年来，立方氮化硼生产在迅速发展，至1 9 9 7 年c b n 年产