高效磨削技术

第八章高效及精密磨削技术 8 2 高速磨削 缓进给磨削 8 1 8 3 高速深切磨削 8 4 精密 高精密 超精密磨削工艺 8 5 镜面磨削加工工艺 8 6 电解磨削 8 7 其他高效磨削工艺简介 8 1高速磨削 高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削去除率和磨削质量的工艺方法 一般砂轮线速度高于45m s时就属于高速磨削 高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变 日本先端技术研究会把高速加工列为五大现代制造技术之一 国际生产工程学会 CIRA 将高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一 高速磨削的优点 磨粒的未变形切屑厚度减小 磨削力下降 砂轮磨损减少 提高砂轮寿命 在磨粒最大未变形切削厚度不变的情况下 加大磨削深度或工件的速度 提高磨削效率 切削变形程度小 磨粒残留切痕深度减小 磨削厚度变薄 还可以改善表面质量及减小尺寸和形状误差 高速磨削离心力大 易导致砂轮破裂 需要开发高强度砂轮 要求机床有足够功率 刚度及精度和安全防护措施 8 1 1高速磨削原理 高速磨削是提高磨削精度 表面质量的有效方法 又是增加磨削效率的有效方法 下面对高速磨削过程中的基本问题作一讨论 1 未变形磨削层厚度及切屑长度在外圆切入磨削时 单颗磨粒末变形切屑长度ls及未变形切屑的平均厚度计算式为 从上述二式中可知 增加 均增加 因小 所以影响程度不大 增加 均下降 在去除一定工件体积时 增加 单位时间内通过磨削区的磨粒数增加 所以未变形切削厚度减少 磨削力砂轮速度及单位宽度金属磨除率对单位磨削宽度上磨削力 的影响如图8 1所示 由图可知 在金属去除率一定时 提高 均下降 系统变形减少 3 磨削热 在磨削中工件受到磨削热的影响 最高温度发生在工件表面上 工件表面上最高温度的近似计算公式如下 图8 4给出了工件速度vw 砂轮速度vs对工件表面温度的影响 由图中可以看出 vw在40m min前 增大vw工件表面温度显著下降 超过40m min后 再增大vw 工件表面温度几乎不变化 vs增大 其工件表面温度变化不大 但vw越过40m min时 再增大时 未变形磨削层厚度增大 因而使磨削力增大 则砂轮磨粒破碎 脱落会变得严重起来 砂轮磨损加剧 导致工件表面质量恶化 综上所述 可以认为存在着工件速度的临界速度 其原因是 当q 80时 砂轮处于磨碎与脱落的范围 使总磨削能减少 当q 120时 砂轮自锐作用较差 因而使磨削温度上升 但有的研究认为 在高速磨削机理研究中发现存在着跳过引起工件热损伤的临界速度范围 可以参考后面HEDG关于vs vw对工件温度的影响 4 砂轮磨损与表面粗糙度在普通磨削中砂轮磨损的主要原因是磨粒磨耗磨损及磨粒的破损与脱落 高速磨削中 由于未变形磨屑层厚度较小 磨粒不易破损与脱落 砂轮耐用度增加 磨削力下降 磨削表面质量好 在一定金属切除率条件下 vs增加 砂轮径向磨损量降低 表面粗糙度得到改善 发生颤振的金属磨除体积vw增大 提高了磨削效率 vs增加 切屑变薄 则工件表面上磨痕深度变小 表面上残留凸峰变小 表面粗糙度得到改善 8 1 2高速磨削砂轮 1 高速磨削砂轮应力分析磨削中在砂轮上的作用力有磨削力 热应力 夹紧力和离心力 高速磨削中造成砂轮破损的主要因素是砂轮自身的离心力 离心力与砂轮速度vs的平方成比例增大 受离心力影响 砂轮受到很大应力 应力 r t的计算式如下 一般高速砂轮宽度与砂轮半径之比bs rs 0 5 可用上两式计算 r和 t 右图给出了砂轮的应力分布情况 从图中看出 t r 对于砂轮因离心力破坏而言 力 t的大小是非常重要的 不同的比值 砂轮应力分布不同 经研究应力分部有如下特点 1 无孔砂轮 在砂轮中心处 t r 图8 6砂轮应力分布情况 2 在ri 0时 切向力总足大于径向力 t的最大值在砂轮孔壁处 3 在相同的任意半径处 K值越大的砂轮 其径向应力越大 应尽量采用K值小的砂轮 经过上述分析可知 离心力引起砂轮破坏 应主要考虑切向应力 砂轮孔壁处应有较大的强度 所以可根据此采取补强剂 如树脂 以增强砂轮孔壁处的强度 以经受切向应力的作用 最大切向应力达到砂轮的单向抗拉强度时 砂轮即破裂 2 提高高速砂轮强度的途径主要途径是提高砂轮结合剂强度 以提高砂轮的抗拉强度 减少砂轮孔径 对砂轮孔壁处进行补强 1 提高砂轮结合剂强度在陶瓷结合剂中加入硼 锂 钡 钙等可使结合剂强度提高 2 补强砂轮图8 6是各种补强砂轮 图a是砂轮内部增加金屑丝或玻璃纤维网 图b是增加砂轮孔壁的厚度 图c是孔区使用细粒磨削 图d是砂轮孔区浸渍树脂 图e是孔区镶嵌金属环 3 高速磨削的磨削液及供给方式 1 磨削液常用水基及油基磨削液 在同一砂轮速度下 油基磨削液的金属去除率高于水基磨削液 砂轮速度vs愈高 油基的效果愈好 但油基磨削液冷却性差 在高速磨削中易产生油雾及着火 从工件温升角度考虑 应避免与防止工件表面烧伤 所以 工件表面温度应低 要求磨削液的冷却作用要足够 一般将油与水混合 采用水包油或油包水两种形式 水包油形式是以水为分散相 油为连续相 油包水是以油为分散相 水为这续相 通常将26 的水混入油中形成油包水的乳化液 油包水的磨削液的磨削比高 表面粗糙度得到改善 2 供给方式高速磨削时 砂轮回转表面生成较强气流 经测试 砂轮两端部气流体压力最大 砂轮速度提高一倍 则气流压力将提高2 5 3倍 较强的气流不能使磨削液进入磨削区 解决这一问题可采用气流挡板 高压磨削液及加大磨削液流量等办法 气流挡板示意图如图8 7所示 将其安装喷油嘴上方 使气流经挡板改变流动方向 破坏气流流入磨削区 气流挡板的上挡板及两侧挡板均可调 用加大磨削液压力的方法 可以加大磨削液的流速 冲破磨削区砂轮表面的气膜 达到冷却润滑作用 加大磨削液压力 可提高金属磨除率及磨削比 工件表面温升降低 磨削液流量增大后 使磨削区温度降低 可提高金属磨除率及磨削比 改善磨削质量 但随磨削液流量增大 砂轮与工件之间产生的楔形压力增加 使磨削功率增大 8 2缓进给磨削 缓进给磨削是一种高效的磨削加工工艺方法 它是采用增大磨削深度 降低进给速度 形成砂轮与工件有较大的接触面积As As lsap 及高的速度比q q vs vw 达到高的金属磨除率zw及精度 粗糙度要求高的目的 缓进给磨削也称作深切缓进给强力磨削或蠕动磨削 在平面磨削中占有主导地位 现在已成为一种加工韧性材料 如镍基合金 和淬硬材料的有效方法 特别适用于加工各种型面和沟槽 其最理想的状况是 原来需要经过成型铣削 倒角 热处理和精磨几道工序完成的工作 采用缓进给磨削 一道工序就可以完成 缓进给磨削与普通磨削的差别在于 砂轮的磨削深度大 1 30mm 和工件的进给速度低 5 300mm min 工件的最终轮廓成形精度高 由于工件速度低 在磨削时显示出对工件成型表面的形状精度保持性比普通磨削好 8 2 1砂轮与工件接触弧长度及接触时间 缓进给磨削速比大 单颗磨粒切下切屑薄而长 砂轮与工件接触弧长度lc大 普通磨削接触弧长仅几毫米 缓进给磨削砂轮与工件接触弧长lc达几厘米 接触弧度lc大 消耗较大的磨削能 缓进给磨削所需要的能量约是普通磨削的8倍 当缓进给磨削选用与普通磨削相同的砂轮直径与砂轮速度时 缓进给磨削砂轮转一周中每颗磨粒与工件接触长度大 延续的时间较长 单颗磨粒接触工件的延续时间与磨削深度ap是函数关系 如图8 8所示 从图中可知 缓进给磨削与普通磨削有相同的金属切除率时 在砂轮一周中 两者砂轮上单颗磨粒所切除的金属体积应是相同的 如平面缓进给磨削深度ap为1 28mm时 单颗磨粒切除一定金属体积所需时间tc为2000s 普通平面磨削深度ap 0 02mm时 切除相同体积的金属所需的时间要短得多 8 2 2磨削力 G Werner的研究所建立的缓进给磨削力数学模型为 试验表明 指数仅在范围内变化 增大 磨削力减小 增大工件速度vw 磨削深度ap及砂轮当量直径时 磨削力均增大 磨削力随工件速度vw减少而减少 缓进给法向磨削力约为普通磨削的2 4倍 在缓进给磨削中 磨削深度中ap对磨削力影响程度大于普通磨削 同普通磨削一样 缓进给磨削砂轮磨粒有一个开始磨损至钝化的过程 这使磨削过程的效率随磨削时间的增加而降低 而磨削力则随着时间的增加而增加 其影响情况如图8 9所示 图8 9磨削力与磨削时间的关系 从图中可以看出 在磨削过程中 磨削力约有40S的持续增加过程 固将磨削时的磨削力保持在砂轮新修整后的水平上 可以使缓进给磨削发生烧伤以前的金属切除量大大增加 因此 缓进给磨床最好具有连续修整砂轮的装置 8 2 3磨削温度 在普通磨削中 随切深增大 工件进给速度减少 磨削温度明显上升 而在缓进给磨削中 随磨削深度增大 进给速度减少 磨削温度有明显下降 由于缓进给磨削中工件速度vw很小 vw 10mm s 接触弧长区lc很大 lc 20mm 进入工件热量为稳定热流量 在较长的持续时间过程中 以较低的速度向工件流动 工件表面的温度随ap增大及vw减少而逐渐减少 并向工件扩展 磨削热被磨屑带走的热量较多 8 2 4砂轮磨损 砂轮磨损是由机械应力与热应力造成的 与普通磨削相比 缓进给磨削中 由于磨粒受的磨削力小 砂轮形面的径向磨损比普通磨损要小得多 砂轮边棱磨损亦较小 有利于保证工件成形面的精度 图8 10砂轮上有效磨粒所受力的大小与砂轮磨损的关系 8 2 5表面完整性 表面粗糙度缓进给磨削砂轮与工件接触弧长度lc大 速度比大 单颗磨粒承受的磨削力小 随磨削时间ta延长 砂轮磨损不严重 砂轮地貌变化小 因而零件表面粗糙度变化较缓慢 图8 11给出了速度比与表面粗糙度之间的关系 2 磨削表面烧伤在缓进给磨削时比磨削能较大 固加工表面的热损伤是考虑的主要问题 图8 12表示工件产生烧伤时 测量到的三种类型的法向力 图8 12缓进给磨削产生烧伤时法向磨削力的变化情况 在图a的情况下 发生烧伤时 法向力在微量增加后接着减小 然后急剧地连续增加 这有可能是由于工件因磨削热变软后的热膨胀造成的 在图b中 当发生烧伤时 法向力减小 磨削力持续处于低水平 这有可能是由于工件膨胀所产生的力的增加为材料变软减小的力所抵消 图c表示热波动的情况 这有可能是由于热膨胀和热软化反复进行产生的 3 残余应力缓进给磨削所形成的工件表面残余应力是挤光效应 压粗效应 热效应及热比容变化效应等综合作用的结果 挤光效应作用占主导 残余应力主要是塑性变形引起的 基本上是压应力 增大磨削深度ap及工件速度vw 均使单颗形粒的磨削厚度增加 加剧压粗效应大于挤光效应 同时热效应亦增加 ap的影响显著 所以ap vw增加都使残余应力增大 用X射线测量第 类残余应力 即宏观应力 根据X射线应力测量原理 只要测出试样表面某个方向的表面层中不同取向晶粒的某同一晶面的间距变化 就可按下式算出该方向上的残余应力值 残余应力的一种测量方法 X射线法 8 2 7缓进给磨削中温升控制控制缓进给给磨削中的温升 可采用大流量磨削液进行冷却 采用超软大气孔组织砂轮 采用高压磨削液冲洗砂轮及采用开槽砂轮改善冷却条件等措施 超软大气孔砂轮使砂轮与工件的实际接触面积减少 可大大降低摩擦热 超软砂轮可保持磨粒处于锐利状态 亦使磨削热降低 若将高压大流量磨削液冲洗大气孔砂轮 通过气孔将磨削液带入磨削区 并在离心力作用下磨削液进入磨削区 进行热交换后又被气孔带出磨削区 使磨削温度下降 开槽砂轮如右图示 开槽砂轮与工件接触面积减少 磨削液通过槽内压入磨削区 并改变磨削液流动方向 提高冷却效果 降低磨削温度 还可以在砂轮端面上开环形槽 再打孔通过圆柱面上螺旋槽 使磨削液直接进入磨削区 离心力作用下 磨削区可得到压力较大的磨削液 如日本在205mmx5mm电镀陶瓷结合剂砂轮开出2mm宽的槽 槽数120条 开槽率达37 其磨削性能良好 尤其在大切深磨削氯化硅陶瓷时效果更佳 砂轮开槽较多 磨削力下降 砂轮寿命提高 图8 14开槽砂轮 8 2 8缓进给磨削过程中砂轮连续修整所谓连续修整是指边进行磨削边将砂轮再成形和修整的方法 修整时金刚石修整滚轮始终与砂轮接触 使砂轮始终处于锐利状态 有利于提高磨削精度 它是采用专门的连续修整磨床 其原理见图8 15 磨削时 由于工件尺寸逐渐减少 需砂轮相应地切入工件 修整滚轮亦应改变切入速度对砂轮进行修整 这样使修整滚轮相对砂轮的位置发生了变化 则由修整磨床实现其位置调整 连续修整砂轮 节省了修整时间 提高磨削效率 比磨削能几乎保持不变 磨粒锐利程度几乎不变 对保持工件形状和尺寸十分有利 尤其对长形工件磨削 不再受砂轮磨损的影响 使工件的磨削长度不受砂轮磨损的限制 同时 修整的砂轮在单位时间内去除量大 对工件热影响小 工件精度一致性好 其磨削力也会降低 使磨削过程趋于稳定 从而可避免烧伤工件 连续修整也有它自身缺点 如金刚石滚轮成本高 占用CNC装置的一个坐标用于控制并监视滚轮进给 使磨头功率增加及滚轮 砂轮损耗大 HEDG HighEfficiencyDeepGrinding 工艺是德国居林公司在20世纪80年代初期研制开发成功的 是高速磨削与缓进给磨削的进一步发展 认为是现代磨削技术的高峰 HEDG以切深0 1 30mm 工件速度vw 0 5 10m min 砂轮速度vs 80 200m s的条件进行磨削 其工艺特征是砂轮高速度 工件进给快速及大的磨削深度 既能达到高的金属切除率 又能达到加工表面高质量 8 3高效深切磨削 用高效深切磨削工艺加工出的工件 其表而粗糙度可与普通磨削相当 而其磨除率比普通磨削高100 1000倍 因此 在许多场合 可以替代铣削 拉削 车削等加工技术 住复磨削 缓进给磨削 高效深切磨削方法工艺参数的对比列于表8 3 8 3 1高效深切磨削原理在缓进给磨削中 工件进给速度低 生产效率较低 能量转换的慢 接触弧长 磨粒所经历的时间长 能量的一部分缓慢地传导给工件 易引起工件表面烧伤 高效深切磨削与缓进给磨削相反 其加工中的能量在短时间内转化为热量被传散 由于砂轮高速转动 工件快速进给 砂轮很快与磨削区脱离 热量主要传散到切屑与磨削液 图8 13是HEDG磨削的金属去除率Zw 工件进给速度vw与接触区温度的关系 在三种磨削深度ap 3 6 9mm 情况下 金属磨除率Zw增加 即工件速度增加 温度下降 比磨削能增加 接触区温度则下降 随磨削深度ap增加 温度有一定的上升倾向 工件表面温度增加 但总的趋势是随vw Zw增加磨削工件表面温度下降 砂轮速度Vs增大时HEDG的必要前提条件 砂轮速度与工件表面温度的关系如下图所示 该图用Al2O3 电镀CBN砂轮在不同砂轮速度下磨削时 工件表层温度变化情况 伴随砂轮速度vs达到100m s 工件表面温度上升 CBN砂轮vs增大到100m s 工件表面温度下降 趋于稳定 Al2O3砂轮约在100m s 工件表面温度下降 其原因是砂轮线速度vs增加的初期 摩擦力增加 所以工件温度增加 砂轮速度再增加 未变形切削厚度减小 磨粒微刃与工件接触频率增加 其摩擦力增加 工件表面温度持续上升 当vs再继续增加 超过某一特定的速度 则工件表面温度下降 砂轮线速度增加 接触面上温度下降的原因 可用 接触层理论 说明 砂轮与工件接触面的表层叫接触层 接触层的厚度与磨屑厚度相当 磨粒微刃和工件开始接触 微刃切入工件 所产生的切屑温度和表面温度都伴随着磨粒微刃接触弧长度的增加而增加 磨粒微刃接触部的温度达到切屑的平衡温度的最大值 图8 15表示接触层温度随砂轮速度变化的曲线 接触层的温度达到平衡温度 接触区就达到最高温度 这一层温度可达1000 1800 这是由于HEDG磨削砂轮速度vs增加 在给定的时间内 磨粒微刃接触数量与切削刃的运动量成正比 这就使得HEDG产生较长的切削轨迹和较紧密的磨削轨迹 砂轮接触的有效磨粒刃数多 产生热量多 所以磨粒接触微刃部的快速产生高温 研究表明 磨粒微刃产生的热向接触层扩散的热量 多于直接进入工件内的热量 图8 16表示从工件表面向内部热传递的等温曲线 这是用高额电子束将钢制零件表面加热到熔点 接触而积为直径1mm的圆 用200w mm2能量 在11 1ms时的加热结果 热扩散到接触面上的热量多于进入工件本体内的热量 经计算 高效深磨中 金属切除率Zw 为1000mm3 mm s 时 磨除接触层所需的时间仅为0 049ms 较缓进给磨削快2000 20000倍 在这样短的时间内热量流向工件的可能性很小 接触层产生的热量主要存留于切屑之中而被带走 通过接触层向工件内传散热量主要决定于两个因素 一是接触层厚度 二是温度 砂轮速度增大到某点 接触层的温度达到最高点 这时容易生成切屑 超过这点 砂轮速度再增大 接触层高温切屑形成加快 不再导致摩擦力增加 接触层达到平衡温度 约1000 1800 后 其热量加速向外扩散 但vs增加 接触层的厚度减少 保持了接触层平衡温度不变 接触层厚度越小 伴随着高温被加工零件所吸收的能量越小 换句话说 接触层越薄 磨削后接触层下边一层温度越低于平衡温度 接触层下边一层的温度在增大之前 接触层被切除 所以磨削表面层温度低 避开了烧伤温度 工件的金属切除率增加 其磨削力和能量的比则不增加 HEDG比缓进给磨削所消耗的能量减少 不足缓迟给磨削所消耗虽的10 其原因是 HEDG工艺工件进给速度大 未变形切屑变厚 生成切屑所消耗的能量显著减少 图8 17表示与工件表面温度的关系 工件表面存在一临界温度 图中A B点 小于A点时 所对应的Zw增大 缓进给磨削工件表面没有烧伤 在A B之间所对应的Zw 工件表面有最高的温度 超过发生烧伤的临界温度 这个范围内进行缓进给磨削 工件表面易发生烧伤 越过B点 增Zw 工件表面温度低于烧伤的临界温度 进行磨削 工件表面不发生烧伤 HEDG的Zw大于缓进给磨削 所以工件表面温度低得多 跳过发生烧伤的临界温度 HEDG磨削加工中金属切除率很高 大量的切屑要停留在砂轮表面上 堵塞砂轮 为了正常磨削 应正确选择砂轮浓度及磨削用量 保证砂轮转转一周所生成的切屑体积应小于扩砂轮容屑空间 砂轮堵塞后 使磨削液迅速消除 冲沉 下来 防止切屑堵塞的措施之一是使用气孔砂轮 但是气孔率增加 其磨削效率降低 加工表面粗糙度增加 砂轮表面层强度下降 则又是不利的 8 3 2HEDG的磨削力 1 砂轮速度对磨削力的影响图8 18是用直径400mm 厚8mm的电镀CBN砂轮 两种粒度号为252 427 浓度号均为200 磨削15MnCr 磨削深度ap 10mm Zw 50mm3 mm s 工件速度vw 5mm s 乳化液条件下 砂轮速度对磨削力的影响 随vs的增加 Fn Ft均下降 粒度252 的CBN砂轮比粒度427 砂轮磨削的磨削力显著增加 切向力Ft比法向力 径向力 小 采用与图8 18同样直径 厚2mm的砂轮 粒度为151号及252号 乳化液 砂轮速度vs 120mm ap 6mm情况下 考察Zw与vw对磨削力的影响结果示于图8 19 可以看出 磨削力随着工件速度及金属去除率的增加而增大 这是因为随着工作台速度的提高 单颗粒磨削厚度增加 磨削力增大 2 磨削加工金属磨除率Zw及工件速度vw对磨削力的影响 3 磨料粒度对磨削力的影响图8 20是CBN粒度变化对磨削力的影响 在中等粒200 有最小的磨削力 小于或大于粒度200 磨削力均有较大的值 在实际的工程计算过程中 磨削力目前仍旧以采用经验公式为主 而这些公式几乎都是以磨削参数的幂指数形式予以表示的 使用粒度252 的砂轮 其法向磨削Fn力为使用粒度252 的砂轮 其法向磨削力Fn为式中的K为与单位磨削力有关的系数 8 4精密 高精密和超精密磨削工艺 8 4 1概述 磨削加工一般分为普通磨削 精密磨削 高精密磨削和超精密磨削加工 在生产发展的不同历史时期有着不同的精度范围 普通磨削当前大体是指加工表面粗糙度为Ra0 16 1 25um 加工精度 1um的磨削方法 所用磨具一般为普通磨料砂轮 精密磨削当前大体是指加工表面粗糙度为Ra0 04 0 16um 加工精度为1 0 5um的磨削方法 精密磨削主要靠对砂轮的精细修整 使用金刚石修整工具以极小而又均匀的微进给 10 15mm min 获得众多的等高微刃 加工表面磨削痕迹微细 最后采用无火花光磨 由于微切削 滑挤和摩擦等综合作用 达到低表面粗糙度和高精度要求 精密磨削主要靠精密磨床的精度保证 高精密磨削当前是指加工表面粗糙度为Ra0 01 0 04um 精度为0 5 0 1um的磨削方法 高精密磨削的切屑很薄 砂轮磨粒承受很高的应力 磨粒表面受高温 高压作用 一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮磨削 超精密加工当前一般是指加工表面粗糙度 Ra0 01um 加工精度 0 1um的磨削方法 超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度和最高加工精度的磨削方法 超精密磨削的光磨微细摩擦作用带有一定的研抛作用性质 8 4 2精密 高精密和超精密磨削磨料磨具 1 磨料选择 1 应易形成好的微刃 图8 21为不同磨料与不同工件材料对表面粗糙度的影响 2 磨削时不希望砂轮有自励现象 3 加工钢材或铸件时 宜选刚玉磨料 碳化硅磨料磨粒的形状近乎长形或针状 同时由于脆性大不易形成好的微刃 4 超精密磨削为获得更低的工件表面粗糙度 一般采用人造金刚石 立方氮化硼等高硬度磨料 2 硬度选择精密 高精密和超精密磨削的工件表面粗糙度在一定程度上随着砂轮硬度提高而变好 见图8 22 但当硬度过高 会由于砂轮弹性差而引起工件烧伤 由于砂轮制造时允许上下有1小级偏差 因此选用时以中软 K 为好 镜面磨削砂轮以超软 D E F 为好 图8 22不同砂轮硬度与不同工件材料对表面粗糙度的影响 3 结合剂选择精密 高精密和超精密磨削砂轮的结合剂以陶瓷为好 见表8 5 镜面磨削砂轮的结合剂以树脂为好 并加入一定的石墨填料 4 磨具选择以容易产生和保持微刃为原则 精密磨削的常用磨具见表8 6 8 4 3精密 高精密和超精密磨削工艺参数选用粗粒度 46 80 经过精细修整的砂轮 进行5 6次单行程无火花光磨 用细粒度 240 W7 砂轮 无火花光磨次数为5 15次 因磨削用量与工件材料和砂轮材料有关 选用时要加以考虑 精密 高精密和超精密磨削切削用量见表8 7 8 4 4精密 高精密和超精密磨削修整用量 在精密 高精密和超精密磨削中 砂轮修整是关键 修整方法有单颗粒金刚石修整 金刚石粉末烧结型修整器 通常为片状 修整和金刚石超声波修整等 一般修整时 修整器应安装在低于砂轮中心1 2mm处 并向上倾斜10 15 使金刚石受力小 使用寿命长 金刚石超声波修整用点接触法的修整器是尖的 用面接触法的修整器是平顶的 后者接触应力小 磨粒上不容易产生裂纹 能形成等高性很好的微刃 8 5镜面磨削加工工艺 表面粗糙度Rz在0 1 0 5um 表面光泽如镜面的磨削方法 称为镜面磨削 1 镜面磨削原理镜面磨削是利用砂轮上的等高微刃进行精密加工 大量微刃同时参加磨削 形成光滑表面 这是形成镜面的首要因素 其次是微刃在切除切屑后 由于磨损而变钝 在工件表面上产生摩擦 挤压 压光和抛光作用 这是形成镜面的第二个因素 第三个因素是进行无火花磨削 镜面形成过程是反复进行无火花磨削除去加工表面上切削残留余量的过程 镜面表面层组织和硬度分布可分为四层 如图8 23所示 第一层为气体吸附薄膜层 约为0 2 0 3nm的厚度 第二层为氧化物 氮化物 金属组成的松软变层 厚度约为500nm 第三层为金属及在灼热的高温下分解的自由渗碳体 厚度约为500nm左右 第四层为未变形金属基体 图8 23镜面表层组织特性 2 达到镜面的两种途径 1 磨削主要是磨粒微刃去除工件表面余量 同时对工件表面还有摩擦 压光作用 因此 在实现镜面磨削时 可采取两种措施 一是采用细磨料的砂轮 二是采用橡胶结合剂的弹性砂轮 加石墨作填充料 进行挤压抛光 而达到镜面 这种镜面磨削途径的特点是粗磨 半精磨 精磨 超精磨和镜面磨削五个过程 要更换五次砂轮 五个工序 才达到镜面加工 2 用粗砂轮经精细修整 修整砂轮时 工作台移动速度很缓慢 每分钟小于1mm 因此 工作台爬行问题要解决好 修整速度愈慢 砂轮表面修整的愈平 磨削后粗糙度也愈低 用这种途径达到镜面的主要原因是微刃的切除作用 用这种途径加工镜面要注意把脱落的磨粒和粉末从磨削液中分离出来 在实际工作中 常将两种途径综合运用 先用粗砂轮精修后 磨削到Ra0 025um 再用细砂轮 M14 M5 树脂结合剂加石墨填料的砂轮 修整后 在适当压力下进行磨削 再反复进行无火花磨削 实现镜面加工 3 实现镜面加工的工艺条件 1 砂轮修整修整砂轮使用金刚笔 要锋利 顶角为70 80 安装时要倾斜10 15 且略低于中心1 2mm 可避免修整力的变动而损坏砂轮表面 2 镜面磨削用量砂轮磨削速度Vs 15 20m s 工件速度Vw 10 15mm min 加工镜面时 工件速度Vw最好选用10mm min以下 工作台纵向进给量fa 50 150mm min 径向进给量fr 2um s 磨削终了要进行无火花磨削 粗糙度要求愈低 无火花磨削次数愈多 达到镜面要进行20 30次无火花磨削 镜面磨削工艺作为超高精度加工手段 各种要求都很高 一旦其中某个方面没达到要求 工件被磨削表面很容易出现烧伤 划伤 拉毛 波纹等现象 而且在实际磨削时情况会更加复杂 例如所使用的机床条件加工材料及环境因素等各有差异 所以当出现了上述表面缺陷等问题时 还应根据各自的实际情况加以分析找出原因 只要能找到产生原因 一般是可以消除这些缺陷的 1 提高砂轮与工件主轴回转精度 回转精度应小于1um 砂轮要进行高精度平衡 主轴要采用高精度轴承 一般采用静压空气轴承 2 机床振动要小 砂轮头架相对于工作台振动的振幅要小于1um 要采用良好的隔振措施 3 工作台要求低速且进给平稳性好 具有灵敏的微进给机构 4 加工环境条件要净化 磨削液纯净度要高 4 镜面磨削对机床的要求 5 镜面磨削易产生的质量缺陷 8 6电解磨削 8 6 1电解磨削的原理 电解磨削是电化学和机械综合的一种加工工艺 电解磨削中将工件接在直流电源的正极上 导电磨轮接在负极上 磨轮上凸出的磨料使工件与磨轮的金属基体构成一定的间隙 并和工件保持一定的接触压力 当电解液输入极小的间隙 中并接通电源时 工件表面金属被电解 并在工件表面上形成一层氧化物薄膜 通常称它为阳极薄膜 图8 24电解磨削示意图 由于这层薄膜具有很大的电阻 如不及时刮除 将使阳极溶解过程的电位升高或使这一过程减慢 这种阻碍或减慢阳极继续溶解的作用 称作钝化作用 起钝化作用的阳极薄膜 称作钝化膜 为了使阳极 工件 继续电解 需用磨轮将钝化膜及时刮除 并随电解液冲走 使阳极表面重新活化 这样在电化学和机械磨削的综合作用下 工件表面钝化 活化不断交替进行 工件连续被加工 直至达到一定的表面粗糙度和精度为止 电解磨削去除金属的总量中 大部分是由电化学作用去除的 机械磨削作用主要是去除钝化膜 使电解过程能继续正常进行 其次是磨去未被溶解的碳化物 骨架 从而降低表面粗糙度 8 6 2导电磨轮导电磨轮是决定电解磨削加工质量和生产效率的重要因素 它直接影响到电解磨削效果的好坏 为了使电解磨削获得高精度 低表面粗糙度 高生产率和减少磨轮损耗 导电磨轮在一般情况下应满足以下基本要求 1 良好的导电性 2 足够的强度 3 耐用度高 4 修正便利 成本低廉 导电磨轮有烧结式 填充式 镶嵌式 组合式四种类型 常用的是烧结式磨轮 烧结式磨轮由磨料 金属结合剂和轮坯三个部分组成 1 烧结式磨轮的磨料烧结式磨轮的磨料应具有下列要求 1 有较高的硬度 以保证磨削中彻底刮去碳化物骨架 以及在较长时间内保持极间间隙 2 有较高的抗压强度 以保证在压制过程中能承受较高的压力而不致压碎 3 几何形状呈多面体 以使磨料在金属结合剂中不易脱落或碎裂 4 烧结方便 常用的磨料有金刚石 宝石 烧结刚玉 高强度陶瓷 白刚玉等 2 烧结式磨轮的结合剂结合剂应具有良好的导电性 成形性和较高的强度 此外 还应便于反接处理 即在磨削过程中 为了使磨料凸出于磨轮基体 将磨轮接在直流电源的正极上 修整工具接在负极上进行电解 目前一般都采用铜基或铁基金属粉作导电磨轮的结合剂 铜基金属粉是由电解铜粉和锡粉混合而成的 铁基金属粉常采用铁粉和镍粉或铬粉混合而成 两种结合剂制成磨轮 其性能见表8 8 3 烧结式磨轮的轮坯 根据加工零件工作表面不同 选用磨轮的形状也不同 所以轮坯也有各种形状 见下图 a 杯形b 碗形c 双面凹形d 螺纹形e 圆弧形f 圆柱形 4 磨轮的修整磨轮修整时 先通过反极性处理使金属基体析出 磨粒凸出金属基体 然后将磨轮接正极 修正块 最好是磨平了的工件 接负极 在两者间应有0 1 0 2mm的电解间隙 注入电解液后 选用合适参数对磨轮进行修整 时间约为5 10min 在磨轮各部呈现出黑绿色沉积物时 要用刷子刷掉 若修正块上的电解沉积物积累多了 亦要