散料研磨工艺对工件表面质量及材料去除率的影响

散料研磨工艺对工件表面质量及材料去除率的影响散料研磨工艺对工件表面质量及材料去除率的影响 工葛与检潮n bgy0nd散料研磨工艺对工件表面质量及材料去除率的影响原一高畅 晓振朱世根 东华大学机械工程学院 上海200051 摘要通过实验探 讨了散料研磨过程中磨料种类 磨料粒度和研磨剂装入量等工艺参 数对工件表面质量和材料去除率的影响 实验结果表明 随磨料粒度的增大 工件表面粗糙度值 残余应力 和材料去除率增大 采用相同粒度磨料研磨 磨料的硬度越高 工 件表面残余应力和材料去除率越大 硬度高 脆性大的磨料 可有效减小研磨表面粗糙度值 随研磨剂 装入量的增大 表面残余应力减小 对工件表面粗糙度和材料去除率而言 研磨剂装入量有一最佳值 装入量过小或过大 均会降低工件表面质量和研磨效率 关键词散料研磨表面粗糙度残余应力材料去除率TG739B Influenceof looseabrasive lappingcraft onworkpiece surface quality and material removalrate YUANYigao CHANG Xiaozhen ZHU Shigen School ofMechanical Engineering Donghua University Shanghai200051 CHN AbstractThe influencesof grit category g五t sizeand abrasivecharge weighton surfacequality and material re moral rateare studiedthrough experiments The resultsof experimentindicates thatworkpiece rough ness rcmanent stressand material removalrate increasewith theincrease of abrasive size Through thesanle sizeabrasive grinding the higherabrasive hardness the moreresidual stressand material removalrate whichthey have The grinding surface roughness isdecreased efficaciouslywith thehigh hardness br ittlenessabrasive W iththe additionof abrasive the remanentstress isgotten less In termsof surfaceroughnessandmaterial removalrate the amountofabrasiveinto abest value overabundance orinfer iorto thenormal amountthe surfacequalityandlapping efficiencywill bedeclined KeywordsLoose AbrasiveLapping Surface Roughness Residual Stress Material RemovalRate研磨是一种传统的精密加工方法 被广泛用于金属零部 件 光学元件以及工程陶瓷的表面精加工 研磨过程中 研磨工艺参数对工件表面质量和加工效率有显著的影 响 目前 对研磨参数的研究大多集中于固着磨料研磨条件下如何获得 高的表面精度或加工效率 Yang等H采用固着磨料高速平面研磨方法对SiC陶瓷材料的研磨加工 进行了实验研究 结果表明 对于类似于SiC陶瓷这样的脆性材料 材料的去除机理和 表面粗糙度主要与磨料粒度和研磨压力有关 David等 5通过研究固着磨料研磨条件下 光学元件的加工表面粗 糙度 材料去除率与研磨时间之问的关系 发现磨料粒度越大 材 料去除率越高 表面粗糙度越差 I血等进行了用SiC固着磨料研磨WC Co硬质合金的实验 也发现随磨料粒径的增大 材料 166 的去除 率和表面粗糙度值增大 Zheng等认为 固着磨料研磨过程中 增大研磨压力和研磨速度 可 提高材料的去除率 但对研磨表面粗糙度的影响并不大 相对于固着磨料研磨 散料研磨设备简单 加工成本低 在工具 模具或阀门等机械零件的精密加工中得到了普遍应用 但至今为止 有关散料研磨的研究报道还相当缺乏 仅有零星文献提及散料研磨 过程中研磨压力 研磨速度等工艺参数对工件表面粗糙度和残余应 力的影响 为此 笔者探讨了散料研磨条件下 一些重要的研磨参数 如磨料 种类 磨料粒度以及研磨剂装入量等 对工件表面质量和材料去除 率的影响 旨在为高效率 高质量研磨工艺的选择提供实验依据 1试验方法试验所用材料为W9Mo3Cr4V高速钢 经淬火 3次高温回火 热处理后硬度为832HV 试样尺寸1O I111TI 19mm 1 4mm 在离心式研磨机 DL一610C型 温州德隆研磨机制造公司 上采用不 同工艺参数对试样表面进行研磨加工 研磨机工作原理如图1所示 磨料性能见表1 实验结束后 在超声波清洗机中用95 的酒精清洗试样 用奥豪斯C PJ812型精密分析天平称量研磨前后试样的质量 以09表示研磨加工 的材料去除率 见式 1 然后 用表面粗糙度测试仪 JB 4C型 上海泰明光学仪器有限公司 测量试样表面粗糙度 测量时取 样步长为0 25f ilm 评定长度为步长的3倍 每个试样测量3次 结果取平均值 最后 用x射线应力测定仪 X一350A型 邯郸爱斯特应力技术公司 测量研磨表面的残余应力 测定残余应力时所用衍射晶面为 211 晶面 sin法 半高宽法定峰 沙分别取0 25 35 和45 每个试样测量3次 结果取平均值 试样原始质量一试样研磨后质量 一试样原始质量 研磨时问件 夹具研磨液工 j 图1离心式研磨机工作原理筒图表1磨料的物理性 能盘种类密度 g cm 莫氏硬度颜色金刚石3 50 3 521O灰土色SiC3 18 3 209 5 褐色白刚玉3 95 4 1O9白色2结果与讨论研磨过程中有多种因素 会对研磨表面质量和材料去除率产生影响 如研磨机类型 研磨盘 表面状况 研磨盘转速 磨料种类 研磨剂的浓度 研磨剂装入量 磨粒粒径 研磨盘的材料与刚度 研磨压力和研磨时间等 本文主要研究当磨料种类 粒度以及研磨剂装入量发生变化时 工 件研磨表面质量和材料去除率的变化情况 为此 实验时将其他因素 如研磨机类型 磨具表面状况 研磨剂 浓度 磨具材料与刚度 研磨速度 研磨压力和研磨时间等保持恒 定 具体地 研磨盘转速30r min 研磨压力20N 研磨时问30min 同时 实验开始前 用白刚玉砂轮将所有试样的表面磨 u I平0删 Techn0y0nd Tesf工艺与检潮削10min 以去除不平整的回火表面获得新的光滑表 面 由于所有样品均是在相同条件下进行磨削的 因此可以认为所有样 品的表面是均匀一致的 测量结果也证实了这一点 原始磨削表面 的粗糙度和残余压应力分别是0 69 0 3I xm 220 15MPa 图2示出了磨料粒度 磨料种类及研磨剂装人量对表面粗糙度的影响 由图可见 相同研磨速度 研磨压力及研磨时间条件下 研磨表面 的粗糙度值随磨料粒度的增大而增大 用同粒度的不同磨料进行研磨 研磨表面的粗糙度明显不同 3种磨料中 用SiC磨料研磨的试样表面粗糙度值最小 白刚玉研磨 的最大 同时还可以看出 研磨剂的装入量对研磨表面粗糙度也有显著的影 响 随研磨剂装入量的增加 试样表面粗糙度值呈先减小 后增大 的趋势 磨料粒度 磨料种类及研磨剂装入量对研磨表面残余应力的影响结 果如图3所示 由图可见 研磨加工后试样表面的残余应力均呈压应力状态 相同研磨速度 研磨压力和研磨时间条件下 研磨表面残余应力的 数值随磨料硬度的提高 磨料粒度的增大而增大 随研磨剂装入量 的增大而减小 磨料粒度 种类及研磨剂装入量对研磨表面材料去除率的影响见图4 可以看出 用同种磨料研磨 随磨料粒度的增大 材料的去除率增 大 相同粒度条件下 用金刚石磨料研磨材料的去除率最大 用白刚玉 磨料研磨材料去除率最小 碳化硅次之 研磨过程中 随研磨剂装入量的增加 材料去除率呈先增加后减小 的趋势 这说明 研磨剂装入量存在一最佳值 装入量过小或过大 均会导 致材料去除率的减小 本实验条件下 研磨剂装入量为40mL时 材料去除率最大 散料研磨实质上是1个磨料 磨具 研磨盘 和工件之间的3体磨粒磨 损过程 因此 磨料的硬度 粒度以及参与研磨过程的磨粒数量必然会对研 磨表面的质量和材料去除率产生影响 研磨时 磨粒在研磨压力作用下对试样表面进行微切削 磨料的粒度越大 研磨时磨粒在工件表面产生的犁沟就越深 试样 表面被磨粒挤压出的层状或鳞片状剥落碎屑就越多 因此 随磨料 粒度的增大 研磨表面的粗糙度值和材料去除率相应增大 见图 2 图4 采用相同粒度的不同磨料进行研磨 由于磨料硬度之间的差异 研 磨表面粗糙度和材料去除率有所不同 根据磨损理论 磨料的硬度越高 研磨过程中磨粒对试样表面的磨 损就越严重 材料的去除率也就相应增大 见图4 研磨表面的粗糙度除与磨料硬度有关外 还与磨料的脆性密切相关 磨料的硬度低 如白 r ttlW检潮Techn0bgy and磨料粒度 al Wl W3 5W5W14磨料粒度 a g i 爨慷磨料种类 b 图2研磨工艺参数对试样表面粗糙度的影响b收 娟自刚 玉碳化硅金刚石磨料种类 b 图3研磨工艺参数对试样表面残 余应力的影响W1W3 5W5W14磨料粒度 a 磨料种类 b 图4研磨工艺参 数对试样材料去除率的影响刚玉 研磨时磨粒对试样表面的微切削 效果较差 研磨表面的粗糙度值就相对较大 硬度高 脆性大的磨料 如SiC 由于研磨过程中磨具的挤压作用会 导致磨粒破碎 使得磨料粒度减小 反而会减小研磨表面的粗糙度 值 见图2 研磨表面粗糙度 材料去除率还与参与研磨过程的磨粒数量有关 在研磨剂装入量较少时 研磨剂虽处于强制流动状态 但由于参与 研磨的磨粒数量少 磨粒与试样表面的作用次数相对就少 研磨作 用不明显 因而研磨表面粗糙度值较大 材料的去除率低 研磨剂装入量过大 虽然参与研磨的磨粒数量大大增加 但研磨过 程中研磨剂处于缓和流动状态 相对滑移速度会明显下降 大大减 弱了磨粒对工件的作用强度 反而 168 研磨剂装入量 mL c 2O3 O40506O708O研磨剂装入量 mL c 研磨剂装入量 mL c 使研磨效 果变差 因此 随研磨剂装入量的增加 研磨表面粗糙度值先减小 后增大 见图2 材料去除率先增大 后减小 见图4 由图3可见 经研磨加工后试样表面的残余应力均呈压应力状态 这是因为研磨过程实质上是大量高硬度的磨料对工件表面进行微量 切削的过程 磨料作为切削刀具 具有很大的负前角 使得研磨过 程中磨料在试样表面产生了很大的压应力和塑性变形 不均匀的塑性变形残存于表面 就形成了残余压应力 相同研磨速度 研磨压力和研磨时间条件下 磨料硬度越高 研磨 时工件表面产生的擦伤 塑性变形情况就越严重 因此 研磨表面 残余应力的数值随磨料硬度的提高而增大 见图3 当磨料粒度增大时 同时作用于工等等矿ul J年用a朋 m O00O DO L 5一4一一C一一一入一1类装 一种剃 一料磨 一 衢 m O O O00日越撵罂憾暌啪m瑚啪苫 b域季 姗差毫枷啪苫 b穴 一 酗一 君 8瓣篮龚嚣一豆ll一 量 j类装一稚一玉料磨刚驯 L 0OOO00挖m 0O00O0一年嚣 盒 静艇宴撂件加 工面上的磨粒数量就相应减少 相同研磨压力下 每个磨粒上的作用力就相应地增大 试样表面的 压应力和不均匀塑性变形的程度随之增加 从而导致残余压应力增 大 研磨剂的装入量对研磨介质流动层的长度 磨料与工件的相对滑移 速度影响较大 当装入量增大时 流动层长度明显变短 滑移速度下降 从而相应 地使磨料作用于工件表面的次数减少 在残余应力测量结果上 就表现为随研磨剂装入量的增大 研磨表 面的残余压应力减小 3结语通过研究发现 散料研磨过程中 磨料种类 粒度以及研磨剂 装入量对工件的表面质量和加工效率有很大的影响 随磨料粒度的增大 研磨表面的粗糙度值 残余应力和材料去除率 增大 采用相同粒度磨料研磨 磨料的硬度越高 研磨表面残余应力和材 料去除率越大 硬度高 脆性大的磨料 可有效减小研磨表面粗糙度值 随研磨剂装入量的增大 研磨表面残余应力减小 对表面粗糙度和材料去除率而言 研磨剂装入量有一最佳值 装入 量过小或过大 均会降低研磨表面质量和研磨效率 参考文献 1 高梅 高精密轴承球研磨方式的研究 J 机械工程 师 xx 10 TeChn010gy andTest工暑皇 与检测42 43 2 王卓 吴宇列 戴一帆 等 光学材料研磨表面损伤的快速 检测及其影响规律 J 光学精密工程 xx 26 1 16 21 3 朱炳森 王成勇 袁慧 工程陶瓷薄件固着磨料研磨研究 J 金刚石与磨料磨具工程 2000 1 23 26 4 Yang XH Zhang YM Han JC High speedlapping ofSiC ceramicmaterial withf ixedabrasive J High PerformanceCeramics IV xx 336 3381458 1460 5 David Edwards F Paul HedP Optical elementmanufactur ing J Applied Optics 1987 2623 28 6 Lin TR Su CR Exper imentalstudy oflapping andelectro polishing oftungsten carbides J International journalof advancedmanufactur ing technology xx 36715 723 7 Zheng XF Yuan JL Wen DH Parameters optimizationon thelap ping processo f9Cr18with Taguchimethod J Advances inGr indingand AbrasiveTechnolog yXIV xx 359 360158 161 8 Chang YP Hashimura M Dornfeld DA An investigationof material removalmechanisms inlapping withgrain sizetransi tion J Jour nalof Manufacturing Scienceand Engineering transactions ofthe ASME 2000 122 3 413 419 9 陈建 原一高 吴贺龙 等 研磨工艺对工件表面粗糙度 及残余应力的影响 J 工具技术 xx 43 5 16 18 10 Deshpande LS Ra man S Sunanta O Observations inthe flat lappingof stainlesssteel andbronze J Wear xx 265 1 2 105 116 李静 xx一O1 11 1l0847曩如果您想发表对本变的看法l请将填入读者意见调查表 中的相应位置 书讯 能源与设备节能技术问答曾祥东主编 xx年10月出版邮购 价57 6O元本书第1章概述 介绍了国内外能源与设备节能技术现状 及发展趋势 第2章能源与设备节能技术改造必备的基本知识 第3 章典型设备节能技术改造及操作实例主要介绍了台车式热处理炉 台车式加热炉 电弧炉 锅炉 泵类设备 空调器 压力管道等的 节能技术改造 本书对国