精密和超精密磨料加工

精密与超精密磨料加工 用砂轮等磨具对黑色金属 硬脆材料进行磨削加工 研磨加工 抛光加工 软质铜 铝等有色金属一般用金刚石刀具进行超精密切削 精密和超精密磨料加工 第三章精密和超精密磨料加工 一 精密和超精密磨料加工分类 固结磨料加工 将磨料与结合剂粘结在一起 形成一定的形状和强度 再采用烧结 涂敷等方法制成砂轮 砂带等磨具 用烧结方法制成的砂轮 砂条 油石等称为固结磨具用涂覆方法制成的砂带等称为涂覆磨具主要包括 砂轮磨削 砂带磨削等 精密和超精密加工分类 将磨料或微粉与结合剂粘合在一起 形成一定的形状并具有一定强度 再采用烧结 粘接 涂敷等方法形成砂轮 砂条 油石 砂带等磨具 精密砂轮磨削 砂轮的粒度60 80 加工精度1 m Ra0 025 m 超精密砂轮磨削 砂轮的粒度W40 W50 加工精度0 1 m Ra0 025 0 008 m 精密砂带磨削 砂带粒度W63 W28 加工精度1 m Ra0 025 超精密砂带磨削 砂带粒度W28 W3 加工精度0 1 m Ra0 025 0 008 m 游离磨料加工 磨料不固定在一起 成游离状态 传统方法主要包括 研磨 抛光新方法有 磁性研磨 弹性发射加工 磨料喷射加工 磁流体抛光 液中研磨等 磨削加工 磨削加工 磨削加工 磨削机床 磨削机床 砂轮 内圆磨砂轮 砂轮磨头 超硬磨料砂轮 平形金刚石砂轮 超硬磨料砂轮 碗形金刚石砂轮碟形金刚石砂轮 涂附磨具 涂覆磨具是将磨料用粘接剂均匀地涂敷在纸 布 化纤或其他复合材料等基底上的磨具 磨削特点 砂轮是由磨料和结合剂结合而成的特殊多刃具 砂轮表面每平方厘米上约有60 1400颗磨料 每颗磨粒相当于一个刀齿 不但可磨削铜等软材料 还可加工淬火钢 硬质合金等硬材料以及超硬材料 砂轮线速一般35m s左右 磨削时除了对工件表面有切削作用外 还有强烈的挤压和摩擦作用 在磨削区瞬时温度高达1000 以上 磨削特点 砂轮经修正 可形成极细微的刃口以切除工件表面极薄的金属层 磨削加工能获得极高的加工精度和极细的表示粗糙度 磨削通常可达到Ra1 25 0 16 m 镜面磨削粗糙度Ra0 01 m光滑表面 砂轮在磨削时 部分磨钝的磨粒在一定条件下能自动脱落或崩碎 从而使砂轮保持良好的磨削性能 第一节精密磨削 定义见P38 一 精密磨削机理 微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑挤 摩擦 抛光作用 适宜对钢 铁 陶瓷 玻璃等硬脆材料加工 二 磨削用量 一般在15 30m s 一般在6 12m min 一般为50 100mm min或0 06 0 5mm r 一般取0 6 2 5 m 单行程 一般约2 3次 单行程 粗粒度砂轮精细修整后 光磨次数采用5 8次细粒度砂轮精细修整后 光磨次数采用10 25次 不能太高 否则容易烧伤 产生裂纹 降低加工精度 加工机床容易振动 三 精密磨削砂轮 磨料 粒度 结合剂是影响砂轮性能的主要因素 精密磨削所使用砂轮的选择以易产生和保持微刃及其等高性为原则 磨削钢件及铸铁件时 采用刚玉磨料较好 单晶刚玉最好 白刚玉 铬刚玉应用最普遍 砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类 结合剂选择树脂较好 加入石墨填料加强摩擦抛光作用 碳化硅磨料韧性差 不易形成等高微刃 一般加工有色金属 磨料的选择 普通磨料与超硬磨料 多选用180 240 普通磨料170 200 325 400超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉 粗的加工细的抛光 将磨料粘合在一起 形成一定的形状 并有一定的强度 树脂结合剂 陶瓷结合剂 粗粒度 和金属结合剂 普通磨具中磨料的含量用组织表示 超硬磨具中磨料的含量用浓度表示 成形磨削 沟槽磨削 宽接触面平面磨削选用高质量浓度 半精磨 精磨选用细粒度 中质量浓度 高精度 低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒度 低质量浓度 普通磨具硬度低表示磨粒易脱落 超硬磨具无硬度项指标 高速回转时 抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力 根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸 基体材料与结合剂有关 金属结合剂磨具多采用铁或铜合金 树脂结合剂磨具采用铝及合金或电木 陶瓷结合剂磨具多采用陶瓷 四 精密磨削时砂轮的修整 砂轮修整是精密磨削的关键 有单粒金刚石修整 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等 砂轮的修整用量有修整导程 修整深度 修整次数和光修次数 修整导程 纵向进给量 为10 15mm min 修整深度为2 5 m 单行程 精修次数2 3次 光修次数1次单行程 超精密磨削 超精密磨削是指加工精度达到或高于0 1 m 表面粗糙度低于Ra0 025 m的砂轮磨削方法 适宜于对钢 铁材料及陶瓷 玻璃等硬脆材料的加工 磨削厚度可能小于晶粒 镜面磨削是属于精密磨削和超精密磨削范畴的加工 是指加工表面粗糙度达到Ra0 02 0 01 m 表面光泽如镜的磨削方法 五 超精密磨削 1超精密磨削机理 单晶粒磨削1 磨粒是一颗具有弹性支承 结合剂 的和大负前角切削刃的弹性体 2 磨粒切削刃的切入深度是从零开始逐渐增加 到达最大值再逐渐减少 最后到零 3 磨粒磨削时在工件的接触过程中 开始是弹性区 继而塑性区 切削区 塑性区 最后是弹性区 4 超精密磨削时有微切削作用 塑性流动和弹性破坏作用 同时还有滑擦作用 各区形状 2 单磨粒磨削模型 磨削加工是无数磨粒的连续磨削 加工的实质是工件被磨削的表层 在无数磨粒瞬间的挤压 摩擦作用下产生变形 而后转为磨屑 并形成光洁表面的过程 磨削过程可分为 三个阶段 砂轮表面的磨粒与工件材料接触 发生弹性变形 磨粒继续切入工件 切削深度增加 工件材料进入塑性阶段 材料晶粒发生滑移 塑性变形不断增大 当力达到工件的强度极限时 被磨削层材料产生挤裂 即进入切削阶段 最后被切离 当磨削切入量达到最大值后 逐渐减少 最后到零 同时经历塑性区和弹性区 3 超精密磨削机理 六 超硬磨料砂轮磨削 超硬磨料砂轮磨削主要是指用金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮加工硬质合金 陶瓷 玻璃 半导体材料及石材等高硬度 高脆性材料 1超硬磨料砂轮磨削特点 1 可用来加工各种高硬度 高脆性金属材料和非金属材料 如硬质合金 陶瓷 玻璃 半导体 石材等 立方氮化硼砂轮磨削时 热稳定性好 化学惰性强 不易与铁素元素产生亲和作用和化学反应 加工黑色金属时 有较高的耐磨性 2 磨削能力强 耐磨性好 耐用度高 易于控制加工尺寸及实现加工自动化 3 磨削力小 磨削温度低 加工表面质量好 无烧伤 裂纹和组织变化 4 磨削效率高 5 综合成本低 2 超硬磨料砂轮磨削工艺 降低磨削温度 减少磨削力 改善磨削表面质量 提高磨削效率和砂轮寿命 润滑 冷却 清洗性能 尚有渗透性 防锈性 防腐性 防火性 切削性和极压性等 油性液 成分是矿物油 如机油 轻质柴油 煤油 加入脂肪油和添加剂 水溶性液 成分是水 如乳化液 无机盐水溶液和化学合成液等 金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性液 立方氮化硼砂轮磨削时用油性液 防止其高温水解 2 超硬磨料砂轮磨削工艺 人造金刚石砂轮的磨削速度为12 30m s 立方氮化硼砂轮的磨削速度为45 60m s 一般为10 20m min 一般在0 45 1 5m min 磨削深度为0 002 0 01mm 对砂轮进行微量切削 使砂轮达到所要求的几何形状精度 并使磨料尖端细微破碎 形成锋利的磨削刃 去除磨粒间的结合剂 使磨粒间有一定的容屑空间 并使磨刃突出于结合剂之外 形成切削刃 3 超硬磨料砂轮的修整 4 超硬磨料砂轮修整方法 用单点 聚晶金刚石笔 修整片等车削金刚石砂轮达到修整目的 用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整 普通磨料磨粒被破碎 切削超硬磨料砂轮上的树脂 陶瓷 金属结合剂 致使超硬磨粒就会脱落 目前最为广泛采用的修整法 4 超硬磨料砂轮修整方法 单滚轮法 双滚轮法 4超硬磨料砂轮修整 用碳化硅 刚玉 硬质合金或钢铁等制成修整轮 与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚 使结合剂破裂形成容屑空间 并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃 加入碳化硅 刚玉等游离磨料 依靠游离磨料挤轧作用进行修锐 4 超硬磨料砂轮修整方法 碳化硅和刚玉 4 超硬磨料砂轮修整方法 利用电化学个腐蚀作用蚀除金属结合剂 多用于金属结合剂砂轮的修锐 非金属结合剂砂轮无效 4 超硬磨料砂轮修整方法 电火花放电加工 适用于各种金属结合剂砂轮 若在结合剂中加入石墨粉 可用于树脂 陶瓷结合剂砂轮 既可整形 又可修锐 4 超硬磨料砂轮修整方法 用受激振动的簧片或超声波振动头驱动的幅板作为修整器 并在砂轮和修整器间放入游离磨料撞击砂轮的结合剂 使超硬磨粒突出结合剂 4 超硬磨料砂轮的修整方法 第二节精密研磨与抛光 手工研磨 挤压研磨 一 研磨加工的机理 1 研磨时磨料的工作状态 1 磨粒在工件与研具之间发生滚动 产生滚轧效果 2 磨粒压入到研具表面 用露出的磨粒尖端对工件表面进行刻划 实现微切削加工 3 磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时作用 属于游离磨粒切削加工 在刚性研具上注入磨料 在一定压力的作用下 通过研具与工件之间相对运动 借助磨粒的微切削作用 除去工件材料达到高的几何精度和表面光洁度的方法 其实质就是通过研具与工件之间相互修整 把研具本身的几何精度部分的复制到工件上 2 硬脆材料的研磨 一部分磨粒由于研磨压力的作用 嵌入研磨盘表面 用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工 另一部分磨粒则在工件与研磨盘之间发生滚动 产生滚轧效果 在给磨粒加压时 就在硬脆材料加工表面的剪切 拉伸 应力最大部位产生微裂纹 当纵横交错的裂纹扩展并产生脆性崩碎形成磨屑 达到表面去除的目的 磨粒在研具和工件之间 3 金属材料的研磨 当金属表面用硬度计压头压入时 只在表面产生塑性变形的压坑 不会发生脆性材料那样的破碎和裂纹 研磨时 磨粒的研磨作用相当于极微量切削和磨削时的状态 且表面不会产生裂纹 由于磨粒是游离状态 不能形成连续的切削 4 平面研磨使用的研具 1 特种玻璃 在加工平面的金属板上涂一层四氟乙烯或镀铅和铟 优点 能得到高精度的平面缺点 研具层寿命短2 使用半软质研磨盘或软质研磨盘优点 研磨出的表面变质层很小 表面粗糙度也很小 缺点 研磨盘不易保持平面度 5 精密平面的研磨机 二 抛光加工的机理 1 抛光的机理 1 以磨粒的微小塑性切削生成切屑 但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用 2 借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸凹变平 磨粒含在抛光盘中 抛光加工的特点 工作原理与研磨类似 加工表面质量更高 磨料更细 研具为软质材料 即使抛光脆性材料也不产生裂纹 2 抛光盘 1 特种玻璃 或在表面上涂一层弹性材料或软金属的金属盘优点 能得到高精度的平面缺点 抛光盘层寿命短2 使用半软质抛光盘 铅盘 锡盘 或软质抛光盘 石蜡 沥青等 优点 抛光出的表面变质层很小 表面粗糙度也很小 缺点 抛光盘不易保持平面度 抛光工艺对抛光盘的要求 要有高的精度及其精度的保持性 研磨盘 抛光盘 3 精密研磨 抛光的主要工艺因素 加工条件 对残留有裂纹的硬脆材料和不产生裂纹的金属材料的加工条件不同 研磨方式 单面研磨和双面研磨 研磨机 应能均匀地加工工件 研具磨损要小并要求能容易修整精度 研具和抛光盘 必须避免因工作面磨损和弹性变形引起精度下降 磨粒材料 微细的磨粒 使用磨粒对工件作用很浅的材料 加工液 提供磨粒 排屑 冷却和减轻不必要摩擦的效果 抛光盘 抛光法 1弹性发射加工 最小切除可以达到原子级 直至切去一层原子 而且被加工表面的晶格不致变形 能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面 加工原理实质是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合效果 真空中带静电的粉末粒子加速法 空气流或水流来加速 3非接触抛光 六非接触抛光 2浮动抛光 浮动抛光是将金刚石车削的具有高平面度平面和带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘固定在高刚度的基座上 抛光液是由粒径为几个纳米的微粉磨粒与液体混合而成 并浸没抛光盘上平面 驱动装置分别带动工件和抛光装置以不同的速度旋转 由于抛光盘的特殊形状 工件与抛光装置有足够的相对运动速度 在两者之间有充足的微粉磨料液流 因此在工件与抛光盘之间形