磨削加工中輪輪機的研究

磨削加工中輪輪機的研究

0完善磨削砂輪工藝制造業(yè)是經濟和工業(yè)的主要支柱，而削減加工技術是制造技術的重要領域。它是現(xiàn)代機械制造業(yè)最有效、最有效、最廣泛的加工技術。隨著工業(yè)發(fā)展的需要以及材料科學的不斷突破和創(chuàng)新,各種高強度、高硬度、抗腐蝕和耐高溫的新型材料應運而生,為了實現(xiàn)這些材料的精密加工和超精密加工,滿足人們對產品高精度、高品質的需求,磨削加工技術得到了廣泛的應用和發(fā)展。砂輪是磨削加工技術中使用最為廣泛的加工工具,自從18世紀人類第一次將天然磨粒與黏土燒結成砂輪以來,當今的砂輪在結構上似乎仍保持著其最初的模樣,依然是由磨粒、結合劑與氣孔三部分組成,只是磨料的類型有所不同,以及砂輪的具體制備工藝方面稍有改進。目前使用較多的為固結磨料砂輪和電鍍砂輪。傳統(tǒng)工藝制造的固結磨料砂輪,特別是精密和超精密磨削用砂輪,工作面極易堵塞,容易導致砂輪過早失效或產生磨削熱損傷,嚴重影響了零件加工質量和加工效率;電鍍砂輪雖然在現(xiàn)代磨削技術中占據(jù)著重要的地位,但也存在電鍍層過厚易造成砂輪堵塞、使用壽命有限、砂輪回轉精度和幾何形狀精度嚴重受制于砂輪基體本身的制造精度等問題。同時,這兩種砂輪都由于磨粒形狀及其分布的隨機性,造成了磨削時法向力與切向力之比大、磨削溫度高、對磨床剛度要求高,并且磨削過程中磨粒容易脫落,特別是超硬磨料砂輪磨粒利用率不高,需要定期對砂輪進行修整與修銳,從而影響了加工質量和生產率。因此,如何改進工藝,制備出可實現(xiàn)磨粒形狀與分布可人為控制、磨粒不易脫落、磨削溫度低、法向力與切向力之比小、無需修整與修銳的磨削砂輪是一項具有重要意義的工作。本文主要對砂輪的最新研究進展進行了綜述和總結,并對其發(fā)展進行了展望。1開發(fā)珍珠研究1.1單層超硬焊接砂輪傳統(tǒng)砂輪主要是通過機械鑲嵌作用以及物理吸附作用來把持磨粒,其把持強度不高,磨粒容易脫落,特別是超硬磨粒砂輪,磨粒硬度高,耐磨性好,如何提高結合劑對磨粒的把持強度是提高超硬磨粒利用率和提高砂輪使用壽命的關鍵。自20世紀90年代初以來,國外及我國臺灣地區(qū)先后研究采用高溫釬焊工藝開發(fā)新一代金剛石工具,其出發(fā)點就是希望利用高溫釬焊技術實現(xiàn)界面化學冶金結合,從根本上改善金剛石、結合劑、基體三者之間的結合強度。由于釬焊工藝的特點,釬焊金剛石砂輪一般只有一層磨粒,即所謂的單層釬焊超硬磨料砂輪,其鋒利的表面形貌和優(yōu)異的加工性能征服了磨削界,被業(yè)內專家稱為磨具行業(yè)一項具有革命意義的創(chuàng)造發(fā)明,同時也預見在今后的推廣應用中會產生不可估量的技術經濟效果。單層超硬釬焊砂輪是利用活性金屬元素(如Ti、Cr、Mo、W)在金屬釬料與超硬磨粒界面處形成化學冶金結合,大大提高了結合劑對磨粒的把持強度,磨粒的出刃高度達到了磨粒自身高度的2/3,既提高了金剛石磨削刃的鋒利性,又大大擴展了容屑空間,砂輪不易堵塞,磨削力、磨削比能和磨削溫度均有明顯下降。由于結合強度高,即使在大負荷磨削加工中,單層超硬釬焊砂輪仍可有效避免磨粒脫落及結合劑層的剝落,使砂輪使用壽命顯著提高,大大提高了超硬磨粒的利用率和工具壽命。目前單層超硬釬焊砂輪已應用于金剛石繩鋸、單層金剛石砂輪與各種磨頭及砂盤(圖1)的制備中。但工業(yè)化規(guī)模的單層釬焊超硬磨粒磨具還是少有面市,其原因除了普遍提及的釬焊工藝存在釬料層厚度不均以及磨料非正常局部堆積之類的問題外,超硬材料的釬焊還存在以下幾個問題:①超硬材料與一般金屬釬料不浸潤;②金剛石在空氣中超過1000K時就會石墨化,從而限制了金剛石的釬焊溫度、釬焊時間與釬料類型的選擇;③由于機械物理性能的不匹配,容易在超硬材料與釬料界面處產生較大的殘余應力,降低了釬焊強度。國內外學者為了解決這些問題,開展了一系列卓有成效的研究工作。如在金剛石釬焊過程中,加入Ti、Cr、W等活性元素,改善了釬料與金剛石之間的浸潤性,提高了釬焊強度;或通過金剛石表面金屬化,采用磁控濺射、真空微蒸發(fā)鍍等技術鍍上一層碳化物形成元素,砂輪胎體通過這層碳化物與金剛石很好地結合,達到提高金剛石把持強度的目的;通過設計制備銅基、銀基等低熔點釬料,控制釬焊溫度和釬焊時間,在真空中或惰性氣體保護下進行釬焊等方法來解決或降低金剛石容易石墨化問題;通過采用低熱膨脹系數(shù)且塑性大的材料(如Cu)作為中間層,以緩解所產生的熱應力或優(yōu)化配比活性金屬的加入量,防止過量高脆性金屬化合物的產生,在一定程度上解決了超硬磨粒與釬料之間物理力學性能不匹配的問題。國內南京航空航天大學徐鴻鈞課題組近年來一直努力進行金剛石高溫釬焊工藝方面的研究,積極地尋找金剛石工具高溫釬焊的切入口和突破口,在高溫釬焊金剛石工具方面取得了一系列研究成果。如通過優(yōu)化釬焊工藝,使金剛石不發(fā)生熱損傷的同時,確保其界面獲得高強度的化學冶金結合;利用真空燒結釬焊技術制作了粗粒度的金剛石工具可以滿足磨削加工的需要;通過優(yōu)化砂輪地貌,控制磨粒最佳間距,制造了磨料擇優(yōu)排布的單層釬焊砂輪等。單層超硬釬焊砂輪通過釬料與磨粒之間的化學冶金結合大大提高了對超硬磨粒的把持強度,解決了磨粒過早脫落與利用率不高的問題,相對電鍍砂輪更具優(yōu)越性,在高速、超高速磨削中有良好的應用前景。但單層釬焊超硬磨粒砂輪存在磨削工作層過薄、使用壽命有限、對砂輪基體的制造精度敏感等問題。同時,高溫釬焊砂輪主要針對大顆粒磨粒砂輪,對于用微粉或超細微粉制造的精密、超精密磨削用磨具的制造,因受到高溫釬焊制造工藝本身的限制,尚有許多需要解決的技術難題。1.2超硬材料刀具為了滿足復合材料的高性能化、輕量化、智能化及低成本的需求,美國、歐洲、日本等掀起了開發(fā)新一代特種纖維的高潮。其中,直徑數(shù)百納米至數(shù)微米、長度數(shù)十微米的SiC晶須與Al2O3纖維的成功開發(fā)及應用尤為引人注目。Al2O3纖維和SiC晶須形狀如針狀,硬度高,耐磨損,同時,Al2O3纖維和SiC晶須長徑比大,與砂輪結合劑具有相對較大的結合面積和結合強度,難于從砂輪磨削面脫落,將其代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨粒作為切削刃制成新型磨具具有重大的使用價值。日本學者Yamaguchi等相繼利用Al2O3纖維和SiC晶須代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨粒開發(fā)了Al2O3纖維砂輪與SiC晶須砂輪。國內的魏源遷等對此也做了相關的研究。但Al2O3纖維或SiC晶須剛度有限,無法勝任超硬材料高速高效加工的需要。20世紀80年代以來,化學氣相沉積(CVD)法制備金剛石獲得了成功,可以用氣相生長的方法在金剛石或異質襯底材料上沉積出金剛石涂層。隨著制備工藝的日趨完善,CVD金剛石涂層的很多性能指標達到或接近天然金剛石,在許多方面得到了實際應用。英國Bristol大學May等對在微米級的鎢絲或SiC纖維上利用CVD法沉積金剛石進行了研究,制備出了金剛石纖維;Smith等將多個金剛石纖維沿徑向均布夾于兩個直徑為40mm、厚為2mm的鈦鋁合金圓片中,制備了金剛石纖維砂輪,其結構如圖2所示。日本學者Yamaguchi等基于CVD法制備了類金剛石(diamondlikecarbon)膜,涂敷在薄鋁基板上的類金剛石膜經壓延斷裂成纖維狀,經過多層疊合和燒結開發(fā)了類金剛石纖維砂輪,并進行了硅片、SKD-11淬硬鋼和石英的磨削加工實驗,均能獲得良好的加工表面。然而,CVD法制備金剛石涂層存在基體絲或纖維材料的預處理有一定的難度,涂層質量差,金剛石沉積速度慢,無法實現(xiàn)金剛石纖維的連續(xù)性生產,同時纖維砂輪的制備工藝和相關參數(shù)有待進一步完善。張高峰等提出和制備了一種結構類似于纖維砂輪的有序化超硬微刃刀具。采用激光切割制備的PDC纖維取代傳統(tǒng)砂輪的磨粒與切削刀具的刀片,通過PDC纖維在基體材料中的定向、均勻排布和對PDC纖維的刃磨,保證每個PDC纖維均能以一定的切削角度參與切削,然后將制備的PDC纖維片整體裝配成新型有序化超硬微刃刀具。有序化超硬微刃刀具的PDC纖維寬度在0.2～0.5mm之間,比傳統(tǒng)的切削刀具尺寸小得多,同時參與切削的纖維數(shù)量遠大于普通切削刀具的刀刃數(shù),各纖維均具有鋒利的刀刃與人為確定的切削角度和間隔距離,因而在獲得較高的加工精度和表面質量的同時能保證較高的加工效率。制備的有序化超硬微刃刀具如圖3所示。1.3制備成功率高、降低磨削溫度為了解決磨削過程中,特別是高速超高速磨削過程中容易出現(xiàn)的磨削溫度高、工件燒傷等問題,國內外學者在砂輪結構上進行了創(chuàng)新和改進,通過對砂輪進行徑向開槽方式制備出開槽砂輪實現(xiàn)斷續(xù)磨削,以改善散熱、冷卻效果,降低磨削加工熱損傷和提高磨削效率。如Nguyen等開發(fā)了徑向注射冷卻液的開槽砂輪,并對冷卻液的施加效果與原理進行了深入研究,有效緩解了工件的燒傷情況,但砂輪及供液裝置結構復雜,制備困難。Kim等提出了一種新型的斷續(xù)磨削砂輪,砂輪徑向均布有許多槽,槽內填充了表面涂有固體潤滑劑的樹脂空心球與粘結劑,使槽內氣孔率高達65%,槽內填充物的耐磨性極低,有利地解決了加工低硬度、高塑性材料時砂輪容易堵塞,磨削溫度高等問題,但制備工藝復雜,相關機理有待進一步研究。傅玉燦等通過數(shù)學方法,以磨削比能最小為優(yōu)化目標,以表面粗糙度、容屑空間和磨削弧區(qū)平均熱流密度作為約束函數(shù),建立數(shù)學優(yōu)化模型,設計制造出了開槽砂輪,并采用分塊試件夾絲半人工熱電偶進行了有效磨粒數(shù)的判定,實驗結果驗證了這種開槽砂輪結構與有效磨粒間距之間存在規(guī)律性關系,即可以通過改變開槽數(shù)或斷續(xù)比來控制砂輪表面上的動態(tài)有效磨粒間距或動態(tài)有效磨粒數(shù),實現(xiàn)了開槽砂輪的優(yōu)化設計,實驗表明開槽砂輪可以有效避免或減輕工件表層的熱損傷,傅玉燦等還進一步開展了開槽砂輪斷續(xù)磨削換熱以及溫度場的實驗與理論研究。同時,高航等也對此進行了研究。與傳統(tǒng)砂輪相比,開槽砂輪有效降低了磨削溫度,改善了磨削質量,適于高速、低硬度高韌性材料的緩進給大切深加工,但由于斷續(xù)磨削的結構特點也使得其容易產生振動,對機床的剛度要求高,加工平穩(wěn)性受到一定影響。1.4砂帶磨削加工技術現(xiàn)代技術的高速發(fā)展,對各種磨削零件的加工質量要求越來越高。磨削過程中振動是影響磨削精度的最主要因素之一。為了克服砂輪振動帶來的影響,Beymekzm提出了一種孔洞型柔性砂輪的設計方法,可有效消除砂輪振動帶來的影響,滿足精密磨削的要求,但孔洞型柔性砂輪的工藝復雜、制造比較困難。郭隱彪等提出了一種采用特殊砂帶作為磨削工具,同時具備柔性砂輪特征,而且結構簡單的新型砂輪。該砂輪主要由砂輪本體、氣囊式內胎、氣閥、彈簧環(huán)、橡膠環(huán)及砂帶構成。其工作方式為:根據(jù)磨削材料要求選擇砂帶的型號(粒度、結合劑、帶基結構等),在氣囊放氣狀態(tài)下安裝砂帶,選擇氣壓對砂輪氣囊進行充氣,緊固砂輪本體兩面的螺釘,使彈簧環(huán)處于固定狀態(tài),使用動平衡儀對其進行精動平衡后即可進行磨削加工。在磨削過程中,可通過調節(jié)氣囊的壓力來控制砂輪砂帶的張緊度,選擇不同硬度的橡膠環(huán)控制砂輪的剛度。該新型柔性砂輪結合了砂帶磨削加工效率高、發(fā)熱量低以及砂輪磨削精度高和設備簡單的優(yōu)點,并能有效減少砂輪磨削過程中振動影響,提高加工精度,通過與樹脂砂輪的磨削對比實驗表明,該柔性砂輪具有良好的磨削性能。超硬磨粒砂輪一般組織緊密,氣孔率低,容屑能力差,極易堵塞,需定期或在線修整以保持砂輪良好的磨削性能。為了克服傳統(tǒng)結合劑砂輪的這些缺點,一些學者開發(fā)了多孔砂輪以改善磨削性能。使砂輪具有多孔隙結構的設想首先在陶瓷結合劑砂輪上得到很好的發(fā)展與應用。據(jù)文獻報道,德國Krebs&Riedel公司采用DeBeers公司的磨料ABN800制造出新一代大氣孔陶瓷結合劑砂輪,通過控制自然孔與合成孔的結構減少傳統(tǒng)結合劑含量,達到規(guī)則的磨粒間距,自銳性好,易修整。俄羅斯開發(fā)出了一種閉口多氣孔陶瓷結合劑砂輪,采用不燃燒的發(fā)泡劑造孔,所用磨粒為SiC和剛玉,制作工藝具有環(huán)保性。瑞士的溫特蘇爾(WINTHERTHUR)公司生產了陶瓷結合劑緩進給砂輪用于渦輪葉片的磨削以及精密齒輪的成形磨削中。1992年,日本Tanaka將多孔陶瓷結合劑砂輪的孔隙結構引入到金屬結合劑砂輪中,嘗試開發(fā)了以鑄鐵為結合劑的多孔砂輪,其后,一些日本學者對該類砂輪的制造工藝、孔隙率控制、磨削性能也進行了研究[48,49,50,51,52,53]。在燒結方法上,主要采用通電燒結、真空燒結和熱等靜壓燒結等燒結方法在不同工藝下獲得不同孔隙率的砂輪。該類砂輪具有以下主要優(yōu)點:①砂輪鋒利,易于從工件上去除材料;②相對于致密金屬結合劑砂輪,易于修整和修銳;③磨削溫度低。除了日本對金屬結合劑多孔砂輪有較多研究外,烏克蘭也開發(fā)出了以質量分數(shù)為30%的尿素為發(fā)泡劑,添加有氫化鈦(質量分數(shù)為3%～3.5%)等成分的錫-銅結合劑多孔金剛石砂輪,其氣孔率達到20%～25%。國內相關學者也開展了多孔金屬結合劑砂輪的研究。廖翠嬌等通過選擇造孔劑制造高孔隙率的金屬結合劑金剛石砂輪,提高砂輪的自銳能力,擴大砂輪的容屑空間,降低了磨削溫度。蘇宏華等以松散燒結工藝為基礎,借鑒釬焊原理,引入Ni-Cr合金釬料和造孔劑,通過真空燒結法制備出能夠在金剛石與結合劑界面形成化學冶金結合的多孔金屬結合劑金剛石節(jié)塊,最終制備出多孔金屬結合劑金剛石砂輪,并利用多孔金屬結合劑金剛石砂輪進行了氧化鋁陶瓷的磨削實驗,分析了磨削參數(shù)對磨削力、加工表面粗糙度的影響規(guī)律。1.5磨粒有序排布現(xiàn)有砂輪表面的磨粒大多呈無規(guī)則隨機密布的狀態(tài),有效去除材料的所謂動態(tài)有效磨粒僅占磨粒總數(shù)很少的一部分,大量冗余的磨粒不僅增加了工具的制作成本,造成金剛石資源的大量浪費,還嚴重干擾了有效磨粒的工作,引起磨削溫度的升高和容屑空間的減小,造成砂輪加工效率和使用壽命等性能指標的降低。因此,優(yōu)化砂輪磨粒分布、保證磨粒露出高度的一致性和合理的磨粒間距是一個值得研究的課題。根據(jù)deBears公司的數(shù)據(jù),對于制造技術相同的金剛石工具,采用有序排布磨粒技術制造的金剛石工具的壽命是隨機排布的數(shù)倍。國內外研究者在嘗試砂輪磨粒優(yōu)化排布方面做了很多嘗試,如Aurich等對單層砂輪磨粒的分布進行了仿真優(yōu)化,并利用制備的磨粒有序排布砂輪進行了與傳統(tǒng)砂輪的磨削對比實驗;國內南京航空航天大學徐鈞鴻課題組在單層釬焊砂輪磨粒有序分布研究上進行了探討性工作。目前較成功的是運用孔模板、網(wǎng)篩技術等手段來實現(xiàn)單顆磨粒的有序排布,其原理是在陶瓷模板上加工出與金剛石磨粒直徑相當?shù)囊?guī)則排布的圓孔,深度大約是金剛石高度的70%,將金剛石布于圓孔內,然后孔模板放于布有釬料層的基體上進行釬焊,該方法適于大粒徑金剛石的單層有序排布,這在國外相關專利中有介紹。當磨粒粒度較小時,可利用微復制技術等來實現(xiàn)有序排布,微復制技術指在Si模板上刻蝕出規(guī)則排布的模孔,采用CVD方法在?？變壬L成金剛石薄膜層,最后清除Si模板并把薄模層粘結到基體上制成磨削工具,其制作步驟如圖4所示。同時,激光焊接技術也是實現(xiàn)磨粒有序排布的一種方法。其采用激光束作為焊接時的熱源,在布有釬料粉和金剛石顆粒層的基體上,采用CAD數(shù)據(jù)處理軟件使激光器以一定的掃描速度對基體表面按給定的形貌要求進行掃描,通過控制激光強度、脈沖周期、光斑直徑,保證一定的焊接溫度和時間,這樣被激光掃描到的磨粒就按形貌要求有序的釬焊到工具基體上,把未掃描的金剛石顆粒去除后,就得到了理想的磨粒有序排布的單層金剛石工具。高航等進行了磨粒三維可控排布電鍍砂輪制造的工藝研究,制造出了具有可控磨粒高度的砂輪,如圖5所示。該方法利用激光切割技術和絲網(wǎng)印刷技術制作出一種能涂覆在砂輪基體上的掩膜,電鍍時掩膜能阻止金屬離子在基體表面上形成電鍍層,并在其微型腔內實現(xiàn)多層磨粒的電化學沉積,從而在砂輪基體上形成具有一定體積和形狀的微磨粒群,實現(xiàn)磨粒的可控排布。磨削對比實驗表明:磨粒群可控排布砂輪在降低磨削