基于磨削法的金剛石磨料工具精密修磨技術(shù)*

崔仲鳴， 馮常財， 莊召鵬， 王 星， 赫青山

(1. 河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 鄭州 450001)

(2. 中原環(huán)保股份有限公司, 鄭州 450001)

金剛石磨料工具是利用金剛石磨料做成的具有一定幾何形狀的磨料工具，一般用于磨削、研磨、拋光工作等[1-2]。金剛石磨料工具的制造精度很大程度上決定了其使用性能，由于金剛石磨粒的硬度和耐磨性非常高，使金剛石磨料工具在形面精密修整方面存在很大的難度，尤其是在制造復(fù)雜形面金剛石工具時。

精密金剛石磨料工具的制造技術(shù)是多個領(lǐng)域技術(shù)的集合，整個制造工藝包含多個制造環(huán)節(jié)，每一個制造步驟都需要嚴(yán)格把控。一個具有復(fù)雜形面的金剛石磨料工具很難通過一次成形完成，通常是通過先精密成形后再加上對形面修形的方法獲得。因此，金剛石磨料工具復(fù)雜形面修形技術(shù)是制造精密金剛石磨料工具的關(guān)鍵技術(shù)之一[3-4]。

在復(fù)雜形面金剛石磨料工具的后期修形技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多研究。德國溫特公司制造的精密復(fù)雜形面金剛石滾輪經(jīng)后期修形后精度可以達(dá)到0.002 5 mm，英國、美國、日本和俄羅斯等國家在修磨金剛石工具形面方面也達(dá)到了微米級的精度水平[5-6]，國內(nèi)也有很多研究人員開展了高精度金剛石滾輪制造技術(shù)的研究[7]。但是在精密金剛石磨料工具形面精密修形方面，其修磨方法、修磨機(jī)理和基本工藝方面的系統(tǒng)研究報道不多。

目前已經(jīng)開發(fā)的較為有效的金剛石磨料工具修形方法有機(jī)械加工法和特種加工法2大類。機(jī)械加工法主要包括磨削法、研磨法和拋光法等。特種加工法分為2大類：一類是以電加工為主的方法，包括電火花和電解加工；另一類特種加工方法，如激光加工法、超聲振動加工法、離子束加工和等離子加工法等[8-11]。

磨削法是以金剛石磨料砂輪作為修形工具，采用磨削的方式對被修工具表面金剛石形面進(jìn)行修磨的一種方法。磨削是一種精密加工方法，目前的精密磨削機(jī)床不但可以完成比較復(fù)雜形面的加工，而且加工精度可以達(dá)到微米級，甚至亞微米級水平。相比其他修整方法，磨削法在修磨精度、能力和效率等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是修磨精度最高的方法之一。因此，開展磨削法修磨金剛石磨料工具的系統(tǒng)研究具有很好的理論和應(yīng)用意義[12-13]。本試驗介紹了采用金剛石磨料砂輪磨削法修形精密復(fù)雜形面金剛石磨料工具的修磨機(jī)理、修磨工藝規(guī)律及其在實(shí)際中的應(yīng)用。

1 金剛石磨料工具精密修磨機(jī)理

1.1 金剛石晶面特性與解理現(xiàn)象

如圖1所示，金剛石晶體為A4型晶體結(jié)構(gòu)，金剛石晶體有3個主要晶面，分別為(100)面、(111)面、(110)面。因為各個晶面的面間距不同，所以鍵結(jié)合強(qiáng)度也不同，因此呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征。周泳等[14-15]對金剛石各個面的解理能進(jìn)行了理論計算，結(jié)果如表1所示。

圖1 金剛石晶格結(jié)構(gòu)以及不同晶面的最小單元

表 1 金剛石的3個晶面理論解理能

雖然金剛石非常堅硬，但當(dāng)晶面間共價鍵受到足夠大的能量沖擊時也會斷開，發(fā)生解理現(xiàn)象，這種解理現(xiàn)象和機(jī)理的存在使得對金剛石進(jìn)行修形成為可能。

1.2 磨削法的磨除機(jī)理

采用磨削法修磨金剛石磨料工具時，修磨砂輪和被修金剛石磨料工具兩者表面的金剛石磨粒相互接觸摩擦，由于修磨時是金剛石和金剛石接觸，而金剛石的硬度極高，不能發(fā)生切入或壓入的情況，其磨粒接觸形式可以認(rèn)為是瞬間的相互擠壓。因此，磨削修磨時修磨砂輪和被修工具磨粒接觸模型可以簡化成如圖2形式，兩個接觸的金剛石磨粒可以看成是2個半徑為R1、R2的球體，在磨削壓力F的作用下壓到一起，根據(jù)赫茲理論其接觸面壓力p由公式(1)給出[16]：

(1)

其中：ν1、ν2為泊松比，E1、E2為彈性模量,k為系數(shù)，F(xiàn)為砂輪徑向壓力。

圖2 磨削修磨時磨粒接觸模型

(2)

實(shí)際磨削修形時，由于金剛石硬度高，修磨切深極小，因此接觸部位的平均壓力一般是小于接觸部位金剛石解理能的，只是在接觸面上的局部接觸凸起點(diǎn)壓力超過了金剛石解理能，發(fā)生微小部位的解理，形成微破碎修形，因此理論上磨削修磨法可以達(dá)到非常高的修磨精度和光滑表面。

圖3為金剛石修磨前后的表面情況。采用的金剛石修磨砂輪粒度代號為140/170(89～104 μm)，被修磨的金剛石顆粒平均粒徑為2 mm, 進(jìn)給量(切深)為0.005 mm。從圖3a中可以看到修磨前金剛石表面的缺陷，圖3b中的金剛石被修磨后表面是光滑且?guī)缀鯖]有缺陷，從某種程度上驗證了使用上面磨削法修磨時可以形成微破碎的理論推演。

所以， 金剛石具有極高的硬度，采用磨削法修磨時的去除機(jī)理主要是破碎形式。修磨時接觸壓力F越大接觸面壓強(qiáng)p就越大，金剛石破碎的可能性越大，也就是修磨效率越高。從磨削角度出發(fā)，接觸壓力與修磨時的切深、修磨速度和修整砂輪磨粒粒度等因素有顯著的關(guān)系。

2 基本工藝規(guī)律試驗研究

2.1 試驗方法與條件

(1)試驗機(jī)床。磨削修磨試驗是在光學(xué)影像磨床上進(jìn)行，如圖4所示。該機(jī)床主軸和砂輪都可以無級調(diào)速，CCD影像測量系統(tǒng)可以在線對修磨形面形狀進(jìn)行觀測。

圖4 修磨試驗機(jī)床

(2)試驗方法。修磨的試驗方法如圖5所示，修磨砂輪轉(zhuǎn)速vs，被修工具轉(zhuǎn)速vw，修磨速度Δv等于砂輪和被修工具接觸的外圓周速度差；修磨方式采用徑向切深Fd、切向往復(fù)磨削速度vf的往復(fù)修磨方式。

圖5 修磨的試驗方法

(3)被修磨金剛石工具。采用電鍍法制備，金剛石磨粒平均粒徑為1 mm，直徑為100 mm，磨粒采用有序排布方式，如圖6所示。為了精確測量修磨量，在工具形面H處設(shè)計了2個階梯形面，分別是被修形面和測量參照基準(zhǔn)面，通過測量修磨過程中2個階梯面的距離變化可以精確測量被修磨面的徑向修磨量。

圖6 被修磨金剛石磨料工具

(4)修磨量的測量。被修工具表面金剛石修磨量的測量方法如圖7所示，被修磨金剛石磨料工具表面金剛石磨粒被修磨量為ΔH。圖7a中被修磨面與參照面距離H可以通過圖7b復(fù)印片測量法精確測量，測量修磨前后H的變化量ΔH就是被修磨部分的徑向修磨量。

2.2 修磨效率試驗

2.2.1 修磨砂輪粒度和結(jié)合劑對修磨效率的影響

選擇樹脂、陶瓷和金屬3種不同結(jié)合劑金剛石磨料砂輪進(jìn)行修磨試驗，每種砂輪選擇磨料粒度代號為100/120、140/170、200/230、270/325(平均粒徑分別為124～150、89～104、61～74、44～53 μm)，濃度為100%，修磨砂輪外徑為175 mm、寬度為7 mm。被修金剛石磨料工具如圖7所示，修磨工藝參數(shù)：切深ap=0.005 mm,往復(fù)進(jìn)給速度vf=15 次/min，修磨速度Δv=14 m/s。修磨效率η表示單位時間修磨厚度。

圖8為修磨砂輪結(jié)合劑、粒度與修磨效率關(guān)系曲線。從圖8中可以看出：不同的砂輪結(jié)合劑對修磨效率有顯著的影響，陶瓷結(jié)合劑修整的效率最高。其可能的原因是陶瓷結(jié)合劑砂輪同時具有鋒利性和剛性，而樹脂結(jié)合劑剛性和鋒利性都較弱，金屬結(jié)合劑容易堵塞，缺少磨刃的鋒利性。隨粒度的變細(xì)，修磨效率總的變化趨勢是下降的，但是，試驗顯示140/170(89～104 μm)的砂輪修磨效率卻高于100/120(124～150 μm)的，這也說明過粗的粒度反而降低了修磨效率。其原因可能是過粗的粒度磨粒增大修磨時的接觸面積，引起磨粒局部接觸面內(nèi)壓強(qiáng)減小，反而造成修磨效率下降。

圖8 砂輪結(jié)合劑、粒度與修磨效率關(guān)系

2.2.2 修磨切深和修磨速度對修磨效率的影響

采用與上述同樣的試驗方法，研究不同的切深、修磨速度對修磨效率的影響。試驗條件：修磨砂輪為粒度代號為140/170(89～104 μm)、濃度100%的陶瓷結(jié)合劑金剛石磨料砂輪，往復(fù)進(jìn)給速度vf=15 次/min。其試驗數(shù)據(jù)形成的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 修磨切深、速度與修磨效率關(guān)系

從圖9可以看出，修磨效率隨著修磨切深的增大而升高。其可能的原因是隨著切深增大，修磨過程的法向壓力增大，修磨磨粒局部接觸壓力增大，從而提高了金剛石的微破碎率。隨著修磨速度的增加修磨效率先升高而后略有下降，說明對于修磨存在合適的修磨速度，可以得到最佳的修磨效率。其原因是隨著修磨速度增加，修磨時磨粒接觸時間縮短，有利于增大磨粒局部接觸面壓強(qiáng)，同時修磨速度的變化修磨的切向力和法向力比例也發(fā)生了變化，適中比例的切向力和法向力，可以獲得最好的修磨效率。

2.3 修磨精度試驗

修磨精度主要考察被修磨后金剛石工具表面的平滑程度。試驗方法是：采用上述修磨工藝參數(shù)修磨的金剛石滾輪以直接切入的方式修整白剛玉砂輪，再用白剛玉砂輪以切入方式磨削45號調(diào)質(zhì)鋼材零件，然后測量被磨鋼材零件表面的粗糙度和直線輪廓度，用來表征修磨精度。

2.3.1 修磨砂輪結(jié)合劑、粒度對修磨精度影響

試驗采用切深ap=0.005 mm，修磨速度Δv=14 m/s。圖10為試驗獲得的與修磨砂輪結(jié)合劑、粒度相對應(yīng)的粗糙度和輪廓度關(guān)系圖。

如圖10所示：同一種粒度的3種結(jié)合劑修磨砂輪修磨相應(yīng)的粗糙度值相差不大，說明結(jié)合劑對修磨精度影響不顯著。不同粒度的砂輪修磨相對應(yīng)的粗糙度值、輪廓度值都呈現(xiàn)隨磨粒粒徑變細(xì)而降低的趨勢。粒度代號為140/170(89～104 μm)相對應(yīng)的粗糙度和輪廓度下降趨勢較平緩，結(jié)合前面對修磨效率試驗情況可知：采用粒度代號為140/170(89～104 μm)的細(xì)粒度砂輪修磨金剛石工具比較合適。

2.3.2 修磨切深和速度對精度的影響

圖11為修磨切深和速度對修磨精度的影響。試驗采用的修磨砂輪粒度代號為140/170(89～104 μm)陶瓷結(jié)合劑。從圖11可以看出：修磨切深對修磨精度有顯著的影響，隨著切深的增加，相應(yīng)的表面粗糙度、輪廓度呈近似線性增加。結(jié)果表明：采用小的切深可以提高修磨精度。當(dāng)切深為0.003 mm，修磨速度為22 m/s時，相應(yīng)的粗糙度小于 0.2 μm、輪廓度為1.2 μm，表明修磨精度達(dá)到了比較高的等級。從圖11中也可以看出：修磨速度對修磨精度也有一定的影響，隨著修磨速度的增加，修磨精度基本上呈上升趨勢。

3 修磨應(yīng)用試驗

3.1 圓弧角度滾輪形面修磨

圖12是采用內(nèi)電鍍法制造的一種圓弧切線組成形面的金剛石滾輪，滾輪表面金剛石粒度代號為30/35(500～590 μm)、無規(guī)則排列，形面由一個大圓弧和一個小圓弧以及30°切線組成。

圖13為修磨小圓弧和切線時的局部影像，采用的修磨工藝參數(shù)為：修磨砂輪為陶瓷結(jié)合劑砂輪、粒度代號為200/230(61～74 μm)，修磨速度Δv=14 m/s，粗修切深0.005 mm，精修切深0.003 mm。對滾輪修磨前后的形面輪廓精度采用復(fù)印片影像法進(jìn)行測量，并對修磨前后磨削試件表面粗糙度進(jìn)行檢測。測量結(jié)果顯示：修磨前圓弧尺寸誤差為+0.031 mm，修磨后為+0.003 mm；切線角度誤差修磨前為+13′，修磨后為+4′；表面粗糙度修磨前為0.489 μm，修磨后為0.195 μm。

圖13 在線修磨的影像圖

3.2 球軸承溝道滾輪形面修磨

圖14為采用內(nèi)鍍法制造的一種球軸承溝道磨削用金剛石修整滾輪。滾輪表面金剛石粒度代號為40/50(350～420 μm)、無規(guī)則排列，被修形面半徑為2.05 mm。采用的修磨工藝參數(shù)為：修磨砂輪為陶瓷結(jié)合劑砂輪、粒度代號為200/230(61～74 μm)，修磨速度Δv=14 m/s，粗修切深0.005 mm，精修切深0.003 mm。

采用輪廓儀對修磨后滾輪修整砂輪磨削出的一批軸承環(huán)零件和溝道進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示：圓弧尺寸為2.052 mm，圓弧輪廓度Pt值為1.592 μm，表面粗糙度約為0.120 μm。

4 結(jié)論

針對復(fù)雜形面超硬磨料工具制造技術(shù)中形面修形困難、修形效率低等難題，對其修磨機(jī)理、修磨方法、工藝規(guī)律及應(yīng)用進(jìn)行研究。結(jié)論如下：

(1)通過理論分析和磨削試驗表明，磨削修磨過程中，被修磨金剛石顆粒表面會受到?jīng)_擊壓力產(chǎn)生解理性破碎。當(dāng)修磨量很小時，被修金剛石表面因微小部分凸凹而產(chǎn)生極高的壓力而產(chǎn)生微破碎。磨削法精密修磨時金剛石的磨除形式主要為磨粒的微破碎，可獲得極微小的修磨去除量，實(shí)現(xiàn)精密修磨。

(2)磨削法修磨的主要影響因素有修磨砂輪的粒度、結(jié)合劑、修磨速度、修磨切深等。隨砂輪粒度尺寸變細(xì)修磨精度呈上升趨勢，陶瓷結(jié)合劑砂輪修磨效率最高，修磨速度和切深增大有利于提高修整效率。

(3)采用基于磨削法的精密修磨工藝，能夠獲得較高的修磨效率和精度，圓弧角度滾輪經(jīng)修磨后工具的整體輪廓在0.005 mm以內(nèi)，圓弧尺寸精度達(dá)0.003 mm，圓弧輪廓度值小于2 μm，角度形面元素精度可以達(dá)到5′以內(nèi)。