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表面结构化砂轮磨削加工技术研究进展(下)

日期:2017-11-15
来源:《哈尔滨工业大学学报》

  1.2.3磨粒几何参数精确控制磨削工具分析

  磨粒几何参数精确控制磨削工具制造是运用激光去除方法在CVD金刚石等超硬材料表面加工出具有相同几何参数、磨粒排列规则的磨削工具的过程,能够更为精确地控制磨削工具表面形貌.在磨削过程中,磨粒与工件材料相互作用均匀而稳定,能够均匀分布磨削载荷,形成非划擦及犁耕作用的有效切削,最终降低磨削力并提高磨削表面质量.

  1.3砂轮结构设计表面结构化方法

  对砂轮结构进行创新设计以实现非连续磨削和改善磨削液进人磨削区能力能够有效改善磨削工艺性能,这主要应用于普通磨削加工.

  1.3.1砂轮结构设计表面结构化砂轮磨削研究

  非连续磨削砂轮能够减少砂轮与工件表面的接触时间,增加磨削液进人磨削区的能力,因而能够降低磨削温度与热损伤,改善磨削性能.Lee等研究了非连续金刚石砂轮端面磨削Al2O3陶瓷,磨削速度15~30m/s、磨削深度0.02-0.08mm,进给速度1.2m/s,研究发现材料去除速率增加,磨削温度降低40%~80%,砂轮磨损减少,不过磨削表面更为粗糙.Kim等通过控制砂轮不同部分气孔率研究了如图19所示的新型非连续磨削砂轮,砂轮表面含有65%孔隙部分磨损迅速,而气孔率低的部分磨损缓慢,从而在磨削过程中在砂轮表面形成沟槽并实现非连续磨削.磨削速度24m/s,进给速度9.0m/min,磨削深度0.01~0.05mm,磨削Cu、Al6061、青铜等材料,非连续砂轮与传统砂轮相比表面粗糙度改善在1.5~5.0倍之间且没有磨削损伤,磨削SUS304钢时虽然没有改善表面粗糙度但没有出现磨削损伤.

  砂轮表面分段能够减少静态磨削刃数量,使得瞬时参与接触切削刃数量减少,从而降低划擦与犁耕作用磨粒数量,减小磨削力、比磨削能.Tawakoli等运用如图20所示T-型分段磨削工具,磨削陶瓷基复合材料,磨削速度30~120m/s,进给速度0.5~3.0m/s,磨削深度0.05~0.60mm.研究发现,与普通砂轮相比,法向力与切向力显著减少,工件表面没有残余拉应力产生,能够采用更高的材料去除速率而不出现磨削损伤.

  通过创新的砂轮结构设计改善磨削液进人磨削区的能力,也是优化磨削性能的重要方法.Nguyen等设计了如图21所示的径向磨削液供应通道的分段砂轮系统,砂轮表面为非连续分段结构,磨削液通过砂轮内部微孔从砂轮径向直接作用于磨削区.磨削AISI4104钢,磨削速度23m/s,进给速度400mm/min,磨削深度0.01~0.05mm.新的磨削系统与传统砂轮相比,能够有效维持切削刃锋利度,砂轮表面清洁能力得到改善,砂轮表面没有切屑堵塞,磨削表面质量更好,没有拉伸残余应力,比磨削能更低,磨削液消耗更少.

  1.3.2砂轮结构设计表面结构化磨削分析

  砂轮结构设计表面结构化方法获得的非连续磨削砂轮,由于表面的不连续性,降低了单位时间内砂轮表面与工件表面接触面积,有效减少划擦及犁耕作用磨粒数量.不连续的砂轮表面有利于磨削液更为充分的进入磨削区,进行有效地润滑与冷却.因此,非连续磨削砂轮能够降低磨削作用力并减轻磨削损伤.此外,在砂轮内部布置磨削液输送微孔通道,能够进一步促进磨削液进人磨削区,清洁砂轮工作表面,减少磨屑粘附,保持切削刃的铐利度,降低砂轮表面堵塞,因而也能够减小磨削力及磨削损伤.创新的砂轮表面结构设计实现非连续磨削及磨削液内部供应,是改善磨削工艺性能的重要方法。

  2传统砂轮表面结构化及其磨削

  2.1细磨粒砂轮沟槽结构化磨削

  Rabiey对表面沟槽结构化砂轮磨削进行了理论研究,发现磨削过程中的能量消耗主要与磨粒与工件表面的摩擦及犁耕作用有关,表面结构化砂轮磨削能够显著减少摩擦及犁耕作用,进而减少热量的产生,最终降低磨削温度及热损伤.此外,理论研究还发现:表面粗糙度主要受到有效切削刃密度影响,磨削工艺参数的影响相对小一些,砂轮表面结构化会导致表面粗糙度增大,且砂轮表面接触面积越小,磨削表面粗糙度越大.相比非结构化砂轮,表面结构化砂轮磨削能够不同程度降低磨削力.Rabiey运用接触面积25%的表面结构化砂轮磨削100Cr6,磨削力减少超过35%.Tawakoli等运用如图22所示结构化CBN砂轮,干磨削100Cr6,磨削速度60m/s、进给速度500~2500mm/min,磨削深度0.005~0.025mm,在相同材料去除率下,表面结构化砂轮磨削力显著降低.表面结构化砂轮干磨削能够有效改变磨削表面残余应力状态,在磨削表面形成残余压应力,而传统砂轮磨削加工表面主要是残余拉应力.表面结构化砂轮磨削几乎没有磨削烧伤或其它热损伤,因而能够使用更大的材料去除速率以提高磨削加工效率.不过,表面结构化会导致单个磨粒承受的平均载荷增大,因此结构化砂轮的磨损速度略快于传统砂轮;结构化还会导致磨削表面粗糙度上升,但在可以接受范围内,增加清磨工艺等能显著降低表面粗糙度.

  Willem等首先提出在砂轮表面加工交替排列沟槽以改善砂轮磨削工艺性,沟槽结构能够有效聚集并将磨削液输送到磨削区实现冷却与润滑,在缓进给磨削时有效减少磨削烧伤.Mohamed等运用如图23所示螺旋沟槽结构化氧化铝砂轮,缓进给磨削AISI4140,磨削速度22.4m/s、进给速度1.7mm/s、磨削深度1~4mm.结构化砂轮与传统砂轮相比,在砂轮失效前材料去除量增加2倍以上,而能量消耗减少接近61%,当限制表面粗糙度低于0.3μm及1.6μm时,材料去除量分别增加37%及120%,砂轮结构化并没有明显加快砂轮的磨损,而且砂轮表面接触面积越小,磨削工艺改善效果越好.

  砂轮表面结构化结构类型不同,对磨削工艺的影响也不同.Walter等运用激光去除方法在金属陶瓷混合结合剂CBN砂轮表面加工如图24所示不同类型沟槽结构,V-型沟槽结构化的实际砂轮表面如图25所示,获得接触面积均为63%的结构化砂轮,磨削100Cr6,磨削速度60m/s,进给速度1000~3000mm/min,磨削深度0.06~0.18砂轮表面激光结构化后磨削力下降25%~54%不等,磨削力稳定性明显大于非结构化砂轮,不同材料去除速率下表面结构化砂轮磨削力基本保持恒定.不过,与未结构化砂轮相比,工件表面粗糙度除小尺寸V-型外都略有增大、随着材料去除速率增加,不同类型结构化砂轮磨削表面粗糙度都将增大,但增大程度不同.此外,结构化砂轮平均径向轮廓没有明显变化,即表面结构化砂轮磨损速度并没有明显增加.

  Tsuchiya等运用螺旋沟槽结构化超细磨粒固定磨料工具精密磨削铝,主轴转速8000r/min,进给速度0.4mm/s,磨削深度1mm,螺旋沟槽能够连续排除磨屑,避免或减少磨屑对工具表面容屑空间的堵塞,能够有效改善磨削表面质量.结构化磨削工具表面几乎没有磨屑堵塞,而传统磨削工具表面很容易发生表面堵塞.不同磨削工具磨削工件表面如图26所示,用结构化固定磨料工具磨削粗糙度为Ra32nm的表面,实现了镜面级表面质量,而传统固定磨料工具磨削表面粗糙度为Ra=μm0.26.

  

  运用特殊的修整方法在砂轮表面加工规则沟槽结构是砂轮结构化的重要方法,沟槽结构能够降低磨削力和磨削温度,促进磨削液进人磨削区,在干磨削、缓进给磨削、难切削材料磨削等方面有重要应用,既适用于普通磨削,也适用于精密磨削.

  2.2大磨粒金刚石砂轮微结构化磨削研究

  精密光学元件在航空航天、半导体及通信等行业应用广泛,其精密磨削要求实现纳米级表面粗糙度、业微米级尺寸精度、低的亚表层损伤、高的生产效率等.

  为了解决传统细磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃等硬脆材料时,容屑空间小,表面容易堵塞,砂轮磨损快,需频繁整形与修锐等间题,等发展大磨粒金刚石砂轮磨削.赵清亮等结合大磨粒金刚石砂轮磨削特点,对大磨粒金刚石砂轮定义如图27所示创新性修整要求、利用精密修整大磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃BK7和微晶玻璃,两种材料实现超精密磨削范畴并获得纳米级表面粗糙度,其中光学玻璃亚表面损伤深度小于3μm,但磨削表面亚表层损伤深度明显大于细磨粒金刚石砂轮.

  

  郭兵等发展了激光微结构化方法对大磨粒电镀金刚石砂轮表面进行微结构化,激光微结构化原理如图28所示.

  

  电主轴轴端的磨削砂轮以一定转速旋转,固定于PI平台的皮秒激光器发射高脉冲激光照射旋转砂轮,在砂轮表面加工不同的微沟槽平行阵列,每个金刚石磨粒加工出2~3个宽度为10~15μm的沟槽,微结构化沟槽宽度小于磨粒尺寸,亚磨粒尺度的微结构化使得砂轮表面单位面积上有效切削刃数量增加,从而单个切削刃未变形切屑厚度降低,有利于实现塑性域磨削.

  基于以上理论分析,加工图29所示5种微结构砂轮,分别代表无微沟槽、70μm平行间隔(半个砂轮)、30μm平行间隔、90μm平行间隔和150μm平行间隔、砂轮磨削光学玻璃参数:砂轮转速3000r/min,进给速度2mm/min.磨削深度2μm.微结构砂轮磨削光学玻璃亚表面损伤深度比无微结构砂轮的小2~3μm,同时随着平行微沟槽间隔减小,损伤深度呈现减小的趋势.

  表面微结构化砂轮与非结构化砂轮相比,磨削光学玻璃BK7亚表层损伤深度由8μm减少到1.5~5.0μm.但是,微结构化不能改善磨削表面粗糙度,当沟槽间距较大时表面粗糙度甚至明显增大.此外,表面粗糙度与亚表层损伤深度均随着沟槽间距的降低而下降.

  大磨粒金刚石砂轮微结构化创新性地在亚磨粒尺度进行结构化,保留了传统砂轮磨粒排布的随机性,并有效地增加了切削刃密度,特别适用于光学玻璃、碳化硅等硬詭材料精密磨削.

  2.3砂轮表面微结构化磨削方法分析

  传统砂轮表面结构化是磨削工艺优化的重要方法,根据沟槽结构宽度与砂轮表面磨粒粒度的相对大小不同其影响枧理也不相同.

  细磨粒砂轮或普通砂轮结构化,微结构宽度一般明显大于磨粒粒度,砂轮表面结构化能够减少单位时间内砂轮表面与工件表面接触面积,进而减少相互作用特别是划擦、犁耕作用磨粒数量,进而降低磨削作用力及能量消耗.表面沟槽结构化能够有利于磨削液进入磨削区,进行有效的冷却与润滑,有利于降低磨削温度及相应的热损伤,能够采用更高的磨削工艺参数以提高磨削加工效率.大磨粒砂轮主要应用于硬材料等难切削材料磨削,磨削力大,磨削亚表层损伤较大,进行亚磨粒尺度的微结构化增加了单位面积切削刃数量,并部分降低磨粒与工件表面接触顶面面积,有利于塑性切削的形成并降低磨削作用力,减轻亚表层损伤深度.

  3表面结构化砂轮磨削规则纹理表面

  规则纹理表面能够减少流体或边界润滑摩擦系数,吸附润滑液中的微小硬质颗粒,增强涂层粘附及结合强度,改善静态或动态结合面密封性等,在流体动压轴承等方面有重要运用,研究规则纹理表面的磨削加工具有重要价值.

  3.1结化砂轮磨削规则纹理表面理论基础

  在磨削过程中,砂轮表面形貌会一定程度复印到工件磨削表面上,这为运用磨削方法进行規则纹理表面制造提供了可能.规则表面纹理磨削原理如图30所示,表面沟槽结构化的砂轮当以恒定的磨削速度与进给速度比值进行磨削加工时,沟槽结构部分由于磨粒被去除,在磨削过程中不会去除工件表面材料,而非沟槽结构部分表面磨料层能够有效去除工件材料,从而能够在工件表面稳定的形成规则分布的纹理,使用不同速度比率或沟槽结构图案能够获得不同的表面纹理.磨削表面纹理包含两部分:确定性部分,砂轮表面沟槽结构分布及磨削与进给速度比值,决定了工件磨削表面纹理分布的形状;随机部分,来源于砂轮非沟槽结构化部分磨料层随机的磨粒形状与分布,随机的磨粒作用构成了规则纹理表面沟槽表面微观形貌、磨削表面纹理主要受确定性部分影响,确定性部分决定了表面纹理的形状、尺寸及排布等.随机部分对工件表面沟槽尺寸、形状及排列影响极小,主要影响局部沟槽底部粗糙度.因此,复制机制相对于随机性而言更多是确定性的.

  

  3.2结构化砂轮磨削规则纹理表面实验研究

  Stepien等采用单点金刚石修整工具在砂轮表面修整获得规则排列的深度大于磨削深度的螺旋沟槽,并运用表面沟槽结构化的砂轮进行磨削.磨削速度31.39m/s,进给速度0.326m/s磨削深度0.02mm,成功将砂轮表面纹理复制到工件表面上而获得規则表面纹理,图31为磨削纹理局部沟槽形貌、磨削加工获得的规则纹理表面沟槽对砂轮表面进行有效磨削的非结构化部分复制轮廓偏差极小.

  

  Oliveira等设计了如图32所示的砂轮表面结构化修整系统,能够在砂轮表面上修整形成所需纹理图案,在磨削过程中保持砂轮与工件速度比10.0:1~10.3:1,获得规则纹理表面如图33所示,其有不同的复杂纹理表面.研究结果表明,不仅能够根据所需的表面纹理设计相应的砂轮表面沟槽结构分布以获得不同的纹理表面,还能够使用相同的砂轮表面纹理运用不同的工件与砂轮速度比值获得不同的表面纹理.Silvae等基于Oliveira等的工作对规则表面纹理磨削进行了深入研究,运用不同的轴向进给速度,获得如图34所示的具有不同比例复制的表面纹理.因此,选择合适的砂轮与工件速度比值,能够改变纹理参数,增加了工艺灵活性.此外,其有规则纹理表面的砂轮能够显著减少磨削功率消耗,并获得可接受的表面质量,且除表面纹理描述参数以外的磨削表面质量(如粗糙度、磨削烧伤)仍然主要受传统修整及磨削工艺参数影响,如修整重复率与磨削条件.

  新的砂轮表面纹理修整装置能够解决砂轮复杂表面纹理修整的问题,不过机床动态性能及高频移动修整装置对能量变换器输出波形响应不可能完全理想,会对修整获得的实际砂轮表面纹理尺寸及形貌、工件几何形状精度等产生一定的不利影响.Oliveira等为了解决这一问题提出了两种不同的磨削工艺路线:对砂轮表面纹理化,并对砂轮表面进行精细整获得理想的砂轮形状精度,最后磨削工件表面获得所需表面纹理;先进行砂轮表面纹理化,再磨削工件表面初步获得存在形状精度误差的规则纹理表面,再对获得的规则纹理表面进行精细磨削,获得所需的形状精度.两种磨削工艺能够良好控制如顶部与底部粗糙度与微结构高度纹理特征等,以改善规则纹理表面的表面质量与形状精度,图35为运用两种磨削工艺磨削得到的规则纹理表面局部形貌.

 

图35  磨削获得规则纹理表面形貌

  砂轮表面结构化磨削能够简单、高效、经济的进行规则表面纹理面制造,是经济高效的进行规则表面纹理制造的新方法,对于推动规则纹理表面的应用具有重要意义.

  4表面结构化砂轮应用及研究趋势

  表面结构化砂轮磨削加工目前还处于研究阶段,当前研究工作主要集中于塑性难切削材料如钛合金、高强度钢的磨削加工研究,而硬脆材料磨削加工研究较少,不同结构化方法的比较研究还处于起步阶段、因此,目前表面结构化砂轮还未有效地在不同行业中运用.表面结构化砂轮在行业中的应用前景基于现有国内外研究工作简要分析如下.

  1)塑性难加工材料在航空、航天、深海探测等领域有着广泛运用,如航空发动机叶片及机匣、深海探测器、卫星承力部件、承压部件等都使用钛合金制造.表面结构化砂轮能够有效地降低磨削力及磨削烧伤,提高塑性难加工材料磨削加工效率,因此在航空、航天、深海探测等领域有着巨大的应用前景.

  2)碳化硅、碳化钨、光学玻璃等硬脆材料是模具制造、大型光学元件制造等领域的主要加工材料,现有硬脆材料主要使用细磨粒砂轮磨削及后续抛光等工艺实现超精密加工,存在加工效率低,砂轮磨损快,磨削形状精度低,砂轮需頻繁修整等间题,大磨粒砂轮磨削虽然能够提高磨削加工效率,但磨削亚表层损伤深度较大.表面结构化大磨粒砂轮磨削加工相比传统砂轮能够获得更低的亚表层损伤深度,而磨削表面质量不存在显著的降低,因此在高效超精密磨削加工硬脆材料方面的研究与应用具有重要意义.

  3)表面纹理结构能够有效提高流体动压力,吸附流体中的硬质颗粒以减少结合面磨损,纹理表面在流体动压轴承、液体密封中的应用其有重要的意义,表面结构化砂轮磨削能够经济高效地进行规则纹理表面制造,因而具有广泛的应用前景.

  5.展望

  砂轮表面结构化技术能够不同程度影响砂轮表面宏观或微观形貌,进而影响磨削过程中砂轮与工件材料的相互作用过程,以及砂轮磨削性能或磨削表面形成过程、综合分析表面结构化砂轮磨削国内外研究现状,可以预计砂轮结构化磨削在未来还需要在以下方向进行进一步的深入研究.

  1)进一步优化磨粒有序排布砂轮磨粒排布图案,以实现工件磨削表面材料的均匀去除;进一步研究能够适用于不同工件材料与磨粒并考虑磨粒磨损机制变化的数值仿真方法.

  2)不同磨粒形状及排布对几何参数精确控制磨削T其磨削性能的影响,较大直释几何参数与排布精确控制精密旋转磨粒阵列磨削工具及其在硬脆

  材料磨削中的应用.

  3)砂轮表面结构设计创新,以进一步减少磨削液使用并提高磨削性能,提高切屑排除能力,避免砂轮表面堵塞,及其在精密磨削中的应用.

  4)沟槽结构及尺寸对细磨粒砂轮表面沟槽结构化磨削性能的影响,多种沟槽结构结合进行砂轮表面结构化,磨粒粒度对砂轮结构化的影响,细磨粒砂轮沟槽结构化在精密磨削中的应用.

  5)磨粒粒度对大磨粒金刚石砂轮亚磨粒尺度砂轮表面微结构化性能的影响,微结构形式与排布对结构化大磨粒砂轮磨削性能的影响.

  6)磨削规则表面纹理过程中其有规则纹理表面结构化砂轮在线修整以进行连续磨削,运用大磨粒砂轮进行表面纹理磨削的可行性,表面纹理沟槽尺寸的精确控制及其在微传感器制造中的应用.

  砂轮表面结构化能够有效的提高磨削加工效率,降低磨削力及磨削过程能量消耗,增大砂轮表面容屑空间,改善冷却润滑条件,降低磨削温度及磨削表面损伤,在高效十磨削、缓进给磨削、硬脆材料精密磨削、难切削材料磨削、规则纹理表面制造等方面具有重要意义.表面结构化砂轮磨削加工既适用于塑性难加工材料的普通磨削也能够应用于硬脆材料的精密磨削,是磨削加工技术的重要研究方向,具有巨大的研究价值与应用前景.

  --(来源于《哈尔滨工业大学学报》)

关键字:砂轮
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