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表面结构化砂轮磨削加工技术研究进展(上)

日期:2017-11-15
来源:《哈尔滨工业大学学报》

  高强度钢、钛合金等塑形难加工材料及碳化硅、光学玻璃等硬脆难加工材料在航空航天光学元件制造等领域应用广泛,磨削加工是这些难加工材料主要的加工方式,在磨削过程中存在磨削力大,磨削亚表层损伤大,磨削温度高,磨削工具磨损快,加工效率低等问题,表面结构化砂轮磨削加工是应对这些问题的重要研究方向之一.

  修整过程中对表面微观或宏观形貌进行控制,获得规则的磨粒排布或沟槽结构,以改善磨削加工工艺性能或磨削加工规则纹理表面等.目前,砂轮表面结构化方法主要分为两类:一类是基于砂轮制造过程的结构化方法,即在制造过程中通过磨粒有序排布、磨粒几何参数精确控制、砂轮表面结构设计等实现结构化;另一类是对现有砂轮运用特殊修整方法进行后期表面结构化,如在砂轮表面运用机械修整或激光去除等方法进行沟槽结构化等.

  自2000年起瑞士、德国等国家部分学者开始运用计算机仿真及实验方法研究磨粒有序排布对磨削加工的影响,并应用于塑性难加工材料磨削加工.

  2009年,英国Axinte等,运用激光加工在CVD金刚石块上制造了精确控制磨粒几何参数的磨削工具,并磨削加工钛合金.1997-2011年,美国、德国、韩国、澳大利亚等国家部分学者发展了运用砂轮结构设计进行砂轮表面结构化的方法,磨削加工AISI4140钢等塑性难加材料.2007年至今,运用机械或激光修整在传统砂轮表面进行沟槽结构化成为磨削加工研究热点,应用于磨削加工100Cr6钢、光学玻璃等.此外,巴西的学者于2007年开创性地运用表面结构化砂轮进行规则纹理表面磨削加工.

  本文根据不同的砂轮表面结构化方法,对表面结构化砂轮磨削加工研究进展进行了综述,并介绍了表面结构化砂轮在规则纹理表面加工中的应用.

  1.砂轮制造过程表面结构化及其磨削

  砂轮制造过程表面结构化方法主要包括磨粒有序排布结构化,磨粒几何参数精确控制结构化,砂轮结构创新设计结构化,如图1所示.

  

  1.1磨粒有序排布结构化

  传统砂轮与磨粒有序排布结构化砂轮差异如表1所示.

  

  传统砂轮或固定磨料磨削工具表面磨粒形状、位置、分布密度等都是随机的,砂轮表面不同位置有效磨粒数量、单个磨粒承受载荷、切屑流动方向等都存在极大的不确定性,制造过程中砂轮的不均匀制造和颗粒的不均匀分布造成砂轮磨削过程的不稳定性.磨粒有序排布磨削工具能够对磨粒粒度、分布、突出高度甚至磨粒切削刃方向进行控制,能够保证砂轮足够的切削刃长度、冷却剂空间和切屑空间,尤其适用于需要较高材料去除速率的磨削加工.

  1.1.1磨粒有序排布仿真研究

  磨粒有序排布仿真能够从理论上研究磨粒粒度、形状、排布、磨损及突出高度等对磨削加工的影响,磨削加工过程动态变化.

  Jacobson等建立如图2所示基于双体磨料作用理论的数值仿真模型,能够简单预测磨粒尺寸、载荷与工件使度对磨损速率、比磨削能、接触磨粒数量等的影响.Koshy等明基于Jacobson的工作,以优化砂轮形貌获得最佳磨削性能为目标,对数值模型进行了改进,对磨粒有序排布在磨削性能的改善进行仿真,结果表明:磨粒突出高度分布而不是磨粒突出高度最大值,决定了磨削表面粗糙度及其变化,合理控制磨粒突出高度分布能够有效改善磨削表面质量;磨粒形状对磨削表面粗糙度的影响程度与磨削工艺变化相近;磨粒有序排布砂轮磨削表面质量是磨粒排列轴向间距的函数,最好的表面质量是用与传统砂轮磨粒排布相似的砂轮得到的.

  

  Pinto等对磨削仿真模型进行了深化,数值仿真磨粒形状及磨损模型分别如图3、4所示,磨粒简化为垂直磨削速度的最大投影几何截面,图4磨粒顶部浅色区域为磨粒磨损折断部分,通过减小磨粒顶面部分面积模拟磨粒微小磨损.数值分析与实验研究发现,磨粒磨损导致的微观几何形貌变化是影响工件表面粗糙度的主要因素,破碎磨粒比例与工件表面粗糙度其有较高的相关度.磨粒磨损会导致砂轮工作表面形貌的变化,并影响磨削表面粗糙度,考虑磨粒磨损因素的表面粗糙度数值仿真结果与实验测量粗糙度更为接近.磨粒切削区分布在磨粒磨损后发生改变,磨料层形貌的变化能够通过砂轮表面磨粒切削区分布的变化进行观察.运用数值方法能够分析磨粒有序排布砂轮表面磨粒切削区分布或有效磨粒比例等,还能分析磨削工艺适用性.

  1.1.2磨粒有序排布实验研究

  为了改善磨削工艺性,提高材料去除效率并保持较高的表面质量,Aurich等通过运动学仿真,分析了砂轮表面磨粒形貌、数量及排布图案等对磨削工艺的影响,基于仿真研究结果选择最优磨粒排布,制造了磨粒有序排布大磨粒超硬磨料CBN电镀砂轮,图5为磨粒有序排布砂轮与普通砂轮形貌对比、实验研究发现,磨粒有序排布砂轮能够显著降低磨削力及磨削温度.

  

  磨粒有序排布砂轮磨粒排布受到良好控制,磨粒以切削作用为主、犁耕作用减少,砂轮表面具有更大的容屑空间,切屑能够有效排除,磨削液也能够有效进入磨削区,因而能够减小磨削力与磨削功率,降低磨削温度、Aurich等对比研究了磨粒有序排布及普通CBN砂轮磨削42CrMo4V,砂轮表面形貌分别如图6(a)及(b)所示.材料去除速率70mm3/mm‧s,磨削速度100m/s,磨削深度1~4m,进给速度1050-4200mm/min.磨粒有序排布砂轮较传统砂轮,法向力与切向力分别下降30%~40%与20%~35%,主轴功率下降16%~27%,在较小的磨削深度时能够有效降低磨削温度,不过磨削表面粗糙度与传统砂轮相比增大约30%.Aurich等还研究了磨粒修整高度对磨削性能的影响,磨粒突出高度80~120μm时,磨粒有序排布砂轮在干磨削与湿磨削中都具有稳定的磨削性能.

  Heinzel等研究了磨粒有序排布电镀金刚石砂轮磨削光学玻璃BK7,磨削速度3m/s,切向进给速度3mm/min.磨削深度20μm,普通砂轮及磨粒有序排布砂轮表面如图7所示.在精细修整后,普通砂轮与磨粒有序排布砂轮磨削硬脆材料光学玻璃BK7都获得低于Sa=20表面粗糙度.表征磨粒与工件材料接触面积大小的砂轮表面单位面枞磨粒平面面积与砂轮表面单位面积磨粒平均切削刃宽度能够描绘砂轮整后形貌,可应用于磨粒有序排布砂轮磨削力及磨削表面粗糙度的控制.

  为避免传统磨削工具磨粒密度高,突出高度有限及随机分布等间题,Burkhard等发展如图8所示的磨粒突出高度较高并有序排布的单层珩磨工具,磨削16MnCr5,磨削速度1-3m/s,进给速度3m/min.磨削深度0.04mm.磨削效率显著提高,工具寿命明显增加,节约加工时间超过1/3.

  

  湖南大学邓朝晖等研究了纤维状聚晶金刚石复合片刀其的切削性能及磨损枧理,并进一步制造了如图9所示的金刚石纤维有序排布砂轮,磨削WC/12Co,砂轮转速3000r/min,进给速度10~40mm/s,磨削深度5~40μm,研究发现磨削表面完整性较好,宏观裂纹和表面损伤相对减少,与普通金刚石砂轮相比表面粗糙度更低,表面残余应力更小,磨削工其使用寿命更长.

  南京航空航天大学肖冰等明研究了有序排布钎焊金刚石磨盘磨削钢Q345,磨粒以磨损失效为主,没有出现整颗磨粒脱落,磨削效率约为树脂砂轮1.5倍.南京航空航天大学苏宏华等研究了单层钎焊有序排布金刚石砂轮磨削氧化锆陶瓷,发现砂轮精细修整后能够实现塑性域磨削并显著降低磨削表面粗糙度.沈阳理工大学王军等基于仿生学原理进行了磨粒有序排布砂轮研究,发现有序排布砂轮磨削性能更好,磨削力显著降低,不过表面粗糙度大于无序排布砂轮磨削的表面.

  1.1.3磨粒群有序排布研究

  运用细磨粒及结合剂构成的磨粒群代替大磨粒,则形成了磨粒群有序排布磨削工具.Luo等运用类LIGA工艺制造了如图10所示的由4-6μm金刚石磨粒群颗粒组成的磨削工具,用其磨削硅晶片.在晶片表面实现了塑性去除,获得低于Ra0.05μm的表面粗糙度,磨粒群颗粒与基体具有较高的结合强度,甚至可在恶劣磨削条件下工作.

  

 

  此外,大连理工大学高航等运用如图11所示CBN磨粒群颗粒可控排布砂轮干磨削碳纤维复合材料,主轴转速7200r/min、进给速度600mm/min,磨削深度0.02mm.研究发现,磨粒群间隙能够有效转移切屑并免砂轮堵塞,磨削力稳定,工件表面质量完整性好.单个磨粒群具有细磨粒砂轮磨削的优点,磨粒群之间又具有大磨粒砂轮容屑空间较大、磨削液容易进人的特点.

 

  1.1.4磨粒有序排布磨削工具分析

  磨粒有序排布砂轮表面磨粒或磨粒群有序排布,能够有效控制砂轮表面磨粒间距、磨粒粒度及形状、单位面积磨粒密度等.砂轮表面单位面积磨粒数量显著降低,磨削过程中犁耕或划擦作用磨粒比例显著降低,而切削作用磨粒比例增加,因而能够有效降低磨削力,同时有序的磨粒排布确保了工件材料的有效去除.磨粒数量的减少有效增大了砂轮表面的容屑空间,有利于磨削液的进人,以及充分冷却、润滑并排除磨屑,能够免砂轮表面堵塞,并有效减少磨削过程中可能出现的热及其它损伤.因此,磨粒有序排布砂轮能够运用更高的磨削工艺参数以提高磨削加工效率、综上所述,磨粒有序排布砂轮能够有效改善磨削工艺性能,提高磨削效率,降低磨削力及磨削温度,减小磨削损伤.

  1.2磨粒几何参数精确控制磨削工具研究

  1.2.1磨粒几何参数精确控制磨削基础研究

  磨粒形状是影响材料去除过程的重要因素,Axinte等研究了如图12所示圆形、方形、三角形磨粒刻划塑性材料铜与脆性材料蓝宝石时材料去除过程,刻划深度1-3μm.不同形状磨粒刻划塑性材料划痕形态没有大的差异,划痕能够精确复制磨粒几何轮廓.方形磨粒比切削力最低,圆形磨粒比切削力最高,三角形磨粒比切削力比方形高28%.不同形状磨粒刻划蓝宝石材料去除机制不同,方形磨粒以断裂为主,圆形磨粒以塑性变形为主,三角形磨粒则是这两种枧制共同作用.圆形磨粒比切削力最大,方形磨粒与三角形磨粒比切削力分别比圆形磨粒低44%及66%.此外,3种磨粒作用划痕对磨粒轮廓的复制精度都较差.

 

  

  在磨削过程中,工件表面的形成是多个磨粒连续作用的结果,多个磨粒连续刻划更接近磨削过程中材料去除行为.Axinte等进一步运用如图13所示磨粒重叠排布刻头刻划铜及蓝宝石,在重叠磨粒刻划塑性材料时,后续磨粒材料作用会受到先行磨粒刻划形成表面形貌的影响,磨粒形状对刻划表面侧面与底面表面质量影响较小、重叠磨粒刻划脆性材料时,划痕侧面或底面的裂纹会导致材料去除面积大于重叠磨粒组合几何轮廓、后续磨粒作用的是先行磨粒作用后存在裂纹的残留表面,因此与先行磨粒相比,后续磨粒刻划形成表面裂纹减少.

  

  Butler-Smith等运用电子能量耗散(EELS)与透射电子显微镜(TEM)研究了激光加工的CVD金刚石磨粒结构表面层材料在激光作用下的变化,分析发现,微结构表面金刚石存在石墨化,整个石墨层厚度约为2μm.金刚石到石墨的转变层如图14所示,金刚石与石墨之间存在高度确定的分界,金刚石材料结构保持了较好的完整性,因而能够形成精确的切削刃.

  1.2.2磨粒几何参数精确控制磨削工具实验研究

  Butler-Smith等运用激光加工方法在CVD金刚石块上制造了如图15及图16所示尺寸、间距与晶向可控的微小磨粒阵列磨削工具.平面磨削Ti-6Al-4V,磨削速度20m/s,磨削深度0.002mm,进给速度300mm/min.磨粒几何参数精确控制阵列磨削工具具有较好的切削作用与良好可控的切屑流动路径,能够有效去除工件材料,几乎没有表面堵塞;传统电镀磨削工其表面存在严重的切屑堵塞,尤其是在磨粒高度聚集的地方.几何参数精确控制磨粒阵列磨削工其相比传统电镀磨削工具,具有稳定且较低的磨削力,磨削表面质量改善3.5倍,平面度改善21.5倍.单晶CVD金刚石磨粒阵列与聚晶金刚石阵列相比主切削力降低约55%,刀具磨损更低.


  在几何参数精确控制金刚石磨粒阵列研究基础上.Butler-Smith等研究了如图17所示几何参数与排布精确控制回转微磨削工具.磨削Ti-6Al-4V,磨削速31.4m/s,进给速度0.05m/min,径向磨削深度0.04mm,轴向磨削深度0.1mm、相比传统磨削工具,精密控制磨粒阵列能够更为均匀的分布磨削载荷,能够有效去除工件材料,其有一致的切屑流动方向,磨削表面质量显著提高.表面粗糙度改善超过3倍,磨削成形精度腩改善超过7倍,磨削加工具有更高的稳定性,磨削工具具有更长的工作寿命.

  


  几何参数精确控制磨削工具也可以应用于化学机械抛光(CMP)抛光垫的峰整.Tsai等运用激光去除方法在烧结聚晶金刚石盘表面制造了如图18所示的规则排列的磨粒阵列修整工与传统修整工具相比,修整率(抛光垫材料去除量)减小30%,从而增加了抛光垫使用寿命,抛光垫能够更快形成稳定的表面纹理,表面一致性更高,随着时间增加,抛光速率降低更快.

 

  综上所述,磨粒几何形状对材料去除过程尤其是硬脆材料去除过程有重要影响,磨削表面的形成由多个磨粒共同作用完成,运用激光方法能够制造其有几何参数可控的磨粒阵列,采用几何参数精确控制磨削工其能够获得史为稳定的切削力,以及更好的加工表面质量.

  --(来源于《哈尔滨工业大学学报》)

关键字:砂轮
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