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超硬磨料砂轮超声振动修整新进展

日期:2018-4-13
来源:《金刚石与磨料磨具工程》

  随着现代科学技术的延伸,加工手段的不断提高,一些难加工材料越来越多地应用在航空、航天、汽车电子、光学及仪器仪表这些尖端領域中,例如陶瓷、光学玻璃、半导体、人工晶体及单晶硅。这些硬脆材料具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性以及高温、高强度等优良性能,具有较高的加工附加值。由于其超光滑表面的使用性能要求,在各种加工方法中,磨削加工成为硬脆材精密加工最有效的方法,在硬脆材料精密高效磨削加工中,对超硬磨料如金刚石和立方氮化硼砂轮的需求越来越大,其用量以每年约10%的速度增长。为了确保精密高效的磨削,理想的砂轮应具有均匀性、磨粒等高性和锋利性等特征。在磨削过程中.砂轮的表面形貌极大限制了其在高性能硬脆材料的精密加工中的使用。要解决这些问题,保证精密加工的正常进行,必须经常进行修整。超硬磨料砂轮存修整时间长、修整难度大,修整效低等特点。因此高效高质量的修整技术日益成为实现埂脆材料高效精密和超精密磨削的关过技术之一。

  砂轮的修整实际上分为整形和修锐两个过程,整形就是改变砂轮的宏观形状,使砂轮达到要求的几何形状和尺寸精度,并使磨粒尖端微细碎成锋利的磨刃。修锐则是为了改变砂轮磨粒的突出高度和形成必要的容屑宦间.使砂轮具有最佳磨削能力。

  目前,超硬磨料砂轮常用的高效修整方法有很多,比如ELID在线电解修整、电火花砂轮修整、杯型砂轮修整、激光砂轮修锐、喷射压力修锐、磁粉研蚀修锐和超声振动整等技术,也有把两种及其以上修整技术复合在一起的,如电火花-化学修整、电火花-超声修整等。尽管这些方法在一定程度上提高了修整效率,减少了砂轮的损耗,改善了磨削质量,但是随着经济的发展,低加工成本、高效能等要求越来越高,这些方法存在不同的局限性。ELID磨削技术能够在线电解修整金属基超硬磨料砂轮,始终保持磨粒在磨削过程中的锋利状态,防止砂轮钝化和堵塞,特别适合硬脆材料的加工.但是设备复杂昂贵,影响了该方法的推广应用。电火花修整精度很高,但修整效很低,且需专门的设备.操作不易掌握。GC杯形砂轮修整即可整形,也可同时修锐,但修整工具耗损严重。激光修整作为一种非接触修整技术,修整时无机械作用力,不会造成磨粒的机械损伤和脱落,易于实现自动化,但是,这种方法投资大,对环境及防护要求也很高。

  1、超声波振动修整新进展

  超声加工是指给工具或工件沿一定方向施加超声頻振动进行振动加工的方法。自20世纪60年代起,振动切削加工开始飞速发展,作为精密机械加工和难加工材料加工中的一种技术,它已经渗透到各个加工领域,出现了各种复合加工方法。在此基础上,超声振动整的研究有了很大发展,具有良好的效果,修整后的砂轮磨削力和磨削温度降低,材料去除率提高,被加工材料的表面质量有了改善,且砂轮磨损臧少而寿命延长。超声振动修整后的砂轮表面形貌有了很大改善,能够满足精密磨削要求.修整后的砂轮工作表面磨削刃密度较低,磨粒之间有足够的间隔和突出高度,磨粒切削刃大而锋利。对于超精密加工而言,还应考虑到磨粒等高性要求。在现有的砂轮修整方法中,超声振动修整法对于控制砂轮工作表面形貌非常有效,相对于普通车削修整法有四个参数参与的节砂轮工作表面形貌,超声修整法通过改变超声振动的频率和振幅,可以实现对磨粒切削刃间距的调节;改变修整头对磨粒冲击角度,可以调节磨粒切削刃的形状。超声振动修整砂轮,不仅从运动学上改变了原有的修整条件,而且在动力学上也使修整条件发生了变化。

  1.1超声波振动修整机理

  超声波振动整的装置包括超声波发生器、换能器、变幅杆和整器。超声振动修整机理是由超声波发生器产生超声正弦波电信号,然后传输给电能一机械能转换装置,即换能器.变換成超声频的机械振动信号,由于此信号振幅较小,经变幅杆放大后驱动金刚石修整器。超声振动修整过程中。修整笔头部的运动轨迹在砂轮径向为一正弦曲线,相当于在普通修整运动基础上叠加振幅为A、频率为f的修整运动。修整过程中,当修整深度小于振幅时,修整笔与砂轮表面间断接触,砂轮表面保留一部分原普通修整后的表面;当修整深度大于振幅时,修整笔与砂轮表面保持接触,砂轮表面形成锐利尖峰。这种超声振动修整方式在整形同时,也可获得修锐效果。修整笔在砂轮表面沿径向方向超声频振动,同时沿轴向移动,结果在砂轮表面形成轴密周疏的组构特点。

  1.2超声波振动修整的分类

  目前,超声振动修整可以分为金刚石笔辅助修整和游离磨料超声修整,同时根据振动形式不同可以分为一维振动修整和二维椭圆振动峰整。

  1.2.1金刚石笔辅助修整

  金刚石笔辅助修整是在单点和多点金刚石笔车削修整法的基础上附加超声振动,从而提高了修整后砂轮的磨削性能,并且可以在整形的同时进行修锐。

  修整一般在车床上进行,振动修整砂轮的装置如图1所示,砂轮装置一端依靠主轴鸡心卡来夹持,尾部则利用顶尖固定旋转。砂轮按照一定的转速旋转,振动装置固定在刀架上,依靠小拖板轴向进给。修整时金刚石笔切人砂轮表面并沿砂轮轴向进给,同时,金刚石笔在振动装置的驱动下进行有規律的振动,这相当于车床的振动车削,对于超硬磨料砂轮,采用金刚石笔通车削修整只能整形,不能修锐,且修整的砂轮表面较光滑,唐削性能差,形状及尺寸精度较低。但振动修整时,修整笔具有优良的切削性能,能够很好的改善砂轮的微观形貌,在一定的条件下,在完成整形的同时完成对磨粒的修锐。在振动修整方式下,磨粒呈现明显的轴密周的效果,磨粒突出高度大,等高性好。这种表面可以在基本保证工件表面光洁度的前提下改善砂轮的特性,降低磨削热和功率消耗.提高砂轮的寿命。

   关于超声振动的形式,有学者研究出超声波椭圆振动切削能够显著提高切削加工系统的稳定性,从而提高切削加工质量。椭圆超声振动的引人的确使切削过程产生了根本性的变化,带来了一系列优良的工艺效果。而单一纵振动源驱动的椭圆超声振动结构的开发也解决了振动系统结构复杂、体积大、调整困难和不利于生产应用等缺点。高国富针对金属结合剂金刚石砂轮存在修整精度和修整效率低、修整设备昂贵、使用维护不便等问题,提出了椭圆超声波辅助机械修整新技术。

  椭圆超声振动辅助金刚石笔切削修整法的修整系统采用尖笔金刚石笔,金刚石笔修整运动轨迹为椭圆,修整深度处于不断变化之中,表面材料去除机理主要以结合剂延性去除以及磨粒微破碎为主。不同于普通超声振动切削过程中仅金刚石笔前刀面与切屑分离,椭圆超声振动修整中金刚石笔后刀面也与砂轮表面分离,从而延长金刚石笔的寿命。椭圆超声振动修整方式对于金属结合剂砂轮既可完成整形,又可达到修锐效果。

  从图2a的扫描电镜照片中可以观察到椭圆超声振动修整后的金属结合剂金刚石砂轮表面磨粒分布均匀、静态磨粒数多、突出高度大;而普通修整后的砂轮表面磨粒突出高度低,静态磨粒少,明显低于椭圆超声振动修整后的砂轮表面,见图2b。

  1.2.2游离磨料超声修整

  采用游离磨料进行超声修整的装置如图3所示。变幅杆输出端连接修整板,修整板与金刚石砂轮之间有一定间隙,在此间隙中注入混油磨料。修整板在变幅杆驱动下做弯曲振动,迫使位于接触区域内的磨粒直接撞击砂轮表面。超声波在波面处造成极大的压强梯度,一方面使磨粒破碎,另一方面也增加了磨料对结合剂的切削和研蚀作用。同时,混有磨料的液体在超声波声压的拉压作用下会在液体内持续形成空腔并在瞬间产生脉冲爆炸。虽然这种爆炸力的宏观作用不大,但就微观区域而言,爆炸时所产生的微观压强很大,因此空腔的爆炸会产生强烈的破坏作用,即所谓的空压作用。悬浮液产生的强烈的空压作用促使悬浮液渗入金刚石砂轮表面的细微裂纹中,进一步加剧结合剂的碎除作用。这种超声振动修整的不足之处是只能修锐,不能整形。

 

  2、结束语

  砂轮的整形方法很多,在一定程度上解决了砂轮的堵塞和磨损问题,提高了磨削效率,保证了磨削过程的可靠进行。但随着实际生产中实用性、便利性、高效、精密等要求的提高,修整技术的研究正在向低成本、高效、自动化方向发展。

  超声振动修整是在普通修整的基础上叠加了振动修整,改善了修整过程中修整装置复杂、砂轮寿命低、磨损快磨削性能差的不良状态,但修整参数仍需进一步优化,提高砂轮修整的可靠性。修整过程中由于负载的变化降低了振动的稳定性,不可免地影响了修整效果,因此,应当考虑合理的修整参数,可靠的修整工艺,稳定的修整装置,从而避免修整过程中的不稳定因素,使振动修整达到最佳状态。

关键字:砂轮,磨削,金刚石,立方氮化硼,超硬
[责任编辑:woody]
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