磨削技術
超硬磨具的選擇與使用 |
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| 發布時間：2020/5/22 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 超硬磨具的選擇與使用 (1)超硬磨料的選擇 鑒于金剛石和立方氮化硼磨料性能上有差異，其使用范圍也不同。金剛石磨料的硬度、強度、研磨能力、熱導率和線脹系數均優于立方氮化硼，因此適于加工硬而脆的材料，如硬質合金、陶瓷、瑪瑙、光學玻璃、石材、混凝土、半導體材料等。但由于金剛石是碳的同素異形體，在較高溫度下易與鋼中的鐵族金屬產生化學反應，形成碳化物，造成嚴重的化學磨損，影響磨具的磨削性能且加工效果也不好，因此金剛石不適宜用來加工鐵族金屬材料。與金剛石相比，立方氮化硼磨料的熱穩定性、化學惰性均較優，不易和鐵族金屬及其他元素發生化學反應，因此盡管其硬度等物理力學性能比金剛石稍差一些，但用它來加工硬而脆的金屬材料，如磨削工具鋼、模具鋼、不銹鋼、耐熱合金、高釩高速鋼等黑色金屬，具有獨特的優點，是理想的磨料。 金剛石磨料有天然和人造兩大類。它們的化學成分和晶體結構完全一樣，因而磨削性能基本相同，但因它們韻生成方法不同，故在磨料的外形和物理力學性能方面又有差異。天然金剛石表面光滑、韌性好；人造金剛石是由石墨在高溫高壓條件下轉化生長而成的，表面粗糙，脆性較大。在受沖擊載荷條件下，采用天然金剛石有利。在一般磨削場合，則采用人造金剛石磨具。金剛石磨粒的晶體形狀和抗壓能力對磨削性能有很大影響，所以應根據不同的磨削要求予以適當選擇，以充分發揮磨料的切削作用。 天然金剛石以NC為代號，人造金剛石分為RVD、MBD、SCD、SMD、DMD、M—SD六個牌號；立方氮化硼有CBN、M—CBN兩個牌號。其相應的適用范圍參見表1。 表1超硬磨料粒度與加工表面粗糙度的關系
選擇超硬磨料磨具的粒度還應考慮結合劑黏結能力的強弱影響。對于一定的結合劑，工件材料的磨除量隨磨粒尺寸的加大而加大，磨削比隨之增加，但如磨粒粒度過粗，則將急劇增大磨具磨損，磨削比反而下降，對黏結能力較弱的樹脂結合劑尤為顯著。反之，如粒度過細，則磨削能減弱，且易于堵塞磨具工作面，引起磨削溫度升高，磨削質量變壞，磨具磨損增加且磨具堵塞后需進行修整，造成磨具不必要的非工作損耗。對樹脂結合劑超硬磨料磨具來說，磨具工作表面過熱還會造成結合劑的熱分解，促使磨具磨損急劇增加。所以，對于確定的結合劑磨具來說，均存在一種最佳的磨料粒度范圍。在此范圍內，磨具的磨削效率和磨損狀況最佳。通常，樹脂結合劑超硬磨料磨具選用i00#以內粒度號；陶瓷結合劑磨具選用100#～180#的粒度；金屬結合劑磨具可在80#～240#范周內選擇。 不同磨削工序的磨具粒度選擇應針對加工條件和加工要求及最佳粒度范圍綜合考慮。磨削加工各工序中推薦選擇的粒度號如下：粗磨選用80#～120#；半精磨選用120#～180#；精磨選用180#～W40；研磨拋光選用W40～W1。 對于特殊要求的磨削加工，可選用更粗或更細粒度的磨其。如成形磨削時，為提高磨具的成形性所選用的粒度號比一般磨削使用的粒度要細。 (3)超硬磨料磨其結合劑的選擇 金剛石磨具與立方氮化硼磨具常用的結合劑有樹脂結合劑、陶瓷結合劑、金屬結合劑和電鍍金屬結合劑四類。金屬結合劑有青銅結合劑、鑄鐵結臺荊及鑄鐵短纖維結合劑。其性能與應用范圍有所不同，按黏結能力及耐磨性排序如下。 ①樹脂結合劑(代號B) 它是以熱塑性酚醛樹脂為主要材料，也有的用環氧樹脂、聚酰亞胺樹脂為主要材料，添加一定量的的填料，如氧化鉻、氧化純鐵、氧化鋅、銅粉、石墨、剛玉磨料、碳化硅磨料等，與超硬磨料按一定濃度充分混合后，在模具內加熱、加壓成形。在超硬磨料磨具中，采用樹脂結合劑所占比例約超過半數。 樹脂結合劑對磨料的黏結強度較弱，因此，磨削時自銳性好，不易堵塞，磨削效率高，磨削力小，磨削溫度低，結合劑自身有一定彈性，則有一定的拋光作用，被加工表面質量好，所以樹脂結合劑超硬磨料磨具應用范圍較廣。主要用于要求磨削效率高，表面粗糙度值較低的場合。其缺點是耐磨性較差，磨具的磨損較大，不適用于重負荷磨削。樹脂結合劑金剛石砂輪，常用于硬質合金及非金屬材料的半精磨及精磨。樹脂立方氮化硼磨具主要用于高釩高速鋼、工具鋼、磨具鋼、不銹鋼、耐熱合金等材料的半精磨、精磨。 ②陶瓷結合劑(代號V) 陶瓷結合劑超硬磨料磨具耐磨性及黏結能力優于樹脂結合劑超硬磨料磨具切削鋒利，磨削效率高，磨削過程中不易發熱及堵塞、熱膨脹量小，容易控制加工精度，修整較容易。一般用于粗磨、半精磨及接觸面較大的成形磨削，其缺點是磨削表面粗糙度值較大，制造較困難。陶瓷結合劑CBN砂輪在滾珠絲杠、導軌、齒輪、軸承、曲軸、凸輪軸、鈦合金磨削上的應用日益擴失。 ③金屬結合劑(代號M) 包括青銅、鑄鐵等結合劑. 青銅結合劑強度較高、耐磨性好、磨損少，磨具壽命長，保持形狀好、磨削成本低，能承受較大的負荷，但自銳性較差，易堵塞、發熱，修整較困難。青銅結合劑金剛石磨具主要用于玻璃、陶瓷、石材、混凝土、半導體材料等非金屬硬脆材料的粗、精磨及其各工序。青銅結合劑立方氮化硼磨具多用于珩磨合金鋼工件材料，效果顯著。 為改善脊鋼結合荊越硬磨料磨具的自銳性，有的采用增加錫的含量，減少銅的含量；有的在青銅結合劑中加入一定量的陶瓷一起燒結，以增加一些結合荊的脆性，這種結合劑也稱為金屬陶瓷結合劑。在青銅結合劑中加入一定量的導電性能好的材料如銀粉，專門用于電解磨削。有的青銅結合劑中除加銀外，還添加聚四氟乙烯等化學合成物，以防止磨屑黏附在超硬磨料上，以改善磨削效果。 ④電鍍金屬結合劑是以金屬鎳、銀等為材料，將80#～W40粒度的超硬磨料單層或多層地用電鍍方法鍍在金屬基體上制成。國內試制200m/s電鍍CBN超高速砂輪的電鍍工藝過程為：基體與磨料的準備、鍍液調制、粗砂和電鍍(預鍍加厚鍍)、鍍后處理。電鍍液以瓦特鎳為本液加含鈷離子的溶液配制而成。其電鍍液組成如下： NaS04·NaCl·7H20 20～220g/L H3 B03 30～40g/L CoS04·7H20 25～35g/L NaCl 10～20g/L 十二烷基硫酸鈉 0.1g/L 其操作條件為：電鍍液pH值為4.0～4.5；溫度為45～60℃；電流密度為l～4A/dm2。 電鍍金屬結合劑超硬磨料磨具表面的磨粒密度高，磨粒基本上均裸露出結合劑表面，因此磨具的工作表面上磨粒微刃鋒利，磨削效率高。電鍍金屬結合劑立方氮化硼磨具應用于加工各類鋼類零件的小孔，其磨削效率高、經濟性好，能獲得良好的加工效果。 金剛石與立方氮化硼在鋼基輪盤上鍍覆單層金屬而成的砂輪不僅是適應超高速磨削的唯一磨具，而且是解決高精度復雜形狀成形磨削的有效途徑。 (4)濃度的選擇 濃度是超硬磨料磨具的重要特性之一，它對磨削效率和加工成本有很大影響：濃度過低，磨削效率不高，滿足不了生產要求；濃度過高，很多磨粒過早脫落，造成浪費。 超硬磨料磨具濃度選擇主要根據磨具結合劑的種類、磨料的粒度和形狀要求，以及加工工序的具體情況和加工要求等因素來決定。 不同種類結合劑對磨粒的黏結力不同，因此對每一種結合劑都有其最佳濃度范圍。樹脂結合劑超硬磨料磨具的濃度范圍為50％～75％；陶瓷結合劑磨具的濃度為75％～100％；金屬結合劑磨具的濃度為100％～150％。結合劑對磨粒的黏結強度越高，最佳濃度范圍也越高。 CBN磨具主要力n-r_韌性較大的鋼材工件，比金剛石磨具所加工的工件材料硬度低，且 CBN磨粒多刃、自銳性好，對同一種結合劑來說，CBN磨具的濃度可略高于金剛石磨具。樹脂結合劑CBN砂輪的濃度常采用100％。 磨具濃度的選擇還要考慮磨具形狀和加工方式。對于工作面寬的磨具，特別是保持形狀精度的成形面磨削及端面、溝槽的磨削等，應選擇較高濃度的磨具。 從工件的加工要求和加工工序狀況方面考慮。對粗磨工序，主要要求磨具的磨削能力強、磨削效率高，一般選擇磨料粒度粗、濃度較高的磨具，濃度高，磨具工作面上單位面積內磨粒數多，有利于滿足粗磨時提高磨削效率的要求。對半精磨、精磨工序，要滿足表面粗糙度及磨削能力方面的要求，一般采用中等程度的濃度較好。對于拋光和低表面粗糙度值的磨削，常選用細粒度樹脂結合劑磨具，一般采用低濃度為佳，個別甚至可選用低達25％的濃度，有利于降低表面粗糙度值。 (5)超硬磨料磨具形狀和尺寸的選擇 超硬磨料磨具形狀的選擇，主要根據磨床和工件加工表面形狀對磨具的要求來決定，如平形砂輪(1A1)主要用于外圓、平面、工具刃磨及砂輪機上的磨削；平形小砂輪(1A8)主要用于內圓磨削；單面凹砂輪(6A2)主要用于工具刃磨和平面磨削等；碗形砂輪(11A2)主要用于刀具刃磨和平面磨削。 超硬磨料磨具尺寸的選擇根據磨床的規格、型號及加工工件形狀大小來決定。可參考磨床說明書上對磨具的要求予以選擇。 超硬磨料磨具即金剛石或立方氮化硼磨具的形狀和尺寸依據GB/T 6409.2—1996選取。 (6)超硬磨料磨具的使用 ①超硬磨料磨具的應用狀況 a.人造金剛石砂輪的應用。人造金剛石磨具應用已較為廣泛，其應用領域幾乎滲透各部門。硬質合金制品及一些特殊刀具材料已普遍采用金剛石磨具加工。一些難加工材料如各種金屬的鐵氧體、鑄造永磁合金、鋼結硬質合金、熱噴涂(焊)材料等，使用金剛石磨具加工取得了滿意效果。光學玻璃的加工，在全工序上從套料、切割、銑、磨、磨邊倒角、精磨所用的金剛石磨具已經系列化，得到了普遍應用。對于工程陶瓷、石材、玉石、寶石、半導體材料、電氣絕緣材料、橡膠傳送帶等非金屬材料的加工，人造金剛石磨具是理想的磨削加工工具，應用逐步增加。對發動機缸體、汽缸的珩磨及油泵油嘴、軸承套圈溝道的超精研磨，人造金剛石磨具也是良好的加工工具，不斷得到應用。 人造金剛石磨具雖得到較廣泛應用，但主要是低中檔的金剛石，生產高中檔品質金剛石的生產能力小。從超硬材料市場走向看，不斷發展金剛石制品的品種、規格、粗顆粒、大的單晶及復合片，提高金剛石晶體質量，增大晶體粒度仍是超硬磨料的重點課題。 b.聚晶金剛石(多晶金剛石)的應用。我國1972年成諺她將無硬質合金襯底的金剛石聚晶(PCD)用于地質鉆探。1980年研制成功硬質合金復合材料——PDC(即帶硬質合金襯底的PCD)，基本解決了非金屬及有色金屬中難加工材料的加工問題，并已推廣應用于石油及地質鉆頭、工程鉆頭、砂輪修整工具及耐磨器件。 C.CBN磨具的應用。CBN磨料的牌號有CBN及M-CBN兩種。在加工9Cr18合金鋼襯套內孔、Cr4M04V、W9Cr4V2Mo高溫軸承鋼套圈、超硬高速刃具等方面取得良好的加工效果。當前，陶瓷結合劑CBN磨具的應用發展較快，這主要是由于陶瓷結合劑CBN磨具的修整相對于樹脂結合劑、金屬結合劑磨具要容易些，陶瓷結合劑CBN砂輪在磨削滾珠絲杠、導軌、齒輪、軸承、曲軸、凸輪軸、鈦合金工件等的磨削方面擴大了應用范圍。電鍍金屬結合劑CBN砂輪在磨削液壓件轉子槽時達到的尺寸精度為(1.4±0.01)mm，形狀精度達0.003mm。金屬結合劑CBN砂輪磨削活塞環糟達至較高的加工精度。怛我國CBN品種少，不能適應多種材料和不同磨削方式的需要。美國GE公司的CBN磨料有8個牌號。 CBN磨具具有優異特性。為防止CBN磨料的脫落，需要結合劑對CBN晶體有良好的把持性。而鍍覆則是提高對CBN晶體把持性的有效手段，但國內尚未有正式的CBN鍍覆品種的牌號。加上國內現有磨床的剮度低、轉速低及有適用于磨削液，限制了CBN磨具的推廣應用。 ②CBN磨具對磨床的要求 高速、超高速磨削加工，CBN磨具是最適用的磨削工具。 CBN磨具對磨床有較高的要求，磨床應具有高的剛性及良好的抗振性、熱穩定性，砂輪主軸需要有高的回轉速度，砂輪主軸軸向竄動小于0.005mm，徑向跳動小于0.01mm，且要有精密的進給、修整機構等。為保證均勻準確進給，應有小于0.005mm/次以下的進給機構，才能充分發揮CBN的優異性能。研制開發CBN磨具磨削專用磨以上成為世界磨床行業的主要發展方向，我國尚屬空白，但已開始起步。 使用CBN磨具進行加工，所使用的磨床剛度比普通磨削機床的剛度要高50％。試驗表明，磨床剛度低使CBN砂輪處于振動狀態下工作，使CBN砂輪磨損增大，且磨損不均勻。磨床剮度低則不能充分發揮CBN磨具高的磨削效率，使磨削比降低，磨削比降低意昧蘑削加工成本大幅度提高。磨床剛度低易產生嚴重的粘屑，而使CBN磨具不能進行正常磨削，而需進行修整后，才能再進行磨削工作。磨床剛度低易發生振動，尤其是磨瘸黏附時，振動會更加嚴重，對加工表面產生振紋和燒傷，使表面粗糙度值急劇增加，工件表面質量嚴重惡化。 ③使用超硬磨料磨具時磨削液的選擇 使用超硬磨料磨具磨削時，選用適姿的密削液可減少磨具的磨損，改善加工質量，降低表面粗糙度值，防止磨具表面被堵塞，延長磨具使用壽命。由于超硬磨料熱導率高，傳入磨具中的熱量比普通磨料磨具多，使磨具溫度升高，不利于磨削過程正常進行。當使用樹脂結合耩雙進行磨削時，采用磨削液能降低磨削溫度，減少磨粒附近的結合劑熱分解，從而減少磨具的磨損，提高磨魏工序的生產率及經濟效益。用超硬磨料磨具進行磨削加工，在有條件的情況下，應盡量選用合適的磨削液。 所選用的磨削液應無腐蝕、無公害、無污染，具有良好的潤滑性、冷卻性及洗滌性。對于超硬磨料磨具來說，因其組織細密，氣孔極少或無氣孔，在磨削過程中易被磨屑堵塞。為了保證磨削過程正常進行，應及時沖掉粘在磨具工作表面上的磨屑，帶走磨酎過程中所產生的熱量，所選用的磨削液還應具有低黏度及良好的浸潤性、清洗性。 用金剛石磨具加工硬質合金、鋼結硬質合金，應選用有輕質礦物油的煤油、低牌號全損耗系統用油、汽油、輕柴油、煤油的混合油等磨削液。也可選用蘇打水(不適用于樹脂結合劑的超硬磨料磨具)、硼砂、三乙醇胺、亞硝酸鈉、聚乙二醇的混合水溶液等水溶性磨削液。尤以煤油、輕柴油和水溶性磨削液效果最好。磨削非金屬材料時常用水作為磨削液。 使用CBN磨具時，磨料在高溫下和水發生化學反應： BN+3HzO—H3803+NH3 反應結果生成硼酸和氣體氨。這種反應稱為水解作用。隨著溫度升高，水解作用加劇，這就加劇了磨具的磨損。所以用CBN磨具時，不選用水溶性磨削液，而選用輕質礦物油——煤油、輕柴油以獲得良好的磨削效果。若必須用水溶性磨削液，應加極壓添加劑，以減弱水解作用。例如，用電鍍金屬結合劑的CBN磨具磨削孔時，采用不同的磨削液，則 CBN磨具的壽命差別很大。采用礦物油時，砂輪壽命最高，采用水溶性磨削液，砂輪壽命比干磨時還低。 選擇磨削液時，還應考慮工件材料的性能。工件材料強度高，要求磨削液在工件表面上形成的薄膜強度應高。因此，增加磨削液中的表面活性物質，可提高砂輪耐用度和總的磨除量。工件材料導熱性越差，則要求磨削液應有較高的耐熱強度。有時為了避免工件材料對磨粒的化學磨損，需在磨削液中加入其他添加劑，以抑制磨料和工件材料之間的化學親和作用及化學磨損。 在CBN磨具的磨削過程中使用揮發性的煤油作磨削液，CBN砂輪的磨削效率比采用表面活性劑溶液高8～20倍，不會出現水解。但煤油易燃、污染環境、散熱性較差，且有臭味、刺激皮膚，不適于生產中使用。目前替代煤油的代用品尚未解決。適用于CBN砂輪磨削的磨削液尚需研究。沒有適用的磨削液是制約CBN磨具推廣應用的一個關鍵技術問題。 ④超硬磨料磨具的修整與整形超硬磨料磨具的修整與整形，請參閱第4章的內容。 ⑤使用超硬磨料磨具時的注意事項 a.為減少超硬磨料磨具的修整消耗，每片磨具應配備專用法蘭，法蘭自磨具開始使用至用完不再拆下。每加工一批工件，僅需將磨具連同法蘭裝上機床并稍作修整即可進行磨削，節約了裝卸磨具的時間，節約砂輪非磨削消耗，提高磨具使用的經濟性。 b.超硬磨料磨具裝上法蘭時，應盡可能地對中，一般使砂輪徑向跳動小于0.03mm，可減少修整消耗。 C.超硬磨料磨具的平衡十分重要，磨具在出廠前及使用時均應進行靜平衡或動平衡試驗，以保證磨具在加工中運轉平穩。 d.樹脂結合劑超硬磨料磨具存在老化問題，因此保存時間不宜過長。 e.搬運、存放超硬磨料磨具時，不允許碰撞，不允許接觸腐蝕性氣體、液體及高溫，以避免損壞。 ①金剛石砂輪磨削用量選擇 a.磨削速度。人造金剛石砂輪一般采用較低磨削速度。砂輪速度72。提高，可獲得較低的表面粗糙度值，但磨削溫度也隨之提高，促使砂輪磨損擁側。砂輪速度u。太低，單顆磨粒的切屑厚度過大，既使表面粗糙度值增加，又加劇了砂輪磨損。國產金剛石砂輪推薦采用的砂輪速度如下。 青銅結合劑：干磨Us一12～18m/s；濕磨Us一15～22m/s。 樹脂結合劑：干磨Us=15～20m/s；濕磨Us=18'。25rll/s。 不同磨削方式推薦的金剛石砂輪速度口。如下 平面磨削：Us一25～30m/s。 外圓磨削：Us一20～25m/s。 內圓磨削：Us一12～15m/s。 工具磨削：Us一12～20m/s。 b.磨削深度。磨削深度日。增大，磨削力和磨削熱均增大。磨削深度n。的選擇可按磨料粒度及結合劑選擇或按磨削方式選擇。 按超硬磨料磨具的磨料粒度及結合劑推薦選用的磨削深度口的范圍見表2。 按磨削方式選擇磨削深度口。見表3。 表2磨削深度n p的取值范圍 單位：mm
d.進給速度。進給速度uf增大，砂輪磨耗增加，表面粗糙度值增加，特別是樹脂結合劑更為嚴重。一般u r的選用范圍見表3。 表3，的選用范圍
a.CBN砂輪速度。CBN砂輪可比金剛石砂輪磨削速度高，以充分發揮CBN砂輪的切酎能力。在較高的砂輪速度下，可以提高金屬切除率，降低磨削力，減少功率消耗，雀褥書工件表面粗糙度下，霹以提高磨削效率。提高CBN砂輪的速度，工件表面粗糙度得到改善，砂輪速度越高，工件表面粗糙度越好，使切向和法向磨削力均下降，這樣就減少了單個磨粒上承受的力，因而砂輪磨損減少，磨削熱降低。CBN砂輪較高的磨削比就是采用高的砂輪速度來獲得的。如將CBN砂輪速度可。由35m/s，分別提高到50m/s、60m/s時，不僅使砂輪的極限進給速度由20m/s分別提高到35m/s及40m/s，磨削效率分別提高剄.369 oA.魘647％，而且使磨削比由361，分別提高到1331與2337。所以采用高的砂輪速度，不僅能顯著提高CBN砂輪的磨削效率，提高磨削比，麗且熊降低磨削力，減少功率消耗，改善工件磨削表面粗糙度。現在CBN砂輪速度已由60m/s的高一遽蹙削提高到80m/s、120吲黲160m/s、200m/s。在國外240m/s的CBN砂輪CNC磨床已用手工業生產。在孱鸕糟 CBN砂輪磨削汽車凸輪軸，用聲600mm大直徑的陶瓷結合劑的CBN砂輪，成功地實現了 CBN砂輪速度50m/s及60m/s的磨削。目前國內尚未有CBN砂輪統一的磨削規范。在20世紀80年代所推薦的CBN砂輪的磨削速度為15～35m/s范圍。這主要是受機床的限制所致。 b.工件速度與進給速度選擇。由于工件速度對磨削效果影響較小，一般可在10～20m/min范圍選擇。采用細粒度CBN砂輪進行精磨時，可適當提高工件速度。 轄向進給速度或軸向進給量的選擇原則與普通砂輪相同，可參考普通砂輪磨削選取。一般在0.45～1.8m/min范圍。粗磨時選大值，精磨時選小值。精密磨削時應使用較小的進給量。 c.磨削深度選擇。由于CBN砂輪磨粒比較鋒利，砂輪自銳性好，所以磨削深度可略大于金剛石砂輪，可參考金剛石砂輪所推薦的數據。 正確合理地選擇涂附磨具，不僅是為了獲得良好的磨削加工效率，而且是為了使涂附磨具本身發揮最大的工作效能。 |
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