超硬磨料滚轮的修整方法及国内外研究现状

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    1. 超硬磨料滚轮的修整方法及国内外研究现状

 

磨削过程中,一方面,金刚石滚轮磨粒被磨损或脱落,大部分磨粒逐渐钝化,滚轮磨钝后, 磨削力增大,磨削温度升高,滚轮与工件表面摩擦严重,造成工件的烧伤和机床系统的振动, 从而使被加工工件的表面质量与完整性受到较大的影响。同时,滚轮安装法兰时未与其轴心线重合,安装到机床主轴时两者未同心,或滚轮的重复拆装引起二次安装误差,导致滚轮与主轴两中心线的相对位置的改变,圆跳动增大,滚轮磨钝和滚轮圆跳动增大使磨削过程不稳定,产生不均匀性的刮擦工件表面,导致滚轮丧失精确的几何外形,进一步降低了滚轮的磨削精度, 另一方面,磨削过程中产生的磨屑充斥并粘附在滚轮的容屑空间里,造成滚轮的堵塞,或滚轮使用前,磨粒被结合剂包埋,滚轮不能正常使用,大大降低了滚轮的磨削性能。所以为使金刚石滚轮保持精确的几何外形和磨粒的锋利性,需要对滚轮进行修整。超硬磨料滚轮的修整通常分为两个工序:整形和修锐。整形是微量去除滚轮材料,使滚轮外圆工作面达到要求的几何精度,消除滚轮本身因形状引起的不平衡跳动,并使磨粒顶端破碎,形成锋利的磨削刃;修锐是去除滚轮工作面上部分结合剂,使磨粒出露,产生切削刃,同时使得滚轮磨粒间形成足够的容屑空间[9]。本文章主要面向对单层钎焊金刚石滚轮的修整,单层钎焊金刚石滚轮的修整不同于传统滚轮修整,其只须对滚轮金刚石磨粒微修整,且修整不能使磨粒脱落,不能去除钎料结合剂,属于整形而非修锐范畴。国内外修整超硬磨料滚轮方法现状如下:

      1. 去除结合剂的修整方法

 

国内外对去除结合剂的方法进行了大量研究,包括电火花放电滚轮修整、在线电解修整、复合电加工修整、超声振动修整、激光修整、刚玉块切入式修整、磨削法修整、游离磨粒挤压修整法、喷射修整法、液压喷射修整法、磁粉研磨法修整、TL 环形、GC 杯形滚轮修整、激光辅助机械修整法等[13-24],上述方法主要在于修锐,而单层钎焊金刚石滚轮的修整是直接微量去除金刚石磨粒,所以这些方法不适合于修整本课题所用滚轮

      1. 去除磨料的修整方法

 

  1. 接触微修整(touch dressing

南京航空航天大学李曙生[25]利用 Ni 基单层钎焊金刚石修整工具接触微修整钎焊金刚石滚轮,钎焊滚轮低速转动作为工件,修整块用夹具夹紧,然后磁吸在工作台并随工作台作低速横向进给,原理类似金刚石笔修整法,该方法对较为突出的磨粒的去除有明显效果,修整后的滚轮磨粒等高性更为一致,动态磨粒数大为增加,进行磨削试验氧化铝工件表面粗糙度大大下降, Ra=0.801μmRz=5.76μmRmax=9.75μm,且工件表面完整性也得到改善,修整效率高,质量较好,操作方便简单,成本低,修整原理及修整工具

A.Ghosh[26]采用磨块微修整单层钎焊 CBN 滚轮,对金刚石有序排、密排、螺旋排列三种方式进行了修整前后比较,对比了前后滚轮磨削工件力,工件形貌,试验表明修整后的滚轮形貌理想,修整效率高,滚轮圆跳动在 10μm 以下,磨削工件的表面粗糙度相比修整前大大降低。华侨大学张宾等人[27]采用一定粒度和浓度的铁基金刚石烧结磨块、钎焊金刚石板和氧化铝

磨块三种不同的整形工具采用不同的修整参量对单层钎焊金刚石滚轮进行了磨削修整对比试验,研究结果表明利用氧化铝磨块修整效率最低;钎焊金刚石板修整效率最高,但造成钎焊滚轮金刚石磨粒大量破碎,降低了钎焊滚轮的磨削性能;铁基金刚石烧结磨块修整过程平稳,修整滚轮圆跳动较小,效果表现最好,磨削氧化铝陶瓷表面粗糙度可达 Ra2.8μm

  1. 高温高压修整法

张殿友提出的金刚石滚轮高温高压下整形方法[28],对滚轮表面的金刚石磨粒给与瞬间的高温高压,使金刚石自由表面氧化石墨化,这样磨粒表面硬度大大降低,如图 1.4 所示,再将其表面硬度低的部分去除,露出新的磨削刃,以达到整形的目的。该方法须要专门制作的修整器, 操作过程不易实施。

 

 

      1. 同时去除结合剂与磨料的修整方法

 

  1. 金刚石笔车削修整法

西北工业大学任敬心[7]介绍了该方法修整的滚轮表面较光滑,磨削性能差,形状及尺寸精度也不高。

西北工业大学吴小玲[29]研究了金刚石笔修整陶瓷结合剂 CBN 滚轮,研究结果表明,用单粒金刚石修整陶瓷结合剂 CBN 滚轮时,修整后的滚轮表面层磨粒钝化,滚轮容屑空间堵塞, 磨削力增大,导致磨粒脱落,被加工工件表面质量差。

  1. 滚压修整法

任敬心[7]用绿色碳化硅或白色氧化铝陶瓷结合剂滚轮对超硬磨料滚轮进行修整,并采用了   制动器使整形滚轮CBN滚轮间产生相对速度,得到很好的修整效果,提高了修整效率,该方 法修整时需要较大的修整力,所需机床刚性要好

 

6

 

南京航空航天大学王爱珍[30]介绍了滚压修整法原理,指出该方法修整压力大,修整效率及修整精度较低,滚轮工作面损伤严重,有效磨粒数减少,但磨粒有较好的切削性能。

  1. 磨削整形法

任敬心[7]用软钢磨削法对CBN滚轮进行了修整,其中双滚轮整形法能保证整形过程平稳 修整精度较高,同时提高了整形质量,修整原理如所示。

刘军和介绍了金刚石滚轮修整器的特点,应用及注意事项[31]。王爱珍[30]介绍了金刚石滚轮修整法的原理及修整进给量和修整速比对 CBN 滚轮修整在磨削性能上的影响,指出修整时间短、修整力小、能复制形状复杂的滚轮轮廓。哈尔滨工业大学胡忠辉[32]用金刚石滚轮磨削法对CBN 滚轮进行了修整,修整时,放置修整轮与被修整轮的回转轴线呈一定小的夹角,使修整过程平稳进行,修整后 CBN 滚轮的圆度误差可达 2μm,修整效率、质量较高。

  1. 振动修整法

该方法原理如图 1.6 所示,由激振器产生一定频率振荡,使得金刚石笔尖端跟随高频振动, 由此随机的径向修整转动的滚轮,测头和支架起支持稳定整个修整系统作用。振动修整滚轮时, 修整工具的振动具有多方向,被修整滚轮磨粒受到冲击产生不同方向破碎,大大提高了滚轮的切削性能,增加了滚轮的使用寿命[33]

 

 

  1. 振动修软弹性修整方法

清华大学的王先逵[34-39]针对金刚石滚轮修整问题提出了砂带软弹性修整方法,修整装置如 1.7 所示,由缓振装置带动卷带轮以较慢的速度带动滚轮移动,通过接触轮与高速转动的被修整轮对磨,同时使砂带运动更加平稳,这样砂带上总有新的磨粒修整被修整滚轮,整形效率极高,同时整形精度高可达 1μm 以内;并对金属基结合剂金刚石滚轮进行了修锐,获得很好的效果;对软弹性修整法、磨削修整法及电火花修整法修整后滚轮磨削性能相比较,指出滚轮软弹性修整后磨削工件法向力与切向力比最小,工件表面质量及滚轮形貌比较理想。

 


1 工作台;2 滚轮滚轮;3 砂带;4 接触轮;5 滚轮主轴;6 冷却液喷嘴;7 支架;8 卷带轮

 

哈尔滨工业大学胡忠辉等人[32] CBN 滚轮提出弹性修整方法,并进行了修整试验,如图

1.8 所示,高速转动的 CBN 滚轮将含有硬质磨料的混油带入到滚轮与修整元件之间的间隙,修整磨粒主要对滚轮的结合剂给与挤压,使之断裂达到修整目的,同时修整磨料对滚轮磨粒有一定磨损,弹性体退让,无冲击,滚轮磨粒严重破碎。试验得出该方法能有效地修整 CBN 滚轮 修整效率、形状精度较高。

 

 

 

  1. 金刚石微粉烧结棒修整

北京理工大学况喜梅等人[40]利用金刚石微粉烧结棒对树脂基蝶形金刚石滚轮进行了修整试验,试验原理如图 1.9 所示,被修整蝶形滚轮自主旋转,金刚石微粉烧结棒以小端面对磨蝶形滚轮,并做往复运动,修整时,烧结棒上的金刚石颗粒碰撞蝶形滚轮上金刚石磨粒,产生滚轮磨粒的破碎或断裂,同时去除其结合剂,造成磨粒的脱落,类似金刚石笔修整法,整形和修锐同时进行。试验对比了主轴转速、滚轮组织参数和修整棒进给速度对滚轮修整效率的影响,试验中微粉烧结棒做为修整工具,滚轮可以看作工件,滚轮的转速越低修整效果越好,也是修整效率主要影响因素。

 

1.9 烧结棒修整试验装置图 1.10杯形滚轮修整原理图

北京理工大学于晓娟对蝶形金刚石滚轮进行了微粉烧结棒的修整试验[41],分析了修整原理及过程变化,经 50 次修整后滚轮整端面跳动为 0.14mm 以下,径向跳动在 0.05mm 左右,修整效率较高,修整后的滚轮具有良好的磨削性能。

  1. 金刚石(D)杯形滚轮修整

A. G. Mamalis [42]采用 D 杯形滚轮作为修整工具修整金属结合剂金刚石滚轮,该方法高效经济,并取得良好效果。北京理工大学赵文祥等人[43]采用了 D 杯形滚轮作为修整轮对磨树脂结合剂碟形金刚石滚轮,分析了该方法的修整原理,如图 1.10 所示,类似金刚石微粉烧结棒修整原理;指出D 杯形滚轮以整形为主,修锐为辅;总结了杯形滚轮修整参量对滚轮修整效率、效果影响。试验表明金刚石与碳化硅杯形滚轮交替使用可以达到好的整形和修锐效果。

  1. 机械化学复合修整法

国防科技大学柯宏发[44]利用铸铁和油石对金刚石滚轮进行了修整,利用在高温下碳原子与铁原子相互扩散形成一碳化铁层降低滚轮工作面的硬度,然后用油石将附着在滚轮表面的碳化物刮去达到修整目的,修整后的滚轮相比油石修整具有良好的磨削性能和整形效果。

2020年3月26日 08:08
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