磨削技术
超硬磨具的选择与使用 |
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| 发布时间：2020/5/22 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 超硬磨具的选择与使用 (1)超硬磨料的选择 鉴于金刚石和立方氮化硼磨料性能上有差异，其使用范围也不同。金刚石磨料的硬度、强度、研磨能力、热导率和线胀系数均优于立方氮化硼，因此适于加工硬而脆的材料，如硬质合金、陶瓷、玛瑙、光学玻璃、石材、混凝土、半导体材料等。但由于金刚石是碳的同素异形体，在较高温度下易与钢中的铁族金属产生化学反应，形成碳化物，造成严重的化学磨损，影响磨具的磨削性能且加工效果也不好，因此金刚石不适宜用来加工铁族金属材料。与金刚石相比，立方氮化硼磨料的热稳定性、化学惰性均较优，不易和铁族金属及其他元素发生化学反应，因此尽管其硬度等物理力学性能比金刚石稍差一些，但用它来加工硬而脆的金属材料，如磨削工具钢、模具钢、不锈钢、耐热合金、高钒高速钢等黑色金属，具有独特的优点，是理想的磨料。 金刚石磨料有天然和人造两大类。它们的化学成分和晶体结构完全一样，因而磨削性能基本相同，但因它们韵生成方法不同，故在磨料的外形和物理力学性能方面又有差异。天然金刚石表面光滑、韧性好；人造金刚石是由石墨在高温高压条件下转化生长而成的，表面粗糙，脆性较大。在受冲击载荷条件下，采用天然金刚石有利。在一般磨削场合，则采用人造金刚石磨具。金刚石磨粒的晶体形状和抗压能力对磨削性能有很大影响，所以应根据不同的磨削要求予以适当选择，以充分发挥磨料的切削作用。 天然金刚石以NC为代号，人造金刚石分为RVD、MBD、SCD、SMD、DMD、M—SD六个牌号；立方氮化硼有CBN、M—CBN两个牌号。其相应的适用范围参见表1。 表1超硬磨料粒度与加工表面粗糙度的关系
选择超硬磨料磨具的粒度还应考虑结合剂黏结能力的强弱影响。对于一定的结合剂，工件材料的磨除量随磨粒尺寸的加大而加大，磨削比随之增加，但如磨粒粒度过粗，则将急剧增大磨具磨损，磨削比反而下降，对黏结能力较弱的树脂结合剂尤为显著。反之，如粒度过细，则磨削能减弱，且易于堵塞磨具工作面，引起磨削温度升高，磨削质量变坏，磨具磨损增加且磨具堵塞后需进行修整，造成磨具不必要的非工作损耗。对树脂结合剂超硬磨料磨具来说，磨具工作表面过热还会造成结合剂的热分解，促使磨具磨损急剧增加。所以，对于确定的结合剂磨具来说，均存在一种最佳的磨料粒度范围。在此范围内，磨具的磨削效率和磨损状况最佳。通常，树脂结合剂超硬磨料磨具选用i00#以内粒度号；陶瓷结合剂磨具选用100#～180#的粒度；金属结合剂磨具可在80#～240#范周内选择。 不同磨削工序的磨具粒度选择应针对加工条件和加工要求及最佳粒度范围综合考虑。磨削加工各工序中推荐选择的粒度号如下：粗磨选用80#～120#；半精磨选用120#～180#；精磨选用180#～W40；研磨抛光选用W40～W1。 对于特殊要求的磨削加工，可选用更粗或更细粒度的磨其。如成形磨削时，为提高磨具的成形性所选用的粒度号比一般磨削使用的粒度要细。 (3)超硬磨料磨其结合剂的选择 金刚石磨具与立方氮化硼磨具常用的结合剂有树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂和电镀金属结合剂四类。金属结合剂有青铜结合剂、铸铁结台荆及铸铁短纤维结合剂。其性能与应用范围有所不同，按黏结能力及耐磨性排序如下。 ①树脂结合剂(代号B) 它是以热塑性酚醛树脂为主要材料，也有的用环氧树脂、聚酰亚胺树脂为主要材料，添加一定量的的填料，如氧化铬、氧化纯铁、氧化锌、铜粉、石墨、刚玉磨料、碳化硅磨料等，与超硬磨料按一定浓度充分混合后，在模具内加热、加压成形。在超硬磨料磨具中，采用树脂结合剂所占比例约超过半数。 树脂结合剂对磨料的黏结强度较弱，因此，磨削时自锐性好，不易堵塞，磨削效率高，磨削力小，磨削温度低，结合剂自身有一定弹性，则有一定的抛光作用，被加工表面质量好，所以树脂结合剂超硬磨料磨具应用范围较广。主要用于要求磨削效率高，表面粗糙度值较低的场合。其缺点是耐磨性较差，磨具的磨损较大，不适用于重负荷磨削。树脂结合剂金刚石砂轮，常用于硬质合金及非金属材料的半精磨及精磨。树脂立方氮化硼磨具主要用于高钒高速钢、工具钢、磨具钢、不锈钢、耐热合金等材料的半精磨、精磨。 ②陶瓷结合剂(代号V) 陶瓷结合剂超硬磨料磨具耐磨性及黏结能力优于树脂结合剂超硬磨料磨具切削锋利，磨削效率高，磨削过程中不易发热及堵塞、热膨胀量小，容易控制加工精度，修整较容易。一般用于粗磨、半精磨及接触面较大的成形磨削，其缺点是磨削表面粗糙度值较大，制造较困难。陶瓷结合剂CBN砂轮在滚珠丝杠、导轨、齿轮、轴承、曲轴、凸轮轴、钛合金磨削上的应用日益扩失。 ③金属结合剂(代号M) 包括青铜、铸铁等结合剂. 青铜结合剂强度较高、耐磨性好、磨损少，磨具寿命长，保持形状好、磨削成本低，能承受较大的负荷，但自锐性较差，易堵塞、发热，修整较困难。青铜结合剂金刚石磨具主要用于玻璃、陶瓷、石材、混凝土、半导体材料等非金属硬脆材料的粗、精磨及其各工序。青铜结合剂立方氮化硼磨具多用于珩磨合金钢工件材料，效果显著。 为改善脊钢结合荆越硬磨料磨具的自锐性，有的采用增加锡的含量，减少铜的含量；有的在青铜结合剂中加入一定量的陶瓷一起烧结，以增加一些结合荆的脆性，这种结合剂也称为金属陶瓷结合剂。在青铜结合剂中加入一定量的导电性能好的材料如银粉，专门用于电解磨削。有的青铜结合剂中除加银外，还添加聚四氟乙烯等化学合成物，以防止磨屑黏附在超硬磨料上，以改善磨削效果。 ④电镀金属结合剂是以金属镍、银等为材料，将80#～W40粒度的超硬磨料单层或多层地用电镀方法镀在金属基体上制成。国内试制200m/s电镀CBN超高速砂轮的电镀工艺过程为：基体与磨料的准备、镀液调制、粗砂和电镀(预镀加厚镀)、镀后处理。电镀液以瓦特镍为本液加含钴离子的溶液配制而成。其电镀液组成如下： NaS04·NaCl·7H20 20～220g/L H3 B03 30～40g/L CoS04·7H20 25～35g/L NaCl 10～20g/L 十二烷基硫酸钠 0.1g/L 其操作条件为：电镀液pH值为4.0～4.5；温度为45～60℃；电流密度为l～4A/dm2。 电镀金属结合剂超硬磨料磨具表面的磨粒密度高，磨粒基本上均裸露出结合剂表面，因此磨具的工作表面上磨粒微刃锋利，磨削效率高。电镀金属结合剂立方氮化硼磨具应用于加工各类钢类零件的小孔，其磨削效率高、经济性好，能获得良好的加工效果。 金刚石与立方氮化硼在钢基轮盘上镀覆单层金属而成的砂轮不仅是适应超高速磨削的唯一磨具，而且是解决高精度复杂形状成形磨削的有效途径。 (4)浓度的选择 浓度是超硬磨料磨具的重要特性之一，它对磨削效率和加工成本有很大影响：浓度过低，磨削效率不高，满足不了生产要求；浓度过高，很多磨粒过早脱落，造成浪费。 超硬磨料磨具浓度选择主要根据磨具结合剂的种类、磨料的粒度和形状要求，以及加工工序的具体情况和加工要求等因素来决定。 不同种类结合剂对磨粒的黏结力不同，因此对每一种结合剂都有其最佳浓度范围。树脂结合剂超硬磨料磨具的浓度范围为50％～75％；陶瓷结合剂磨具的浓度为75％～100％；金属结合剂磨具的浓度为100％～150％。结合剂对磨粒的黏结强度越高，最佳浓度范围也越高。 CBN磨具主要力n-r_韧性较大的钢材工件，比金刚石磨具所加工的工件材料硬度低，且 CBN磨粒多刃、自锐性好，对同一种结合剂来说，CBN磨具的浓度可略高于金刚石磨具。树脂结合剂CBN砂轮的浓度常采用100％。 磨具浓度的选择还要考虑磨具形状和加工方式。对于工作面宽的磨具，特别是保持形状精度的成形面磨削及端面、沟槽的磨削等，应选择较高浓度的磨具。 从工件的加工要求和加工工序状况方面考虑。对粗磨工序，主要要求磨具的磨削能力强、磨削效率高，一般选择磨料粒度粗、浓度较高的磨具，浓度高，磨具工作面上单位面积内磨粒数多，有利于满足粗磨时提高磨削效率的要求。对半精磨、精磨工序，要满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浓度较好。对于抛光和低表面粗糙度值的磨削，常选用细粒度树脂结合剂磨具，一般采用低浓度为佳，个别甚至可选用低达25％的浓度，有利于降低表面粗糙度值。 (5)超硬磨料磨具形状和尺寸的选择 超硬磨料磨具形状的选择，主要根据磨床和工件加工表面形状对磨具的要求来决定，如平形砂轮(1A1)主要用于外圆、平面、工具刃磨及砂轮机上的磨削；平形小砂轮(1A8)主要用于内圆磨削；单面凹砂轮(6A2)主要用于工具刃磨和平面磨削等；碗形砂轮(11A2)主要用于刀具刃磨和平面磨削。 超硬磨料磨具尺寸的选择根据磨床的规格、型号及加工工件形状大小来决定。可参考磨床说明书上对磨具的要求予以选择。 超硬磨料磨具即金刚石或立方氮化硼磨具的形状和尺寸依据GB/T 6409.2—1996选取。 (6)超硬磨料磨具的使用 ①超硬磨料磨具的应用状况 a.人造金刚石砂轮的应用。人造金刚石磨具应用已较为广泛，其应用领域几乎渗透各部门。硬质合金制品及一些特殊刀具材料已普遍采用金刚石磨具加工。一些难加工材料如各种金属的铁氧体、铸造永磁合金、钢结硬质合金、热喷涂(焊)材料等，使用金刚石磨具加工取得了满意效果。光学玻璃的加工，在全工序上从套料、切割、铣、磨、磨边倒角、精磨所用的金刚石磨具已经系列化，得到了普遍应用。对于工程陶瓷、石材、玉石、宝石、半导体材料、电气绝缘材料、橡胶传送带等非金属材料的加工，人造金刚石磨具是理想的磨削加工工具，应用逐步增加。对发动机缸体、汽缸的珩磨及油泵油嘴、轴承套圈沟道的超精研磨，人造金刚石磨具也是良好的加工工具，不断得到应用。 人造金刚石磨具虽得到较广泛应用，但主要是低中档的金刚石，生产高中档品质金刚石的生产能力小。从超硬材料市场走向看，不断发展金刚石制品的品种、规格、粗颗粒、大的单晶及复合片，提高金刚石晶体质量，增大晶体粒度仍是超硬磨料的重点课题。 b.聚晶金刚石(多晶金刚石)的应用。我国1972年成谚她将无硬质合金衬底的金刚石聚晶(PCD)用于地质钻探。1980年研制成功硬质合金复合材料——PDC(即带硬质合金衬底的PCD)，基本解决了非金属及有色金属中难加工材料的加工问题，并已推广应用于石油及地质钻头、工程钻头、砂轮修整工具及耐磨器件。 C.CBN磨具的应用。CBN磨料的牌号有CBN及M-CBN两种。在加工9Cr18合金钢衬套内孔、Cr4M04V、W9Cr4V2Mo高温轴承钢套圈、超硬高速刃具等方面取得良好的加工效果。当前，陶瓷结合剂CBN磨具的应用发展较快，这主要是由于陶瓷结合剂CBN磨具的修整相对于树脂结合剂、金属结合剂磨具要容易些，陶瓷结合剂CBN砂轮在磨削滚珠丝杠、导轨、齿轮、轴承、曲轴、凸轮轴、钛合金工件等的磨削方面扩大了应用范围。电镀金属结合剂CBN砂轮在磨削液压件转子槽时达到的尺寸精度为(1.4±0.01)mm，形状精度达0.003mm。金属结合剂CBN砂轮磨削活塞环糟达至较高的加工精度。怛我国CBN品种少，不能适应多种材料和不同磨削方式的需要。美国GE公司的CBN磨料有8个牌号。 CBN磨具具有优异特性。为防止CBN磨料的脱落，需要结合剂对CBN晶体有良好的把持性。而镀覆则是提高对CBN晶体把持性的有效手段，但国内尚未有正式的CBN镀覆品种的牌号。加上国内现有磨床的剐度低、转速低及有适用于磨削液，限制了CBN磨具的推广应用。 ②CBN磨具对磨床的要求 高速、超高速磨削加工，CBN磨具是最适用的磨削工具。 CBN磨具对磨床有较高的要求，磨床应具有高的刚性及良好的抗振性、热稳定性，砂轮主轴需要有高的回转速度，砂轮主轴轴向窜动小于0.005mm，径向跳动小于0.01mm，且要有精密的进给、修整机构等。为保证均匀准确进给，应有小于0.005mm/次以下的进给机构，才能充分发挥CBN的优异性能。研制开发CBN磨具磨削专用磨以上成为世界磨床行业的主要发展方向，我国尚属空白，但已开始起步。 使用CBN磨具进行加工，所使用的磨床刚度比普通磨削机床的刚度要高50％。试验表明，磨床刚度低使CBN砂轮处于振动状态下工作，使CBN砂轮磨损增大，且磨损不均匀。磨床剐度低则不能充分发挥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。磨床刚度低易产生严重的粘屑，而使CBN磨具不能进行正常磨削，而需进行修整后，才能再进行磨削工作。磨床刚度低易发生振动，尤其是磨瘸黏附时，振动会更加严重，对加工表面产生振纹和烧伤，使表面粗糙度值急剧增加，工件表面质量严重恶化。 ③使用超硬磨料磨具时磨削液的选择 使用超硬磨料磨具磨削时，选用适姿的密削液可减少磨具的磨损，改善加工质量，降低表面粗糙度值，防止磨具表面被堵塞，延长磨具使用寿命。由于超硬磨料热导率高，传入磨具中的热量比普通磨料磨具多，使磨具温度升高，不利于磨削过程正常进行。当使用树脂结合耩双进行磨削时，采用磨削液能降低磨削温度，减少磨粒附近的结合剂热分解，从而减少磨具的磨损，提高磨魏工序的生产率及经济效益。用超硬磨料磨具进行磨削加工，在有条件的情况下，应尽量选用合适的磨削液。 所选用的磨削液应无腐蚀、无公害、无污染，具有良好的润滑性、冷却性及洗涤性。对于超硬磨料磨具来说，因其组织细密，气孔极少或无气孔，在磨削过程中易被磨屑堵塞。为了保证磨削过程正常进行，应及时冲掉粘在磨具工作表面上的磨屑，带走磨酎过程中所产生的热量，所选用的磨削液还应具有低黏度及良好的浸润性、清洗性。 用金刚石磨具加工硬质合金、钢结硬质合金，应选用有轻质矿物油的煤油、低牌号全损耗系统用油、汽油、轻柴油、煤油的混合油等磨削液。也可选用苏打水(不适用于树脂结合剂的超硬磨料磨具)、硼砂、三乙醇胺、亚硝酸钠、聚乙二醇的混合水溶液等水溶性磨削液。尤以煤油、轻柴油和水溶性磨削液效果最好。磨削非金属材料时常用水作为磨削液。 使用CBN磨具时，磨料在高温下和水发生化学反应： BN+3HzO—H3803+NH3 反应结果生成硼酸和气体氨。这种反应称为水解作用。随着温度升高，水解作用加剧，这就加剧了磨具的磨损。所以用CBN磨具时，不选用水溶性磨削液，而选用轻质矿物油——煤油、轻柴油以获得良好的磨削效果。若必须用水溶性磨削液，应加极压添加剂，以减弱水解作用。例如，用电镀金属结合剂的CBN磨具磨削孔时，采用不同的磨削液，则 CBN磨具的寿命差别很大。采用矿物油时，砂轮寿命最高，采用水溶性磨削液，砂轮寿命比干磨时还低。 选择磨削液时，还应考虑工件材料的性能。工件材料强度高，要求磨削液在工件表面上形成的薄膜强度应高。因此，增加磨削液中的表面活性物质，可提高砂轮耐用度和总的磨除量。工件材料导热性越差，则要求磨削液应有较高的耐热强度。有时为了避免工件材料对磨粒的化学磨损，需在磨削液中加入其他添加剂，以抑制磨料和工件材料之间的化学亲和作用及化学磨损。 在CBN磨具的磨削过程中使用挥发性的煤油作磨削液，CBN砂轮的磨削效率比采用表面活性剂溶液高8～20倍，不会出现水解。但煤油易燃、污染环境、散热性较差，且有臭味、刺激皮肤，不适于生产中使用。目前替代煤油的代用品尚未解决。适用于CBN砂轮磨削的磨削液尚需研究。没有适用的磨削液是制约CBN磨具推广应用的一个关键技术问题。 ④超硬磨料磨具的修整与整形超硬磨料磨具的修整与整形，请参阅第4章的内容。 ⑤使用超硬磨料磨具时的注意事项 a.为减少超硬磨料磨具的修整消耗，每片磨具应配备专用法兰，法兰自磨具开始使用至用完不再拆下。每加工一批工件，仅需将磨具连同法兰装上机床并稍作修整即可进行磨削，节约了装卸磨具的时间，节约砂轮非磨削消耗，提高磨具使用的经济性。 b.超硬磨料磨具装上法兰时，应尽可能地对中，一般使砂轮径向跳动小于0.03mm，可减少修整消耗。 C.超硬磨料磨具的平衡十分重要，磨具在出厂前及使用时均应进行静平衡或动平衡试验，以保证磨具在加工中运转平稳。 d.树脂结合剂超硬磨料磨具存在老化问题，因此保存时间不宜过长。 e.搬运、存放超硬磨料磨具时，不允许碰撞，不允许接触腐蚀性气体、液体及高温，以避免损坏。 ①金刚石砂轮磨削用量选择 a.磨削速度。人造金刚石砂轮一般采用较低磨削速度。砂轮速度72。提高，可获得较低的表面粗糙度值，但磨削温度也随之提高，促使砂轮磨损拥侧。砂轮速度u。太低，单颗磨粒的切屑厚度过大，既使表面粗糙度值增加，又加剧了砂轮磨损。国产金刚石砂轮推荐采用的砂轮速度如下。 青铜结合剂：干磨Us一12～18m/s；湿磨Us一15～22m/s。 树脂结合剂：干磨Us=15～20m/s；湿磨Us=18'。25rll/s。 不同磨削方式推荐的金刚石砂轮速度口。如下 平面磨削：Us一25～30m/s。 外圆磨削：Us一20～25m/s。 内圆磨削：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，磨削力和磨削热均增大。磨削深度n。的选择可按磨料粒度及结合剂选择或按磨削方式选择。 按超硬磨料磨具的磨料粒度及结合剂推荐选用的磨削深度口的范围见表2。 按磨削方式选择磨削深度口。见表3。 表2磨削深度n p的取值范围 单位：mm
d.进给速度。进给速度uf增大，砂轮磨耗增加，表面粗糙度值增加，特别是树脂结合剂更为严重。一般u r的选用范围见表3。 表3，的选用范围
a.CBN砂轮速度。CBN砂轮可比金刚石砂轮磨削速度高，以充分发挥CBN砂轮的切酎能力。在较高的砂轮速度下，可以提高金属切除率，降低磨削力，减少功率消耗，雀褥书工件表面粗糙度下，霹以提高磨削效率。提高CBN砂轮的速度，工件表面粗糙度得到改善，砂轮速度越高，工件表面粗糙度越好，使切向和法向磨削力均下降，这样就减少了单个磨粒上承受的力，因而砂轮磨损减少，磨削热降低。CBN砂轮较高的磨削比就是采用高的砂轮速度来获得的。如将CBN砂轮速度可。由35m/s，分别提高到50m/s、60m/s时，不仅使砂轮的极限进给速度由20m/s分别提高到35m/s及40m/s，磨削效率分别提高刭.369 oA.魇647％，而且使磨削比由361，分别提高到1331与2337。所以采用高的砂轮速度，不仅能显著提高CBN砂轮的磨削效率，提高磨削比，丽且熊降低磨削力，减少功率消耗，改善工件磨削表面粗糙度。现在CBN砂轮速度已由60m/s的高一遽蹙削提高到80m/s、120吲黪160m/s、200m/s。在国外240m/s的CBN砂轮CNC磨床已用手工业生产。在孱鸬糟 CBN砂轮磨削汽车凸轮轴，用声600mm大直径的陶瓷结合剂的CBN砂轮，成功地实现了 CBN砂轮速度50m/s及60m/s的磨削。目前国内尚未有CBN砂轮统一的磨削规范。在20世纪80年代所推荐的CBN砂轮的磨削速度为15～35m/s范围。这主要是受机床的限制所致。 b.工件速度与进给速度选择。由于工件速度对磨削效果影响较小，一般可在10～20m/min范围选择。采用细粒度CBN砂轮进行精磨时，可适当提高工件速度。 辖向进给速度或轴向进给量的选择原则与普通砂轮相同，可参考普通砂轮磨削选取。一般在0.45～1.8m/min范围。粗磨时选大值，精磨时选小值。精密磨削时应使用较小的进给量。 c.磨削深度选择。由于CBN砂轮磨粒比较锋利，砂轮自锐性好，所以磨削深度可略大于金刚石砂轮，可参考金刚石砂轮所推荐的数据。 正确合理地选择涂附磨具，不仅是为了获得良好的磨削加工效率，而且是为了使涂附磨具本身发挥最大的工作效能。 |
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