离散磨料研磨技术与固结磨料研磨技术本科论文.doc

离散磨料研磨技术与固结磨料研磨技术摘要：本文简要介绍了研磨及磨料的一些基本知识，着重介绍了离散磨料研磨技术与固结磨料研磨技术的研究背景、原理及性质特点等，并对两者进行了比较。一 研磨研磨是一种重要的精密和超精密加工方法，内于其不断发展善，定义也在不断地变化。早年德国的经济加工协会曾给研磨定义为：研磨是一种加工方法，在工件和工具之间无强制导引，利用研磨剂，在不断变更方向的情况下相互滑动。这个定义是较为原始的基本定义，没有体现出研磨的特征。所以，后来有人给研磨又下了定义：用研磨工具和研磨剂从工件表面上磨去一层极薄的金属，使上件表团达到精确的尺寸、准确的几何形状和很低的表面粗糙度值，这种精密加工的方法，叫研磨。这个定义强调了研磨的特征，但也限制了加工工工件的材料范围，仅指金属似乎不妥。由于材料科学的进步和发展，非金属材料的大量涌现，其应用日益广泛，所以研磨加工对象也应包括非金属。因而，研磨可以表述为；利用磨具通过磨料作用于工件表面，进行微量加工的过程。研磨加工除了加工精度和加工质量尚这一特点外，还具有加工材料广，几乎可以加工任何固态材料的特点。正是内于这一特点，研磨加工方法的应用比较早。在原始社会，人类的祖先就用研磨方法来加工贝壳、骨制品、石器及一些器皿等。尽管研磨加工效率低，但在当时由于切削刀具材料比较落后，研磨对于这些材料的加工常常是惟一可行的加工方法。后来，内于切削刀具材料的发展切削加工因加工效率高而逐渐受到重视，使得切削加工在机械加工领域中所占比例增加，而研磨加上在机械加工领域所占比一度减少。但近几年来，随者社会的进步，人们对产品性能的要求日益提高(影响产品性能的主要因素包括其构件的加工精度和加工质量)，研磨加工以其加工：精度和加工质量高而再次受到了人们的关注。特别是最近几年信息技术、光学技术的发展，对光学零件不仅需求量增大，而且对其质量、精度都提出了很高的要求而研磨作为光学加工中一种非常重要的加工方法，起着不可替代的作用。冈此许多人从事着研磨加工技术的研究，其宗旨都是进一步提高研磨加上效率、加工精度，降低加工成本。 目前国内外研磨加工主要还是采用离散磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工精度高、加工设备简单、投少，但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。正是由于离散磨料研磨存在一些不足，所以许多学者在研究改进这种研磨加工技术。 有人研究新型研磨液，以改善研磨效果；还有人研究不问磨料和不同材料磨盘的研磨效果，以寻求对应于不同工件的最佳磨料及磨盘。 研磨加工面形范围很广，几乎可以加工任何面形的工件。对于不同面形的工件，研磨加工方式不同，于是人们针对不同面形的工件探讨了不同的加工方法。 在金属切削加工中，刀具的质量直接影响着被加工工件的质量。为提高工件的质量，人们对刀具提出了较高的要求，特别是用于精密和超精密加上的金刚石刀具都要采用研磨加工。因此国内外一些人专门从事刀具研磨加工技术研究，取得了一些进展。 为了提高研磨加工效率，在研磨中不仅一次研磨加工工件的一个表面，而且还可以同时加工工件的两个表面。于是有人研制出双面研磨机。 球面是一种较为常用的曲面，特别是在光学系统中和轴承上，其研磨加工量非常大。因此有人专门研究了球面研磨加工技术、加工机床及加工机理，取得了很好的效果。 在光学系统中应用非球团元件可以使复杂的系统结构变得较为简单。它们pJ以有效地消除像差，提高系统的成像质量。在多元件系统中，一个非球面元件可以代替两个，有时甚至是三个球面元件，这样就可以大大减小系统的尺寸及质量，提高稳定性，降低成本。因此非球面研磨加工就显得十分重要。许多人从事非球面研磨加工技术的研究，井将之应用于生产。 研磨机是保证研磨加工的重要条件，因此人们专门研究了各种不同研磨机。有人还针对不同的工件，研究出的简易专用研磨装置。为了提高研磨加工效率，人们在研磨加工自动化方面也做了许多工作，从而实现了连续研磨加工。特别是有人将计算机引人研磨机中，以进行特殊曲面加工。还有人将监测技术引入研磨加工中，对研磨过程进行监控。通过这些研究，研磨加工技术水平得到了很大提高。 这些新型研磨加工技术如下图1.1所示分类二 磨料2.1 定义 磨料是具有棱角、一定的硬度和韧性的粉末状粒状物质,它在研磨加工中对工件的加工起关键性的作用 。2 .2 磨料的基本要求 由于磨料在研磨加工时直接作用于工件表面，起切削加工作用，因此对磨料有一定的要求。 1)硬度足磨料的最基本要求，它应比被加工材料硬因为磨料颗粒硬高， 才能够切入被加工物体内，使低硬度的物体表面受到加工 2)韧性要高，不应因为有研磨压力，而引起破坏，且不易磨损。 3)应有适当的自锐性，随研磨压力而产生相应的小碎屑，应呈贝壳状断口的多角形。4)熔点或软化点应比被加工物高，研磨发热时，磨粒尖端不应融化或变软。 5)化学稳定性要好，以免在加工过程中，与其他物质起化学反应。 6)形状和粒度应均匀一致，每号磨料颗粒的尺寸应限制在一定的范围内。2.3 磨料的种类 常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系及软磨料系等四类。氧化物系磨料的主要成分是Al2O3，由于它们的纯度不同、结晶工艺不同，而分成不同的品种。氧化物系磨料因其强度、韧性大，与钢铁不发生反应，主要用于研磨钢类零件。碳化物系磨料主要以碳化硅、碳化硼等为基体。由于它硬度高、强度低、韧性低，与钢铁发生化学反应，故主要用于研磨铸铁、硬质合金、宝石等硬面脆的材料。高硬度磨料系主要有金刚石及立方晶氮化硼。金刚石是硬度最高的磨料，适用于研磨除钢铁材料以外的所有材料，特别适合于研磨硬而脆的硬质合企、宝石、光学玻璃等。立方氮化硼是硬度仅 次于金刚石的人造材料，它出为耐热件(1400C)高于金刚石 (800C)，对铁族金属的化学惰性高，特别适合于研磨硬而韧的钢 材。在加工高速钢、模具钢、耐热钢时，立力氮化硼的切削能力为 金刚石的(510)倍。立方氮化硼的切削刃锋利，可减少研磨时的 塑性变形，研磨加I出的工件表面质量比用一般磨料高。此外，用 立方氮化硼磨料研磨的工件表面层的残余应力为压应力，故所加 工的工件耐磨性较高。 立方氮化砌磨料在高温时(1000C)与水容易产生化学变化，使磨料消耗增大，故用立方氮化硼磨料时小宜用水质切削液。 软磨料主要是用于抛光，而不适合于研磨，所以这里就不介绍软磨料。现将有关的磨料特性列于表2-1三 游离磨料研磨技术3.1 加工原理 游离磨料研磨技术是指在慢速研磨机上用游离磨料进行慢速 研磨加工的方法。它是目前普遍采用的传统研磨技术。其原理如图3.1所式，电动机6通电后，电机通过蜗轮7减速，带动研磨盘4慢速旋转。磨盘用轴承5支撑在研磨机机架上。工件2与分离器3一起在研磨盘上。工件2上还压有重物1。磨盘转动带动着工件和分离器绕着磨盘问转中心转动的向时，它们之间也存在着相对运动，这个运动就对工件产生了研磨作用(工件与磨盘间有磨料8)。分离器3的作用是避免磨盘上过多的工件之间的碰撞，并对磨盘进行一定的修整。重物1的作用是增大工件与磨料问的正压力及其摩擦力，以提高研磨加工效率。.游离磨料研磨的特点 1)磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因此加上效率低。 2)磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起，磨料不能充分发挥切削用，而且为提高加工效率过要经常将磨料与这些碎屑一起清洗掉，这既很费了能源、又浪费了磨料。 3)磨料在磨盘上是随机分布的，只分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制； 特别是磨料均工件间的相对运动具有随性，这也增加了工件面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。 4)在研磨加工过程中，磨料相互间既有作用力，又有相对运动，这造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨料，加重了磨料和能源的浪费。 5)在研磨过程小，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影响表面质量，因此为提高工件表面质量，游离磨料研磨对磨料的尺寸均匀件要求较高。6)在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。 7)在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨散要求三个磨盘相万对研，既费事麻烦，又对上人操作技术水平要求高。 8)为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研加工中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进ff严格清洗。 9)污染环境。 10)工人劳动强度大，对工人技术水平要求高。 11)较硬的磨料容易嵌人较软的工件表而内影响工件的使用性能。传统的游离磨料研磨正足因为存在着上述这些缺点，使得其应用受到了定的限制。四 固结磨料研磨技术 4.1 加工原理 固结磨料研磨技术是指将游离的磨料固结起来，制成专用磨具，在高速研磨机上进行高速研磨的方法。 固着磨料研磨原理如图41所示，电机通过传动机构带动磨盘以角速度 绕研磨机主轴旋转。工件置于磨盘上。磨盘上固结着磨料以对工件产生研磨切削作用。我们将磨科与磨盘一起统称为磨具。压头通过压盖将工件压向磨具。其作用是使工件和磨具间产生研磨压力，同时又限制了工件的移动，只允许工件绕压头中心回转。固结磨料研磨所采用的加工设备是高速研磨机床,如上图4.2所式,这是西安秦川(集团)发展总公司生产的PJM320B平面精磨机,下图4.3为该机床的总体分布图。4.2 研究背景及现状 固结磨料研磨国外是在20世纪60年代发展起的，我国是20世纪70年代发展起来的。固结磨料研磨较好地解决了传统的游离磨料慢速研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点是能显著提高研磨加工效率，而加工效率低是限制传统研磨广泛应用的最大障碍，因此固着磨料高速研磨一出现就受到了人们的重视。长春理工大学从20世纪70年代起开始从事因着磨料研磨加工技术的研究，并成立了专门从事这一技术研究的课题组，探讨了在固着磨料研磨中，研磨压力、研磨速度、冷却液等对研磨效率和加工质量的影响。当时加工对象仅限于玻璃，因此所探讨的固结磨料研磨加工的各参数的作用一般都是指加工玻璃。这些研究有力的推动了这一新技术的推广应用。但固结磨料研磨也存在一个新的问题，就是磨具在研磨中会出现磨损，这就导致了磨具的面型精度下降，以致被加工件面形精度下降。这就要求人们要经常地及时休整磨具。以往的游离磨料研磨。使用的磨盘加工性相对来说比较好。而用于固结磨料研磨的磨具表面上固结着极耐磨的磨料。这使得磨具休整十分困难，因此限制了固结磨料研磨的广泛应用。4.3 磨具的制作 磨具是固结磨料高速研磨所采用的切削工具。对于高速研磨来说磨具对研磨加工的影响比较大，它直接影响着研磨加工度、加工质量、加工效率和加工成本。因此,磨具的制作是固结磨料研磨技术中很关键的一个环节,一般情况下，磨具是根据被加工工件的具体要求以及研磨机的状况来设计和制作的。磨具主要由切削部分、支撑部分和安装夹持部分组成，如下图4.4所示。切削部分的主要作用是对被加工工件表面进行微量切削。事实上在研磨加工过程中，不仅是磨料对工件表面进行切削作用，还存在着其它加工作用，但切削作用是研磨加厂的主要形式。磨具的支撑部分一殷是根据被加工件表面廓形上需要，尽量按工件表面廓形制造，以减小修整磨具的工作量。安装夹持部分是根据所采用的机床及研磨加工运动关系来决定的。磨具的制作过程如上图4.5所示,先把磨料制作成丸片,同时设计好磨盘,再将丸片粘结在磨盘上,形成磨具的切削部分,最后把磨具固定到研磨机上。.4 固结磨料研磨对工件表面残余应力的影响1) 磨料尺寸对工件表面残余应力的影响磨料尺寸是影响研磨过程的重要因素，它不仅影响研磨加工过程中的研磨力温度而且影响研磨后的工件已加工表面质量。因此要探讨磨料尺寸大小对工件已加工表面残余应力的影响规律固定其它研磨参数只改变磨料粒度进行研磨试验得到了工件已加工表面残余应力随磨料尺寸变化规律，由图4.6 可见，经研磨加工过的工件表面均呈压应力。这是因为研磨过程是由大量的高硬度的磨料作为刀具进行微量切削工件表面的过程，而磨料作为刀具具有很大的负前角这就使其在加工过程中，在工件表面产生很大的压应力和塑性变形，由于塑性变形在加工后也难以恢复，因此压应力就残留在工件表面上从图4.6也可以看出，工件表面的压应力随着磨料尺寸变大而变大，这是因为磨料尺寸变大时同时作用于工件加工表面上的磨料数量就会减少，每个磨粒对工件的压强增大，产生的压应力大，所以残余应力增大。由图4.6 还可看出，随着磨料尺寸的增加，残余应力随磨料尺寸变化速度变缓，这是因为随着磨料尺寸进一步变大，磨粒对工件表面产生的压应力增加，但这个应力一旦达到工件材料的屈服极限后就很难再继续增加。其宏观表现就是磨料工件间的压力增加缓慢，所以残余应力增加速度也亦变缓。由试验结果发现，当要求工件表面的残余压应力较小时，可以采用较细的磨料研磨来获得，当需要工件表面具有较大的压应力时，可增大磨料尺寸来获得，但磨料尺寸不宜过大，因为当磨料尺寸过大时，工件表面残余压应力增加不明显，另外磨料尺寸过大，工件表面粗糙度值将会增大，不利于提高工件表面质量总体指标。2) 研磨压力对工件表面残余应力的影响研磨压力是引起工件表面产生残余应力的直接原因，它对工件表面残余应力的影响比较大，固定其它参数，只改变研磨压力进行研磨试验，以探讨研磨压力对工件已加工表面残余应力的影响规律，试验结果如图4.7所示，从图中可以看出，增大研磨压力，工件表面残余可、应力增大。这是因为增大研磨压力，就增加了磨料与工件加工表面间的压应力，增加了工件表面的塑性变形，这必然增大了工件表面的残余压应力，生产中可通过改变研磨压力来条调整已加工表面的残余应力。3) 研磨速度对工件表面残余应力的影响固着磨料研磨的研磨速度较传统散粒磨料研磨速度高出很多，而且变化范围大，它是固着磨料研磨中的一个重要参数，固定其它参数，只改变主轴转速进行研磨试验，以探讨研磨速度对工件已加工表面残余应力的影响规律，如图4.8 所示，从图中看出随着研磨速度的提高，工件已加工,表面的残余压应力增大，特别是残余压应力随研磨速度增大的变化率随研磨速度的提高也变大。对于固着磨料研磨研磨速度高，这与传统的散粒磨料慢速研磨不同。通常情况下的工件材料的弹性模量以及屈服应力都是指其在静态和准静态情况下的值，而在固着磨料研磨中，研磨速度高工件变形速度跟随研磨速度的能力变差，这就相当于提高了工件的弹性模量和屈服极限，增大材料强度和研磨阻力，结果导致了工件已加工表面残余应力的增加，当研磨速度较高时，工件变形跟随研磨速度的能力变差更为明显，因此，当研磨速度过高时，工件表面残余应力随研磨速度增加得更快。4) 固结磨料研磨对工件表面耐磨性的影响由前面可以看出，增大磨料尺寸、研磨压力和研磨速度都有利于增加工件表面的压应力因而有利于提高工件表面的耐磨性，实际上与传统散粒磨料研磨相比，固着磨料的研磨压力和研磨速度均很高，而且对应于同一工件表面粗糙度要求，固着磨料研磨的磨料尺寸也相应大些，这表明采用固着磨料研磨加工的工件表面压应力较大，耐磨性相应地要好，这一点用加工机械密封为例进行相应的试验，采用传统散粒磨料研磨加工的机械密封的使用寿命一般为34 月，而采用固着磨料研磨加工的机械密封使用寿命达12年。这证明了固着磨料研磨能提高工件表面的耐磨性，其中一个重要原因就是固结磨料研磨能提高工件表面压应力.5 固结磨料研磨的特点（与游离磨料研磨相比）工件的受力易于分析。对于传统的游离磨料研磨，磨料散置于磨盘上，其运动是随机的，磨料对工件的研磨切削力的大小和方向也是随机的，这就使得分折磨料对工件的作用力十分困难。因此，迄今无人探讨磨料对工件的作用力。而在固结磨料高速研磨中，磨料与磨具一起运动，其运动规律是已知的，这就为我们研究磨料对工件的作用力提供了必要条件。）磨料的密度分布具有可控性。在游离磨料研磨中，磨料在磨盘上是随机分布的，而且随着磨盘的运动而不断的变化，因此磨料的密度分布不均匀且无法控制。而在固结磨料研磨中，磨料被做成丸片粘结在磨盘的许多位置点上，磨料的密度分布是可控的。因此，根据工件磨具间的相对运动轨迹密度分布，合理地设计磨具上磨料密度分布，以使磨具在研磨过程中所出现的磨损不影响磨具面形精度，从而避免修整磨具的麻烦。）研磨速度快，研磨效率高。在游离磨料研磨中，由于磨料是离散的分布在磨盘上，研磨速度不能过快，以避免磨料飞溅，另外在研磨过程中，磨料相互间既有作用力，又有相对运动，这就造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨料，加重了磨料的浪费，这就使得研磨加工效率低，加工成本高。而在固结磨料研磨中，因为不存在磨料飞溅问题，所以可以采用较高的转速，一般在rmin，从而提高了研磨加工效率，降低了加工成本。）工件表面加工精度高。对于游离磨料研磨，磨料的尺寸不可能完全一致。在研磨时磨料置于磨盘上，当放上工件后，工件表面主要与尺寸较大的磨料参与较大的磨料接触，如下图.(a)所示，所以主要是尺寸较大的磨料参于研磨加工，这使得参于磨料的磨料数量少，每个参于研磨的磨料承担的压力大，压强大，研磨加工量大，而且它们之间的间距也大，研磨加工产生的划痕深，而且宽，所以游离磨料研磨加工的工件表面比固着磨料研磨加工的工件表面粗糙。对于固结磨料研磨，磨料由结合剂固结在一起制成磨具。当工置于磨具之上后，由于有结合剂的作用，不仅尺寸大的磨料能与工件表面接触，而且许多尺寸较小的磨料也能与工件表面接触，如上图.6（b）所示，使得与工件表面接触的磨料数量多，同时参于研磨加工的磨料数量多，每个磨料承受的压力小，压强小，研磨加工深度浅，而且参与研磨的磨料间距小，工件已加工表面粗糙度值小，已加工表面质高。）磨具修整困难。磨具在研磨过程中，必然会出现磨损，这就要影响加工工件的面形精度。当磨具出现磨损时，可采用修整磨具的方法来解决。修整磨具有在线修整和离线修整。磨具的在线修整是在工件外面加上修整环(也称之为分离器)，在研磨工件的同时，也研磨修整环，反之修整环也引起磨具磨损，通过控制修整环，就能调整其对磨具引起的磨损，减小磨具磨损后磨具表面产生的面形误差，减轻磨具磨损造成的加工工件面形精度下降的趋势。磨具的离线修整是将磨具拆卸下来后用研磨 (当磨具面形精度太时，对其应允切削加工一下)方法修平。在修整磨具时，为了较好地保证磨具的面形精度，一般来说，需要三个研磨盘相互对研。游离磨料研磨磨具材料的加工性相对来说较好些，但由于对磨具面形精度要求高，磨具尺寸较大，修整很困难，而且对操作者技术水平要求高。对于固结磨料研磨，因为磨具表面固结着极耐磨的磨料，其加工件差，不论在线修整，还是离线修整都比较困难，而从修整磨具会造成磨料严重浪费。修整磨具磨下去的是磨料，而不像修整游离磨料研磨磨具，磨下去的是磨具基体材料。磨料价格往往远高于磨具基体材料价格，特别是目前金刚石磨料的应用日益广泛，其价格较贵，传统磨具修整方法对于固结磨料金刚石磨具所造成的浪费非常严重。因此，充分利用研磨中工件的运动，在研磨加工工件的同时，借助于工件对磨具产生的磨损，主动控制磨具磨损，使得磨具磨后不丧失原有的面形精度从而避免修整磨具，减少磨料的消耗就有十分重要的意义。 参考文献：1 杨建东.固着磨料超精密高速研磨的理论与实验研究D. 吉林吉林工业大学1998.2 YANG Jian-dong, WEN Xue-heng, ZHU Yan-qiu, et al.Disscussing on Solid AbrasiveLapping Path. 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