[精品論文]先進制造技術課程論文_離散磨料研磨技術與固結磨料研磨技術(論文)

離散磨料研磨技術與固結磨料研磨技術摘要：本文簡要介紹了研磨及磨料的一些基本知識，著重介紹了離散磨料研磨技術與固結磨料研磨技術的研究背景、原理及性質特點等，并對兩者進行了比較。一 研磨研磨是一種重要的精密和超精密加工方法，內于其不斷發(fā)展善，定義也在不斷地變化。早年德國的經濟加工協(xié)會曾給研磨定義為：研磨是一種加工方法，在工件和工具之間無強制導引，利用研磨劑，在不斷變更方向的情況下相互滑動。這個定義是較為原始的基本定義，沒有體現(xiàn)出研磨的特征。所以，后來有人給研磨又下了定義：用研磨工具和研磨劑從工件表面上磨去一層極薄的金屬，使上件表團達到精確的尺寸、準確的幾何形狀和很低的表面粗糙度值，這種精密加工的方法，叫研磨。這個定義強調了研磨的特征，但也限制了加工工工件的材料范圍，僅指金屬似乎不妥。由于材料科學的進步和發(fā)展，非金屬材料的大量涌現(xiàn)，其應用日益廣泛，所以研磨加工對象也應包括非金屬。因而，研磨可以表述為；利用磨具通過磨料作用于工件表面，進行微量加工的過程。研磨加工除了加工精度和加工質量尚這一特點外，還具有加工材料廣，幾乎可以加工任何固態(tài)材料的特點。正是內于這一特點，研磨加工方法的應用比較早。在原始社會，人類的祖先就用研磨方法來加工貝殼、骨制品、石器及一些器皿等。盡管研磨加工效率低，但在當時由于切削刀具材料比較落后，研磨對于這些材料的加工常常是惟一可行的加工方法。后來，內于切削刀具材料的發(fā)展切削加工因加工效率高而逐漸受到重視，使得切削加工在機械加工領域中所占比例增加，而研磨加上在機械加工領域所占比一度減少。但近幾年來，隨者社會的進步，人們對產品性能的要求日益提高(影響產品性能的主要因素包括其構件的加工精度和加工質量)，研磨加工以其加工：精度和加工質量高而再次受到了人們的關注。特別是最近幾年信息技術、光學技術的發(fā)展，對光學零件不僅需求量增大，而且對其質量、精度都提出了很高的要求而研磨作為光學加工中一種非常重要的加工方法，起著不可替代的作用。岡此許多人從事著研磨加工技術的研究，其宗旨都是進一步提高研磨加上效率、加工精度，降低加工成本。 目前國內外研磨加工主要還是采用離散磨料在慢速研磨機上研磨。其特點是加工精度高、加工設備簡單、投少，但是加工精度不穩(wěn)定、加工成本高、效率低。正是由于離散磨料研磨存在一些不足，所以許多學者在研究改進這種研磨加工技術。 有人研究新型研磨液，以改善研磨效果；還有人研究不問磨料和不同材料磨盤的研磨效果，以尋求對應于不同工件的最佳磨料及磨盤。 研磨加工面形范圍很廣，幾乎可以加工任何面形的工件。對于不同面形的工件，研磨加工方式不同，于是人們針對不同面形的工件探討了不同的加工方法。 在金屬切削加工中，刀具的質量直接影響著被加工工件的質量。為提高工件的質量，人們對刀具提出了較高的要求，特別是用于精密和超精密加上的金剛石刀具都要采用研磨加工。因此國內外一些人專門從事刀具研磨加工技術研究，取得了一些進展。 為了提高研磨加工效率，在研磨中不僅一次研磨加工工件的一個表面，而且還可以同時加工工件的兩個表面。于是有人研制出雙面研磨機。 球面是一種較為常用的曲面，特別是在光學系統(tǒng)中和軸承上，其研磨加工量非常大。因此有人專門研究了球面研磨加工技術、加工機床及加工機理，取得了很好的效果。 在光學系統(tǒng)中應用非球團元件可以使復雜的系統(tǒng)結構變得較為簡單。它們pJ以有效地消除像差，提高系統(tǒng)的成像質量。在多元件系統(tǒng)中，一個非球面元件可以代替兩個，有時甚至是三個球面元件，這樣就可以大大減小系統(tǒng)的尺寸及質量，提高穩(wěn)定性，降低成本。因此非球面研磨加工就顯得十分重要。許多人從事非球面研磨加工技術的研究，井將之應用于生產。 研磨機是保證研磨加工的重要條件，因此人們專門研究了各種不同研磨機。有人還針對不同的工件，研究出的簡易專用研磨裝置。為了提高研磨加工效率，人們在研磨加工自動化方面也做了許多工作，從而實現(xiàn)了連續(xù)研磨加工。特別是有人將計算機引人研磨機中，以進行特殊曲面加工。還有人將監(jiān)測技術引入研磨加工中，對研磨過程進行監(jiān)控。通過這些研究，研磨加工技術水平得到了很大提高。 這些新型研磨加工技術如下圖1.1所示分類二 磨料2.1 定義 磨料是具有棱角、一定的硬度和韌性的粉末狀粒狀物質,它在研磨加工中對工件的加工起關鍵性的作用 。2 .2 磨料的基本要求 由于磨料在研磨加工時直接作用于工件表面，起切削加工作用，因此對磨料有一定的要求。 1)硬度足磨料的最基本要求，它應比被加工材料硬因為磨料顆粒硬高， 才能夠切入被加工物體內，使低硬度的物體表面受到加工 2)韌性要高，不應因為有研磨壓力，而引起破壞，且不易磨損。 3)應有適當?shù)淖凿J性，隨研磨壓力而產生相應的小碎屑，應呈貝殼狀斷口的多角形。4)熔點或軟化點應比被加工物高，研磨發(fā)熱時，磨粒尖端不應融化或變軟。 5)化學穩(wěn)定性要好，以免在加工過程中，與其他物質起化學反應。 6)形狀和粒度應均勻一致，每號磨料顆粒的尺寸應限制在一定的范圍內。2.3 磨料的種類 常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系及軟磨料系等四類。氧化物系磨料的主要成分是Al2O3，由于它們的純度不同、結晶工藝不同，而分成不同的品種。氧化物系磨料因其強度、韌性大，與鋼鐵不發(fā)生反應，主要用于研磨鋼類零件。碳化物系磨料主要以碳化硅、碳化硼等為基體。由于它硬度高、強度低、韌性低，與鋼鐵發(fā)生化學反應，故主要用于研磨鑄鐵、硬質合金、寶石等硬面脆的材料。高硬度磨料系主要有金剛石及立方晶氮化硼。金剛石是硬度最高的磨料，適用于研磨除鋼鐵材料以外的所有材料，特別適合于研磨硬而脆的硬質合企、寶石、光學玻璃等。立方氮化硼是硬度僅 次于金剛石的人造材料，它出為耐熱件(1400C)高于金剛石 (800C)，對鐵族金屬的化學惰性高，特別適合于研磨硬而韌的鋼 材。在加工高速鋼、模具鋼、耐熱鋼時，立力氮化硼的切削能力為 金剛石的(510)倍。立方氮化硼的切削刃鋒利，可減少研磨時的 塑性變形，研磨加I出的工件表面質量比用一般磨料高。此外，用 立方氮化硼磨料研磨的工件表面層的殘余應力為壓應力，故所加 工的工件耐磨性較高。 立方氮化砌磨料在高溫時(1000C)與水容易產生化學變化，使磨料消耗增大，故用立方氮化硼磨料時小宜用水質切削液。 軟磨料主要是用于拋光，而不適合于研磨，所以這里就不介紹軟磨料?，F(xiàn)將有關的磨料特性列于表2-1三 游離磨料研磨技術3.1 加工原理 游離磨料研磨技術是指在慢速研磨機上用游離磨料進行慢速 研磨加工的方法。它是目前普遍采用的傳統(tǒng)研磨技術。其原理如圖3.1所式，電動機6通電后，電機通過蝸輪7減速，帶動研磨盤4慢速旋轉。磨盤用軸承5支撐在研磨機機架上。工件2與分離器3一起在研磨盤上。工件2上還壓有重物1。磨盤轉動帶動著工件和分離器繞著磨盤問轉中心轉動的向時，它們之間也存在著相對運動，這個運動就對工件產生了研磨作用(工件與磨盤間有磨料8)。分離器3的作用是避免磨盤上過多的工件之間的碰撞，并對磨盤進行一定的修整。重物1的作用是增大工件與磨料問的正壓力及其摩擦力，以提高研磨加工效率。.游離磨料研磨的特點 1)磨料散置于磨盤上，磨盤轉速不能太高，以避免磨料飛濺，浪費磨料，因此加上效率低。 2)磨料與從工件上磨下的碎屑混淆在一起，磨料不能充分發(fā)揮切削用，而且為提高加工效率過要經常將磨料與這些碎屑一起清洗掉，這既很費了能源、又浪費了磨料。 3)磨料在磨盤上是隨機分布的，只分布密度不均，造成對工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制； 特別是磨料均工件間的相對運動具有隨性，這也增加了工件面形精度的不確定因素，降低了加工精度的穩(wěn)定性。 4)在研磨加工過程中，磨料相互間既有作用力，又有相對運動，這造成了磨料之間產生切削作用，即磨料磨磨料，加重了磨料和能源的浪費。 5)在研磨過程小，大尺寸的磨料承受較大的壓力，而小尺寸的磨料所受到的壓力小，甚至不受壓力，這使得大顆粒磨料切削深度大，產生的劃痕深，影響表面質量，因此為提高工件表面質量，游離磨料研磨對磨料的尺寸均勻件要求較高。6)在研磨加工中要嚴格控制冷卻液的流量，以避免沖走磨料，這使得冷卻效果變差，容易引起工件升溫，造成加工精度下降。 7)在研磨過程中，磨盤產生的磨損影響加工工件的面形精度，這就要求經常修整磨盤，而修整磨散要求三個磨盤相萬對研，既費事麻煩，又對上人操作技術水平要求高。 8)為避免粗研中所用的大顆粒磨料被帶到下道精研加工中，影響精研加工質量，要求各研磨工序間要對工件進ff嚴格清洗。 9)污染環(huán)境。 10)工人勞動強度大，對工人技術水平要求高。 11)較硬的磨料容易嵌人較軟的工件表而內影響工件的使用性能。傳統(tǒng)的游離磨料研磨正足因為存在著上述這些缺點，使得其應用受到了定的限制。四 固結磨料研磨技術 4.1 加工原理 固結磨料研磨技術是指將游離的磨料固結起來，制成專用磨具，在高速研磨機上進行高速研磨的方法。 固著磨料研磨原理如圖41所示，電機通過傳動機構帶動磨盤以角速度 繞研磨機主軸旋轉。工件置于磨盤上。磨盤上固結著磨料以對工件產生研磨切削作用。我們將磨科與磨盤一起統(tǒng)稱為磨具。壓頭通過壓蓋將工件壓向磨具。其作用是使工件和磨具間產生研磨壓力，同時又限制了工件的移動，只允許工件繞壓頭中心回轉。固結磨料研磨所采用的加工設備是高速研磨機床,如上圖4.2所式,這是西安秦川(集團)發(fā)展總公司生產的PJM320B平面精磨機,下圖4.3為該機床的總體分布圖。4.2 研究背景及現(xiàn)狀 固結磨料研磨國外是在20世紀60年代發(fā)展起的，我國是20世紀70年代發(fā)展起來的。固結磨料研磨較好地解決了傳統(tǒng)的游離磨料慢速研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特點是能顯著提高研磨加工效率，而加工效率低是限制傳統(tǒng)研磨廣泛應用的最大障礙，因此固著磨料高速研磨一出現(xiàn)就受到了人們的重視。長春理工大學從20世紀70年代起開始從事因著磨料研磨加工技術的研究，并成立了專門從事這一技術研究的課題組，探討了在固著磨料研磨中，研磨壓力、研磨速度、冷卻液等對研磨效率和加工質量的影響。當時加工對象僅限于玻璃，因此所探討的固結磨料研磨加工的各參數(shù)的作用一般都是指加工玻璃。這些研究有力的推動了這一新技術的推廣應用。但固結磨料研磨也存在一個新的問題，就是磨具在研磨中會出現(xiàn)磨損，這就導致了磨具的面型精度下降，以致被加工件面形精度下降。這就要求人們要經常地及時休整磨具。以往的游離磨料研磨。使用的磨盤加工性相對來說比較好。而用于固結磨料研磨的磨具表面上固結著極耐磨的磨料。這使得磨具休整十分困難，因此限制了固結磨料研磨的廣泛應用。4.3 磨具的制作 磨具是固結磨料高速研磨所采用的切削工具。對于高速研磨來說磨具對研磨加工的影響比較大，它直接影響著研磨加工度、加工質量、加工效率和加工成本。因此,磨具的制作是固結磨料研磨技術中很關鍵的一個環(huán)節(jié),一般情況下，磨具是根據(jù)被加工工件的具體要求以及研磨機的狀況來設計和制作的。磨具主要由切削部分、支撐部分和安裝夾持部分組成，如下圖4.4所示。切削部分的主要作用是對被加工工件表面進行微量切削。事實上在研磨加工過程中，不僅是磨料對工件表面進行切削作用，還存在著其它加工作用，但切削作用是研磨加廠的主要形式。磨具的支撐部分一殷是根據(jù)被加工件表面廓形上需要，盡量按工件表面廓形制造，以減小修整磨具的工作量。安裝夾持部分是根據(jù)所采用的機床及研磨加工運動關系來決定的。磨具的制作過程如上圖4.5所示,先把磨料制作成丸片,同時設計好磨盤,再將丸片粘結在磨盤上,形成磨具的切削部分,最后把磨具固定到研磨機上。.4 固結磨料研磨對工件表面殘余應力的影響1) 磨料尺寸對工件表面殘余應力的影響磨料尺寸是影響研磨過程的重要因素，它不僅影響研磨加工過程中的研磨力溫度而且影響研磨后的工件已加工表面質量。因此要探討磨料尺寸大小對工件已加工表面殘余應力的影響規(guī)律固定其它研磨參數(shù)只改變磨料粒度進行研磨試驗得到了工件已加工表面殘余應力隨磨料尺寸變化規(guī)律，由圖4.6 可見，經研磨加工過的工件表面均呈壓應力。這是因為研磨過程是由大量的高硬度的磨料作為刀具進行微量切削工件表面的過程，而磨料作為刀具具有很大的負前角這就使其在加工過程中，在工件表面產生很大的壓應力和塑性變形，由于塑性變形在加工后也難以恢復，因此壓應力就殘留在工件表面上從圖4.6也可以看出，工件表面的壓應力隨著磨料尺寸變大而變大，這是因為磨料尺寸變大時同時作用于工件加工表面上的磨料數(shù)量就會減少，每個磨粒對工件的壓強增大，產生的壓應力大，所以殘余應力增大。由圖4.6 還可看出，隨著磨料尺寸的增加，殘余應力隨磨料尺寸變化速度變緩，這是因為隨著磨料尺寸進一步變大，磨粒對工件表面產生的壓應力增加，但這個應力一旦達到工件材料的屈服極限后就很難再繼續(xù)增加。其宏觀表現(xiàn)就是磨料工件間的壓力增加緩慢，所以殘余應力增加速度也亦變緩。由試驗結果發(fā)現(xiàn)，當要求工件表面的殘余壓應力較小時，可以采用較細的磨料研磨來獲得，當需要工件表面具有較大的壓應力時，可增大磨料尺寸來獲得，但磨料尺寸不宜過大，因為當磨料尺寸過大時，工件表面殘余壓應力增加不明顯，另外磨料尺寸過大，工件表面粗糙度值將會增大，不利于提高工件表面質量總體指標。2) 研磨壓力對工件表面殘余應力的影響研磨壓力是引起工件表面產生殘余應力的直接原因，它對工件表面殘余應力的影響比較大，固定其它參數(shù)，只改變研磨壓力進行研磨試驗，以探討研磨壓力對工件已加工表面殘余應力的影響規(guī)律，試驗結果如圖4.7所示，從圖中可以看出，增大研磨壓力，工件表面殘余可、應力增大。這是因為增大研磨壓力，就增加了磨料與工件加工表面間的壓應力，增加了工件表面的塑性變形，這必然增大了工件表面的殘余壓應力，生產中可通過改變研磨壓力來條調整已加工表面的殘余應力。3) 研磨速度對工件表面殘余應力的影響固著磨料研磨的研磨速度較傳統(tǒng)散粒磨料研磨速度高出很多，而且變化范圍大，它是固著磨料研磨中的一個重要參數(shù)，固定其它參數(shù)，只改變主軸轉速進行研磨試驗，以探討研磨速度對工件已加工表面殘余應力的影響規(guī)律，如圖4.8 所示，從圖中看出隨著研磨速度的提高，工件已加工,表面的殘余壓應力增大，特別是殘余壓應力隨研磨速度增大的變化率隨研磨速度的提高也變大。對于固著磨料研磨研磨速度高，這與傳統(tǒng)的散粒磨料慢速研磨不同。通常情況下的工件材料的彈性模量以及屈服應力都是指其在靜態(tài)和準靜態(tài)情況下的值，而在固著磨料研磨中，研磨速度高工件變形速度跟隨研磨速度的能力變差，這就相當于提高了工件的彈性模量和屈服極限，增大材料強度和研磨阻力，結果導致了工件已加工表面殘余應力的增加，當研磨速度較高時，工件變形跟隨研磨速度的能力變差更為明顯，因此，當研磨速度過高時，工件表面殘余應力隨研磨速度增加得更快。4) 固結磨料研磨對工件表面耐磨性的影響由前面可以看出，增大磨料尺寸、研磨壓力和研磨速度都有利于增加工件表面的壓應力因而有利于提高工件表面的耐磨性，實際上與傳統(tǒng)散粒磨料研磨相比，固著磨料的研磨壓力和研磨速度均很高，而且對應于同一工件表面粗糙度要求，固著磨料研磨的磨料尺寸也相應大些，這表明采用固著磨料研磨加工的工件表面壓應力較大，耐磨性相應地要好，這一點用加工機械密封為例進行相應的試驗，采用傳統(tǒng)散粒磨料研磨加工的機械密封的使用壽命一般為34 月，而采用固著磨料研磨加工的機械密封使用壽命達12年。這證明了固著磨料研磨能提高工件表面的耐磨性，其中一個重要原因就是固結磨料研磨能提高工件表面壓應力.5 固結磨料研磨的特點（與游離磨料研磨相比）工件的受力易于分析。對于傳統(tǒng)的游離磨料研磨，磨料散置于磨盤上，其運動是隨機的，磨料對工件的研磨切削力的大小和方向也是隨機的，這就使得分折磨料對工件的作用力十分困難。因此，迄今無人探討磨料對工件的作用力。而在固結磨料高速研磨中，磨料與磨具一起運動，其運動規(guī)律是已知的，這就為我們研究磨料對工件的作用力提供了必要條件。）磨料的密度分布具有可控性。在游離磨料研磨中，磨料在磨盤上是隨機分布的，而且隨著磨盤的運動而不斷的變化，因此磨料的密度分布不均勻且無法控制。而在固結磨料研磨中，磨料被做成丸片粘結在磨盤的許多位置點上，磨料的密度分布是可控的。因此，根據(jù)工件磨具間的相對運動軌跡密度分布，合理地設計磨具上磨料密度分布，以使磨具在研磨過程中所出現(xiàn)的磨損不影響磨具面形精度，從而避免修整磨具的麻煩。）研磨速度快，研磨效率高。在游離磨料研磨中，由于磨料是離散的分布在磨盤上，研磨速度不能過快，以避免磨料飛濺，另外在研磨過程中，磨料相互間既有作用力，又有相對運動，這就造成了磨料之間產生切削作用，即磨料磨磨料，加重了磨料的浪費，這就使得研磨加工效率低，加工成本高。而在固結磨料研磨中，因為不存在磨料飛濺問題，所以可以采用較高的轉速，一般在rmin，從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。對于游離磨料研磨，磨料的尺寸不可能完全一致。在研磨時磨料置于磨盤上，當放上工件后，工件表面主要與尺寸較大的磨料參與較大的磨料接觸，如下圖.(a)所示，所以主要是尺寸較大的磨料參于研磨加工，這使得參于磨料的磨料數(shù)量少，每個參于研磨的磨料承擔的壓力大，壓強大，研磨加工量大，而且它們之間的間距也大，研磨加工產生的劃痕深，而且寬，所以游離磨料研磨加工的工件表面比固著磨料研磨加工的工件表面粗糙。對于固結磨料研磨，磨料由結合劑固結在一起制成磨具。當工置于磨具之上后，由于有結合劑的作用，不僅尺寸大的磨料能與工件表面接觸，而且許多尺寸較小的磨料也能與工件表面接觸，如上圖.6（b）所示，使得與工件表面接觸的磨料數(shù)量多，同時參于研磨加工的磨料數(shù)量多，每個磨料承受的壓力小，壓強小，研磨加工深度淺，而且參與研磨的磨料間距小，工件已加工表面粗糙度值小，已加工表面質高。）磨具修整困難。磨具在研磨過程中，必然會出現(xiàn)磨損，這就要影響加工工件的面形精度。當磨具出現(xiàn)磨損時，可采用修整磨具的方法來解決。修整磨具有在線修整和離線修整。磨具的在線修整是在工件外面加上修整環(huán)(也稱之為分離器)，在研磨工件的同時，也研磨修整環(huán)，反之修整環(huán)也引起磨具磨損，通過控制修整環(huán)，就能調整其對磨具引起的磨損，減小磨具磨損后磨具表面產生的面形誤差，減輕磨具磨損造成的加工工件面形精度下降的趨勢。磨具的離線修整是將磨具拆卸下來后用研磨 (當磨具面形精度太時，對其應允切削加工一下)方法修平。在修整磨具時，為了較好地保證磨具的面形精度，一般來說，需要三個研磨盤相互對研。游離磨料研磨磨具材料的加工性相對來說較好些，但由于對磨具面形精度要求高，磨具尺寸較大，修整很困難，而且對操作者技術水平要求高。對于固結磨料研磨，因為磨具表面固結著極耐磨的磨料，其