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磨削技術(shù)

工程陶瓷的高效磨削方法

發(fā)布時(shí)間：2020/6/6

　　　　　　　　　　　　　工程陶瓷的高效磨削方法
　　隨著工程陶瓷種類(lèi)的增多與性能的提高，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。在近十多年里，工程陶瓷在航空航天、國(guó)防軍工、電子信息、能源動(dòng)力等行業(yè)都有大量的應(yīng)用。要高效地將工程陶瓷材料制作成不同需求的高質(zhì)量功能零件，磨削技術(shù)的作用和地位異常重要。下面介紹幾種工程陶瓷磨削的新工藝與新方法。
　　(1)工程陶瓷的高效深切磨削技術(shù)
　　高效深切磨削技術(shù)既不同于一般的磨削加工又不同于緩進(jìn)給磨削，它被認(rèn)為是現(xiàn)代磨削技術(shù)的精華，是在通用普通或精密磨床上以快速進(jìn)給大切深的加工方式實(shí)現(xiàn)材料的高效加工，既能達(dá)到高的材料切除率，又能得到較好的表面質(zhì)量的一種技術(shù)。高效深切磨削技術(shù)加工出，鷯工件，表面粗糙度與普通磨削相當(dāng)，但其切除率比普通磨削高100~2000倍，因此高效深切磨削技術(shù)在粗磨加工中具有十分顯著的優(yōu)越性。高效深切磨削與一般普通磨削、緩進(jìn)給磨削的工藝參數(shù)對(duì)比如表16所示。
　　表16高效深切磨削與一般普通磨削、緩進(jìn)給磨削的工藝參數(shù)的比較

工藝參數(shù)＼磨削方法	一般普通磨削	緩進(jìn)給磨削	高效深切磨削
磨削深度ap/mm	0.005~0.05	0.1~20	0.1~15
工件速度uw/m·min-1	1~30	0.01~5	3~20
砂輪速度us/m·s-1	15~60	20~60	30~80
材料切除Zw/mm3·(mm·s)-1	0.1~10	1~20	100~2000

　　根據(jù)表16所示的對(duì)比結(jié)果，可將高效深切磨削技術(shù)的基本特征歸納如下：①機(jī)床進(jìn)給速度相對(duì)緩進(jìn)給磨削要快得多，而相對(duì)一般磨削加工的進(jìn)給速度稍有偏低，并完全避開(kāi)了工作臺(tái)的爬行速度區(qū)；②磨削砂輪只能選用高強(qiáng)度性能的樹(shù)脂結(jié)合劑超硬磨料砂輪或具有良好容屑能力的陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼砂輪；③砂輪的工作線速度不宜低于25m/s，砂輪速度越高對(duì)改善加工條件越有利：④在粗磨工序中的磨削加工效率很高，是傳統(tǒng)普通砂輪磨削效率的幾百倍甚至上千倍：⑤砂輪磨損極小，磨削比很大，一般Gv大于等于200，有的甚至達(dá)Gv大于等于2000；⑥不僅適宜于粗磨加工，而且也可用于精磨加工。
　　(2)工程陶瓷的定壓力磨削法
　　所謂定壓力磨削法是指在恒定壓力下磨削工程陶瓷。圖16給出了定壓力磨削條件下各種工程陶瓷的加工壓力P與磨削切除率Zw的關(guān)系。由圖可知，AL2Oa陶瓷的切除率最高，SiC、ZrO2與Si3N4陶瓷的切除率均較低。由于Al2O3和SiC陶瓷的斷裂韌性值小，磨削時(shí)主要通過(guò)裂紋擴(kuò)展萌生周部破壞而生成剝落破碎型切屑，所以材料容易被去除。而ZrO2和 Si3N4陶瓷的韌性較好些，磨削時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形流動(dòng)，材料切除相對(duì)較困難，其切除率低。用電子顯微鏡觀察磨酎加工表面形貌，可發(fā)現(xiàn)在ZrO2和Si3N4陶瓷的磨削加工表面上，明顯地呈現(xiàn)類(lèi)似金屬磨削表面上的條狀長(zhǎng)磨痰，而SiC和Al2O3陶瓷的磨削表面上沒(méi)有條狀磨痕，呈現(xiàn)沿晶及穿晶擠壓破碎型的無(wú)規(guī)則狀，并且晶粒都很粗大。由此來(lái)看，工程陶瓷的種類(lèi)、結(jié)晶方式、晶粒大小及斷裂韌性大小均對(duì)磨削切除率有影響。
　　在定壓力磨削條件下，磨削時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，砂輪工作表面上的磨粒微刃會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損，使其鈍化，從而導(dǎo)致砂輪鈍化、磨粒脫落和砂輪堵塞等。定壓力磨削時(shí)，隨著時(shí)間的增加，各種工程陶瓷的磨削切除率也會(huì)發(fā)生變化。在磨削初期，由于砂輪微刃鋒利，AL2O3的切除率最高，Zr02陶瓷最低，其切除率的高低順序是Al2O3-SiC-Si3N4-ZrO2。磨削繼續(xù)進(jìn)行，Si3N4陶瓷的切除率下降最快，其次是SiC陶瓷。ZrO2陶瓷的磨削切除率下降最小，幾乎不發(fā)生變化。通過(guò)磨削切除率的變化比例可以判斷工程陶瓷的可磨削性，其中Si3N4陶瓷最難磨削，其砂輪鈍化較嚴(yán)重。
　　(3)工程陶瓷的鏡面磨削法
　　隨著工程陶瓷在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，對(duì)其表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高。由于工程陶瓷具有很高的硬度和較好的韌性，所以從加工效率與加工精度方面考慮，目前多采用鏡面磨削代替?zhèn)鹘y(tǒng)研磨加工的方法。鏡面陶瓷零件是典型零件之一。
　　ELID(Electrolytich In—process Dressing)磨削技術(shù)是一種對(duì)金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪在線電解修整的復(fù)合磨削技術(shù)。使用金屬結(jié)合劑超硬磨料微粉砂輪進(jìn)行磨削時(shí)，砂輪極易產(chǎn)生砂輪表面堵塞問(wèn)題。采用ELID技術(shù)，可以保證砂輪在磨削過(guò)程中始終保持銳利狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生切屑堵塞砂輪現(xiàn)象，從而使得用微細(xì)、超細(xì)超硬磨料制作性能優(yōu)異的砂輪成為可能。采用ELID磨削技術(shù)，可對(duì)工程陶瓷進(jìn)行高效率鏡面磨削，其表面粗糙度R口的值可達(dá)10nm以下的水平。
　　圖17給出了ELID法用在精密臥軸矩臺(tái)平面磨床上進(jìn)行鏡面磨削的原理圖。磨削時(shí)，砂輪接專用電解電源的正極，紫銅接其負(fù)極。磨削液選用非線性弱電解質(zhì)堿性冷卻潤(rùn)滑液，磨削液的基本特性如表17所示。進(jìn)行ELID修銳的金屬結(jié)合劑砂輪一般需經(jīng)Ra火花精密整形后才能實(shí)施，目的是使微細(xì)磨料盡可能等高地分布在砂輪工作表面上。
　　

　　圖17 ELID鏡面磨削的原理圖
　　表17磨削液的基本特性

磨削液種類(lèi)	濃度	酸堿度pH	電導(dǎo)率/n-1·cm-1
AFG-M	50倍稀釋	8~9	9.49×10-3
CEM	50倍稀釋	8~9	9.03×10-3
XGD-4	50倍稀釋	8~10	(6.16~10.05)×10-3

　　在電解修銳初期，經(jīng)過(guò)整形的砂輪表面導(dǎo)電性能良好，電流接近電源上設(shè)定的最大值，砂輪(正極)和電極(負(fù)極)間電位差較小。數(shù)分鐘后，砂輪結(jié)合劑(主要成分為Fe)從表面溶出，大多數(shù)Fe元素被離子化，離子化的Fe2+與OH-相結(jié)合，生成Fe(OH)z， Fe(oH)2進(jìn)一步氧化便會(huì)生成Fe(OH)3，然后這些物質(zhì)再轉(zhuǎn)變成Fe203氧化膜，黏附于砂輪表面，產(chǎn)生層絕緣膜，砂輪的導(dǎo)電性將隨絕緣層的增厚而減弱。經(jīng)過(guò)初期電解修銳的砂輪開(kāi)始磨削，微細(xì)磨料和工件接觸，顯露的磨粒逐漸磨損，絕緣層也隨之剝落。絕緣層膜變薄后，砂輪表面的電導(dǎo)率增大，促進(jìn)電解繼續(xù)進(jìn)行，并重復(fù)上述現(xiàn)象。隨著絕緣膜的增厚，結(jié)合劑則不斷剝蝕，磨粒不斷露出，從而保證砂輪在磨削過(guò)程中始終保持有良好的銳利性，如圖18所示。超硬磨料砂輪修銳的效果取決于磨料的粒度和修整條件。欲獲得理想的修銳表面，應(yīng)控制磨粒的磨損和脫落速度小予結(jié)合劑電解蝕除速度，從而確保砂輪表面始終有相當(dāng)多的磨粒參與切削，從而達(dá)到優(yōu)異的磨削效果。
　　利用上述的ELID鏡面磨削系統(tǒng)，在精密臥軸矩臺(tái)平面磨床MM7120A上加工金屬陶瓷，表面粗糙度R口可達(dá)20nm；用粒度為8000#的鑄鐵纖維結(jié)合劑金剛石砂輪(CIFB)磨削SiC陶瓷表面，表面粗糙度m可達(dá)4.9nm日本大森整博士等還曾使用3000000#鈷基結(jié)合劑金剛石砂輪(CB）磨削SiC陶瓷及Al2O3+TiN的金屬陶瓷，分別獲得了Ra為1.5nm及Ra為7.6nm的磨削表面。Al2O3+TIN陶瓷是一種多孔性陶瓷，磨削后將有空洞殘留在磨削表面上，因此欲使磨削表面達(dá)到鏡面是困難的。盡管如此，用超微細(xì)粒度金剛石砂輪，并采用ELID砂輪修整技術(shù)，仍獲得了超光滑表面。
　　利用ELID修銳技術(shù)，除可修整平面形砂輪外，也可修整杯形砂輪。利用8000#CIFB杯形砂輪磨削SiC陶瓷，表面粗糙度Ra達(dá)3.8nm 當(dāng)使用60000*#。CIFB杯形砂輪磨削SiC陶瓷時(shí)，則可使表函糖糙度Ra達(dá)2.4nm。用平面形金剛石砂輪磨削可獲得杯形砂輪磨削的同樣效果。
　　將ELID磨削技術(shù)應(yīng)用于鐵氧體基片的高效深切磨燃加工，通過(guò)控制工藝參數(shù)(修整電壓、磨削波、進(jìn)給速度、磨削深度等)能夠獲得較好韻加工效果。在同樣切深條件下， ELID磨削鐵氧體基片韻摩黼力遠(yuǎn)小于樹(shù)脂基金剛石砂輪磨削力。試驗(yàn)表明，ELID磨削方法適用于鐵氧體基片的高效磨削，在保證表面質(zhì)量的同時(shí)，還大幅提高了生產(chǎn)效率。由于采用ELID修整技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鏡面磨削，所以它可部分替代傳統(tǒng)的研磨拋光工藝，以使加工效率大幅度提高。
　　(4)工程陶瓷的超聲振動(dòng)磨削技術(shù)
　　國(guó)內(nèi)外的大量研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在陶瓷磨削中引入超聲振動(dòng)，不僅能夠大幅度提高磨削效率；而且能有效地改善陶瓷磨削表面質(zhì)量，因此，超聲振動(dòng)磨削技術(shù)在工程陶瓷加工中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　超聲振動(dòng)磨削是一種超聲波加工和磨削加工的復(fù)合加工工藝。其原理是：在傳統(tǒng)磨削的基礎(chǔ)上，給工件或者砂輪(一般在工件)附加上一維或者二維的超聲振動(dòng)，利用超聲波振動(dòng)和砂輪磨削的復(fù)合作用來(lái)形成加工表面。通過(guò)附加不同形式的振動(dòng)，超聲振動(dòng)磨削的加工效率和加工精度與傳統(tǒng)磨削相比均有明顯改善。
　　按照附加超聲振動(dòng)的維數(shù)和方向的不同，超聲振動(dòng)磨削可以分為一維超聲振動(dòng)磨削和二維超聲振動(dòng)磨削，其中一維超聲振動(dòng)磨削包括一維軸向超聲振動(dòng)磨削和一維徑向超聲振動(dòng)磨削，二維超聲振動(dòng)磨削包括二維平面超聲振動(dòng)磨削和二維橢圓超聲振動(dòng)磨削。一維軸向超聲振動(dòng)磨削是指砂輪或工件豹振動(dòng)方向平行予砂輪軸向(如圖19所示)，其優(yōu)點(diǎn)在于以較大幅度提高磨削表面質(zhì)量稀降低表面熱載荷。與一維軸向超聲振動(dòng)磨削相比，一維徑向超聲振動(dòng)磨削的振動(dòng)方向垂離予工件表面，其特點(diǎn)是能夠顯著減小磨削力及提高材料切除率，但是會(huì)導(dǎo)致砂輪磨損的增加和表面粗糙度的輕微增加。
　　

　　圖19一維軸向超聲振動(dòng)磨削示意圖
　　如圖20所示是二維平面超聲振動(dòng)磨削示意圖，其原理是在磨削平面內(nèi)，在平行于砂輪軸向和切向上附加兩個(gè)超聲振動(dòng)。如圖21所示是二維橢圓超聲振動(dòng)磨削示意圖，其原理是通過(guò)橢圓超聲振子對(duì)工件施加兩個(gè)方向的超聲振動(dòng)，一個(gè)方向?yàn)榇怪庇诠ぜ砻妫瓷拜啅较颍涣硪粋€(gè)方向?yàn)槠叫杏谏拜嗇S向，即垂直于砂輪線速度方向。附加振動(dòng)的形式和方向不同，其加工機(jī)理不同，因此其工藝效果和應(yīng)用場(chǎng)合也有所區(qū)別。
　　

　　圖20二維平面超聲振動(dòng)磨削示意圖
　　

　　圖21 二維橢圓超聲振動(dòng)磨削示意圖
　　用金剛石砂輪超聲波振動(dòng)磨削工程陶瓷時(shí)，材料切除速度uc隨加工壓強(qiáng)夕的增大而增高；另外，當(dāng)達(dá)到某一臨界壓強(qiáng)po時(shí)，磨粒才具有切削作用(如圖22所示)，上述磨削特點(diǎn)與使用普通砂輪磨削難加工材料時(shí)類(lèi)似。由該圖可見(jiàn)，超聲波振動(dòng)磨削對(duì)工程陶瓷磨削是十分有效的，不僅大大降低了開(kāi)始形成切屑的臨界壓強(qiáng)Po，而且在同樣的加工壓強(qiáng)條件下，超聲波振動(dòng)磨削的材料切除速度口。顯著增高。另外，超聲波振動(dòng)磨削的顯著優(yōu)點(diǎn)是可以減小或消除磨削表面裂紋。
　　如圖23所示為用超聲波振動(dòng)磨削不同工程陶瓷時(shí)的加工壓強(qiáng)Po與材料切除速度口。的關(guān)系。由該圖可知幾種工程陶瓷的臨界壓強(qiáng)Po如下：碳化硅(反應(yīng)燒結(jié))為2.4MPa；氮化硅(常壓燒結(jié))為4.8MPa；氧化鋁(92%)為1.1MPa：氧化鋁(99.5%)為1MPa。因此，超聲波振動(dòng)磨削工程陶瓷時(shí)的臨界壓強(qiáng)與被加工陶瓷的種類(lèi)和材質(zhì)有關(guān)。氧化鋁和碳化硅陶瓷的磨除速度均很高，而氮化硅陶瓷的切除速度相對(duì)前兩種陶瓷則較低，但相對(duì)無(wú)超聲振動(dòng)的普通磨削卻高出很多。
　　

　　圖23用超聲波振動(dòng)磨削不同工程陶瓷時(shí)的加工壓強(qiáng)與材料切除速度的關(guān)系
　　(砂輪：MBD_I100/120M100)砂輪速度礬=19m/s，超聲振動(dòng)頻事f=19.5kHz，振幅a=30Mm)
　　如圖24所示為一維軸向超聲振動(dòng)磨削的工藝效果。振動(dòng)參數(shù)：振幅為12um、振動(dòng)頻率為20.049kHz；磨具為樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪(粒度270#、濃度100%、規(guī)格φ50×35×φ127)；工件材料為Al2O3一ZrO2。結(jié)果表明與普通磨削相比，一維軸向超聲振動(dòng)磨削的材料去除率和表面粗糙度均得到了明顯改善：工程陶瓷的材料去除率是普通磨削的1.7~3.2倍，表面粗糙度可以降低10%~20%。
　　

　　圖24一維軸向超聲振動(dòng)磨削的工藝效果
　　研究表明，二維超聲振動(dòng)磨削在工程陶瓷加工方面也有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，超聲振動(dòng)磨削技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種加工硬脆性材料的可靠方法，它有效地解決了傳統(tǒng)磨削中磨削力大、磨削溫度高等所導(dǎo)致的磨削裂紋、磨削變質(zhì)層、砂輪易磨損堵塞等問(wèn)題，降低了加工成本，為硬脆性材料的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)途徑。

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