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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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