精密和超精密磨削
1.精密和起精密摩削
在工具和模具制造中,磨削是保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量的最后一道工序。技術(shù)關(guān)鍵除磨床本身外,磨削工藝也起決定性作用。在磨削脆性材料時,由于材料本身的物理特性,切屑形成多為脆性斷裂,磨削后的表面比較粗糙。在某些應用場合如光學元件,這樣的粗糙表面必須進行拋光,它雖能改善工件的表面粗糙度,但由于很難控制形狀精度,拋光后經(jīng)常會降低。為了解決這一矛盾,在80年代末日本和歐美的眾多公司和研究機構(gòu)相繼推出了兩種新的磨削工藝:塑性磨削(Ductile Grinding)和鏡面磨削(Mirror Grinding)。
(1)塑性磨削 它主要是針對脆性材料而言,其命名來源出自該種工藝的切屑形成機理,即磨削脆性材料時,切屑形成與塑性材料相似,切屑通過剪切的形式被磨粒從基體上切除下來、所以這種磨削方式有時也被稱為剪切磨削(Shers Mode Grinding)。由此磨削后的表面沒有微裂紋形成,也沒有脆性剝落時的無規(guī)則的凹凸不平,表面呈有規(guī)則的紋理。
塑性磨削的機理至今仍不十分清楚,在切清形成由脆斷向塑性剪切轉(zhuǎn)變的理論上存在各種看法。大多數(shù)研究者認為,當磨粒的切削深度小到一定程度時,切屑就由脆斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗軘啵@一切削深度被稱為臨界切削深度,它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關(guān)。一般來說,臨界切削深度在100μm以下,因而這種磨削方法也被稱為納米磨削(Nanogriding)。根據(jù)這一理論。有些人提出了一種觀點,即塑件磨削要特殊磨床來實現(xiàn)。這種特殊磨床必須滿足如下要求;
l)極高的定位精度和運動精度。以免因磨粒的切削深度超過100μm時,導致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ鳌?br> 2)極高的剛性。因為塑性磨削的切削力遠超過脆件磨削的水平,機床剛性太低,會出切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。
對形成塑性磨削的另一種觀點認為切削深度不是唯一的因素,只有磨削溫度才是切屑由脆性向塑性轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。從理論上講,當磨粒與工件的接觸點的溫度高到一定程度時,工件材料的局部物理特性會發(fā)生變化,導致了切屑形成機理的變化。作者從實踐中找到了支持這種觀點的許多證據(jù):比如在一臺已經(jīng)服役20多年的精度和剛度水高的平面磨床上磨削SiC陶瓷,用4000#的金剛石砂輪,工件表面粗糙度小于Rq5μm表面上看不到脆斷的痕跡。另外德國亞琛工業(yè)大學的K0nig教授作了如下試驗.在普通的車床廠,用激光局部加熱一個SiN 陶瓷試件,即能順利地進行切削。這些實驗均間接地說明溫度對切屑形成機理有決定性的影響。
(2)鏡面磨削 顧名思義,它關(guān)心的不是切屑形成的機理而是磨削后的工件表面的特性,當磨削后的工件表面反射光的能力達到一定程度時,該磨削過程被稱為鏡面磨削。鏡面磨削的工件材料不局限于脆性材料,它也包括金屬材料如鋼、鋁和鉬等。為了能實現(xiàn)鏡面磨削,本東京大學理化研究所的Nakagawa和Omori教授發(fā)明了電解在線修整磨削法ELID(Electrolytic In-Process Dressing)。
鏡面磨削的基本出發(fā)點是:要達到鏡面,必須使用盡可能小的磨粒粒度,比如說粒度2μm乃至0.2μm。在ELID發(fā)明之前,微粒度砂輪在工業(yè)上應用很少,原因是微粒度砂輪極易堵塞,砂輪必須經(jīng)常進行修整,修整砂輪的輔助時間往往超過了磨削的工作時間。ELID首次解決廠使用微粒度砂輪時,修整與磨削在時間上的矛盾,從而為微粒度砂輪的工業(yè)應用創(chuàng)造條件。
ELID磨削的關(guān)鍵是用與常規(guī)不同的砂輪,它的結(jié)合劑通常為青銅或鑄鐵。圖12是ELID在平面磨床上應用的原理及實驗裝置。在使用ELID磨削時,冷卻潤滑液為一種特殊的電解液。當電極與砂輪之間接上某一電壓時,砂輪的結(jié)合劑發(fā)生氧化。在切削力作用下,氧化層脫落從而露出了鋒利的磨粒(圖13)。由于電解修整過程在磨削時連續(xù)進行,所以能保證砂輪在整個磨削過程中保持同一鋒利狀態(tài)。這樣既可保證工件表面質(zhì)量的一致,又可節(jié)約以往修整砂輪時所需的輔助時間,滿足了生產(chǎn)率要求。
ELID在平面磨床上的應用原理及實驗裝置
a) ELID磨削原理 b)砂輪與修整器外觀
ELID磨削方法除適用于金剛石砂輪外,也適用于氮化硼砂輪,應用范圍幾乎可以覆蓋所有的工件材料。它最適合于加工平面,磨削后的工件表面粗糙度可達到Rq1nm的水平,即使在可見光范圍內(nèi),這樣的表面確實可以作為鏡面來使用。ELID磨削的生產(chǎn)率遠遠超過常規(guī)的拋光加工,故在許多應用場合取代了拋光工序。最典型的例子就是加工各種泵的陶瓷密封圈,傳統(tǒng)的工藝是先磨再拋光,采用ELID磨削,只需一道工序,既節(jié)約時間又節(jié)省投資。
ELID也被用于加工其他幾何形狀如球面、柱面和環(huán)面等。按鏡面的不同要求,可用于部分取代拋光或把拋光的時間降到最低的水平。
ELID磨削雖有上述優(yōu)點,但在某些應用場合也有一些缺點。比如在磨削玻璃時,如果采用較大的粒度(2μm),由于砂輪的磨粒連續(xù)更替,部分磨粒不斷脫離結(jié)合劑而成為自由磨粒,這些磨粒在工件與砂輪間作無規(guī)則的滾動,個別磨粒會在工件表面上造成局部的無規(guī)則的刻痕,其深度有時能超過磨粒的半徑倍。圖14是一個EIJD磨削過的工件表面,若不考慮局部的刻痕,其表面粗糙度已達Rq5nm的水平,但由于這樣的刻痕,使工件的拋光量要增加到3~5μm,鏡面磨削的應用價值在這種情況下被相應地減弱。
由此可見,是否要采用鏡面磨削,關(guān)鍵在于應用場合。假如個別刻痕不影響工件的使用,鏡面磨削可以取代研磨和拋光,并提高生產(chǎn)效率。否則必須綜合考慮所有的加工過程以確定最佳的加工工序的組合。