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一、精密磨削和超精密磨削

隨 著技術創新與高科技產品的不斷湧現,零件的加工精度和表面完整性要求愈來愈高。例如,廣泛用於液壓隨動系統中 精密偶件的閥芯與閥套的配合精度常要求達到 μm級,錄像頭、影碟機等精密零件的加工精度已提高到0.1μm,激光陀螺平面反射鏡的平面度誤差要求小於0.05μmRa<0.001μm。目前 作為傳統精密加工方法的磨削正在向超精密磨削、超精密研磨和拋光等方向發展。精密和超精密磨削的關鍵是最後一道工序,要從工件表面降去一層小於或等於工件 最後精度等級的表面層。因此,要實現精密或超精密磨削,首先要減少磨粒單刃切除量,而使用微細或超微細微粉的磨粒是減少單刃切除量的最有效途徑。日本鏡面 磨削時使用的磨具粒度為4000~8000#,其微粉的平均尺寸為1.5μm~4μm,加工後工件表面粗糙度可達Ra0.003μm~0.005μm。使 用粒徑為20nm的SiO2超微細微粉及錫拋光盤對藍寶石單晶進行無損超精密研磨的拋光,可獲得Ra<1nm的表面。目前精密量塊、光學平晶、集成電路的 硅基片等精密零件都是採用上述方法來獲得高質量的表面。為使研磨壓力均勻可控,近幾年來還開發了磁力研磨,磁流體超精研磨及彈性發射加工(EEM)等新技 術。

實現超精密磨削是一項系統工程,包括研製高速高精度的磨床主軸、導軌與微進給機構,精密的磨具及其平衡與修整技術,以及磨削環境的淨 化與冷卻方式等。我國 鄭州磨產磨具磨削研究所開發的噴塗陶瓷精密磨削工藝,其尺寸精度和加工表面粗糙度均與國外水平相當,磨削效率高於國外一倍左右。該工藝在張家口石油機械 廠、武漢青山熱電廠等單位使用後,取得了顯著的經濟效益。

二、開發了SG和ABN800等磨料新品種

SG磨料是美國 Norton公司首先推出的。它是由亞微米級的Al2O3晶體,採用溶膠凝膠(Sol-gel)工藝合成並經燒結製成的新型陶瓷剛玉磨料。 與普通電熔剛玉磨料相比,不但硬度高,而且因磨粒是微晶結構,它有很多晶解面,在外力作用下或在修銳和修整中僅微晶脫落,不斷產生鋒利的切削刃,自銳性 好,且剝落較少,用其製作的磨具具有耐磨性好、磨削熱少,使用壽命長、磨削比(磨除材料體積與磨具消耗體積之比)大、切除率高和磨削質量好等優點,現已廣 泛用於航空航天、汽車、軸承、工模具、儀器儀表等領域的精磨與成形磨削等方面的加工。目前常用的是SG與WA(白剛玉)或A(棕剛玉)的混合磨料,其中 SG所佔比例有100%、50%、30%、20%、10%等多種,分別用SG、SG5、SG3、SG2、SG1來表示。國外一些性能優異的磨具製品,如德 國Hermes磨料公司的CB寶石藍砂輪、奧地利Tyrolit公司開發的CSS砂輪、美國Cincinnati Milacron公司生產的MSB砂輪、日本Noritake株式會社推出的新型CX陶瓷砂輪,都是類似SG磨料的微晶燒結剛玉的產品。

在 激烈的市場競爭中,近年來美國Norton公司又推出了SG磨料的第二代產品——TG(Targa)磨料。它保留了SG的優點,在磨料形狀上作了新的突 破,很有細的棒狀晶態結構,適用於緩進給磨削及加工鉻鎳鐵合金、高溫合金等難加工材料。據稱,TG磨料的材料切除率為剛玉的2倍,壽命為剛玉的7倍。

SG磨料的磨削性能介於剛玉與CBN(立方氮化硼)之間,價格適中,是一種很有應用前景的磨料新品種。新型SG磨料我國亦已開發成功,第七砂輪集團公司已在進行該磨料的工業性應用。

ABN800 和ABN600是De Beers公司開發的CBN磨料新品種。其磨粒均是微晶結構,具有較高的抗壓強度和熱穩定性。其中ABN800有更獨特的晶體特性,磨料在受力破碎時無論 大小都具有尖角,使其在使用過程中能始終保持鋒利的磨削性能,因而磨削時產生的磨削力小,功率消耗少,加工質量好,使用壽命長。近幾年來在國際展覽會上, 國外展出的一些CBN磨具大多是ABN800和ABN600的微晶CBN磨料製品。

三、高效率磨削

高簡編和高精度是現代 製造技術追求的兩大目標。大家知道,磨削雖然在達到的加工精度和表面粗糙度方面具有無可比擬的優勢,但其材料切除率Q(單位時產內磨 除材料的體積,mm3/s)難以與其他切削抗衡。這是因為Q等於磨屑平均斷面積、磨屑平均長度和單位時間內的作用磨粒數(磨屑數)三者的乘積。所以,為了 提高磨削效率,必須採用增大單位時間內作用的磨粒數(如高速磨削、超高速磨削、砂帶磨削等)、增大磨屑平均斷面積(如各種重磨削)及增大磨屑平均長度(如 緩進給深磨、立軸平磨)等許多高效率磨削技術。其中重負荷荒磨、超高速磨削、砂帶磨削和高效深磨技術的發展尤為引人注目。

重磨削的發展,使磨削不僅適用於精密加工和超精密加工,而且也適用於粗加工與荒加工。

高 速磨削是指磨削速度vc為50m/s~150m/s的磨削,而vc>150m/s的磨削稱為超高速磨削。近年來研究表明,超高速磨削不但可大幅度提高工 效、延長磨具壽命用降低表面粗糙度,而且可對硬脆材料實現延性磨削,對高塑性材料和難磨材料也有良好的磨削效果。過去由於受磨具回轉破裂速度的限制,以及 磨削溫度高和工件表面燒傷的制約,磨削速度長期停滯在80m/s左右。隨著CBN磨料的使用和高速磨削機理研究的深入,現在工業上實用的磨削速度已達到了 150m/s~250m/s,實驗室中達到500m/s。超高速磨削需要有超高速磨削磨具、超高速磨床、磨削液及其供液過濾系統以及對磨削過程監控等相關 技術作支撐。在IMTS98,Toyota Machinery USA展出的高速磨床,磨50HRC淬硬鋼的傳動軸,砂輪線速度達120m/s;展出的凸輪磨床,砂輪線速度為200m/s。我國在國家自然科學基金資助 下,已建造了200m/s的超高速磨削試驗台,並開展了對超高速磨削機理的系統研究。

砂帶磨削的加工效率比普通磨削高5~10倍以上。由 於它屬於彈性磨削,有利於解決磨削燒傷和工作變形等問題。所以,工業發達國家的砂帶磨削已佔總磨削量的 一半左右。近幾年來國外的砂帶已用Cubitron(美國3M公司)和SG磨料取代普通剛玉磨料,同時由於採用新基體、新結合劑而使砂帶壽命延長。

緩 進給深磨是一種大切深和緩進給的高效磨削技術,它不但工效高,而且磨削精度高和加工表面質量好。特別是近幾年來出現的一種集超高速 (150m/s~250m/s)、大切深(0.1mm~30mm)、快進給(0.5m/min~10m/min)於一體的高效深磨HEDG(High Efficiency Deep Grinding)新技術,它結合CBN砂輪與CNC技術,可使單位寬度砂輪上的材料磨除率高達2000mm3/mm·s~3000mm3/mm·s。用 此法磨削成形表面和溝槽零件(如轉子槽、鑽頭上螺旋槽)時,可獲得遠高於切削加工的材料切除率。我國東北大學已製造出了大功率超高效深磨磨床,砂輪電動機 功率為55kW,磨削速度為250m/s。

四、超硬磨料磨削技術的新發展

由金剛石或CBN磨料製作的磨具稱為超硬磨料磨具。由於其優良的磨削性能,現已廣泛用於磨削技術各個方面,並成為超精密磨削、高效率磨削、難加工材料磨削、高精度成形磨削、磨削自動化和無人化等技術進步的基礎。

金剛石和CBN磨料由於它們在加工材料適應方面的互補性,使由它們所構成的磨具可加工範圍大為擴展,覆蓋了包括各種高硬、高脆、高強韌性材料的幾乎全部被加工材料。

金 剛石磨具是磨削硬質合金、光學玻璃、陶瓷和形容詞石等硬脆材料的最佳磨具,但因其在700℃~800℃時容易碳化,所以它不適於磨削鋼鐵材料及超高速磨 削。CBN磨料的出現導致磨削技術的革命,它能承受1300℃~1400℃的高溫,對鐵族元素化學惰性大,導熱性好,磨鋼料時的切除率高,磨削比大,磨具 壽命長,是磨削淬硬鋼、高速鋼、高強度鋼、不銹鋼和耐熱合金等高硬度韌性大的金屬的最佳磨料。此外,CBN磨具還適用於超高速磨削,金屬基體CBN磨具線 速度超過250m/s也會不破碎。

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