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发布时间:2016-07-05 17:34:41

一、超硬磨具的使用特点

采用超硬磨料(金刚石或立方氮化硼)作为切削材料的磨具,称为超硬磨料磨具(简称超硬磨具)。由于超硬磨料比普通磨料有着极大的优越性,因而超硬磨料比普通磨料就显示出十分优良的磨削性能,得到了越来越广泛的应用,具体表现在:

1、超硬磨料本身具有极高的硬度,可加工各种高硬度材料,特别是对普通磨料难以加工的材料更显其优越性;

2、超硬磨具加工中磨损少,使用周期长,磨削比高,可获得较佳的经济性,使用中形状保持性好,无需经常更换砂轮和修整砂轮,节约工时,改善劳动条件,有利于加工操作;

3、超硬磨料切削锋利,磨削力小,有利于被加工零件加工精度和表面粗糙度的改善,减少机床的动力消耗;磨料颗粒锋利使得磨具在加工中磨削温度较普通磨具要低,可大大提高被加工表面质量,减少或避免零件出现裂纹、烧伤、金相组织复化等弊病,从而提高零件的使用寿命,大为改善总的经济指标。

随着新材料、新技术的不断涌现,鉴于超硬磨具有着无可比拟的优越性,随着加工工业的技术进步,其应用范围不断扩大,用量不断增长,有力地推动着经济的发展。但由于超硬磨具的工具成本较高,而且又有其本身的独特性能和规律性,使用不当不仅会造成严重浪费,而且得不到满意的加工质量和应该得到的优良的经济效果。

二、首先,要选择合适特性的超硬磨具

超硬磨具是一种和普通磨具不同的磨具,其结构形式和个性也不相同,有其独特的特性。超硬磨具的特性是指粒度、磨料、结合剂、浓度、形状和尺寸等项。

1、磨料的选择:

超硬磨料主要有人造金刚石和立方氮化硼两大类,用于超硬磨具的金刚石主要指人造金刚石,天然金刚石已基本不用于制作磨具。人造金刚石和立方氮化硼除均为高温高压下人工合成、具有高硬度、锋利性好、耐磨损等共同特性外,性质上仍有很大的差别,因而使用范围有明确的分工。

金刚石是自然界目前人类认识的最坚硬物质,作为磨料表现出极优的硬度、强度、研磨能力,导热系数和热膨胀系数等,可加工很多的硬质材料,如加工硬质合金、陶瓷、宝石玛瑙、玻璃、石材、建材、混凝土和半导体材料等就显示出很大的优越性。但由于金刚石是碳的同素异形体,在较高的温度下易于钢铁的铁族元素产生化学反应,引起强烈化学磨损,直接影响磨具的磨削性能和损耗,所以不适宜加工这类材料。

立方氮化硼虽然硬度低于金刚石,但比普通磨料仍高得多,其导热系数、热膨胀系数和研磨能力也优越得多,也是一种非常优异的磨削材料,而且立方氮化硼的稳定性和化学惰性也大大优于金刚石,所以对普通磨料难以加工且金刚石又不宜加工的硬而韧的金属材料不失为一种非常合适的磨料,如工具钢、模具钢、不锈钢、耐热合金等,特别是高钒高速钢、铝高速钢等对磨削温度较为敏感的金属材料更是较为理解的磨料。

人造金刚石和立方氮化硼目前已有多种品种,适用的领域也不相同,我们应有一个全面的了解,在GB/T6405-94标准中有明确的说明(见下表),人造金刚石的有些品种仅用于制作工具,而非用于磨具。

品种

适用范围

系列

代号

粒度

推荐用途

窄范围

宽范围

人造金刚石

RVD

60/70325/400


树脂、陶瓷结合剂制品等

MBD

35/40325/400

35/4060/80

金属结合剂磨具,锯切、钻探工具及电镀制品等

SCD

60/70325/400


树脂结合剂磨具,加工钢与硬质合金组合件等

SMD

16/1860/70

16/2060/80

锯切、钻探和修整工具等

DMD

16/1860/70

16/2040/50

修整工具等

M-SD

36/540/0.5


硬、脆材料的精磨、研磨和抛光等

立方氮化硼

CBN

20/25325/400


树脂、陶瓷、金属结合剂制品

M-CBN

36/540/0.5


硬、韧金属材料的研磨和抛光

金刚石和立方氮化硼还有镀衣磨料,即在磨粒表面镀附一层物质,通常树脂结合剂磨具干磨时,选用镀铜金属衣磨料,湿磨时选用镀镍金属衣磨料,陶瓷结合剂磨具选用镀陶瓷材料的磨料,其目的是制作磨具时增加磨粒和结合剂的结合强度,延长磨具使用寿命,降低加工成本。一般情况下,镀衣增重以不超过磨料自重50%为宜,但成型磨削、间断磨削增重可达50~100%.

2、粒度的选择:

粒度是指磨粒大小的量度。粒度号指按照标准对磨粒尺寸所作的分级标记。在标志超硬磨具的特性时,粒度指的就是粒度号。

在超硬磨具使用中,选择磨具的粒度一般根据被加工工件表面粗糙度要求、磨削加工效率、工序要求,以及磨具结合剂的种类综合加以考虑,下列两表可作参考。

磨具粒度号

加工表面粗糙度Ra(μm)

树脂结合剂

金属结合剂

80/100100/120

——

0.322.5

100/120170/200

0.160.63

0.161.25

170/200270/325

0.080.32

0.160.63

325/400M10/20

0.040.16

——

M8/12M4/8

0.020.08

——

M4/8M1.5/3

0.010.04

——

磨削工序

适用的粒度范围

粗磨

80/100120/140

中精磨

120/140200/230

精磨、细磨

200/230M36/54

研磨、抛光

M22/36M0.5/1.5

在磨加工中操作者一般都具有普通磨料磨具的使用经验,粒度选择的原则基本相同,但考虑到两大类磨料性能的差异,要求达到相同的加工表面粗糙度,由于超硬磨粒的锋利性和不易磨损性,选用的粒度号就要比普通磨料细1~2个粒度号。

选择超硬磨具的粒度时,还应考虑磨具所采用的结合剂,因为各种结合剂均有它的最佳粒度范围,太粗或太细均不利于其磨削加工。一般情况下,树脂结合剂磨具选用100/120以细;陶瓷结合剂磨具选用100/120~170/200;金属结合剂磨具选用70/80~230/270。当然还要看加工效率和加工表面粗糙度要求等选择最佳粒度,要求加工效率高时,选用较粗粒度号。反之选较细粒度号。

3、结合剂的选择:

超硬磨具结合剂是制作磨具不可缺少的,其作用是将磨粒粘结成具有一定几何形状,并把持住磨粒使其在加工中承受磨削力而起到切削作用,超硬磨具结合剂主要有树脂结合剂(代号B)、陶瓷结合剂(代号V)和金属结合剂(代号M)三大类,如何选择结合剂主要依据其自身的性能和加工中对磨具的要求而定。

树脂结合剂自锐性能良好,不易堵塞,很少修整,磨削效率较高,磨削温度较低,而且本身具有一定弹性,能起抛光作用,故其在超硬磨具中得到广泛应用,树脂结合剂金刚石磨具经常应用于硬质合金工件、钢基硬质合金工件,以及部分非金属材料的半精磨、精磨等;树脂结合剂立方氮化硼磨具主要用于高钒高速钢刀具的刃磨和工具钢、模具钢、不锈钢和耐热合金工件的半精磨、精磨等。但树脂结合剂耐热性差,在较高的磨削温度下耐磨性差,磨具的磨损大,在大负荷磨削时尤为明显,常以采用镀附金属衣磨料来加以改善。 

陶瓷结合剂是目前应用日益广泛的一种结合剂,该种结合剂磨具工作表面有较好的容屑空间,切削锋利,磨削效率高,加工中不易发热和堵塞,有利于磨削过程的平稳进行,热膨胀量小,容易控制加工精度,而且该种磨具整形、修整相对容易,对方便恢复磨具工作表面的切削能力十分有利。一般用于粗磨、半精磨,以及接触面大的成型磨削等。由于金刚石的耐热性较差,陶瓷结合剂烧结时必须温度很低,目前还有较大难度,使得陶瓷结合剂金刚石磨具较少采用,所以陶瓷结合剂主要还是应用在耐热性较好的立方氮化硼磨具。

金属结合剂有青铜结合剂和电镀结合剂两大类。青铜结合剂磨具是以铜粉、锡粉为主要材料和补充改善其性能的其它材料充分混和,再将磨料加入其中充分混合均匀,置于模具中压制成型(一般有冷压——在室温下压制和热压——在加热条件下压制之分),然后烧结而成。该种磨具的结合剂和磨粒的结合强度高,耐磨性好,磨损小,使用寿命长,保持形状好,能承受较大的负荷。但缺点是自砺性差,容易堵塞磨具表面,发热大,磨具修整也十分困难。它主要用于玻璃、陶瓷、石材、建材、混凝土、半导体材料等非金属材料的粗磨、精磨和切割工序,少量用于硬质合金、复合超硬材料的磨削加工,以及成型磨削和各种珩磨、电解磨削等。青铜结合剂立方氮化硼磨具目前除用于合金钢工件的珩磨外还极少使用。电镀结合剂是一种结合强度更高的结合剂,一般将单层或多层磨粒用电镀方法镀在金属基体上,该种结合剂磨具工作表面上单位面积的磨粒数比其它几种结合剂高得多,而且磨粒都裸露出结合剂表面,因而切削锋利,磨削效率高。但受镀层厚度限制,磨具总的使用寿命不可能太高,一般用于特殊用途加工,如成型磨削用磨具、小磨头、套料刀、电镀铰刀、锉刀等。这些年来,立方氮化硼电镀金属结合剂磨具应用日益扩大,特别在加工各种钢类零件的小孔、型腔时更为突出,独具特色,磨削效率高,经济性好,还可获得较好的形状精度。

4、浓度的选择:

超硬磨具浓度是指磨具工作层内单位体积中的含超硬磨料的质量,它是超硬磨具所独有的特性。国际上统一约定每立方厘米体积内含有0.88克超硬磨料时,其浓度称为100%,代号100,常用浓度见下表:

浓度

磨具工作层超硬磨料含量(克/厘米3

代号

25

0.22

25

50

0.44

50

75

0.66

75

100

0.88

100

150

1.32

150

浓度采用过高或过低都不利于超硬磨具的正常使用,并直接影响磨削效率、加工成本和加工质量。选用时应首先考虑磨具结合剂的种类,各种结合剂由于结合能力的不同,均有它各自的最佳浓度范围,一般人造金刚石磨具采用的浓度范围见下表:

结合剂

浓度范围(%)

树脂结合剂

5075

陶瓷结合剂

75100

青铜结合剂

100150

立方氮化硼磨具由于磨料性质和加工对象材质的不同,采用浓度一般比人造金刚石磨具高25~50%。

对于有特殊要求的加工,浓度选用还可进行调整。如,在抛光和高精度磨削中,常采用低于一般磨削时的浓度;对要求加工效率高的工序,可采用粗粒度、高浓度的磨具;对于要求磨具形状保持性好的成型磨削、端面磨削、沟槽磨削等,应选择较高浓度的磨具。

5、形状和尺寸的选择:

超硬磨具的形状和尺寸可根据加工机床的技术条件和要求,以及对被加工工件的加工部位的要求来决定,常用的超硬磨具的形状及其使用范围见下表:

系列

名称

代号

用途

平行砂轮

1A1

主要用于外圆磨削、平面磨削、刃磨、砂轮机磨削及无心磨等。

平行倒角砂轮

1L1

主要用于底径、侧面间有圆弧要求的磨削

平行加强砂轮

14A1

主要用于对磨具刚性要求较高的加工场合

弧形砂轮

1FF1

主要用于圆弧、成型磨剂

平行燕尾砂轮

1EE1V

主要用于磨边或成型磨剂

双内斜边砂轮

1V9

薄片砂轮

1A1R

主要用于石材、混凝土等非金属材料的切割及缓进强力磨削等

切割砂轮

1A6Q

主要用于石材、混凝土等非金属材料的切割

平行小砂轮

1A8

主要用于内圆磨削

双斜边砂轮

1E6Q

 

 

主要用于槽形、螺纹等磨削

14E6Q

14EE1

14E1

1DD1

单斜边砂轮

4B1

主要用于刃磨、仿形磨等

单面凹砂轮

6A2

主要用于平面磨削、端面磨削等

双面凹砂轮

9A1

 

主要用于砂轮机、磨量规等

9A3

筒形1号砂轮

2F2/1

 

专用光学玻璃铣磨

筒形2号砂轮

2F2/2

筒形3号砂轮

2F2/3

杯形砂轮

6A9

主要用于平面磨削、端面磨削等

碗形砂轮

11A2

 

主要用于刃磨、平面磨削等

11V9

碟形砂轮

12A2/20°

 

 

主要用于刃磨、齿轮磨等

12A2/45°

12D1

12V9

12V2

磨边砂轮

1DD6Y

 

专门用于光学玻璃磨边

2EEA1V

磨盘

1A2

 

主要用于平面磨削

10×6A2T

电镀金刚石内圆切割锯片

GN

用于贵重材料切割

电镀金刚石磨头

MY

用于内孔磨削和玉石修磨、牙科修磨等

金刚石精磨片1

1A8/1

 

主要用于光学玻璃、陶瓷和宝石等材料的精磨和超精磨

金刚石精磨片2

1P8/2

金刚石精磨片3

1A2/3

金刚石精磨片4

1A2/4

电镀金刚石套料刀

ET1

ET2

主要用于玻璃、陶瓷、石材和墙体、混凝土底板等非金属材料的套料和钻孔

平行带弧油石

HMA/1

 

 

专门用于各种珩磨

平行油石

HMA/2

弧形油石

HMH

平行带槽油石

2HMA

基体带料油石

HMA/S°

三、其次,需采用合理的磨削用量

超硬磨具由于本身的特点,使用时在选择合适的磨具特性后,还必须采用合理的磨削用量,才能获得最佳的磨削效果,得到高效加工效率、良好的加工质量和较低的加工成本。

1、砂轮速度(vs)的采用:

砂轮速度指的是砂轮使用速度、砂轮工作时的圆周速度,即砂轮圆周上最大直径处测量的砂轮切向速度,是磨削参数中至关重要的一项指标,它对磨削影响较大,砂轮速度过低,其工作表面上磨粒的磨屑厚度较大,造成砂轮磨损就大,且单位时间工件表面经过的磨粒少,使加工表面粗糙度较差。随着砂轮速度的提高,两者均得以改善,但砂轮速度的提高受到了机床条件的限制,砂轮速度过高时,由于机床刚性的不足,会产生振动,加剧砂轮的磨损和加工表面粗糙度的恶化,加剧磨削温度的升高,破坏被加工表面质量,这些都是必须避免的。

砂轮速度的选择一般依据结合剂种类、磨削形式和冷却条件进行选择。金刚石砂轮因磨料的热稳定性较差,一定要限速使用,常从下列两表中综合加以考虑来:

结合剂种类

冷却条件

砂轮速度(米/秒)

青铜

干磨

12~18

湿磨

15~22

树脂

干磨

15~20

湿磨

18~25

 

磨削形式

砂轮速度(米/秒)

平面磨削

20~30

外圆磨削

20~30

内圆磨削

12~15

工具磨削

12~20

立方氮化硼砂轮由于磨料的热稳定性较金刚石大大提高,在较高速度下加工引起的较高磨削温度不会像金刚石砂轮那样因高温引起的强烈磨损,造成砂轮磨损严重,加工质量降低,加工成本提高,所以立方氮化硼砂轮可以采用较高的砂轮速度,反而是较高的砂轮速度才能更好地发挥立方氮化硼磨料的特性,取得较佳的加工效果,一般采用如下参数:

磨削形式

砂轮速度(米/秒)

备注

干磨

湿磨

平面磨削

25~30

28~35

通常采用湿式

外圆磨削

25~30

30~40

通常采用湿式

内圆磨削

17~25

18~28

通常采用湿式

工具磨削

15~25

18~28

通常采用湿式

随着磨床设计和制造技术的发展,以及磨具材料的进步,越来越多地采用了高速磨削工艺,取得了较佳的磨削效果,尤其是立方氮化硼磨具更为广泛地采用较高的数值,电镀结合剂立方氮化硼有的用到120~150米/秒,甚至更高,个别达到250米/秒。

2、磨削深度(a)的选用:

磨削深度是指工件有往复运动时沿砂轮径向进给的距离,它的大小直接影响加工效率、加工质量和加工成本,也是磨削加工一个十分重要的参数。随着磨削深度的增大,加工效率提高,磨具磨损加大,而且相应增加砂轮和工件的接触压力,使磨削力和磨削温度升高,达到一定量后会激剧增大砂轮磨损,同时还引起机床振动,使加工表面质量很快恶化,磨削温度的过高,也会造成被加工表面烧伤、裂纹的出现,工件寿命将会极大降低。

磨削深度的选用应根据加工效率的要求、磨削方式、磨具的粒度、结合剂的种类,以及加工成本综合加以考虑。在目前一般的机床条件下,金刚石砂轮建议采用以下参数:

磨具粒度号

磨削深度(毫米/行程)

陶瓷、树脂结合剂

青铜

70/80~120/140

0.01~0.02

0.01~0.03

140/170~230/270

0.005~0.015

0.01~0.02

230/270以细

0.002~0.005


 

磨削深度(毫米/行程)

0.005~0.02

0.005~0.015

0.002~0.01

0.01~0.03

立方氮化硼砂轮由于磨粒自锐性较好,且导热性、热稳定性等物理特性较佳,能良好地保持砂轮工作表面的锋利性,磨削深度可大于金刚石砂轮。对于特殊的磨削工艺,如深切缓进强力磨削,更是磨削深度可达两位数,一次通过完成。

3、工件速度(vw)的确定:

工件速度是指工件被加工表面相对于砂轮工作点的相对瞬时速度,对磨削效果仅略有影响,比其它加工参数影响要弱得多。当然,工件速度过低,在一定程度上影响加工效率和加工表面粗糙度;工件速度过高,砂轮磨损会略有增加,而且由于机床刚性的限制,还会加重磨削冲击力,引起噪音的加大。一般超硬磨具磨削时,工件速度建议在10~20米/分范围内选择较适当。但对深切缓进给磨削,工件速度十分缓慢,低达每分钟几十至几百毫米。

4、轴向进给速度(va)的选定:

轴向进给速度是指单位时间内工件沿砂轮回转轴线方向相对移动的距离,超硬磨具磨削时,随着轴向进给速度的增大,磨削效率提高,磨具磨损加大,加工表面粗糙度下降,一般加工建议选用下表所列参数:

内、外

0.5~1/

0.5~2毫米/行程

刃磨时,很多情况下都是由操作者手动控制工作台进行进给运动,常在1~2米/分范围内。

对一些特殊要求的加工,就需根据要求来调整,如要求加工表面低粗糙度的精磨、抛光等,则必须采用很小的轴向进给速度,对于粗粒度磨具的高效率磨削,就要采用较大的轴向进给速度。

四、再次,应采用合适的磨削液

在超硬磨具使用过程中,由于磨粒对工件材料的去除作用,和磨具与工件的相对摩擦,磨削区的温度是很高的,加上超硬磨料导热系数高,很快传到磨具中,引起磨具温度的快速提高,会影响磨削过程的正常进行,增加砂轮的磨损,工件表面粗糙度下降,加工质量变差,温度太高时,甚至会造成工件表面拉应力的极大提高,引起表面裂纹。对树脂结合剂磨具太高的磨削温度还会造成磨粒附近结合剂的热分解,破坏了其结合强度,引起磨具磨损的极大加剧,大为降低磨削工序的经济性。所以采用超硬磨具进行加工时,在条件允许的情况下应尽量采用磨削液,达到降低磨削区温度,加强润滑效果,改善加工状况,充分合理使用超硬磨具的目的。

选择磨削液时,除一般要求无腐蚀、无公害,符合环保要求外,还应有良好的润滑性、洗涤性和冷却效果,对超硬磨具来说更强调其洗涤性和冷却效果。金刚石磨具加工硬质合金和各种高合金刚时,宜采用轻质矿物油、苏打水(树脂结合剂磨具不宜)及各种水溶性磨削液、弱碱性乳化液等,尤以煤油、轻柴油和水溶性磨削液为佳。金刚石磨具加工非金属材料时,一般用水做磨削液。立方氮化硼磨具加工时,由于磨料在高温下易和水产生水解作用,大大加剧磨具的磨损,一般不采用水溶性磨削液,多数采用轻质矿物油(如煤油、轻柴油等),当必须采用水溶性磨削液时,也必须加入极压添加剂,以减弱磨料的水解作用。

五、结束语

随着技术的进步,新工艺、新技术、新材料的不断创新,磨削加工工艺也在飞跃发展,超硬磨具的使用领域日益扩大,磨具的特性和磨削工艺参数必将涌现很多新鲜事物,有待我们去认识、总结、提高。

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