超硬磨料磨具修整技术的新进展

1、超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展2015年年06月月04日日国家高效磨削工程技术研究中心国家高效磨削工程技术研究中心湖南大学机械与运载工程学院湖南大学机械与运载工程学院超硬磨料磨具是指用人造成金刚石或立方氮化硼（CBN）超硬磨料所制成的磨具,系磨具另一大系列。硬度高 磨损少 磨削质量高金刚石砂轮CBN传统传统超硬磨料砂轮的修整超硬磨料砂轮的修整超硬超硬磨料磨料砂轮砂轮修锐修锐游离磨粒挤游离磨粒挤轧修锐法轧修锐法刚玉块切入刚玉块切入修锐法修锐法磨削修锐法磨削修锐法液压喷射修锐法液压喷射修锐法喷射修锐法喷射修锐法电解修锐法电解修锐法实例：油石（绿实例：油石（绿碳化硅）修锐碳

2、化硅）修锐实例：电火花修实例：电火花修锐铸铁基金刚锐铸铁基金刚石砂轮石砂轮超硬磨料磨具修整技术的超硬磨料磨具修整技术的新进展新进展超硬超硬磨料磨料磨具磨具修整修整技术技术的新的新进展进展磨削修整法的改进磨削修整法的改进-GC-GC杯形砂轮研磨修整法杯形砂轮研磨修整法弹性修整法弹性修整法在线电解修整法（在线电解修整法（ELIDELID）激光修锐法激光修锐法简易双电极在线修锐法简易双电极在线修锐法超声波振动修整法超声波振动修整法文献补充文献补充实例：实例： ELID磨磨削氧化膜厚度削氧化膜厚度及砂轮修锐研及砂轮修锐研究究超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展1.1.磨削修整法的改

3、进磨削修整法的改进-GC-GC杯形砂轮研磨修整法杯形砂轮研磨修整法1）修整装置结构）修整装置结构 如图，杯形砂轮修整器的修整砂轮安装在修整轴的一端，另一端安装有一带轮，靠小型电动机带动使砂轮旋转。修整时，把修整器固定在磁力工作台上，保持GC杯形砂轮回转轴与工作台垂直，该回转轴与工作台的垂直度可以通过修整器上的3对调节螺钉来校正。 2）修整机理）修整机理 GC杯形砂轮修整器修整金刚石砂轮过程中，从杯形砂轮上脱落下来的磨粒对金刚石磨粒和结合剂的冲击以及研磨作用冲击以及研磨作用从而产生修整效果。GC代表材料，指绿碳化硅超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展 该杯形砂轮修整器与单点和

4、多点金刚石笔形砂轮修整器以及制动修整器相比较有如下特点：单点和多点金刚石笔的修整效率比较高，但修整后砂轮的磨削性能比较差；制动式修整器修整后，砂轮的磨削性能虽然比较好，但修整后砂轮的偏心量难以完全清楚。而采用GC杯形砂轮修整器，在修整效果和效率两方面均能获得满意的结果。 下图所示为使用单点和多点金刚石笔、制动式修整器和GC杯形砂轮修整器的修整次数及偏心量的关系。 3）修整特点）修整特点超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展2.2.在线电解修整法（在线电解修整法（ELIDELID） 在线电解修锐法简称ELID法(Electrolytic in -process Dressing

5、)。ELID修锐法是近年来金属结合剂类超硬磨料修整技术的一项新成就，由日本理化研究所大森(HOhmori)教授研制成功的。利用ELID法在线修锐金刚石砂轮磨削硅片陶瓷或其他超硬材料，目前已可以达到镜面的加工水平。）装置）装置砂轮、电源装置（包括正负电极）、电解液（磨削液）等。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展2）修锐原理）修锐原理 在线电解修锐原理如下图所示。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展3）ELID磨削的特点及应用磨削的特点及应用 9装置简单、适应性广装置简单、适应性广磨削过程稳定可控磨削过程稳定可控防止砂轮过度电解防止砂轮过度电解实现镜面磨削

6、实现镜面磨削ELID磨削的磨削的特点及特点及应用材应用材料料工程陶瓷工程陶瓷光学材料光学材料硬质合硬质合金、单金、单晶硅等晶硅等磨削效率高磨削效率高砂轮保持良好状态，磨削热磨削力小在线修锐绝缘层，动态平衡表面容纳磨削液，去除切屑非球面透镜10抑制作用抑制作用弹性缓冲作用弹性缓冲作用固结磨粒和容屑作用固结磨粒和容屑作用研磨抛光作用研磨抛光作用修锐时，当氧化膜的厚度达到一定程度，其导电性降低，抑制砂轮过度电解，延长超硬磨粒砂轮的使用寿命。固结游离磨粒的作用，另外又因为其硬度远低于金属结合剂，分布在脱出 磨粒之间，能起到一定的容屑作 用，并 随着氧化膜的生成与 去处及时排屑。氧化膜位于砂轮和工件之间

7、，起到弹性缓冲作用，大大降低了砂轮磨削力，在一定范围内消除砂轮的圆度误差，有利于表面质量的提高。 氧化膜是一种含有微细磨料具有 良好柔性的研磨膜，精磨阶段，对已加工工件表面有的研磨抛光作用，有助于改善工件的表面加工质量。氧化膜特性氧化膜特性的体现的体现超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展4）ELID磨削氧化膜厚度及砂轮修锐研究磨削氧化膜厚度及砂轮修锐研究电解电极装置 名称参数值输出峰值电压60V、90V、120V三档输出电流最大峰值电流，三路可选通工作方式输出脉冲方式 频率可调的方波脉冲高电平宽度2100s可调低电平宽

8、度2100s可调电源输入三相AC380V 10V，50Hz本研究选用哈尔滨工业大学提供的ELID磨削专用电解液，呈弱碱性，使用时稀释比为1:50。台湾钻石工具公司生产的小直径铸铁结合剂金刚石坐标磨砂轮，砂轮直径为25mm和30mm，粒度有W3.5，W10和W30。砂轮周边开槽。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展HD-MY-10型超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展开始评估特性实验验证因子选择配置正交表计算信噪比信噪比分析方差分析最优参数水平选择性能检验结论YesNoNoYes 评估特性评估特性 信号能量与噪声能量的比值称为信噪比(S/N)，其值越大，表

9、示产品受噪声因素干扰越小,，产品质量越好。在信噪比的评估中，可分为望大、望小及望目三种特性。 本研究中氧化膜厚度越大，有助于其氧化膜特性的体现，其评价为望大特性；本研究采用氧化膜厚度和修锐时间的比值来间接衡量砂轮预修锐效率，比值越大，磨粒短时间内获得比较大的出刃高度而具有持续的锋利性，所以修锐效果越好，其评价为望大特性。a.望小特性:品质特性越小越好但非负值,换句话说,品质特性的理想值是零；b.望大特性:品质特性越大越好； c.望目特性:定出一目标值,品质特性越接近此目标值越好。 超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展水平实验因素A:砂轮转速/( rmin-1)B:脉冲频率/

10、kHzC:占空比D:电源电压/v16000100.36029000500.5903120001000.74150002000.9因子选择因子选择 实验考察铸铁基金刚石微粉砂轮预修锐过程中砂轮转速、脉冲频率、占空比和电源电压这四个可控因素。另实验表明当电压达到120V时，极间电流很大，砂轮被过度电解产生大量蚀坑，所以电源电压选取60V、90V两个水平，其他三个因子都取4个水平，如表所示。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展实验号实验因素输出指标A:砂轮转速/(rmin-1)B:脉冲频率/kHzC:占空比D:电源电压/v11111氧化膜厚度/m修锐时间/min预修锐效率2122

11、131332414425212262212723418243193131103241113312123422134142144232154321164411配置正交表配置正交表 根据田口稳健设计将因素表构建成田口混合水平正交表L16（342），对平衡状态时氧化膜厚度、砂轮修锐时间以及预修锐效率作为输出指标，其设计如表所示。预修锐效率=氧化膜厚度/砂轮修锐时间超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展实验号实验方案氧化膜厚度/m氧化膜厚度（S/N）/dB修锐时间/min预修锐效率预修锐效率（S/N）/dB1A1B1C1D12929.2513.32.18-6.772A1B2C2D24

12、032.0416.52.42-7.693A1B3C3D27537.5017.04.41-12.894A1B4C4D29839.8220.04.90-13.805A2B1C2D24232.4618.02.33-7.366A2B2C1D23530.8818.51.89-5.547A2B3C4D15434.6519.02.84-9.078A2B4C3D14833.6217.32.77-8.869A3B1C3D14232.4614.52.90-9.2410A3B2C4D14533.0617.22.62-8.3511A3B3C1D24533.0618.02.50-7.9612A3B4D2C25033.9

13、817.02.94-9.3713A4B1C4D24032.0416.52.42-7.6914A4B2C3D24733.4417.52.69-8.5815A4B3C2D12327.2315.31.50-3.5416A4B4C1D13129.8316.71.86-5.37计算信噪比计算信噪比望大特性的因子效果评价方程为：i2j=n1ij1110lognS NY 超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展水平氧化膜厚度（S/N）/dB预修锐效率（S/N）/dB砂轮转速脉冲频率占空比电源电压砂轮转速脉冲频率占空比电源电压134.6531.5530.7631.52-10.29-7.06-6

14、.41-7.36232.9032.3631.4334.15-7.71-7.54-6.99-9.15333.1433.1134.26-8.73-8.37-9.89430.6434.3134.89-6.30-9.35-9.73Delta4.022.764.142.633.991.813.481.79信噪比分析信噪比分析 根据图中的Delta值的大小。 各因素对氧化膜厚度的影响程度为占空比砂轮转速脉冲频率电源电压。 各因素对预修锐效率的影响程度为砂轮转速占空比脉冲频率电源电压。占空比占空比:高电平在一个周期之内所占的时间比率Delta值，亦称为对冲比率,相当于计算影响因子。超硬磨料磨具修整技术的新进

15、展超硬磨料磨具修整技术的新进展信噪比/dB 砂轮转速/(rmin-1) 脉冲频率/kHz 占空比 电源电压/v (a) (b) (c) (d) 各因素对氧化膜厚度的信噪比效应图信噪比分析信噪比分析将上表中氧化膜厚度的信噪比水平响应转化成四个因素的信噪比效应图，如图所示。研究表明氧化膜厚度的影响规律是：氧化膜厚度随砂轮转速的增大而趋向于减小，随占空比、脉冲频率及电源电压的增大而增大。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展信噪比/dB 砂轮转速/(rmin-1) 脉冲频率/kHz 占空比 电源电压/v (a) (b) (c) (d) 各因素对预修锐效率的信噪比效应图信噪比分析信噪

16、比分析 砂轮的预修锐效率由氧化膜的生成厚度和修锐时间所决定，修锐时间不仅跟氧化膜的生成率相关，也跟氧化膜的致密性以及金属结合剂的去除速率相关。信噪比效应图表明砂轮预修锐效率的影响规律是：预修锐效率随砂轮转速的增大而趋向于降低，随占空比的增大预修锐效率先升高后降低，预修锐效率随脉冲频率、电源电压的增大而升高。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展 加工工件表面形貌图预修锐开始阶段：时间约为1min氧化膜形貌预修锐完成：时间约为17min的氧化膜表面形貌去除氧化膜加工工件表面形貌图预修锐中期：时间约为5min的氧化膜表面形貌。信噪比分析信噪比分析根据以上分析得到的预修锐的最优参数

17、为：电源电压为90v，脉冲频率为200KHz，占空比为0.7，砂轮转速为6000r/min 。采W30的铸铁基金刚石微粉砂轮进行预修锐，观察其形成的氧化膜形貌如图所示，修锐后取出表层氧化膜对工件进行加工。实验表明，优化的参数更有助于获得良好的氧化膜质量，保证了ELID磨削的高质、高效和高精度加工。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展ELIDT-ECDT-ECD工装改进和简化:双电极，交流电，可调变压器特点：电极损耗小，电压可调，专用/普通磨削液要求低，在线/非在线修锐，不可整形超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展原理：当混油磨料注入CBN砂轮与修整元件之

18、间时，在旋转砂轮的带动下通过砂轮与修整元件之间的“间隙”，在此过程中，修整磨料挤研超硬砂轮的结合剂而达到修整的目的。该修整法的关键是被修整的超硬磨料砂轮与修整元件在修整时能自动选择合适的挤压力，并保持稳定。该方法只能用于修锐。颤振效果不破坏形状精度超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展 修整装置如图，主要由超声波发生器、换能器、振幅放大杆和钢板等组成。修整时，将超声波振动修整装置调到谐振状态，然后注入混油磨料。当修整磨粒通过砂轮与修整元件之间时，利用修整元件传递的能量，有效地去除(挤研)CBN砂轮表面的结合剂，使CBN磨粒突出砂轮表面。由于这种方法采用了主动的颤振方式，修整磨粒本身又带有一定的能量，增强了对CBN砂轮结合剂的挤研作用，因此能得到良好的修整效果。超硬磨料磨具修整技术的新进展超硬磨料磨具修整技术的新进展 激光修锐