CN1785566A - 金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法,包括:对砂轮进行电火花整形,直至电火花无法生成;采用制动式碳化硅滚轮来进行机械整形,至将突出的磨粒磨除;所述电火花整形与机械整形过程周而复始两个小时左右后,降低电规准参数,再依序重复所述电火花整形与机械整形过程,直至使砂轮达到所需的整形精度8μm以下为止。本发明方法有效地解决了金属结合剂超硬磨料砂轮,特别是粗粒度金属结合剂超硬磨料砂轮的整形问题,其整形精度可达6μm,可完全满足使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及金属结合剂超硬磨料砂轮的整形方法,进一步是指其电火花-机械复合整形方法。
背景技术
随着硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、淬火钢及半导体等硬脆材料日益广泛的应用,其高效、精密加工技术已成为当今的研究热点之一,而磨削作为此类材料最有效的加工手段在整个机械加工领域也日趋重要。
但由于此类材料具有高强度、高硬度和高脆性的特点,其磨削过程中磨削力大、磨削温度高、磨削效率低,且极易导致砂轮钝化,这给传统的磨削工艺带来了巨大挑战。超硬磨料砂轮的应用基本上解决了这些问题,但是对其进行修整却具有相当的挑战性,也是过去几十年来磨削研究的重点之一。常用的超硬磨料砂轮一般用树脂、陶瓷、金属结合剂和电镀方法来成形。金属结合剂超硬磨料砂轮比树脂和陶瓷结合剂的硬度高、强度大、保形能力强、耐磨性好。但是,金属结合剂超硬磨料砂轮的自锐性差、容易堵塞、在磨削加工中易产生由砂轮偏心引起的激振力,因而影响磨削过程的稳定性和磨削表面质量;为此,需要定期对砂轮进行整形。然而,金属结合剂超硬磨料砂轮坚硬的结合剂给砂轮的整形带来了极大的困难,存在修整时间长、修整难度大、修整效率低等特点。因此,金属结合剂超硬磨料砂轮的高效、高质量修整技术成为实现硬脆材料精密和超精密加工、高速高效磨削、成形磨削和磨削自动化的关键技术。
目前,有大量文献对金属结合剂超硬磨料砂轮的修整进行了报道,如采用激光整形、电化学整形、电火花整形等。这些整形方法都或多或少存在一定问题。如激光整形的自适应控制技术还有待研究,激光修整机理还不完善等;电化学整形法由于工具电极与砂轮之间的电场、流场、电极反应动力过程的影响,加工间隙不等,从而被修整的表面凹凸不均匀;电火花整形法具有整形精度高、装置结构简单等优点,这使它在金属结合剂超硬磨料砂轮的整形中得到广泛应用。但在以往报道中的电火花整形主要是针对微细粒度砂轮的,而未有粗粒度砂轮的,这是由于电火花整形时阴阳两极间隙需保持在一定范围内,当砂轮磨粒直径较大时,可能导致阴阳两极的间隙超出这个范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,针对现有技术存在的缺陷,提出一种金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法,它通过电火花去除砂轮的金属结合剂,从而降低砂轮磨粒的把持强度,再通过机械方式磨除偏心部分突出的磨粒以使电火花整形得以继续进行,并最终达到整形目的。
本发明的技术解决方案是,所述金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法为:
首先对砂轮进行电火花整形,直至电火花无法生成;
然后采用制动式碳化硅滚轮来进行机械整形,至将突出的磨粒磨除,即出刃高度为零;
上述电火花整形与机械整形过程周而复始一段时间后,降低电规准参数;
再依序重复所述电火花整形与机械整形过程,直至使砂轮达到所需的整形精度为止。
以下对本发明做出进一步说明。
在电火花整形中,极间间隙g是阴阳两极间的最小间隙;放电间隙gd是指能产生电火花放电时砂轮表面的金属结合剂与工具电极之间的最大距离,当电极材料和电规准参数不变时此间隙为常数。电火花产生的必要条件可以由下式表示:
g<gd ①
对于粗粒度砂轮的整形,需根据极间间隙与放电间隙的关系分为两个阶段:
(1)当能够满足式①时,即如图1.(a)所示的情况时,利用电火花进行整形。电火花整形过程是基于工具电极与金属结合剂砂轮之间高频脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除砂轮表面的金属结合剂,从而消除砂轮的偏心而达到整形的目的。电火花整形可采用如图1.(b)所示装置,它以高频直流脉冲电源作为供电电源,将工具电极与电源的负极相连,作为放电阴极,砂轮通过电刷与电源的正极相连,构成阳极,当工具电极与砂轮之间的间隙小于放电间隙时,将产生电火花放电,从而在火花通道中瞬产生大量的热,达到很高的温度,使结合剂局部熔化、气化而被蚀除掉。由于砂轮存在偏心或不圆度时,其旋转一周时砂轮结合剂的外表面与工具电极平面的间隙是不相等的,调节此间隙使超硬磨料砂轮直径较大部分的结合剂产生火花放电,直径较小部分的结合剂不发生火花放电,从而蚀除砂轮高处的结合剂,随着加工的持续进行将偏心部分的结合剂去除,从而露出磨粒,达到降低磨粒把持强度的目的。
(2)当无法满足式①时,即出现如图2.(a)示的情况,当砂轮磨粒与工具电极相接触时,g仍然大于gd,则电火花无法产生,电火花将不能完成对砂轮整形的目的。此时利用机械整形方式进行整形,以去除突出的磨粒。这里采用的是滚压整形法,其装置如图2.(b)所示,整形过程所用的整形砂轮为制动式碳化硅滚轮。它主要靠剪切力使偏心部分突出的磨粒破碎与脱落,从而使电火花整形得以继续进行,并最终达到整形的目的。
在电火花-机械复合整形过程中,分别采用电涡流位移传感器和千分表监测砂轮的圆跳动。由于金属结合剂砂轮表面主要是由金属结合剂与磨粒构成的,电涡流位移传感器仅能测得由金属结合剂所构成的砂轮表面的轮廓,千分表可测得由金属结合剂与磨粒所构成的砂轮表面的综合圆跳动,这两者之间的差就可表示磨粒的出刃高度。
由于砂轮表面是凸凹不平的且在金属结合剂中存在非导体的磨料,这将给电涡流位移传感器的测量结果产生误差,经过多次试验验证得知在本试验中电涡流位移传感器的测量误差在±3μm之内。同样,砂轮表面的凸凹不平对千分表的测量结果也产生一定影响,但这种影响可以通过多次测量的统计平均来减小。本发明在砂轮圆周上等分标注20点,重复测量三次,用平均值作为最终结果。该方法的误差大约在±2μm。
本发明方法中,在未进行砂轮整形前,首先针对所使用的青铜结合剂超硬磨料砂轮的初始圆跳动进行测量,通过电涡流传感器和千分表分别测得的砂轮圆跳动分别如图所示。由图4.(a)、(b)可知,在砂轮未整形时,利用两种方式测得的砂轮圆跳动量相差不大,可近似认为相同,因此可认为砂轮偏心部分的磨粒并未突出金属结合剂构成的表面,即并未形成较大的容屑空间,需首先进行电火花整形。
根据电涡流传感器测得的砂轮圆跳动量为36.33μm,进行电火花粗整形。经过1.5小时电火花整形后,在线监测系统中显示放电电流基本为零,此时基本无电火花产生,进给砂轮则发现在出现一些火花后,迅速消失,经测量工具电极后发现,电火花的消失是由于电极表面被磨除所造成的。此时,再采用电涡流传感器和千分表分别测得砂轮的圆跳动结果展示在图4.(c)、(d)中。由图4可知,金属结合剂被蚀除,超硬磨料磨粒已突出结合剂表面,导致电火花已无法对其整形,需采用制动式碳化硅滚轮修整器进行整形。
再经过2小时的机械整形后,以千分表及电涡流传感器测得砂轮的圆跳动如图4.(e)、(f)所示,此时还未达到砂轮所需的整形精度。接着还需分别以与上述相同的步骤对砂轮进行半精和精整形,最终此青铜结合剂超硬磨料砂轮的圆跳动分别通过电涡流传感器和千分表测得的结果如图4.(g)、(h)所示。用这种复合整形方法来修整超硬磨料砂轮,其精度可达6μm左右,但这足以满足粗粒度砂轮的使用要求。
由以上可知,本发明为一种金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法,它有效地解决了金属结合剂超硬磨料砂轮,特别是粗粒度金属结合剂超硬磨料砂轮的整形问题,其整形精度可达6μm,可完全满足使用要求。
附图说明
图1中,(a)是电火花整形阶段电火花整形可持续进行的情况(g<gd)示意图,(b)是电火花整形装置示意图;
图2中,(a)是机械整行阶段的电火花整形不可持续进行的情况(g>gd)示意图,(b)是制动式碳化硅修整装置示意图;
图3是在线监测系统的结构框图;
图4(a)-(h)是整形过程中砂轮圆跳动量变化过程图示。
在所述附图中:
1-金属结合剂,2-磨粒,3-极间间隙(g),
4-工具电极,5-高频直流脉冲电源,6-金属结合剂砂轮,
7-电刷,8-喷嘴,9-工作台。
具体实施方式
采用粒度为100/120#的青铜结合剂超硬磨料砂轮,砂轮直径为200mm,宽度为10mm。
复合整形在最高砂轮线速度可达100m/s的高速平面磨床上进行。
电火花-机械复合整形条件:
(1)电火花整形装置:
①工具电极:材料为黄铜的平板式电极;
②工作液:高速水基磨削液;
③电源:高频直流脉冲电源,电压为60V、90V、120V三档,最大峰值电流20A,高电平持续时间:1μs-100μs,低电平持续时间:1μs-100μs,限压电阻为18Ω;
④碳棒电刷系统;
(2)机械整形装置:台湾产GIN-DTM100制动式碳化硅滚轮修整器;
在电火花整形阶段,采用往复平板式电火花整形方式,砂轮的线速度为60m/s(可为55m/s-65m/s),工作台进给速度为10m/min(可为8m/min-12m/min);为了保证整形精度,需根据砂轮的圆跳动量的大小采用不同的电规准,结合粗粒度砂轮所需要达到的整形精度,在各整形阶段所采用的电规准参数如表1所示:
表1 电火花整形时各阶段所采用的电规准参数
阶段 | 输出电压(V) | 放电周期(μs) | 占空比(%) |
粗整形 | 120 | 100 | 80 |
半精整形 | 90 | 100 | 50 |
精整形 | 60 | 40 | 20 |
机械整形阶段,在使用制动式碳化硅滚轮修整器进行整形前,需将其固定在磁力工作台上,回转轴与砂轮主轴平行;整形时,砂轮作旋转运动,工作台作往复进给运动,修整轮与砂轮的线速度比保持为1∶100(可为1∶90-110),每个行程都进刀一次,每次进给量为5μm-10μm。整形过程中使用磨削液,以保持砂轮和修整轮湿润。表1中粗整形、半精整形、精整形的实施步骤相同,只是所采用的电参数不同。它们之间的使用时机是:当采用粗整形电参数整形而砂轮圆跳动不再减小时,采用半精整形电参数,依次类推。
(3)监控系统:
为了准确,方便的监控砂轮电火花-机械复合整形过程,本研究也建立了一套在线监控系统,此系统的组成如图3所示,主要有两个作用:①霍尔电压传感器和霍尔电流传感器实时采集电火花整形时的放电电压和放电电流,以反映电火花整形过程,从而可适当控制放电间隙的大小,以避免空载、拉弧甚至短路现象,达到对电火花整形过程监控的目的;
②电涡流位移传感器是基于涡流效应的原理制成的非接触式位移传感器,它是由探头、加长电缆、前置器组成的,能够准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化,并处理成相应的电信号输出,因此可用其来实时监测主要由金属结合剂所覆盖的砂轮表面的轮廓,从而实时监控整形进度,通过不同的电规准来控制电火花整形进度,从而使砂轮的整形高效和精确的进行。
Claims (3)
1、一种金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法,其特征是,该方法为:
首先对砂轮进行电火花整形,直至电火花无法生成;
然后采用制动式碳化硅滚轮来进行机械整形,至将突出的磨粒磨除,即出刃高度为零;
上述电火花整形与机械整形过程周而复始两个小时左右,直至整形精度无法进一步减小为止,降低电规准参数;
再依序重复所述电火花整形与机械整形过程,直至使砂轮达到所需的整形精度8μm以下为止。
2、根据权利要求1所述金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法,其特征是,所述电火花整形采用往复平板式电火花整形方式,砂轮的线速度为55m/s-65m/s工作台进给速度为8m/min-12m/min;工具电极为平板式黄铜电极,工作液为高速水基磨削液,电源为高频直流脉冲电源,其最大峰值电流20A;根据砂轮的圆跳动量的大小在各整形阶段采用下表的电规准参数:
阶段
输出电压(V)
放电周期(μs)
占空比(%)
粗整形
120
100
80
半精整形
90
100
50
精整形
60
40
20
3、根据权利要求1所述金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花-机械复合整形方法,其特征是,所述机械整形采用制动式碳化硅滚轮修整器,整形时砂轮作旋转运动而工作台作往复进给运动,修整轮与砂轮的线速度比保持为1∶90-110,每个行程都进刀一次,每次进给量为5μm-10μm,整形过程中使用磨削液,以保持砂轮和修整轮湿润。
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