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加工PCD刀具/PCBN刀具/钻石/工业陶瓷的陶瓷金刚石砂轮

粒度: W3.5~100/120 型号:1A1 14A1 6A2 11A2 12A2 4A1
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单层超硬磨料砂轮的发展与应用

2010.07.08  河南恒远超硬材料有限公司 www.kosuperhard.com  浏览次数:
这种砂轮因基体易于制成复杂形状,砂轮廓形可由电镀或钎焊工艺保证(钎焊砂轮安装后还可通过常规的金刚石滚轮修整来保证廓形高精度),磨粒磨钝后可以多次重复电镀,并能采用高线速度进行加工等优良性能而受到人们的青睐,尤其适用于高速精磨和成形磨等。关于超硬砂轮,CBN砂轮,金刚石滚轮修整器的信息

近几年来,随着高速磨削和精密磨削技术的迅速发展和各种高效高性能CNC磨床的问世,主轴转速有的已高达25000r/min,磨削速度达到150~250m/s,且出现了磨削加工中心,其主轴回转精度可达0.5μm,定位精度1μm,轮廓加工精度5μm。因此对砂轮提出了更高要求,传统的陶瓷和树脂结合剂砂轮已不能满足生产需要,20世纪90年代前后开发出一种新型单层超硬磨料砂轮,使高速磨削和高效磨削的实现成为可能。

单层超硬磨料砂轮有电镀和钎焊两种类型。它们是利用电镀或钎焊工艺将经特殊加工、尺寸均匀和细小的单层超硬磨粒,采用镍、钴(电镀)或铜(钎焊)等作基质金属(起粘接作用),使超硬磨粒固结到经精密加工成的一定尺寸和几何形状的金属基体(也有采用碳纤维复合材料等作基体的)表面上而成。这种砂轮因基体易于制成复杂形状,砂轮廓形可由电镀或钎焊工艺保证(钎焊砂轮安装后还可通过常规的金刚石滚轮修整来保证廓形高精度),磨粒磨钝后可以多次重复电镀,并能采用高线速度进行加工等优良性能而受到人们的青睐,尤其适用于高速精磨和成形磨等。

与传统的多层可修整的超硬磨料砂轮相比较,单层超硬磨料砂轮具有以下优点。

1.砂轮制造工艺简单,只需要电镀设备和钎焊工具即可。

2.由于超硬磨料的性能优异,虽然只有单层磨料,砂轮仍有较高的使用寿命,一片砂轮可加工出成千上万个合格的零件。据报道,日本一家公司研制的带螺旋齿的电镀CBN砂轮用于淬硬齿轮的高速强力精加工,连续加工36000个齿轮仍能保证加工精度要求,砂轮损耗较小,使用寿命长。

3.型面精度高。经CAD/CAM 制作的成形砂轮,其最小圆角半径可达0.1mm,加工轮廓精度可高达 0.002~0.003mm。

4.钢制的金属基体和电镀金属或钎焊合金材料结合牢固,可使砂轮达到极高的线速度,适应高速磨削的需求。目前国外电镀砂轮的速度已高达250~300m/s,钎焊砂轮的最高速度可达500m/s。

5.磨粒裸露高度大,并有较理想的锋利形貌,容屑空间大,砂轮锐利,磨削能力强。

众所周知,采用一般结合剂的超硬磨料砂轮,其磨粒是靠结合剂包埋镶嵌固定的。由于磨料的浸润性差,压型时磨粒与结合剂的紧密度不够,以及存在气孔,这种机械包埋镶嵌的作用不强,若需保证砂轮正常工作(见图1),磨粒在结合剂中埋入率要求达到70%~80%,致使磨粒的裸露高度只有20%~30%,因此砂轮容易堵塞。采用电镀砂轮,由于镀层金属能紧密包镶在磨粒周围,机械包嵌作用较强,因此可使超硬磨粒的40%~45%裸露在镀层金属的外面,为磨屑提供了充足的空间,其产生的磨屑酷似微小的铣削切屑,磨削时砂轮非常锐利,磨削力小,有很高的材料磨除率。例如,用直径为203mm的电镀超硬磨料砂轮,浓度为22%的乳化油水溶液,以53~160m/s的线速度磨削718铬镍铁(Inconel)合金,材料磨除率高达每1mm砂轮宽度上每分钟切除7cm3。

电镀砂轮的缺点是镀层金属与基体和磨料的界面上并不是真正的化学冶金结合,在负荷较重的高效磨削作业中把持力不大,砂轮容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效。采用高温钎焊方法可使钎焊合金材料与磨粒之间除机械作用外,凭借钎焊可提供界面上真正的化学冶金(化学键)结合,可从根本上改善磨粒、结合剂(钎焊合金材料)和基体三者之间的结合强度。据报道,美国Norton公司用金属活性大的铜将磨料钎焊在基体上,其结合强度可达1.55MPa。由于结合强度高,磨料结合层厚度只要维持在磨粒高度30%~40%即可把持住磨粒,可使磨粒裸露高度达60%~70%,大大增加了容屑空间,并使磨粒获得更理想的锋利形貌,在与电镀砂轮相同的加工条件下,其磨削功、功率消耗与磨削温度均更低,是今后高速磨削首选的磨削工具。例如,目前已在我国汽车工业中应用的快速点磨削技术(QuickpointGrindingTechnology)就是采用这种砂轮实现的。 

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单层超硬磨料砂轮应用实例:

1. 我国已将单层电镀超硬磨料砂轮成功地用于小孔的高效磨削。例如,郑州磨料磨具磨削研究所用φ3mm的电镀CBN砂轮磨削9CrSi模具钢孔,加工余量为0.25mm,每只砂轮可加工200~250个孔,表面粗糙度达Ra1.6~0.4μm。

2. 据美国Pfauter公司介绍,在德国Kapp公司生产的单齿5°\u30340X成形齿轮磨床上,用一对单层电镀CBN砂轮,同时在淬硬后的齿轮坯上进行粗磨和精磨,与传统滚齿(插齿)淬硬磨齿工艺比较,工效提高10倍。

3. 美国在一台Edgetek 磨床上用直径为φ152mm 单层电镀成形砂轮(粒度为 60/70 或 70/80号),磨削热处理至HRC28的4140钢花键轴上的花键槽,磨削速度为91.5~96.5m/s,进给速度为250~300mm/min,粗磨工序加工出宽4.75mm、深2.8mm的键槽,精磨时再在键的两侧与键槽底部各磨去0.38~0.51mm。每一行程费时30~40s。加工后该零件装配时完全可以互换,表面粗糙度达Ra0.8μm,比原工艺用花键铣刀铣削提高工效3~5倍。

4. 上海大众汽车有限公司在桑塔纳轿车生产线上采用单层超硬磨料薄砂轮使用点磨削新工艺,取得了显著经济效益。此法可一次装夹完成曲轴、齿轮轴和凸轮轴多种加工工序。点磨削是由德国Junker公司首先研制而成。它利用单层超硬磨料薄砂轮(宽度只有几mm)和超高砂轮线速度(120~180m/s,高的可达200~250m/s)来实现的。如图2所示,加工时使砂轮轴线与工件轴线在水平方向上形成一定的倾斜角,以使砂轮与工件之间理论上的线接触变成点接触。这样就可大大减少磨削接触区面积,而极高的磨削速度既可使切屑变薄,磨粒负荷减轻,又可使热量来不及传到工件和砂轮上,几乎都被磨屑所带走,提高工件加工的表面质量。使用结果表明,点磨削的磨削比大,砂轮寿命长(可使用一年),修整频率低(每次修整可加工200,000个工件),材料磨除率高,同时由于它采用和NC车床一样的两坐标联动来实现复杂回转体工件的表面磨削,能一次安装加工出外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形的磨削(见图2),比切入磨削有更大的柔性,同时冷却效果佳,磨削温度低,甚至可以实现干磨削。

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Junker公司的点磨削机床在安装砂轮时还采用了该公司开发的三点定心专利技术,使砂轮安装精度达到了μm级,装夹后砂轮不必再进行修整,可直接进行加工。机床上还装有两坐标联动的金刚石滚轮修整器,当砂轮表面沿宽度方向的磨损达到80%~90%时,自动进行修整,避免了过早修整会引起砂轮不必要的消耗,有效地控制了加工成本。

原文来自《现代制造工程》网络文档由河南胜创超硬材料有限公司网络编辑室整理

来源: 现代制造工程   网络文档由陶瓷结合剂金刚石砂轮整理

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