微纳磨削加工技术

微纳磨削加工技术2014年10月22日主讲:周伟2主要内容磨削加工的基础知识1微纳磨削加工机理2砂轮的选择与修正3磨削加工工艺参数的优化431.磨削加工的基本概念：磨削是在磨床上用砂轮或其他磨具以较高的线速度，对工件表面进行切削加工的方法。它是机械零件精密加工的主要方法之一。磨削加工的基础知识磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要切削工具。4磨削加工的基础知识™磨床的种类：磨床的种类很多，有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、导轨磨床、工具磨床、专业化磨床、砂带磨床及其他磨床。5（1）外圆磨床外圆磨床可磨削工件的外圆柱面和外圆锥面磨削加工的基础知识6（1）外圆磨床万能外圆磨床万能外圆磨床还可磨削内圆柱面、内圆锥面及端平面。磨削加工的基础知识7（2）内圆磨床磨削加工的基础知识内圆面或内圆锥面8（3）平圆磨床磨削加工的基础知识平面、端面磨削加工9（4）导轨磨床磨削加工的基础知识大工件磨削加工10磨削过程机理砂轮是把磨料和结合剂按比例经混合、搅拌、压坯、干燥、焙烧而制成的多孔体。微纳磨削加工机理11磨粒切削刃几何形状不确定；磨粒及切削刃随机分布；磨削厚度小(＜几μm),磨削速度高,磨削点瞬时温度高(达1000℃以上)。‹磨粒微小切削刃不规则，磨削过程复杂；‹磨粒形状、大小各异，一般都有钝圆半径，磨粒以较大的负前角(通常刃口前角为-60～-85°)进行切削。微纳磨削加工机理磨削过程机理切削刃排列不规则，随机分布状态砂轮中的磨料磨粒是不规则的菱形多面体，顶锥角在80°~145°范围内，但大多数为90°~120°12磨削过程大致分为三个阶段：1.滑擦阶段工件表层产生弹性变形和热应力2.刻划阶段产生塑性变形沟痕隆起现象和热应力3.切削阶段：切削厚度、切应力和温度达一定，材料明显滑移形成切屑。微纳磨削加工机理13磨削加工的特点：1.磨削过程复杂，单位磨削力很大磨粒形状及分布不合理，切削厚度小，挤压摩擦严重，单位能耗大。2.磨削速度高、磨削温度高35～50m/s,挤压摩擦严重，单位能耗大，砂轮导热性差，瞬时高温可达800～1000℃，要用切削液。3.砂轮有自锐性部分地恢复砂轮的切削能力，仍需对砂轮进行修整。4.可加工高硬度材料除加工一般材料外，可加工淬硬钢、耐热钢、硬质合金等，但不宜精加工韧性较大的有色金属。5.加工工艺范围广泛可加工外圆面、内孔、平面、螺纹、齿形等成形面，不仅用于精加工，也可用于粗加工、毛坯去皮加工。微纳磨削加工机理14微纳磨削机理微纳（精密）磨削：加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.2~0.025μm的磨削加工方法。它是用微小的多刃刀具削除细微切屑的一种加工方法。一般是通过氧化铝和胶化硅砂轮来实现的。机床主轴推力轴承导轨微纳磨削加工机理15砂轮精密磨削主要靠砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性，磨削后，被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度极小。获得高精度和低表面粗糙度。微纳磨削加工机理微纳磨削机理16(1)微刃的微切削作用(2)微刃的等高切削作用(3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用微纳磨削加工机理微纳磨削机理17磨削砂轮选择精密磨削使所用砂轮的选择以易产生和保持微刃及其等高性为原则。（1）砂轮的磨粒材料普通磨料碳化物系碳化硼碳化硅刚玉系超硬磨料金刚石天然人造立方氮化硼韧性高，容易保持微刃性及等高性CBN砂轮的选择与修整18CBN砂轮™高硬度、高韧性。™耐高温、热稳定性好。™化学惰性强。™导热性好。砂轮的选择与修整19精密磨削砂轮选择研磨、超精加工、镜面磨削10~75~3.5W10~W5研磨、超精磨削20~1414~10W20~W14珩磨、研磨40~2828~20W40~W28微粉半精磨、精磨、珩磨160~12550~40100~280粗磨半精磨、精磨400~315200~16046~80荒磨、打毛刺2000~1600500~40012~36磨粒应用范围颗粒尺寸（μm）粒度号类别（2）砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。砂轮的选择与修整20（2）砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。精密磨削砂轮选择砂轮的选择与修整21（3）结合剂：砂轮的结合剂将磨粒粘合起来，使砂轮具有一定的强度、硬度、气孔和抗腐蚀、抗潮湿等性能。适用于金刚石砂轮强度最高，导电性好，磨耗少，自锐性差M金属适用于切断、开槽强度较B高，更富有弹性，气孔率小，耐热性差R橡胶适用于高速磨削、切断、开槽等强度较V高，弹性好，耐热性差B树脂最常用，适用于各类磨削加工耐热、耐蚀，气孔率大，易保持廓形，弹性差V陶瓷适用范围性能代号结合剂精密磨削砂轮选择砂轮的选择与修整22（4）砂轮的硬度：指磨粒在外力作用下,从其表面脱落的难易程度。砂轮硬度的选用原则是：™工件材料越硬，应选用越软的砂轮。这是因为硬材料使磨粒磨损，需用较软的砂轮以使磨钝的磨粒及时脱落。™工件材料越软，砂轮的硬度应越硬，以使磨粒脱落慢些，发挥其磨削作用。™磨削有色金属、橡胶、树脂等软材料时，要用较软的砂轮，以便使堵塞处的磨粒较易脱落，露出锋锐的新磨粒。™半精磨与粗磨相比，需用较软的砂轮；但精磨和成形磨削时，为了较长时间保持砂轮轮廓，需用较硬的砂轮。精密磨削砂轮选择砂轮的选择与修整23砂轮修整™1.低于中心0.5~1.5mm™2.向下倾斜10~15度金刚石受力小砂轮的修整用量有：修整导程、修整深度、修整次数和光修次数。修整导程（纵向进给量）为10～15mm/min，修整深度为2.5μm/单行程，精修次数2～3次，光修次数1次单行程。方法1：砂轮的单粒金刚石修整砂轮的选择与修整整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）24砂轮修整砂轮的选择与修整常用方法2-电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整。进给＋－ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷原理：砂轮采用铸铁基金刚石砂轮。利用电解原理，在磨削过程中，不断对结合剂进行电解，使已磨损的金刚石磨粒脱落，从而使金刚石砂轮始终处于锋利状态。铸铁基砂轮：“+”极；石墨电极：“–”极；两电极间隙：0.1mm。25磨削液的作用磨削液的种类和组成磨削液磨削加工工艺参数与优化（1）降低磨削温度，减少磨削力，改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。（2）润滑、冷却、清洗性能。（3）有渗透性、防锈性、防腐性、防火性、切削性和极压性等。（1）油基磨削液：成分是矿物油，如机油、轻质柴油、煤油，加入脂肪油和添加剂。（2）水基磨削液：水中溶解其它物质，如乳化液、无机盐水溶液和化学合成液等。26乳化液矿物油、乳化剂乳化油（1~20%）+水+防腐添加剂油油油水包油-润滑和冷却的作用磨削液磨削加工工艺参数与优化27磨削运动和磨削用量磨削运动和磨削用量1、磨削主运动vc=πdono/10002、工件进给运动磨削内外圆时：工件旋转运动vw；磨削平面时：工作台直线运动ｎtab。3、轴向进给量fa4、径向进给量fr磨削加工工艺参数与优化28精密磨削采用的切削用量砂轮速度一般在15～30m/s一般在6～12m/min工作速度工件纵向进给量一般为50～100mm/min或0.06～0.5mm/r横向进给量（吃刀量）一般取0.6～2.5μm/单行程横向进给次数一般约2～3次（单行程）光磨（无火花磨削）粗粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用5～8次细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用10～25次。磨削加工工艺参数与优化29δavvasRzswydxda)(∝其中：Ra表示表面粗糙度（单位：μm）；sd表示砂轮修整导程（单位：mm）；ad表示砂轮修整深度（单位：μm）；vw表示工件进给速度（单位：m/s）；vs表示砂轮速度（单位：m/s）；a表示磨削深度（单位：mm）；x、y、z、δ表示模型系数。磨削表面粗糙度影响因素磨削加工工艺参数与优化30影响磨削加工表面粗糙度的因素影响磨削加工表面粗糙度的因素•粒度↓→Ra↓•粒度↓→Ra↓•金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓•磨粒等高性↑→Ra↓•金刚石笔锋利↑，修正导程、径向进给量↓→Ra↓•磨粒等高性↑→Ra↓•硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑•硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑•硬度合适、自励性好↑→Ra↓•硬度↑→钝化磨粒脱落↓→Ra↑•硬度↓→磨粒脱落↑→Ra↑•硬度合适、自励性好↑→Ra↓•太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓•太硬、太软、韧性、导热性差↑→Ra↓砂轮粒度砂轮粒度工件材料性质工件材料性质砂轮修正砂轮修正磨削用量磨削用量•砂轮V↑→Ra↓•ap、工件V↑→塑变↑→Ra↑•粗磨ap↑→生产率↑•精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)•砂轮V↑→Ra↓•ap、工件V↑→塑变↑→Ra↑•粗磨ap↑→生产率↑•精磨ap↓→Ra↓(ap=0光磨)磨削表面粗糙度影响因素磨削加工工艺参数与优化砂轮硬度砂轮硬度Ra↓表面越光滑31精密磨床精密磨床应满足的要求：1、高几何精度：主要有砂轮主轴回转精度和导轨平直度，以保证工件的几何形状精度要求，主轴轴承一般采用动压和动静压组合轴承。主轴回转精度？导轨平直度？磨削加工工艺参数与优化湖南大学大连理工大学浙江工业大学华侨大学322、低速进给运动的稳定性：要求无爬行和冲击现象，能平稳工作。特殊设计液压系统，采取排除空气、低流量节流阀、工作台导轨压力润滑。精密磨床磨削加工工艺参数与优化3、振动较小1）电动机的转子应进行动平衡，电动机与砂轮架之间进行隔振；2）砂轮要进行动平衡；3）精密磨床基础安装在防振地基上。动平衡：旋转体的质量轴线与旋转轴线重合程度33超精密研磨和抛光研磨是在研具与工件之间置以研磨剂，对工件表面进行光整加工的方法。研磨原理磨削加工工艺参数与优化34单面研磨机™为确保几何形状精度，研磨端面小的高精度平面工件时要使用弹性变形小的研具；除特种玻璃外，可以用在加工成平面的金属板上涂一层四氟乙烯，或镀铅和铟；™为获得高的表面质量，在工件材料较软时，有时使用半软质（如锡）和软质（如沥青）的研磨盘，主要问题是不易保持平面度，优点是表面变质层小、表面粗糙度小。磨削加工工艺参数与优化35抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏，对工件表面进行光整加工的方法。超精镜面砂带抛光硬磁盘涂层表面磨削加工工艺参数与优化超精密研磨和抛光SubstrateCarrierPolishOverarmPolishTableSubstrateCarrierwithPolishOverarm多头、单头抛光机36抛光垫形状外貌磨削加工工艺参数与优化TypeI注入聚合物的毛毡TypeII微孔材料TypeIII充填聚合物TypeIV未充填聚合物37特点：z研磨工具（研具）与工件之间的运动不受约束z磨料不固定z研具的现状要复印在工件上z研具与工件的相对运动方向常发生变化机理：z机械的微切削作用z机械与化学的综合作用z化学或电化学的作用z其他作用超精密研磨和抛光磨削加工工艺参数与优化38作业作业™简述微纳切削加工机理，并对该方向国内外研究动态进行举例说明，3个实例以上。激光加工的应用™简述微纳磨削加工砂轮硬度的选用原则，并对国内外科研机构的在微纳磨削加工技术领域研究动态进行举例说明，3个实例以上。需要标注参考文献，列出典型的成果照片。™影响磨削表面粗糙度因素有哪些，它们是如何影响表面粗糙度的？