基于磨削法的金剛石磨料工具精密修磨技術*

崔仲鳴， 馮常財， 莊召鵬， 王 星， 赫青山

(1. 河南工業大學 機電工程學院, 鄭州 450001)

(2. 中原環保股份有限公司, 鄭州 450001)

金剛石磨料工具是利用金剛石磨料做成的具有一定幾何形狀的磨料工具，一般用于磨削、研磨、拋光工作等[1-2]。金剛石磨料工具的制造精度很大程度上決定了其使用性能，由于金剛石磨粒的硬度和耐磨性非常高，使金剛石磨料工具在形面精密修整方面存在很大的難度，尤其是在制造復雜形面金剛石工具時。

精密金剛石磨料工具的制造技術是多個領域技術的集合，整個制造工藝包含多個制造環節，每一個制造步驟都需要嚴格把控。一個具有復雜形面的金剛石磨料工具很難通過一次成形完成，通常是通過先精密成形后再加上對形面修形的方法獲得。因此，金剛石磨料工具復雜形面修形技術是制造精密金剛石磨料工具的關鍵技術之一[3-4]。

在復雜形面金剛石磨料工具的后期修形技術領域，國內外學者進行了許多研究。德國溫特公司制造的精密復雜形面金剛石滾輪經后期修形后精度可以達到0.002 5 mm，英國、美國、日本和俄羅斯等國家在修磨金剛石工具形面方面也達到了微米級的精度水平[5-6]，國內也有很多研究人員開展了高精度金剛石滾輪制造技術的研究[7]。但是在精密金剛石磨料工具形面精密修形方面，其修磨方法、修磨機理和基本工藝方面的系統研究報道不多。

目前已經開發的較為有效的金剛石磨料工具修形方法有機械加工法和特種加工法2大類。機械加工法主要包括磨削法、研磨法和拋光法等。特種加工法分為2大類：一類是以電加工為主的方法，包括電火花和電解加工；另一類特種加工方法，如激光加工法、超聲振動加工法、離子束加工和等離子加工法等[8-11]。

磨削法是以金剛石磨料砂輪作為修形工具，采用磨削的方式對被修工具表面金剛石形面進行修磨的一種方法。磨削是一種精密加工方法，目前的精密磨削機床不但可以完成比較復雜形面的加工，而且加工精度可以達到微米級，甚至亞微米級水平。相比其他修整方法，磨削法在修磨精度、能力和效率等方面都具有明顯的優勢，是修磨精度最高的方法之一。因此，開展磨削法修磨金剛石磨料工具的系統研究具有很好的理論和應用意義[12-13]。本試驗介紹了采用金剛石磨料砂輪磨削法修形精密復雜形面金剛石磨料工具的修磨機理、修磨工藝規律及其在實際中的應用。

1 金剛石磨料工具精密修磨機理

1.1 金剛石晶面特性與解理現象

如圖1所示，金剛石晶體為A4型晶體結構，金剛石晶體有3個主要晶面，分別為(100)面、(111)面、(110)面。因為各個晶面的面間距不同，所以鍵結合強度也不同，因此呈現出明顯的各向異性特征。周泳等[14-15]對金剛石各個面的解理能進行了理論計算，結果如表1所示。

圖1 金剛石晶格結構以及不同晶面的最小單元

表 1 金剛石的3個晶面理論解理能

雖然金剛石非常堅硬，但當晶面間共價鍵受到足夠大的能量沖擊時也會斷開，發生解理現象，這種解理現象和機理的存在使得對金剛石進行修形成為可能。

1.2 磨削法的磨除機理

采用磨削法修磨金剛石磨料工具時，修磨砂輪和被修金剛石磨料工具兩者表面的金剛石磨粒相互接觸摩擦，由于修磨時是金剛石和金剛石接觸，而金剛石的硬度極高，不能發生切入或壓入的情況，其磨粒接觸形式可以認為是瞬間的相互擠壓。因此，磨削修磨時修磨砂輪和被修工具磨粒接觸模型可以簡化成如圖2形式，兩個接觸的金剛石磨粒可以看成是2個半徑為R1、R2的球體，在磨削壓力F的作用下壓到一起，根據赫茲理論其接觸面壓力p由公式(1)給出[16]：

(1)

其中：ν1、ν2為泊松比，E1、E2為彈性模量,k為系數，F為砂輪徑向壓力。

圖2 磨削修磨時磨粒接觸模型

(2)

實際磨削修形時，由于金剛石硬度高，修磨切深極小，因此接觸部位的平均壓力一般是小于接觸部位金剛石解理能的，只是在接觸面上的局部接觸凸起點壓力超過了金剛石解理能，發生微小部位的解理，形成微破碎修形，因此理論上磨削修磨法可以達到非常高的修磨精度和光滑表面。

圖3為金剛石修磨前后的表面情況。采用的金剛石修磨砂輪粒度代號為140/170(89～104 μm)，被修磨的金剛石顆粒平均粒徑為2 mm, 進給量(切深)為0.005 mm。從圖3a中可以看到修磨前金剛石表面的缺陷，圖3b中的金剛石被修磨后表面是光滑且幾乎沒有缺陷，從某種程度上驗證了使用上面磨削法修磨時可以形成微破碎的理論推演。

所以， 金剛石具有極高的硬度，采用磨削法修磨時的去除機理主要是破碎形式。修磨時接觸壓力F越大接觸面壓強p就越大，金剛石破碎的可能性越大，也就是修磨效率越高。從磨削角度出發，接觸壓力與修磨時的切深、修磨速度和修整砂輪磨粒粒度等因素有顯著的關系。

2 基本工藝規律試驗研究

2.1 試驗方法與條件

(1)試驗機床。磨削修磨試驗是在光學影像磨床上進行，如圖4所示。該機床主軸和砂輪都可以無級調速，CCD影像測量系統可以在線對修磨形面形狀進行觀測。

圖4 修磨試驗機床

(2)試驗方法。修磨的試驗方法如圖5所示，修磨砂輪轉速vs，被修工具轉速vw，修磨速度Δv等于砂輪和被修工具接觸的外圓周速度差；修磨方式采用徑向切深Fd、切向往復磨削速度vf的往復修磨方式。

圖5 修磨的試驗方法

(3)被修磨金剛石工具。采用電鍍法制備，金剛石磨粒平均粒徑為1 mm，直徑為100 mm，磨粒采用有序排布方式，如圖6所示。為了精確測量修磨量，在工具形面H處設計了2個階梯形面，分別是被修形面和測量參照基準面，通過測量修磨過程中2個階梯面的距離變化可以精確測量被修磨面的徑向修磨量。

圖6 被修磨金剛石磨料工具

(4)修磨量的測量。被修工具表面金剛石修磨量的測量方法如圖7所示，被修磨金剛石磨料工具表面金剛石磨粒被修磨量為ΔH。圖7a中被修磨面與參照面距離H可以通過圖7b復印片測量法精確測量，測量修磨前后H的變化量ΔH就是被修磨部分的徑向修磨量。

2.2 修磨效率試驗

2.2.1 修磨砂輪粒度和結合劑對修磨效率的影響

選擇樹脂、陶瓷和金屬3種不同結合劑金剛石磨料砂輪進行修磨試驗，每種砂輪選擇磨料粒度代號為100/120、140/170、200/230、270/325(平均粒徑分別為124～150、89～104、61～74、44～53 μm)，濃度為100%，修磨砂輪外徑為175 mm、寬度為7 mm。被修金剛石磨料工具如圖7所示，修磨工藝參數：切深ap=0.005 mm,往復進給速度vf=15 次/min，修磨速度Δv=14 m/s。修磨效率η表示單位時間修磨厚度。

圖8為修磨砂輪結合劑、粒度與修磨效率關系曲線。從圖8中可以看出：不同的砂輪結合劑對修磨效率有顯著的影響，陶瓷結合劑修整的效率最高。其可能的原因是陶瓷結合劑砂輪同時具有鋒利性和剛性，而樹脂結合劑剛性和鋒利性都較弱，金屬結合劑容易堵塞，缺少磨刃的鋒利性。隨粒度的變細，修磨效率總的變化趨勢是下降的，但是，試驗顯示140/170(89～104 μm)的砂輪修磨效率卻高于100/120(124～150 μm)的，這也說明過粗的粒度反而降低了修磨效率。其原因可能是過粗的粒度磨粒增大修磨時的接觸面積，引起磨粒局部接觸面內壓強減小，反而造成修磨效率下降。

圖8 砂輪結合劑、粒度與修磨效率關系

2.2.2 修磨切深和修磨速度對修磨效率的影響

采用與上述同樣的試驗方法，研究不同的切深、修磨速度對修磨效率的影響。試驗條件：修磨砂輪為粒度代號為140/170(89～104 μm)、濃度100%的陶瓷結合劑金剛石磨料砂輪，往復進給速度vf=15 次/min。其試驗數據形成的關系曲線如圖9所示。

圖9 修磨切深、速度與修磨效率關系

從圖9可以看出，修磨效率隨著修磨切深的增大而升高。其可能的原因是隨著切深增大，修磨過程的法向壓力增大，修磨磨粒局部接觸壓力增大，從而提高了金剛石的微破碎率。隨著修磨速度的增加修磨效率先升高而后略有下降，說明對于修磨存在合適的修磨速度，可以得到最佳的修磨效率。其原因是隨著修磨速度增加，修磨時磨粒接觸時間縮短，有利于增大磨粒局部接觸面壓強，同時修磨速度的變化修磨的切向力和法向力比例也發生了變化，適中比例的切向力和法向力，可以獲得最好的修磨效率。

2.3 修磨精度試驗

修磨精度主要考察被修磨后金剛石工具表面的平滑程度。試驗方法是：采用上述修磨工藝參數修磨的金剛石滾輪以直接切入的方式修整白剛玉砂輪，再用白剛玉砂輪以切入方式磨削45號調質鋼材零件，然后測量被磨鋼材零件表面的粗糙度和直線輪廓度，用來表征修磨精度。

2.3.1 修磨砂輪結合劑、粒度對修磨精度影響

試驗采用切深ap=0.005 mm，修磨速度Δv=14 m/s。圖10為試驗獲得的與修磨砂輪結合劑、粒度相對應的粗糙度和輪廓度關系圖。

如圖10所示：同一種粒度的3種結合劑修磨砂輪修磨相應的粗糙度值相差不大，說明結合劑對修磨精度影響不顯著。不同粒度的砂輪修磨相對應的粗糙度值、輪廓度值都呈現隨磨粒粒徑變細而降低的趨勢。粒度代號為140/170(89～104 μm)相對應的粗糙度和輪廓度下降趨勢較平緩，結合前面對修磨效率試驗情況可知：采用粒度代號為140/170(89～104 μm)的細粒度砂輪修磨金剛石工具比較合適。

2.3.2 修磨切深和速度對精度的影響

圖11為修磨切深和速度對修磨精度的影響。試驗采用的修磨砂輪粒度代號為140/170(89～104 μm)陶瓷結合劑。從圖11可以看出：修磨切深對修磨精度有顯著的影響，隨著切深的增加，相應的表面粗糙度、輪廓度呈近似線性增加。結果表明：采用小的切深可以提高修磨精度。當切深為0.003 mm，修磨速度為22 m/s時，相應的粗糙度小于 0.2 μm、輪廓度為1.2 μm，表明修磨精度達到了比較高的等級。從圖11中也可以看出：修磨速度對修磨精度也有一定的影響，隨著修磨速度的增加，修磨精度基本上呈上升趨勢。

3 修磨應用試驗

3.1 圓弧角度滾輪形面修磨

圖12是采用內電鍍法制造的一種圓弧切線組成形面的金剛石滾輪，滾輪表面金剛石粒度代號為30/35(500～590 μm)、無規則排列，形面由一個大圓弧和一個小圓弧以及30°切線組成。

圖13為修磨小圓弧和切線時的局部影像，采用的修磨工藝參數為：修磨砂輪為陶瓷結合劑砂輪、粒度代號為200/230(61～74 μm)，修磨速度Δv=14 m/s，粗修切深0.005 mm，精修切深0.003 mm。對滾輪修磨前后的形面輪廓精度采用復印片影像法進行測量，并對修磨前后磨削試件表面粗糙度進行檢測。測量結果顯示：修磨前圓弧尺寸誤差為+0.031 mm，修磨后為+0.003 mm；切線角度誤差修磨前為+13′，修磨后為+4′；表面粗糙度修磨前為0.489 μm，修磨后為0.195 μm。

圖13 在線修磨的影像圖

3.2 球軸承溝道滾輪形面修磨

圖14為采用內鍍法制造的一種球軸承溝道磨削用金剛石修整滾輪。滾輪表面金剛石粒度代號為40/50(350～420 μm)、無規則排列，被修形面半徑為2.05 mm。采用的修磨工藝參數為：修磨砂輪為陶瓷結合劑砂輪、粒度代號為200/230(61～74 μm)，修磨速度Δv=14 m/s，粗修切深0.005 mm，精修切深0.003 mm。

采用輪廓儀對修磨后滾輪修整砂輪磨削出的一批軸承環零件和溝道進行檢測，檢測結果顯示：圓弧尺寸為2.052 mm，圓弧輪廓度Pt值為1.592 μm，表面粗糙度約為0.120 μm。

4 結論

針對復雜形面超硬磨料工具制造技術中形面修形困難、修形效率低等難題，對其修磨機理、修磨方法、工藝規律及應用進行研究。結論如下：

(1)通過理論分析和磨削試驗表明，磨削修磨過程中，被修磨金剛石顆粒表面會受到沖擊壓力產生解理性破碎。當修磨量很小時，被修金剛石表面因微小部分凸凹而產生極高的壓力而產生微破碎。磨削法精密修磨時金剛石的磨除形式主要為磨粒的微破碎，可獲得極微小的修磨去除量，實現精密修磨。

(2)磨削法修磨的主要影響因素有修磨砂輪的粒度、結合劑、修磨速度、修磨切深等。隨砂輪粒度尺寸變細修磨精度呈上升趨勢，陶瓷結合劑砂輪修磨效率最高，修磨速度和切深增大有利于提高修整效率。

(3)采用基于磨削法的精密修磨工藝，能夠獲得較高的修磨效率和精度，圓弧角度滾輪經修磨后工具的整體輪廓在0.005 mm以內，圓弧尺寸精度達0.003 mm，圓弧輪廓度值小于2 μm，角度形面元素精度可以達到5′以內。