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研磨工艺原理和特点介绍

文章出处:豪特曼磨床 发布时间:2018-07-25 21:06:05
 

一、研磨工艺原理


       研磨是磨削加工的特殊形式,又是精加工中一种高效加工方法。这种工艺不仅能去除较大的加工余量(在50年代研磨仍是作为抛光用),而且是一种提高零件尺寸、几何形状精度和表面粗糙度的有效加工方法。


      (一)研磨加工的特点:


       1.加工精度高:特别是一些中小型的光通孔,其圆柱度可达0.001mm以内。一些壁厚不均匀的零件,如连杆,其圆度能达0.002mm。对于大孔(孔径在200mm以内,圆度也可达0.005mm,如果没有环槽或径向孔等,直线度在0.01mm以内也是有可能的。研磨比磨削加工精度高,磨削时支撑砂轮的轴承位于被研磨孔之外,会产生偏差,特别是小孔加工,磨削比研磨精度更差。研磨一般只能提高被加工件的形状精度,要想提高零件的位置精度,需要采取一些必要的措施。如用面板改善零件端面与轴线的垂直度(面板安装在冲程臂上,调它与旋转主轴垂直,零件靠在面板上加工即可)。


       2.表面质量好:表面为交叉网纹,有利于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支承率(孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比),因而能承受较大载荷,耐磨损,从而提高了产品的使用寿命。研磨速度低(是磨削速度的几十分之一),且油石与孔是面接触,因此每一个磨粒的平均磨削压力小,这样工件的发热量很小,工件表面几乎无热损伤和变质层,变形小。研磨加工面几乎无嵌砂和挤压硬质层。磨削比研磨切削压力大,磨具和工件是线接触,有较高的相对速度。因而会在局部区域产生高温,会导致零件表面结构的永久性破坏。


      3.加工范围广:主要加工各种圆柱形孔:光通孔。轴向和径向有间断的孔,如有径向孔或槽的孔、键槽孔、花键孔。盲孔。多台阶孔等。另外,用专用研磨头,还可加工圆锥孔,椭圆孔等,但由于研磨头结构复杂,一般不用。用外圆研磨工具可以研磨圆柱体,但其去除的余量远远小于内圆研磨的余量。几乎可以加工任何材料,特别是金刚石和立方氮化硼磨料的应用。同时也提高了研磨加工的效率。


      (二)研磨加工原理:


       1.研磨是利用安装于研磨头圆周上的一条或多条油石,由涨开机构(有旋转式和推进式两种)将油石沿径向涨开,使其压向工件孔壁,以便产生一定的面接触。同时使研磨头旋转和往复运动,零件不动;或研磨头只作旋转运动,工件往复运动,从而实现研磨。


        2.在大多数情况下,研磨头与机床主轴之间或研磨头与工件夹具之间是浮动的。这样,加工时研磨头以工件孔壁作导向。因而加工精度受机床本身精度的影响较小,孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。


        研磨时由于研磨头旋转并往复运动或研磨头旋转工件往复运动,使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹,而且在每一往复行程时间内研磨头的转数不是整数,因而两次行程间,研磨头相对工件在周向错开一定角度,这样的运动使研磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹不会重复。此外,研磨头每转一转,油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠长度,使前后磨削轨迹的衔接更平滑均匀。这样,在整个研磨过程中,孔壁和油石面的每一点相互干涉的机会差不多相等。因此,随着研磨的进行孔表面和油石表面不断产生干涉点,不断将这些干涉点磨去并产生新的更多的干涉点,又不断磨去,使孔和油石表面接触面积不断增加,相互干涉的程度和切削作用不断减弱,孔和油石的圆度和圆柱度也不断提高,最后完成孔表面的创制过程。为了得到更好的圆柱度,在可能的情况下,研磨中经常使零件掉头,或改变研磨头与工件轴向的相互位置。


       需要说明的一点:由于研磨油石采用金刚石和立方氮化硼磨料,加工中油石磨损很小,即油石受工件修整量很小。因此,孔的精度在一定程度上取决于研磨头上油石的原始精度。所以我们用金刚石和立方氮化硼油石时,研磨前要很好地修整油石,以确保孔的精度。


      (三)研磨的切削过程:


       1.定压进给研磨:定压进给中,进给机构以恒定的压力压向孔壁,分三个阶段。


第一个阶段是脱落切削阶段,这种定压研磨,开始时由于孔壁粗糙,油石与孔壁接触面积很小,接触压力大,孔壁的凸出部分很快被磨去。而油石表面因接触压力大,加上切屑对油石粘结剂的磨耗,使磨粒与粘结剂的结合强度下降,因而有的磨粒在切削压力的作用下自行脱落,油石面即露出新磨粒,此即油石自锐。


       第二阶段是破碎切削阶段,随着研磨的进行,孔表面越来越光,与油石接触面积越来越大,单位面积的接触压力下降,切削效率降低。同时切下的切屑小而细,这些切屑对粘结剂的磨耗也很小。因此,油石磨粒脱落很少,此时磨削不是靠新磨粒,而是由磨粒尖端切削。因而磨粒尖端负荷很大,磨粒易破裂、崩碎而形成新的切削刃。


       第三阶段为堵塞切削阶段,继续研磨时油石和孔表面的接触面积越来越大,极细的切屑堆积于油石与孔壁之间不易排除,造成油石堵塞,变得很光滑。因此油石切削能力极低,相当于抛光。若继续研磨,油石堵塞严重而产生粘结性堵塞时,油石完全失去切削能力并严重发热,孔的精度和表面粗糙度均会受到影响。此时应尽快结束研磨。


       2.定量进给研磨:定量进给研磨时,进给机构以恒定的速度扩张进给,使磨粒强制性地切入工件。因此研磨过程只存在脱落切削和破碎切削,不可能产生堵塞切削现象。因为当油石产生堵塞切削力下降时,进给量大于实际磨削量,此时研磨压力增高,从而使磨粒脱落、破碎,切削作用增强。用此种方法研磨时,为了提高孔精度和表面粗糙度,最后可用不进给研磨一定时间。


       3.定压--定量进给研磨:开始时以定压进给研磨,当油石进入堵塞切削阶段时,转换为定量进给研磨,以提高效率。最后可用不进给研磨,提高孔的精度和表面粗糙度。


       二、研磨机类型及选型原则


       研磨机分卧式和立式两种。其选用原则可参考以下几方面:


       1.不同批量选不同形式的研磨机,如多品种小批量,选用小功率、通用性大的机床;如果批量很大,则选用大功率的专用机床。


       2.按工件孔径、孔长和外形尺寸选择机床的主要规格和参数。


       3.根据孔的结构形式选机床往复机构的性能。如盲孔,要求往复行程机构换向重复精度高,超程小,应能适应手动或自动交替控制长、短冲程;又如短孔,孔精度要求又高,选用机械往复行程机构。


       4.根据孔加工余量、形状误差和孔精度要求,选定油石涨缩机构的扩张进给方式。


       5.根据同一孔需要研磨的次数、生产批量或生产节拍、工件外形尺寸及工件上加工的孔数,选定机床的主轴数或机床台数以及工作台的形式。如大批量的小型零件,可选用立式带旋转工作台的多轴机床;尺寸大或直线排列的多孔工件,可选用移动工作台或移动研磨头的机床。小批量可选单轴。大批量可选多轴,对一个孔进行多次研磨或几个孔同时进行研磨。


       6.根据孔的尺寸精度、孔径大小、结构形式,油石的耐磨程度,研磨头的结构形式,生产批量,选定尺寸控制方式。


       7.根据孔的表面粗糙度、尺寸精度和生产节拍的要求,选定切削液的净化方式和是否需要冷却切削液装置。


       三、直接研磨新工艺


       研磨齿是一种众所周知,系列化生产中常用的硬齿面精加工工艺。经过研磨的齿轮可以改善其噪声和磨损特性。


       研磨过的齿轮由于改变了轮齿的表面结构,因而能降低噪声和延长使用寿命。经研磨的齿轮表面,形成类似于鱼骨刺的表面结构,有利于从齿根面端部到节圆直径表面上形成一层润滑油膜,有利于抑制噪声的产生。特殊过程运动会使研磨工具在对应方向上与工件产生滚动接触,从而生成这种表面结构。合成速度分量作用于齿面,生成一个轴向的切削速度分量,所以可使磨具的磨粒与整个齿面保持接触。


       与齿轮磨削相比,研磨齿时的切削速度极慢,仅为0.5-6.5m/s。因此,作用于起切削作用的磨粒、结合剂特别是工件材料上的热量极低,因而在研磨过程中不会发生金相组织的变化,不必担心会出现“烧伤”。即便将切削速度提高到10m/min(新一代机床所能达到的速度)、在加工过程中仍不会有产生热负荷的危险。在低速加工的夹紧时,会出现较大的力。这个力可能很大,表面的结构会发生压紧和残余压应力增大,而这种现象通常出现在热处理过程中。这种残余压应力增大对零件寿命有利,所以研磨齿轮必然会提高其抗磨损性,因而研磨齿轮的使用寿命要比用其它方法精加工的淬硬齿轮的寿命长。


       上述研磨加工方法的优点可归结为:这是一种经济可行的加工方法。在考察一种工件加工工艺的经济可行性时,必须考虑到整个加工过程链。这对硬齿轮精加工来说尤其重要的,因为预精加工是极为重要的。通常,加工成本的提高与工件硬度的大小不成比正。为此,在大多数情况下需要一种良好的绿色加工方法,既要能有效进行硬齿面加工,又要热处理变形效果最小。这就要创造一种最理想的硬齿面精加工条件。除了对预加工方法实施改进之外,这种硬齿面加工方法不但切除量要大,而且要能有大的尺寸变化,这样才能可靠而廉价地切除材料。这就使人产生了一种能使研磨的工艺优势与磨削的产量优势相结合的设想。这就导致了一种使设想变成现实的方法:直接研磨,既工件经热处理后直接研磨。


        在用直接研磨法进行预加工时,不但获得很高的切除率,而且能经济地并以很高的重复精度达到了预期的质量要求。更快更经济地加工要求常常与提高加工重复性和质量并使机床操作尽可能简便的要求如影随形。


        以前,在进行研磨时需选用人造树脂结合氧化铝或硬质合金磨具,电镀CBN或金刚石磨具或者是复合模具。


        对于过程控制,理论上存在双面接触、单面线接触和单面点接触几种可能性,以及有或没有工件与工件驱动同步。同时,还存在将这类策略组合在一起,促成一种优化的效果的可能。在选用磨具材料时,必须考虑采用能达到最长磨具寿命的材料。还要考虑到,易切削磨料导致修整磨具过早磨损的问题。


        有一种过程控制方法能缩短研磨时间,易于保证在整个齿面上保持理论上的线接触。因此避免了磨具与工件的点接触。尽管这可能有悖于产生较大残余压应力的要求,足够大的力依然会使之保持理论线接触。连续改变接触条件会产生良好的动态特性,不会因摆动角度使机床部件产生严重颤振。研磨过程中,单面线接触研磨时这类动态特性会对机床产生严重影响。为最大限度地减小这种影响,要尽可能地采用双面线接触。系列化生产中,由此而引发的对研磨过程中利用机床运动链实施齿面修形过程的各种限制,可予忽略。但在工装中必须建立轮廓修形。关于单面或双面接触,所涉及的或是磨具齿面,或是工件齿面。事实上,在加工过程中总有一个以上的齿在保持接触。这就表示研磨齿过程是一种连续接触的滚动过程。这是使齿轮低噪声运行的一项极为重要的决定性因素。

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