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1、离散磨料研磨技术与固结磨料研磨技术摘要：本文简要介绍了研磨及磨料的一些基本知识，着重介绍了离散磨料研磨技术与固结磨料研磨技术的研究背景、原理及性质特点等，并对两者进行了比较。一 研磨研磨是一种重要的精密和超精密加工方法，内于其不断发展善，定义也在不断地变化。早年德国的经济加工协会曾给研磨定义为：研磨是一种加工方法，在工件和工具之间无强制导引，利用研磨剂，在不断变更方向的情况下相互滑动。这个定义是较为原始的基本定义，没有体现出研磨的特征。所以，后来有人给研磨又下了定义：用研磨工具和研磨剂从工件表面上磨去一层极薄的金属，使上件表团达到精确的尺寸、准确的几何形状和很低的表面粗糙度值，这种精密加工的方
2、法，叫研磨。这个定义强调了研磨的特征，但也限制了加工工工件的材料范围，仅指金属似乎不妥。由于材料科学的进步和发展，非金属材料的大量涌现，其应用日益广泛，所以研磨加工对象也应包括非金属。因而，研磨可以表述为；利用磨具通过磨料作用于工件表面，进行微量加工的过程。研磨加工除了加工精度和加工质量尚这一特点外，还具有加工材料广，几乎可以加工任何固态材料的特点。正是内于这一特点，研磨加工方法的应用比较早。在原始社会，人类的祖先就用研磨方法来加工贝壳、骨制品、石器及一些器皿等。尽管研磨加工效率低，但在当时由于切削刀具材料比较落后，研磨对于这些材料的加工常常是惟一可行的加工方法。后来，内于切削刀具材料的发展切
3、削加工因加工效率高而逐渐受到重视，使得切削加工在机械加工领域中所占比例增加，而研磨加上在机械加工领域所占比一度减少。但近几年来，随者社会的进步，人们对产品性能的要求日益提高(影响产品性能的主要因素包括其构件的加工精度和加工质量)，研磨加工以其加工：精度和加工质量高而再次受到了人们的关注。特别是最近几年信息技术、光学技术的发展，对光学零件不仅需求量增大，而且对其质量、精度都提出了很高的要求而研磨作为光学加工中一种非常重要的加工方法，起着不可替代的作用。冈此许多人从事着研磨加工技术的研究，其宗旨都是进一步提高研磨加上效率、加工精度，降低加工成本。 目前国内外研磨加工主要还是采用离散磨料在慢速研磨机
4、上研磨。其特点是加工精度高、加工设备简单、投少，但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。正是由于离散磨料研磨存在一些不足，所以许多学者在研究改进这种研磨加工技术。 有人研究新型研磨液，以改善研磨效果；还有人研究不问磨料和不同材料磨盘的研磨效果，以寻求对应于不同工件的最佳磨料及磨盘。 研磨加工面形范围很广，几乎可以加工任何面形的工件。对于不同面形的工件，研磨加工方式不同，于是人们针对不同面形的工件探讨了不同的加工方法。 在金属切削加工中，刀具的质量直接影响着被加工工件的质量。为提高工件的质量，人们对刀具提出了较高的要求，特别是用于精密和超精密加上的金刚石刀具都要采用研磨加工。因此国内外一些人专门
5、从事刀具研磨加工技术研究，取得了一些进展。 为了提高研磨加工效率，在研磨中不仅一次研磨加工工件的一个表面，而且还可以同时加工工件的两个表面。于是有人研制出双面研磨机。 球面是一种较为常用的曲面，特别是在光学系统中和轴承上，其研磨加工量非常大。因此有人专门研究了球面研磨加工技术、加工机床及加工机理，取得了很好的效果。 在光学系统中应用非球团元件可以使复杂的系统结构变得较为简单。它们pJ以有效地消除像差，提高系统的成像质量。在多元件系统中，一个非球面元件可以代替两个，有时甚至是三个球面元件，这样就可以大大减小系统的尺寸及质量，提高稳定性，降低成本。因此非球面研磨加工就显得十分重要。许多人从事非球面
6、研磨加工技术的研究，井将之应用于生产。 研磨机是保证研磨加工的重要条件，因此人们专门研究了各种不同研磨机。有人还针对不同的工件，研究出的简易专用研磨装置。为了提高研磨加工效率，人们在研磨加工自动化方面也做了许多工作，从而实现了连续研磨加工。特别是有人将计算机引人研磨机中，以进行特殊曲面加工。还有人将监测技术引入研磨加工中，对研磨过程进行监控。通过这些研究，研磨加工技术水平得到了很大提高。 这些新型研磨加工技术如下图1.1所示分类二 磨料2.1 定义 磨料是具有棱角、一定的硬度和韧性的粉末状粒状物质,它在研磨加工中对工件的加工起关键性的作用 。2 .2 磨料的基本要求 由于磨料在研磨加工时直接作
7、用于工件表面，起切削加工作用，因此对磨料有一定的要求。 1)硬度足磨料的最基本要求，它应比被加工材料硬因为磨料颗粒硬高， 才能够切入被加工物体内，使低硬度的物体表面受到加工 2)韧性要高，不应因为有研磨压力，而引起破坏，且不易磨损。 3)应有适当的自锐性，随研磨压力而产生相应的小碎屑，应呈贝壳状断口的多角形。4)熔点或软化点应比被加工物高，研磨发热时，磨粒尖端不应融化或变软。 5)化学稳定性要好，以免在加工过程中，与其他物质起化学反应。 6)形状和粒度应均匀一致，每号磨料颗粒的尺寸应限制在一定的范围内。2.3 磨料的种类 常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系及软磨料系等四类。氧化物系磨料
8、的主要成分是Al2O3，由于它们的纯度不同、结晶工艺不同，而分成不同的品种。氧化物系磨料因其强度、韧性大，与钢铁不发生反应，主要用于研磨钢类零件。碳化物系磨料主要以碳化硅、碳化硼等为基体。由于它硬度高、强度低、韧性低，与钢铁发生化学反应，故主要用于研磨铸铁、硬质合金、宝石等硬面脆的材料。高硬度磨料系主要有金刚石及立方晶氮化硼。金刚石是硬度最高的磨料，适用于研磨除钢铁材料以外的所有材料，特别适合于研磨硬而脆的硬质合企、宝石、光学玻璃等。立方氮化硼是硬度仅 次于金刚石的人造材料，它出为耐热件(1400C)高于金刚石 (800C)，对铁族金属的化学惰性高，特别适合于研磨硬而韧的钢 材。在加工高速钢、
9、模具钢、耐热钢时，立力氮化硼的切削能力为 金刚石的(510)倍。立方氮化硼的切削刃锋利，可减少研磨时的 塑性变形，研磨加I出的工件表面质量比用一般磨料高。此外，用 立方氮化硼磨料研磨的工件表面层的残余应力为压应力，故所加 工的工件耐磨性较高。 立方氮化砌磨料在高温时(1000C)与水容易产生化学变化，使磨料消耗增大，故用立方氮化硼磨料时小宜用水质切削液。 软磨料主要是用于抛光，而不适合于研磨，所以这里就不介绍软磨料。现将有关的磨料特性列于表2-1三 游离磨料研磨技术3.1 加工原理 游离磨料研磨技术是指在慢速研磨机上用游离磨料进行慢速 研磨加工的方法。它是目前普遍采用的传统研磨技术。其原理如图
10、3.1所式，电动机6通电后，电机通过蜗轮7减速，带动研磨盘4慢速旋转。磨盘用轴承5支撑在研磨机机架上。工件2与分离器3一起在研磨盘上。工件2上还压有重物1。磨盘转动带动着工件和分离器绕着磨盘问转中心转动的向时，它们之间也存在着相对运动，这个运动就对工件产生了研磨作用(工件与磨盘间有磨料8)。分离器3的作用是避免磨盘上过多的工件之间的碰撞，并对磨盘进行一定的修整。重物1的作用是增大工件与磨料问的正压力及其摩擦力，以提高研磨加工效率。.游离磨料研磨的特点 1)磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因此加上效率低。 2)磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起，磨料不能充分发挥切削
11、用，而且为提高加工效率过要经常将磨料与这些碎屑一起清洗掉，这既很费了能源、又浪费了磨料。 3)磨料在磨盘上是随机分布的，只分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制； 特别是磨料均工件间的相对运动具有随性，这也增加了工件面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。 4)在研磨加工过程中，磨料相互间既有作用力，又有相对运动，这造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨料，加重了磨料和能源的浪费。 5)在研磨过程小，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影响表面质量，因此为提高工件表面质量，游离磨料研磨对磨
12、料的尺寸均匀件要求较高。6)在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。 7)在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨散要求三个磨盘相万对研，既费事麻烦，又对上人操作技术水平要求高。 8)为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研加工中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进ff严格清洗。 9)污染环境。 10)工人劳动强度大，对工人技术水平要求高。 11)较硬的磨料容易嵌人较软的工件表而内影响工件的使用性能。传统的游离磨料研磨正足因为存在着上述这些缺点，使得其应用受到了定的限制。四
13、 固结磨料研磨技术 4.1 加工原理 固结磨料研磨技术是指将游离的磨料固结起来，制成专用磨具，在高速研磨机上进行高速研磨的方法。 固着磨料研磨原理如图41所示，电机通过传动机构带动磨盘以角速度 绕研磨机主轴旋转。工件置于磨盘上。磨盘上固结着磨料以对工件产生研磨切削作用。我们将磨科与磨盘一起统称为磨具。压头通过压盖将工件压向磨具。其作用是使工件和磨具间产生研磨压力，同时又限制了工件的移动，只允许工件绕压头中心回转。固结磨料研磨所采用的加工设备是高速研磨机床,如上图4.2所式,这是西安秦川(集团)发展总公司生产的PJM320B平面精磨机,下图4.3为该机床的总体分布图。4.2 研究背景及现状 固结
14、磨料研磨国外是在20世纪60年代发展起的，我国是20世纪70年代发展起来的。固结磨料研磨较好地解决了传统的游离磨料慢速研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点是能显著提高研磨加工效率，而加工效率低是限制传统研磨广泛应用的最大障碍，因此固着磨料高速研磨一出现就受到了人们的重视。长春理工大学从20世纪70年代起开始从事因着磨料研磨加工技术的研究，并成立了专门从事这一技术研究的课题组，探讨了在固着磨料研磨中，研磨压力、研磨速度、冷却液等对研磨效率和加工质量的影响。当时加工对象仅限于玻璃，因此所探讨的固结磨料研磨加工的各参数的作用一般都是指加工玻璃。这些研究有力的推动了这一新技术的推广应用。但固结磨料研磨
15、也存在一个新的问题，就是磨具在研磨中会出现磨损，这就导致了磨具的面型精度下降，以致被加工件面形精度下降。这就要求人们要经常地及时休整磨具。以往的游离磨料研磨。使用的磨盘加工性相对来说比较好。而用于固结磨料研磨的磨具表面上固结着极耐磨的磨料。这使得磨具休整十分困难，因此限制了固结磨料研磨的广泛应用。4.3 磨具的制作 磨具是固结磨料高速研磨所采用的切削工具。对于高速研磨来说磨具对研磨加工的影响比较大，它直接影响着研磨加工度、加工质量、加工效率和加工成本。因此,磨具的制作是固结磨料研磨技术中很关键的一个环节,一般情况下，磨具是根据被加工工件的具体要求以及研磨机的状况来设计和制作的。磨具主要由切削部分、支撑部分和安装夹持部分组成，如下图4.4所示。切削部分的主要作用是对被加工工件表面进行微量切削。事实上在研磨加工过程中，不仅是磨料对工件表面进行切削作用，还存在着其它加工作用，但切削作用是研磨加厂的主要形式。磨具的支撑部分一殷是根据被加工件表面廓形上需要，尽量按工件表面廓形制造，以减小修整磨具的工作量。安装夹持部分是根据所采用的机床及研磨加工运动关系来决定的。
