专利名称：一种高硬涂层材料的间歇式磨削方法
技术领域：
本发明涉及一种高硬涂层材料的间歇式磨削方法，特别是高硬度、高耐磨性涂层 材料的间歇式磨削方法；高硬度、高耐磨性涂层材料高速或超高速磨削工艺。
背景技术：
高强度钢涂层工件的特点是，基体材料具有良好的韧性，在外加载荷下会发生弹 性变形，某些特殊的基体材料对温度很敏感，很小的温度变化便会影响其力学特性；涂层材 料的硬度很高可以达到1100-1300HV，具有很高的耐磨性能；涂层与基体的结合强度可达 到150MP以上。由于受涂层喷涂工艺的限制，经喷涂后的工件表面粗糙度值往往在3-6 μ m 之间，喷涂后的工件还需进行后续加工才能满足使用要求。由于涂层的种种优点使得其在 航空航天、国防、军工、机械等领域得到广泛应用；但是也由于涂层本身的高硬度、高耐磨性 能以及涂层基体的特殊要求，使得其加工成本很高，加工效率很低。例如，飞机起落架套筒表面涂层用材料是由300M高强钢作基体，表面喷涂涂层材 料。其基体对应力集中和应力腐蚀比较敏感，材料导热性差，容易形成切削表面烧伤。特别 是飞机结构件的涂层，磨削300M基体的涂层时要求加工过程中基体材料300M的温度不能 超过150°C，且不能造成应力集中。目前，国内外针对涂层材料的磨削加工研究很少，对于高硬涂层材料的磨削加工 通常有以下几种方法。1.磨削速度大约为25m/s-63m/s的金刚石砂轮进行传统磨削，此种方法加工能保 证加工精度，但磨削时磨削力大，温度高，造成加工效率低，基体材料表面烧伤严重；2.电解抛光加工，此种加工较传统的抛光来说在加工效率上有很大的提高，但是 总的来说其加工效率还是比较低，而且其加工精度有限，而且不能去除因喷涂过程造成的 尺寸误差。
发明内容
本发明的目的是针对现有高硬涂层材料加工中存在的问题，提出一种高硬涂层 材料的间歇式磨削方法，它的间歇式磨削工艺可消除磨削过程中砂轮和工件产生的弹性变 形、保证加工精度，高速或超高速磨削工艺可大幅度提高涂层材料磨除率、有效减少磨削表 面烧伤、降低砂轮损耗与生产成本、获得良好的加工质量和高加工效率。本发明的技术方案是，所述高硬涂层材料的间歇式磨削方法为在磨削过程中，采 取砂轮进给与不进给的两种方式进行交替间歇式磨削；砂轮进给时，进行高速或超高速磨 削；砂轮不进给时，进行空载往复磨削；砂轮每进给磨削1次后，视具体情况空载往复磨削2 次"20次；所述高速或超高速磨削是，一次进给磨削深度10 μ m-150 μ m,工作台进给速度 6000mm/min-30000mm/min,砂轮线速度 80m/s-200m/s。以下对本发明做出进一步说明。
本发明采用了间歇式磨削方法，即在传统磨削工艺过程中，增加不进给磨削工序， 采取砂轮进给与不进给的两种方式进行交替间歇式磨削。本发明采用高速磨削磨具，如选用磨料的粒度为240#、300#、400#、500#的高速或超 高速砂轮，砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮、金属结合剂金刚石砂轮等。本发明所述高速或超高速磨削包括平面磨削、外圆磨削、内圆磨削与复杂曲面的 磨削，等等。本发明所述高硬涂层材料包括硬质合金高硬涂层，金属陶瓷高硬涂层，钼碳氮超 硬涂层等。本发明通过研究涂层材料的磨削性能，研发出高速或超高速磨削工艺，建立适合 于涂层材料高速或超高速磨削的工艺参数的物理模型。在物理模型中选择调用优化的磨削 力与温度参数，对涂层材料进行进给磨削，在进给磨削过程中，增加不进给磨削工序，采取 砂轮进给与不进给的两种方式进行交替间歇式磨削，砂轮进给时，进行高速或超高速磨削， 砂轮不进给时，进行空载往复磨削。通过砂轮进给与不进给两种交替间歇式磨削方式，有效 解决了由砂轮变形、工件变形(包括弹性变形和热变形)而引起的加工误差，以获得良好的 加工质量。通过高速或超高速磨削的工艺的选择与涂层材料高速或超高速磨削的工艺参数 的物理模型的调用，实现高硬材料的延性域磨削，降低磨削过程产生的磨削热、提高涂层材 料磨除率、有效减少磨削表面烧伤、降低砂轮损耗与生产成本、获得良好的加工质量。本发明的技术原理是由于涂层基体材料和砂轮的韧性，在磨削过程中受磨削力 的影响，砂轮和工件会发生弹性变形，一次磨削之后弹性变形恢复使得工件的加工尺寸会 有差异，可能达不到加工要求，由磨削过程中测量得到的实际磨削深度和理想的磨削深度 的差异证明了这种现象是存在的。采用间歇磨削方法，一次进给磨削后，基体材料的弹性 变形将很快恢复，使得工件尺寸变大，再通过不进给磨削，去除弹性恢复之后引起的变形尺 寸，往复多次，当从测力仪上读出的磨削力不再发生明显变化时，可以认为已经最大限度的 去除了以上原因产生的弹性变形，保证了加工精度。涂层本身可以承受很高的磨削温度，但受基体材料的加工要求的限制，磨削温度 不能过高，因为涂层的厚度很薄，太高的磨削温度可能使得涂层下的基体烧伤，影响整个工 件的性能。采用超高速的工艺，在保证最大未变形切削厚度的前提下可以大幅度的提高工 作台的进给速度，使用快速进给的磨削方法可以使表面产生的磨削热快速释放，使其来不 及传入基体就被冷却液带走，避免基体的烧伤。由以上可知，本发明为一种高硬涂层材料的间歇式磨削方法，可消除磨削过程中 砂轮和工件产生的弹性变形、保证加工精度，高速或超高速磨削工艺可大幅度提高涂层材 料磨除率、有效减少磨削表面烧伤、降低砂轮损耗与生产成本、获得良好的加工质量和高加 工效率。
图1实施本发明方法的一种实施例工艺流程图。
具体实施例方式本实例提供了间歇磨削加工方法在超音速火焰喷涂碳化钨涂层(WC-10Co4Cr)材料加工的应用。磨削过程如下>分析涂层材料的磨削性能及基体材料的物理性能超音速火焰喷涂碳化钨涂层与金属基体间为机械结合，结合强度相对较低，磨削 加工中磨削力对涂层界面结合存在影响，需要严格控制；碳化钨涂层是采用超音速火焰喷 涂方法得到的，涂层比较致密，但涂层中难免会存在空洞，涂层和界面处的导热效果不佳， 磨削过程中的热积累会造成基体的热损伤，这种热损伤会影响到基体金属的力学性能，所 以磨削过程中的温度控制非常重要。>涂层材料高速或超高速磨削工艺实验实验在湖南大学国家高效磨削工程中心自主开发的314m/s超高速磨削实验台上 完成，采用M0#、400#两种粒度的树脂结合剂金刚石砂轮，磨削工艺参数见表1。表1高速或超高速磨削工艺参数和磨削条件
砂轮线速度切削深度工作台速度冷却液冷却液压力磨削方式/(m.s)/mm/(m.min)/MPa80-1600.01-0.071.2-15好富顿 HC7958逆磨>适合于涂层材料高速磨削的工艺参数的模型建立根据高速或超高速磨削工艺试验的实验结果，分析磨削力、磨削温度的产生机理， 探索磨削各工艺参数对磨削力、磨削温度的影响规律。>优化涂层磨削工艺参数根据大量的工艺试验得出的结果和用工艺参数模型，运用MATLAB软件的优化功 能，将加工效率设为目标函数，砂轮线速度、磨削深度、工作台速度设为设计变量，磨削力、 磨削温度设为状态变量，对磨削工艺参数进行软件优化，得到的最优工艺参数为粗磨时用 对0#树脂结合剂金刚石砂轮磨削，磨削参数为Eip = 0. 05mm，Vw = 10000mm/min, vs = 160m/ s ；精磨时用400#树脂结合剂金刚石砂轮磨削，削参数为、=0. 02mm, vff = 6000mm/min, vs =160m/so>对涂层材料进行粗磨磨削根据涂层磨削工艺参数优化的结果，用树脂结合剂金刚石砂轮磨削，目的 是消除因基体材料形状尺寸误差和喷涂缺陷引起的工件的表面不平，其磨削参数为 = 0.05mm, Vff = 10000mm/min, Vs = 160m/s。>对涂层材料进行进给与不进给交替的间歇磨削用400#树脂结合剂金刚石砂轮进行一次磨削行程之后，在Z方向不进给的条件 下，来回磨2-20个行程。磨削参数为Bp = 0. 02謹，Vw = 6000mm/min, vs = 160m/s。>测量磨削力，磨削温度，表面粗糙度，表面/亚表面形貌。其他技术要点1.磨削前，对砂轮进行动、静平衡调试，消除砂轮的不平衡。2.砂轮必须满足线速度达到160-200m/s的要求，工作台进给速度达到 6000-15000mm/min 的要求。3.机床需配备在线动平衡系统，主轴的跳动不得大于0. 1 μ m。
5
4.磨削后涂层试件的表面粗糙度达到0. 16 μ m以下，磨削表面/亚表面无宏观裂 纹，磨削效率高，基体磨削温度低于150°C。磨削效果第一次磨削之后工件表面粗糙度可以达到0. 5 μ m，磨削表面没有出现裂纹，表面 硬度有很小的变化。第二次磨削后工件的表面粗糙度达到0. 16μπι以下，通过扫描电镜观察没有出现 表面裂纹，亚表面也没出现缺陷，而且通过磨削温度的测量，发现在磨削过程中基体的温度 只有100°C左右。实施效果比较间歇式磨削方法与高速磨削工艺磨削结果与传统磨削结果对比为
权利要求
1.一种高硬涂层材料的间歇式磨削方法，其特征是，该方法为在磨削过程中，采取砂 轮进给与不进给的两种方式进行交替间歇式磨削；砂轮进给时，进行高速或超高速磨削； 砂轮不进给时，进行空载往复磨削；砂轮每进给磨削1次后，视具体情况空载往复磨削2 次-20次。
2.根据权利要求1所述高硬涂层材料的间歇式磨削方法，其特征是，在进行所述交替 间歇式磨削之前，实施以下工艺步骤(1)分析涂层材料的磨削性能及基体材料的物理性能；(2)涂层材料高速或超高速磨削工艺实验；(3)适合于涂层材料高速磨削的工艺参数的模型建立；(4)优化涂层磨削工艺参数；(5)对涂层材料进行粗磨磨削，以消除因基体材料形状尺寸误差和喷涂缺陷引起的工 件的表面不平。
3.根据权利要求1所述高硬涂层材料的间歇式磨削方法，其特征是，所述高速或超高 速磨削是，一次进给磨削深度10 μ m-150 μ m,工作台进给速度6000mm/min-30000mm/min， 砂轮线速度80m/s-200m/s。
4.根据权利要求1所述高硬涂层材料的间歇式磨削方法，其特征是，采用磨料的粒度 为M0#、300#、400#或500#的高速或超高速砂轮，砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮或金属结合 剂金刚石砂轮。
5.根据权利要求1所述高硬涂层材料的间歇式磨削方法，其特征是，所述高速或超高 速磨削包括平面磨削、外圆磨削、内圆磨削与复杂曲面的磨削。
6.根据权利要求1所述高硬涂层材料的间歇式磨削方法，其特征是，所述的高硬涂层 材料包括硬质合金高硬涂层，金属陶瓷高硬涂层，钼碳氮超硬涂层。
全文摘要
一种高硬涂层材料的间歇式磨削方法，它是在磨削过程中，采取砂轮进给与不进给的两种方式进行交替间歇式磨削；砂轮进给时，进行高速或超高速磨削；砂轮不进给时，进行空载往复磨削；砂轮每进给磨削1次后，视具体情况空载往复磨削2次-20次；所述高速或超高速磨削是，一次进给磨削深度10μm-150μm，工作台进给速度6000mm/min-30000mm/min，砂轮线速度80m/s-200m/s。本方法尽可能了消除因砂轮和工件的弹性变形和热变形引起的实际磨削深度的变化，还使得高速磨削时产生的热量得到及时释放，砂轮保持较锋利状态，从而提高材料磨除率、有效减少磨削表面烧伤、大幅度降低砂轮损耗与生产成本、获得良好的加工质量。
文档编号B24B19/22GK102085631SQ20101055742
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者尚振涛, 易军, 盛晓敏, 谢桂芝, 郭力, 金滩 申请人:湖南大学