一种基于热力控制的金属光滑磨削方法与流程

本发明涉及金刚石砂轮磨削技术领域，具体涉及一种基于热力控制的金属光滑磨削方法。

背景技术：

难切削金属材料如钛合金、模具钢广泛应用于航空航天、精密装备制造、汽车和医疗等领域，其加工技术往往代表或制约着一个国家机械工业和其他相关产业的发展水平。在难切削金属材料的精密磨削中，磨粒出刃特征参数是影响工件表面加工质量、砂轮磨损、材料去除的关键因素，所以通常采用粒度小于50μm的硬度仅次于金刚石但对铁族金属及其合金具有化学惰性的cbn砂轮以满足表面质量、加工精度要求，但因砂轮易磨损，难以实现高效率加工，而且过程中须采用切削液以防止工件表面产生的热损伤。

为解决该问题，“一种粗金刚石砂轮的镜面磨削方法”，【专利号：cn201810088140.7，申请日期：2018.01.30】专利中公开了利用修平的粗金刚石砂轮镜面磨削金属材料的方法，其原理是：利用修平后的粗金刚石砂轮以轴向、小切深缓进给方式对金属工件表面进行干磨削，以获取良好的工件表面加工质量。然而，该技术存在以下不足：

1.尚未考虑磨削难切削金属工件时由瞬时高温和磨削力引起的金刚石石墨化磨损问题，磨粒磨损会直接影响工件表面完整性；

2.轴向进给方式下工件表层材料与修平金刚石间的持续接触时间长，而且小切深缓进给易使修平金刚石与工件表面形成滑擦、耕犁，这些因素将导致工件表层热损伤，尤其在干磨削中。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于热力控制的金属光滑磨削方法，该方法无需采用切削液，只需通过控制机床运动参数使金刚石的实际切除深度大于磨粒耕犁-切削临界转换深度，利用砂轮环面上修平的金刚石以径向进给方式进行碾压切削即可获取良好的工件表面完整性，而且通过控制金刚石的修平面积，可使金刚石在磨削过程中不易发生脱落和石墨化。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种基于热力控制的金属光滑磨削方法，包括以下步骤：

砂轮修整阶段，利用铁电极对砂轮环面上的金刚石进行机械热化学修平，使金刚石修平面积sc大于金刚石截面积的1/4；

光滑磨削阶段，金刚石砂轮以径向进给方式移动，控制机床运动参数使金刚石的实际切除深度hr大于磨粒耕犁-切削临界转换深度hcr，利用金刚石对金属工件表层材料进行碾压切削；

当完成一次径向进给时，金刚石砂轮沿垂直砂轮切削方向移动距离10～100μm后再次进行加工，依次循环最终使金属工件表面逐渐形成光滑、平整的宏观镜面。

本方案将金刚石修平面积sc控制在大于金刚石截面积1/4是因为金刚石表层温升速率、工件表层温升值均与金刚石修平面积相关，利用修平金刚石良好的导热性能可有效避免磨削中金刚石表层出现石墨化磨损，而且磨削区大部分热量由金刚石修平面导出，可防止工件表层热损伤。

针对工件表层热损伤问题，磨削中还考虑砂轮以径向进给方式移动，并通过控制机床运动参数使金刚石的实际切除深度大于磨粒耕犁-切削临界转换深度，这是因为径向进给可减少工件表层材料与修平金刚石的持续接触时间，而增大实际切削深度可有效避免修平金刚石与工件表面形成滑擦、耕犁。

进一步地，所述机床运动参数由式(1)确定：

式中，n、vf和ap为机床运动参数，分别为砂轮转速、工作台进给速度和切削深度，d为砂轮直径。

进一步地，所述金刚石的机械热化学修平方式为：将铁电极、金刚石砂轮与直流电源连接形成放电回路，其中，铁电极接负极，金刚石砂轮接正极；金刚石砂轮以径向进给方式切削所述铁电极，切削过程中控制机床运动参数使电火花放电电压稳定在低于开路电压的2～5v范围内，金刚石表层在机械热和放电热作用下产生石墨化，并在机械力作用下逐渐被去除。

进一步地，所述金属工件表层材料的碾压切削方式为：金刚石在高速旋转状态下切入金属工件，其切削面和修平面依次对工件表层材料进行微去除和碾压。本方案通过切削面和修平面依次对工件表层材料进行微去除和碾压。

本方案中，除工件表层热损伤外，金刚石与工件表面间的磨削力也是影响工件表面质量的主要因素，而磨削力与金刚石修平面积相关，与修锐金刚石相比，利用修平金刚石在切削工件表层材料同时进行碾压可减小因金刚石作用力引起的材料塑性变形。

进一步地，所述金刚石砂轮粒度为#40～#270。

采用#40～#270的原因在于金刚石排屑能力与磨粒出刃高度相关，干磨削过程中无法排出的切屑会破坏工件表面完整性(如形成划痕、附着物)，而#270目以上的细金刚石砂轮难以实现所述的光滑磨削。

进一步地，所述金属工件硬度为20～100hrc。

进一步地，当加工硬度小于60hrc的金属工件时，采用干磨削，否则采用湿磨削。由于已有研究表明磨削力与工件硬度呈正相关，而干磨削主要通过金刚石热传导来避免工件表层热损伤，当磨削力增大时，有必要利用切削液带走磨削区部分热量。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1.修平的粗金刚石砂轮磨削过程中基本不发生磨损，而且金刚石不易石墨化，无需反复修锐砂轮，可在保证加工质量的同时提高了加工效率；

2.改善了金刚石切削性能，针对金属工件磨削，无需采用cbn砂轮，只需通过控制机床运动参数，利用砂轮环面上修平的金刚石进行碾压切削即可获取良好的工件表面完整性，这种加工方式灵活、方便。

3.利用修平的金刚石以径向进给方式进行碾压切削，可避免工件表层热损伤，对硬度小于60hrc的金属工件，过程中无需采用切削液，是一种绿色环保的加工制造技术。

附图说明

图1a为修锐金刚石的形貌特征图。

图1b为修平金刚石的形貌特征图。

图2为光滑磨削方式示意图。

图3为不同磨削方式对工件表面粗糙度影响的关系图。

图4a为修锐金刚石对工件表面作用示意图。

图4b为修平金刚石对对工件表面作用示意图。

图5a为修锐和修平金刚石对磨削力系数影响的关系图。

图5b为修锐和修平金刚石对工件温升值影响的关系图。

图5c为修平面积对金刚石温升速率影响的关系图。

图6a为修锐cbn砂轮干磨削的工件表面形貌特征图。

图6b为修锐cbn砂轮湿磨削的工件表面形貌特征图。

图6c为修锐金刚石砂轮干磨削的工件表面形貌特征图。

图6d为修平金刚石砂轮干磨削的工件表面形貌特征图。

图7为光滑磨削后的模具钢宏观镜面。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种基于热力控制的金属光滑磨削方法，包括以下步骤：

s1、砂轮修整阶段，利用铁电极对砂轮环面上的金刚石进行机械热化学修平，使金刚石修平面积sc大于金刚石截面积的1/4；

s2、光滑磨削阶段，金刚石砂轮以径向进给方式移动，控制机床运动参数使金刚石的实际切除深度hr大于磨粒耕犁-切削临界转换深度hcr，利用金刚石对金属工件表层材料进行碾压切削；

s3、当完成一次径向进给时，金刚石砂轮沿垂直砂轮切削方向移动距离10～100μm后再次进行加工，依次循环最终使金属工件表面逐渐形成光滑、平整的宏观镜面。

参见图1～7，以#46砂轮(金刚石或cbn，直径d＝150mm，浓度75％)磨削硬度为55hrc的模具钢为例，详细说明本发明的基于热力控制的金属光滑磨削方法的工作原理，进而验证本发明的技术效果。

修锐金刚石的形貌特征如图1a所示，以砂轮截块上观察到的磨粒a、磨粒b和磨粒c为研究对象，经油石修锐的磨粒具有锋利的切削刃尖端，平均的顶端面积和顶端宽度约为3500μm²和106μm。对砂轮环面上金刚石进行机械热化学修平，将铁电极(45号钢，-)、金刚石砂轮(+)与直流电源(dcs80)连接形成放电回路，金刚石砂轮以径向进给方式切削铁电极，初始修平参数设定为开路电压25v，限流值0.1a，砂轮转速2400rpm，工作台进给速度80mm/min，切削深度1μm，z轴移动距离1mm，过程中在线调节机床运动参数使电火花放电电压稳定在19～23v范围内，金刚石表层在机械热和放电热作用下产生石墨化，并在机械力作用下逐渐被去除。修平金刚石的形貌特征如图1b所示，磨粒a、磨粒b和磨粒c锋利的切削刃尖端被去除而形成平面，平均的修平面积和修平宽度(通常可达磨粒尺寸的1/2)约为27500μm²和205μm。

光滑磨削方式如图2所示，金刚石砂轮以径向进给方式(沿砂轮切削方向的x轴移动)磨削金属工件，当完成一次径向进给时，金刚石砂轮沿垂直砂轮切削方向(z轴)移动距离△z后再次进行加工，依次循环最终使工件表面逐渐形成光滑、平整的宏观镜面。研究表明，工件表面粗糙度随z轴移动距离的减小而减小，将z轴移动距离控制在金刚石修平宽度的1/2范围内可提高工件表面加工质量，即△z＝10～100μm。

为验证径向进给方式的磨削效果，对比分析了径向干磨削、径向水磨削、轴向干磨削和轴向水磨削四种加工方式对工件表面粗糙度的影响。其中，轴向进给方式为沿垂直砂轮切削方向的z轴移动，当完成一次轴向进给时，金刚石砂轮沿砂轮切削方向(x轴)移动距离后△x再次进行加工。利用修平的#46金刚石砂轮对模具钢进行磨削实验，磨削参数设定为砂轮转速2400rpm，工作台进给速度200mm/min，切削深度2μm，z轴移动距离15μm。不同磨削方式对工件表面粗糙度影响如图3所示，与轴向进给相比，径向进给使工件表面粗糙度减小约40％，而且径向干磨削获取的工件表面粗糙度最小，可达146nm。因此，本发明所述的技术中采用径向进给方式进行光滑磨削的目的是为了提高工件表面加工质量。

关于修平金刚石如何改善切削性能和避免石墨化磨损，进而提高工件表面加工质量和加工效率，可通过理论验证。

修锐和修平金刚石对工件表面作用如图4所示，磨削中金刚石对工件作用产生切向磨削力和法向磨削力，切向磨削力使工件与金刚石表层温度升高，法向磨削力使工件加工表面产生塑性变形。其中，切向磨削力与金刚石单位截面积的切削力σ0相关，法向磨削力与金刚石对工件表面的平均接触压强pd相关，工件平均温升值△tgws和金刚石温升速率△tgd与磨粒顶端面积(即修平面积sc)相关。对比分析修锐和修平金刚石的形貌特征可知，修锐金刚石通过切削面对工件表层材料进行微去除，但因磨粒顶端面积小而无法进行碾压(如图4a)；修平金刚石通过切削面和修平面可依次对工件表层材料进行微去除和碾压，进而提高工件表面加工质量(如图4b)。

此外，通过建立的磨削力模型、工件温度场分布模型分别计算砂轮转速n＝2400rpm，工作台进给速度vf＝500mm/min，切削深度ap＝8μm下修锐和修平金刚石相应的磨削力系数(金刚石单位截面积切削力σ0和平均接触压强pd)、工件温升值(由砂轮环面上所有参与工作金刚石引起的工件总温升值△tgwt和由单颗参与工作金刚石引起的工件平均温升值△tgws)，其结果如图5a和5b所示。与修锐金刚石相比，修平金刚石的单位截面积切削力σ0变化不明显，但平均接触压强pd减小约10倍，而且弹塑性力学研究表明物体表面产生的弹塑性变形与其表面作用力呈正相关，所以修平金刚石可获取良好的表面完整性；修平金刚石良好的导热性能使磨削区大部分热量由金刚石修平面导出，工件平均温升值△tgws减小约2.5倍，即使在机械摩擦作用加剧的情况下引起的工件总温升值只增大10％，说明修平金刚石可防止工件表层热损伤。

研究表明，磨粒尖端越钝(即修平面积越大)，磨粒耕犁-切削临界转换深度越大。当金刚石与工件表面形成滑擦、耕犁时，切屑难以形成(即过程中基本没有切屑变形的表面能消耗)，连续机械摩擦作用产生的热量会积累在工件表层而引起热损伤。因此，在光滑磨削中通过控制机床运动参数使金刚石的实际切除深度hr大于磨粒耕犁-切削临界转换深度hcr，根据金刚石与工件间的相对运动关系可得：

研究表明，铁、铬和钛等原子对金刚石中的立方碳具有较强的吸引力，在磨削钛合金、模具钢等难切削金属工件时，产生的瞬时高温和磨削力会导致金刚石石墨化磨损。通过建立的金刚石温度场分布模型计算砂轮转速n＝2400rpm，工作台进给速度vf＝500mm/min，切削深度ap＝8μm下的金刚石温升速率△tgd。修平面积对金刚石温升速率影响如图5c所示，金刚石温升速率△tgd随修平面积sc的增大而减小，当金刚石修平面积sc从3500μm²增加至27500μm²时，金刚石表面(y＝0)的温升速率△tgd从540℃骤减至76℃。与修锐金刚石相比，修平金刚石在磨削中不易发生石墨化磨损。

综上所述，本发明所述的技术中将金刚石修平面积sc控制在大于金刚石截面积1/4的目的是为了在改善金刚石切削性能的同时避免磨削中金刚石表层出现石墨化磨损和工件表层热损伤。

利用修平金刚石实现难切削金属工件光滑磨削的关键点在于如何解决磨削区热量对工件/金刚石表层温升的影响。上述的粗金刚石砂轮的镜面磨削方法中，只是纯粹地采用修平金刚石对金属工件进行磨削，没有对金刚石修平面积、磨削方式和设定的机床运动参数进行控制以避免工件表层热损伤和金刚石表面石墨化，使加工后的工件表面质量难以达到镜面水平。

需强调的是，本发明所述的技术并不是现有技术的简单叠加，其本质区别在于修平金刚石的切削性能比修锐金刚石的好，但磨削中修平金刚石与金属工件间的机械摩擦作用使磨削区热量增加，需通过对金刚石修平面积和机床运动参数的控制，以避免工件/金刚石表层温度急剧增大，才能获得良好的工件碾压切削效果，这不是本领域中的基础常识。由于金刚石作用方式及机理的不同，本领域技术人员即使结合本领域的基本常识和有限次的实验，也无法获得本发明所限定的金刚石修平面积和机床运动参数控制范围。

下面通过实施例对比分析修锐/修平金刚石砂轮、修锐cbn砂轮的磨削效果，说明本发明的金属工件光滑磨削方法可行性。

实施例

利用经机械热化学修平的金刚石砂轮、经油石修锐的金刚石砂轮和cbn砂轮，采用径向进给方式对模具钢进行磨削实验，考虑到修平金刚石的磨粒耕犁-切削临界转换深度hcr约为0.25μm，根据公式(1)确定机床运动参数为砂轮转速2400rpm，工作台进给速度500mm/min，切削深度8μm，而且z轴移动距离设定为15μm。修锐cbn砂轮干磨削和湿磨削的工件表面形貌特征如图6a和6b所示，修锐cbn砂轮干磨削引起的工件表面热损伤比湿磨削的严重，导致获得的工件表面粗糙度比湿磨削的增大约1倍。修锐金刚石砂轮和修平金刚石砂轮干磨削的工件表面形貌特征如图6c和6d所示，修平金刚石砂轮磨削获得的工件表面光滑且没有热损伤，其表面粗糙度比修锐金刚石砂轮干磨削和修锐cbn砂轮湿磨削的减小75％和65％，可达78nm。基于上述的磨削实验，利用修平金刚石砂轮进一步在模具钢表面上干磨削出宏观镜面(如图7)。这说明修平金刚石的磨削效果均比修锐金刚石和cbn的好，可用于金属工件光滑磨削。

需强调的是，修平金刚石干磨削中主要通过金刚石热传导来避免工件表层热损伤，虽然金刚石的导热率可达2000w/(m·k)，但磨削区热量会随磨削力(与工件硬度相关)的增大而增大，当磨削力达到某一临界值后，仅通过金刚石导热作用无法完全避免工件表层热损伤，有必要利用切削液带走磨削区部分热量。通过实验研究得出，当加工硬度小于60hrc的模具钢时，可采用干磨削，所以本发明所述的技术中将修平金刚石干磨削的适用范围限定为硬度小于60hrc的金属工件。

综上所述，利用修平金刚石通过径向进给和控制机床运动参数方式进行磨削，不仅可获取良好的工件表面完整性，而且金刚石不易脱落和石墨化磨损，可满足难切削金属工件的高效、高表面质量加工要求。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。