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CVD金剛石砂輪修整工具應(yīng)用研究

文章出處: 作者: 人氣:3391 發(fā)表時(shí)間:2017/01/13

      摘 要 CVD金剛石具有很高的熱導(dǎo)率、良好的熱穩(wěn)定性和極高的耐磨性,非常適合制作砂輪修整工具;本文通過砂輪修整試驗(yàn)研究了在CVD金剛石砂輪修整工具應(yīng)用過程中,修整導(dǎo)程、CVD金剛石修整截面面積和CVD金剛石磨耗比等對(duì)其使用壽命的影響。研究結(jié)果表明,在保證砂輪的鋒利度的情況下,使用較小的修整導(dǎo)程,可以延長(zhǎng)修整工具的使用壽命;增大CVD金剛石的修整截面面積,有利于提高修整工具的壽命,但修整截面過大,砂輪的鋒利度會(huì)降低;CVD金剛石的磨耗比對(duì)修整工具壽命沒有明顯影響,但修整效果有明顯區(qū)別。在實(shí)際應(yīng)用過程中,要根據(jù)所修整的砂輪的類型和修整要求,選用適當(dāng)?shù)男拚麉?shù),使CVD金剛石修整工具發(fā)揮其最佳作用。

 

      關(guān)鍵詞 CVD金剛石;砂輪修整工具;磨耗比

 

      0 引言

 

      現(xiàn)代磨削加工技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是自動(dòng)化程度日趨提高,尤其在汽車制造行業(yè),數(shù)控磨床的使用率很高,這對(duì)修整工具性能的可預(yù)測(cè)性和一致性提出了更高的要求,傳統(tǒng)金剛石修整工具多數(shù)利用金剛石固有的尖角或修磨成尖或刃狀,使用中存在以下幾個(gè)方面的問題:

 

      (1)天然金剛石的硬度一致性差,必然造成耐磨性的變化,使人無法預(yù)測(cè)修整截面的變化趨勢(shì),由此帶來的是修整工藝的不確定性,其結(jié)果只能是很難得到加工質(zhì)量完全一致的工件。

 

      (2)隨著工具使用,尖端不斷磨損,修整截面隨著增加,為了獲得一致的砂輪地貌和加工性能,必須靠經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常調(diào)整砂輪的修整工藝,這往往有很大的不確定性。

 

      (3)單晶金剛石的硬度的各向異性也給實(shí)際生產(chǎn)和使用帶來了許多不便。CVD金剛石是純多晶結(jié)構(gòu),不含任何粘結(jié)劑,耐磨性、硬度和熱穩(wěn)定性與天然金剛石基本相同。其制備技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟。CVD金剛石厚膜用于砂輪修整工具,在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家形成一定規(guī)模的市場(chǎng)需求,我國(guó)也有少數(shù)企業(yè)開始使用。我單位開發(fā)的直流電弧等離子體CVD金剛石膜技術(shù),具有沉積速率高,金剛石質(zhì)量好的特點(diǎn),制備的工具級(jí)金剛石呈半透明狀態(tài),熱導(dǎo)率大于10W/(cm·K),最高可達(dá)18W/(cm·K),耐磨性極高,非常適合砂輪修整工具的制作。用CVD金剛石制造修整工具有諸多優(yōu)勢(shì),主要包括以下五個(gè)方面:

 

      (1)CVD金剛石是一種工程材料,耐磨性可以通過調(diào)整生產(chǎn)工藝來控制。

 

      (2)切割成條狀的CVD金剛石的修整截面始終不變,保證了修整參數(shù)的一致性,滿足了自動(dòng)磨床的要求。

 

      (3)多晶結(jié)構(gòu)使硬度沒有方向性,簡(jiǎn)化了工具制造過程。

 

      (4)極高的熱導(dǎo)率和良好的熱穩(wěn)定性減少了氧化和石墨化損耗。

 

      (5)和天然金剛石相同的硬度,保證了砂輪的鋒利度。

 

      1 試驗(yàn)方法

 

      把我單位生產(chǎn)的CVD金剛石膜用YAG激光切成不同規(guī)格的條狀試樣,截面尺寸分別為0.6mm×0.6mm?0.8mm×0.8mm?1.0mm×1.0mm?1.2mm×1.2mm,用粉末冶金工藝,加工成單點(diǎn)修整工具,修整試驗(yàn)在M7130A型平面磨床上進(jìn)行,砂輪型號(hào):WA46K6,尺寸350mm×50mm,磨床主軸轉(zhuǎn)速1440r/min,修整切深均為0.02mm,冷卻液為通用類型。

 

      用砂輪被車削體積和金剛石磨損體積之比表征修整工具的耐磨性,稱為修整比,用Gv表示。金剛石條的長(zhǎng)度變化用螺旋測(cè)微器測(cè)量,每修整130次測(cè)量一次,稱為一個(gè)修整周期。用秒表測(cè)量修整工具和砂輪的接觸時(shí)間,然后根據(jù)砂輪寬度得出進(jìn)給速度。

 

      2 結(jié)果與討論

 

      2.1 修整導(dǎo)程的影響

 

      砂輪轉(zhuǎn)速不變時(shí),橫向進(jìn)給速度決定了修整導(dǎo)程的大小,其關(guān)系可表示為:Sd=Vt/Vw

 

      其中,Sd表示修整導(dǎo)程,即砂輪每轉(zhuǎn)一圈,修整筆的給進(jìn)長(zhǎng)度;Vt表示橫向給進(jìn)速度;Vw表示砂輪主軸轉(zhuǎn)速。在其他條件相同時(shí),修整導(dǎo)程越大,砂輪表面的粗糙度越大,相應(yīng)加工工件表面粗糙度也增加。修整導(dǎo)程應(yīng)小于修整截面的有效寬度,否則將有部分表面得不到修整。修整工具所含金剛石條截面尺寸為0.8mm×0.8mm,長(zhǎng)度為5mm,磨耗比為52萬;調(diào)整給進(jìn)速度為350?500?900?2000mm/min時(shí),分別修整2~5周期然后計(jì)算每個(gè)周期的修整比;修整比和給進(jìn)速度的關(guān)系如圖1所示:隨著給進(jìn)速度的增加,修整比下降,即修整工具壽命縮短。這意味著,在保證砂輪的鋒利度和加工工件粗糙度的情況下,盡量使用較低的給進(jìn)速度。

CVD金剛石砂輪修整工具應(yīng)用研究

      2.2 修整截面的影響

 

      修整截面是指修整工具中金剛石頂部能夠和砂輪接觸的部分。在傳統(tǒng)工具中,修整截面隨著使用時(shí)間的增加,面積不斷增大,為了獲得盡量一致的砂輪地貌,必須不斷增大修整導(dǎo)程。試驗(yàn)時(shí)給進(jìn)速度為550mm/min;修整截面分別為0.6mm×0.6mm,0.8mm×0.8mm,1.0mm×1.0mm,1.2mm×1.2mm,長(zhǎng)度均為5mm;金剛石片磨耗比為25萬;每種規(guī)格修整周期為3~5個(gè),修整比Gv為平均值。由圖2可見,修整比隨修整截面的增加,由50萬增加到了1300萬,而其截面積僅是原來的4倍。顯然,增加修整截面有利于提高工具的壽命,但修整截面過大,砂輪的鋒利度會(huì)降低。對(duì)于本次試驗(yàn)用砂輪,1.0mm×1.0mm的修整截面是一個(gè)較好的選擇,既保證了一定的工具壽命,又有較好的修整性能。

CVD金剛石砂輪修整工具應(yīng)用研究

      2.3 磨耗比的影響

 

      磨耗比是表征金剛石耐磨性的重要指標(biāo),那么磨耗比又和修整比一致嗎?為此我們選取4種截面尺寸,每種截面尺寸包含兩個(gè)磨耗比等級(jí),共8個(gè)樣品做修整試驗(yàn)。橫向給進(jìn)速度為550mm/min,每個(gè)試樣修整周期為3~5個(gè)。圖3分別是各樣品磨耗量隨砂輪磨削量的變化曲線。由圖3可見,所有樣品和砂輪磨損都保持了較好的線性關(guān)系,說明修整過程中金剛石磨耗均勻而且沒有明顯的崩塊。一個(gè)應(yīng)引起注意的結(jié)果是,盡管相同尺寸樣品的磨耗比差別很大,但砂輪修整時(shí),其耐磨性沒有明顯區(qū)別。

CVD金剛石砂輪修整工具應(yīng)用研究

      圖4是修整試驗(yàn)后金剛石磨損面的照片,可以看到表面有明顯的溝槽,方向和砂輪運(yùn)動(dòng)方向一致,這應(yīng)該是由于局部溫度過高,造成的表面氧化或石墨化引起的。圖5是磨耗比測(cè)試后金剛石磨損面的照片,可見表面平整,粗糙度均勻,沒有明顯的溝槽,這是因?yàn)槟ズ谋葴y(cè)試時(shí)砂輪的線速度較低,金剛石的尺寸較大,摩擦熱可以很快散失,不會(huì)形成局部溫度過高,反映的更多是金剛石的固有硬度。而修整試驗(yàn)中砂輪的線速度很高,樣品尺寸又小,更容易導(dǎo)致局部溫度過高,從而無法反映出金剛石的真實(shí)硬度。這提示我們砂輪修整時(shí),良好的冷卻可能是影響工具壽命的關(guān)鍵因素。

 

      修整試驗(yàn)中,沒有用專門的設(shè)備測(cè)量砂輪地貌和鋒利度,但能明顯的分辨出,高磨耗比的樣品聲音清脆且火花明顯,而低磨耗比的樣品則聲音發(fā)悶且火花較小。

 

      3 結(jié)論

 

      C V D金剛石耐磨性極高,非常適合制作砂輪修整工具。橫向進(jìn)給速度、金剛石的修整截面面積對(duì)修整工具的使用壽命有非常大的影響,而金剛石的磨耗比對(duì)工具壽命沒有明顯影響,但修整效果有明顯區(qū)別。實(shí)際生產(chǎn)中,要根據(jù)所修整砂輪的種類和對(duì)修整效果的要求,選用適當(dāng)材料和修整參數(shù),使 C V D金剛石修整工具發(fā)揮最佳作用。

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