CN100436054C - 一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法。该方法采用修锐修整后的粗金刚石砂轮沿垂直砂轮切削方向的z轴移动，对工件进行磨削，磨削由砂轮上出刃磨粒连续切削，磨粒切削深度控制在100纳米实现塑性域磨削；完成一次z轴向的磨削后，沿切削方向x-轴移动距离f_x后再进行下次磨削时，在工件表面形成高度为h_e的包络迹，当选择适当的砂轮直径D_w，使得x-轴方向移动f_x小于100微米时，包络迹高度h_e小于15纳米，形成平整、超光滑纳米镜面。本发明可以在微米级或亚微米级精度的机床上利用数控技术实现超精密表面加工，而不需采用昂贵的纳米精度机床。采用较粗金刚石砂轮的镜面磨削具有较大的磨削比，加工效率高，实用性强。

Description

一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法

技术领域

本发明涉及超硬材料表面加工技术领域，具体涉及一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法。

背景技术

加工表面的纳米镜面特征表现为表面粗糙度R_a为20纳米以下和微观加工表面无脆性破坏。它是满足精密零部件及精密模具机械性能要求的重要指标。

通常采用抛光剂抛光方法将超硬碳化硅陶瓷、硬质钢等超硬材料加工成镜面。但是，抛光剂抛光方法效率非常低，成本非常高，且污染严重。因此，采用超细金刚石砂轮实现超硬材料零部件的镜面磨削加工。但是，超细金刚石砂轮的修锐非常困难，即很难使微米级的金刚石磨粒从砂轮结合剂中出刃。虽然ELID(在线电解修锐)可以进行超细金刚石砂轮的修锐，实现超硬陶瓷材料的镜面磨削。但是，超细金刚石磨粒容易脱落，磨削比低，效率较低，而且，修锐装置、电解电源等复杂，价格昂贵，技术难度较高，实用性较差。

此外，采用#120，#240和#500的粗细金刚石砂轮进行碳化硅陶瓷磨削，通常可以分别获得表面粗糙度R_a为200～600纳米，150～550纳米和120～450纳米。如果实现碳化硅陶瓷的R_a为20纳米以下的镜面磨削，则需要细到#3000的金刚石砂轮。但如此细颗粒的金刚石砂轮磨削加工，其加工技术难度非常高，因而其加工费用也非常高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种采用粗金刚石砂轮(#180)，加工出表面粗糙度小于20纳米，并且加工成本低、加工效率高的超硬碳化硅陶瓷的纳米镜面磨削方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法，砂轮沿垂直砂轮切削方向的z轴移动，对工件进行磨削，磨削由砂轮上出刃磨粒连续切削，磨粒切除深度d_c可通过式(1)的参数控制：

$d_c=\frac{{2V}_f\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{n_{g}N}.---\left(1\right)$

式中，N为砂轮转速，V_f为砂轮行走速度，n_g为有效磨粒数，θ为磨粒切削刃的顶角；

控制切除深度d_c为100纳米及以下，能够使在磨削中磨粒的切除深度小于塑性域切除临界深度，使加工表面没有脆性破坏；

完成一次z轴向的磨削后，沿砂轮切削方向x-轴，砂轮移动距离f_x后再进行下次磨削时，在工件表面形成高度为h_e的包络迹，包络迹高度由式(3)的参数确定，其中，D_w为砂轮直径：

$h_e=\frac{D_w-\sqrt{D_w^2-f_x^2}}{2}---\left(3\right)$

当选择适当的砂轮直径D_w，使得x-轴方向移动f_x小于100微米时，磨削表面的包络迹高度h_e小于15纳米，可以形成平整、超光滑超硬碳化硅陶瓷纳米镜面。

当控制切除深度d_c为100纳米及以下时，磨削面表面粗糙度R_a达到20纳米以下，其中表面粗糙度R_a由式(2)的参数确定；

$R_a=\frac{V_f}{{8n}_{g}N\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}---\left(2\right)$

式中，N为砂轮转速，V_f为砂轮轴向行走速度，n_g为有效磨粒数，θ为磨粒切削刃的顶角。

磨削时，控制砂轮进给深度a小于5微米，以防磨削振动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)与采用超细金刚石砂轮镜面磨削相比，可以省去细磨和精磨工艺，能够较大幅提高纳米镜面加工效率；

(2)因为超细金刚石磨粒在加工中不断的脱落，而粗金刚石砂轮磨粒逐渐磨损，所以粗金刚石砂轮有较大的磨削比。

(3)本发明磨削方式的磨粒切除深度不依赖砂轮进给深度，因此可以在微米级或亚微米级的机床上利用数控技术实现超精密表面加工，而不需采用昂贵的纳米精度机床。

(4)因为金刚石颗粒较粗，不需要进行电腐蚀修锐，因此，附加装置简单、实用，且技术容易掌握。

附图说明

图1为本发明纳米镜面磨削方式示意图。

图2为纳米镜面磨削的磨粒切削原理图。

图3为实施例1微观加工表面的扫描电镜图。

图4为实施例1加工表面的粗糙轮廓图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

如图1所示，超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法是金刚石砂轮1沿垂直砂轮切削方向的z轴移动，对碳化硅陶瓷面2进行磨削，磨削的粗糙轮廓3。完成一次z轴向的磨削后，沿砂轮切削方向x-轴，砂轮移动距离f_x后再进行下次磨削时，在工件表面形成高度为h_e的包络迹，包络迹高度由式(3)参数确定，其中，D_w为砂轮直径：

$h_e=\frac{D_w-\sqrt{D_w^2-f_x^2}}{2}---\left(3\right)$

当选择适当的砂轮直径D_w，使得x-轴方向移动f_x小于100微米时，磨削表面的包络迹高度h_e小于15纳米，可以形成平整、超光滑面。

如图2所示，金刚石砂轮1沿垂直砂轮切削方向的z轴移动，磨削的粗糙轮廓3是由砂轮1上出刃磨粒4连续切削后将出刃轮廓复制在工件2上而成，磨粒4切除深度d_c可通过式(1)的参数控制：

$d_c=\frac{{2V}_f\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{n_{g}N}---\left(1\right)$

式中，N为砂轮转速，V_f为砂轮行走速度，n_g为有效磨粒数，θ为磨粒切削刃的顶角；

控制切除深度d_c为100纳米及以下，能够使在磨削中磨粒的切除深度小于塑性域切除临界深度，使加工表面没有脆性破坏。切除深度d_c为100纳米及以下时，磨削面表面粗糙度R_a达到20纳米以下，其中表面粗糙度R_a由式(2)参数确定；

$R_a=\frac{V_f}{{8n}_{g}N\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}---\left(2\right)$

实施例

在CNC精密磨床(SMRART B818)上采用直径180mm的#180粗金刚石砂轮，利用CNC系统驱动砂轮沿着砂轮轴向行走，对反应烧结碳化硅陶瓷(RB-SiC)进行纳米镜面磨削。采用#180GC磨石对#180金刚石砂轮进行修锐，使砂轮工作表面的金刚石磨粒充分出刃，保持一定的出刃高度。修锐条件为：N＝1500r/min，V_f＝600mm/min，f_x＝5mm，a＝0.3mm，∑a＝4mm，BM2磨削液。修锐后，采用铸铁对已经出刃的金刚石砂轮工作表面进行修整，提高有效磨粒数n_g，增大磨粒平均出刃顶角θ。铸铁修整条件为：N＝3000r/min，V_f＝1500mm/min，f_x＝0.1mm，a＝5μm，∑a＝0.1mm，BM2磨削液。

在磨削过程中，采用砂轮转速N＝3000转/分，V_f＝5毫米/分，砂轮进给深度a＝5微米，累计砂轮进给深度∑a＝0.6毫米，零磨削2次以及BM2磨削液。

如图2所示，砂轮1垂直砂轮切削方向沿轴向(z-轴方向)移动，且对工件2进行磨削，传统磨削方向与砂轮切削方向平行(x-轴方向)。当砂轮沿x-轴方向移动f_x后再进行下次磨削时，在工件1表面形成包络迹，本例中当x-轴方向移动f_x为100微米，磨削表面的包络迹高度h_e根据式(3)计算为13.9纳米，检测结果工件1表面形成如图3所示的平整、超光滑面，说明其包络迹高度h_e小于15纳米。

如图1所示，在z-轴方向，磨削的粗糙轮廓3是由砂轮1上出刃磨粒4连续切削后将出刃轮廓复制在工件2上而成，在本例中，N＝3000r/min，n_g＝120和θ＝125°，V_f为20mm/min，磨粒切除深度d_c通过式(1)计算为98.6纳米，从图3所示的加工微观表面看，工件1表面无脆性破坏，表明磨粒切除深度在塑性域切除深度小于100纳米。根据塑性磨削理论可以实现超硬材料的塑性域切除加工，其表面粗糙度R_a根据式(2)计算为3.6纳米。获得镜面加工效果。

本实施例对反应烧结的超硬碳化硅陶瓷进行磨削后，加工后的微观加工表面无脆性破坏，经检测，形成如图3所示镜面，加工表面的粗糙轮廓如图4所示，平均表面粗糙度R_a为16.3纳米，小于20纳米。由于加工过程受到设备震动，磨削液不定性，电源的稳定性的影响，式(2)计算的理论值表面粗糙度与实际值稍有差异，该差异是在受加工环境影响的合理范围之内。

Claims (4)

1、一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法，其特征在于：砂轮沿垂直砂轮切削方向的z轴移动，对工件进行磨削，磨削由砂轮上出刃磨粒连续切削，磨粒切除深度d_c可通过式(1)的参数控制：

$d_c=\frac{{2V}_f\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{n_{g}N}---\left(1\right)$

式中，N为砂轮转速，V_f为砂轮轴向行走速度，n_g为有效磨粒数，θ为磨粒切削刃的顶角；

控制切除深度d_c为100纳米及以下，能够使在磨削中磨粒的切除深度小于塑性域切除临界深度，使工件的加工表面没有脆性破坏；

完成一次z轴向的磨削后，沿砂轮切削方向x-轴，砂轮移动距离f_x后再进行下次磨削时，在工件表面形成高度为h_e的包络迹，包络迹高度由式(3)的参数确定，其中，D_w为砂轮直径：

$h_e=\frac{D_w-\sqrt{D_w^2-f_x^2}}{2}---\left(3\right)$

当选择适当的砂轮直径D_w，使砂轮在x-轴方向移动f_x小于100微米时，磨削表面的包络迹高度h_e小于15纳米，形成平整、超光滑超硬碳化硅陶瓷纳米镜面；

所述砂轮为金刚石砂轮。

2、根据权利要求1所述一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法，其特征在于当控制切除深度d_c为100纳米及以下时，磨削面表面粗糙度R_a达到20纳米以下，其中表面粗糙度R_a由式(2)的参数确定；

$R_a=\frac{V_f}{{8n}_{g}N\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}---\left(2\right)$

式中，N为金刚石砂轮转速，V_f为金刚石砂轮轴向行走速度，n_g为有效磨粒数，θ为磨粒切削刃的顶角。

3、根据权利要求1所述一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法，其特征在于控制金刚石砂轮进给深度a小于5微米，以防磨削振动。

4、根据权利要求1～3任一项所述一种超硬碳化硅陶瓷纳米镜面的磨削方法，其特征在于磨削前采用磨石对金刚石砂轮进行修锐，使金刚石砂轮工作表面的金刚石磨粒充分出刃，保持一定的出刃高度；修锐后，采用铸铁对已经出刃的金刚石砂轮工作表面进行修整，提高有效磨粒数n_g，增大磨粒平均出刃顶角θ。

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