CN106078519B - 一种采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，将金刚石纤维均匀排布并用热固性树脂固定，制成矩形的切削单元；采用热固性树脂将切削单元固定在径向开槽的圆盘形夹具的通槽内；将装有金刚石纤维的圆盘形夹具装在旋转轴上；将砂轮微织构形貌重构切削装置固定在磨床工作台上，将砂轮通过法兰装在磨床主轴上，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮圆周表面加工不同微织构；该砂轮形貌重构的方法有效地降低了磨削区温度及磨削热损伤，采用最简单的设备在砂轮圆周表面重构出冷却效果良好的微织构形貌，加工出的断续的矩形微沟槽面积更大，冷却效果更好。
Description
技术领域
本发明属于磨削加工技术领域，尤其涉及一种采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法。
背景技术
磨削加工是一种应用广泛的零件精加工方法，既适合于金属材料如淬硬钢、模具钢等难加工金属材料的加工，也适合于硬质合金、陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的加工。然而，由于磨削加工的磨削比能高、冷却液无法进入磨削区域，容易导致磨削区域温度高，造成工件不同程度的磨削热损伤(表面氧化、烧伤、残余应力、和裂纹)，这必然会影响零件的抗磨损性能与抗疲劳性能，从而影响零件的使用寿命和工作可靠性。如何降低磨削温度、降低磨削热损伤一直是人们研究的热点。
有学者提出了径向开槽砂轮，这种砂轮可以进行断续磨削，能够使磨削液有效进入磨削去改善散热条件。一种内冷式砂轮在磨削加工时冷却效果较好，避免了工件损伤，提高加工质量，但其砂轮结构及供液装置都比较复杂；有学者采用单点金刚石在砂轮表面加工出微沟槽，发现砂轮表面微沟槽有助于冷却液进入磨削区，从而降低磨削温度。但是，采用单点金刚石划痕的加工方法加工效率低，该方法无法在实际生产中得到广泛的推广应用。近年来也出现了利用超短脉冲激光烧蚀的方法在砂轮圆周表面加工微织构，但是激光设备昂贵，并且加工的织构较浅，对磨削区的冷却效果改善有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，旨在解决现有技术提供的砂轮形貌重构的方法，不能有效地降低磨削区温度及磨削热损伤，较易造成工件不同程度的磨削热损伤、影响工件的抗磨损性能与抗疲劳性能、加工成本较高的问题。
本发明是这样实现的，一种采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，该采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法包括以下步骤：
步骤1，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维，将金刚石纤维均匀排布并用热固性树脂固定，制成矩形的切削单元；
步骤2，采用热固性树脂将切削单元固定在径向开槽的圆盘形夹具的通槽内，并使各切削单元的金刚石纤维在圆盘形夹具中的径向突出高度保持一致，径向高度误差控制在10μm以内；
步骤3，将装有金刚石纤维的圆盘形夹具装在旋转轴上，旋转轴由可精确控制旋转轴转速的伺服电机驱动，制备砂轮微织构形貌重构切削装置；
步骤4，将砂轮微织构形貌重构切削装置固定在磨床工作台上，将砂轮通过法兰装在磨床主轴上，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮圆周表面加工不同微织构。
在本发明实施例中还可以采用以下技术方案：
在步骤1中，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维时，金刚石纤维的宽度为0.05-1mm，厚度为0.5-2mm；
将金刚石纤维均匀排布并用热固性树脂固定，制成矩形的切削单元时，每个切削单元的金刚石纤维数量为1-100个，金刚石纤维的间距为0.05-2mm。
在步骤2中，采用热固性树脂将切削单元固定在径向开槽的圆盘形夹具的通槽内，并使各切削单元的金刚石纤维在圆盘形夹具中的径向突出高度保持一致，径向高度误差控制在10μm以内，金刚石纤维周向均布的数量为1-100个，相邻切削单元内的金刚石纤维沿轴向错开0-0.8mm。
在步骤4中，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮圆周表面加工不同微织构时，需通过精确控制砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴的转速比，转速比为5-100，使得砂轮旋转中金刚石纤维加工的微织构位置能重合；通过控制磨床垂直进给量改变加工微织构的深度，微织构深度为0.05-0.2mm，控制磨床主轴的轴向进给改变微织构沿砂轮轴向的排布，控制磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置的转速比改变微织构沿砂轮周向的排布。
设砂轮的半径为R，圆盘形夹具的半径为r，金刚石纤维片径向伸出圆盘形夹具的通槽的高度为h，金刚石纤维微刃点切削刀具的切削深度为a，由此得切削刃与砂轮的接触角为：
当砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置相对运动时，设砂轮微织构形貌重构切削装置的主轴转速为nt，则角速度ωt＝2πnt；砂轮转速为ns，则角速度ωs＝2πns；砂轮相对于砂轮微织构形貌重构切削装置的角速度ω相为：
其中式2中的正负与砂轮微织构形貌重构切削装置转向有关，当砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置转向同向时为“-”，反向时为“+”
砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置的切削刃与砂轮的接触角为：
即：
本发明提供的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维，将金刚石纤维均匀排布并用热固性树脂固定，制成矩形的切削单元；采用热固性树脂将切削单元固定在径向开槽的圆盘形夹具的通槽内；将装有金刚石纤维的圆盘形夹具装在旋转轴上；将砂轮微织构形貌重构切削装置固定在磨床工作台上，将砂轮通过法兰装在磨床主轴上，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮圆周表面加工不同微织构；该砂轮形貌重构的方法突破了传统通过单点金刚石划出沟槽的方法，有效地降低了磨削区温度及磨削热损伤，提高了加工效率，采用最简单的设备在砂轮圆周表面重构出冷却效果良好的微织构形貌，加工出的断续的矩形微沟槽面积更大，冷却效果更好，为满足不同工件材料的磨削要求，可通过改变切削参数即可以加工出复杂的微织构，实现了砂轮不同微织构形貌的重构。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法的流程图；
图2是本发明实施例一提供的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法的示意图；
图3是本发明实施例一提供的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法的示意图的简化几何关系图；
图4是本发明实施例一提供的切削单元的结构示意图。
图中：1、切削单元；2、圆盘形夹具；3、通槽；4、微织构；5、砂轮；6、热固性树脂；7、金刚石纤维。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
实施例一：
图1示出了本发明实施例一提供的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
该采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法包括以下步骤：
步骤S101，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维7，将金刚石纤维7均匀排布并用热固性树脂6固定，制成矩形的切削单元1；切削单元1的结构如图4所示。
步骤S102，采用热固性树脂6将切削单元1固定在径向开槽的圆盘形夹具2的通槽3内，并使各切削单元1的金刚石纤维7在圆盘形夹具2中的径向突出高度保持一致，径向高度误差控制在10μm以内；
步骤S103，将装有金刚石纤维7的圆盘形夹具2装在旋转轴上，旋转轴由可精确控制旋转轴转速的伺服电机驱动，制备砂轮微织构形貌重构切削装置。
步骤S104，将砂轮微织构形貌重构切削装置固定在磨床工作台上，将砂轮5通过法兰装在磨床主轴上，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮5的圆周表面加工不同的微织构4。
在本发明实施例中还可以采用以下技术方案：
在步骤S101中，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维7时，金刚石纤维7的宽度为0.05-1mm，厚度为0.5-2mm；
将金刚石纤维7均匀排布，并用热固性树脂6固定，制成矩形的切削单元1时，每个切削单元1的金刚石纤维7的数量为1-100个，金刚石纤维7的间距为0.05-2mm。
在步骤S102中，采用热固性树脂6将切削单元1固定在径向开槽的圆盘形夹具2的通槽3内，并使各切削单元1的金刚石纤维7在圆盘形夹具2中的径向突出高度保持一致，径向高度误差控制在10μm以内，金刚石纤维7周向均布的数量为1-100个，相邻切削单元1内的金刚石纤维7沿轴向错开0-0.8mm。
在步骤S104中，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮5圆周表面加工不同微织构4时，需通过精确控制砂轮5与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴的转速比，转速比为5-100，使得砂轮5旋转中金刚石纤维7加工的微织构4位置能重合；通过控制磨床垂直进给量改变加工微织构4的深度，微织构4的深度为0.05-0.2mm，控制磨床主轴的轴向进给改变微织构4沿砂轮5轴向的排布，控制磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置的转速比改变微织构4沿砂轮5周向的排布。
设砂轮5的半径为R，圆盘形夹具2的半径为r，金刚石纤维7片径向伸出圆盘形夹具2的通槽3的高度为h，砂轮微织构形貌重构切削装置的切削深度为a，由此得切削刃与砂轮5的接触角为：
当砂轮5与砂轮微织构形貌重构切削装置相对运动时，设砂轮微织构形貌重构切削装置的主轴转速为nt，则角速度ωt＝2πnt；砂轮5转速为ns，则角速度ωs＝2πns；砂轮5相对于砂轮微织构形貌重构切削装置的角速度ω相为：
其中式2中的正负与砂轮微织构形貌重构切削装置转向有关，当砂轮5与砂轮微织构形貌重构切削装置转向同向时为“-”，反向时为“+”
砂轮5与砂轮微织构形貌重构切削装置的切削刃与砂轮5的接触角为：
即：
实施例二：
为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
步骤1、首先采用研磨方法将直径80mm的PDC片减薄至0.5mm厚，然后采用纳秒级脉宽的Nd：YAG激光切割PDC片，制备金刚石纤维7，金刚石纤维7的宽度为0.3mm，长度为12mm；在模具中将金刚石纤维7定向均匀排布，金刚石纤维7的间隔为0.4mm，一排的金刚石纤维7的数量为10个，然后在模具中填充热固性树脂6，制备成矩形切削单元1，矩形切削单元1的长度为10mm，宽度为10mm，厚度为2-3mm。
步骤2、在外圆直径r＝50mm，内孔直径r1＝12.7mm，宽b＝20mm的圆盘形夹具2的圆周上均匀开六个通槽3，开槽尺寸设计为槽宽5mm，槽深15mm。通过环氧树脂将切削单元1镶嵌固定在圆盘形夹具2的通槽3内，相邻切削单元1的金刚石纤维7轴向错位0.5mm，金刚石纤维7伸出圆盘形夹具2的通槽3的高度h＝5mm。
步骤3、将装有切削单元1的圆盘形夹具2装在旋转轴上，旋转轴由一伺服电机驱动，构成砂轮微织构形貌重构切削装置，然后将砂轮微织构形貌重构切削装置通过电磁吸盘固定在磨床工作台上，将氧化铝砂轮5装在磨床主轴上，砂轮5的粒度为80目，砂轮5的尺寸为直径R＝200mm，宽b＝25mm。控制砂轮微织构形貌重构切削装置与砂轮5的转速比为10，砂轮微织构形貌重构切削装置与磨床砂轮5的旋转方向相反，此时，金刚石纤维7与砂轮5的接触角为2.5°，微织构4的周向间距角为6°。砂轮5表面的微织构4深度为0.1mm，每次进给0.01mm，直至砂轮5表面的微织构4切削达到0.1mm时，抬起砂轮5，将砂轮5轴向进给1mm重复以上切削加工，直至完成对砂轮5表面形貌的微织构4重构。
步骤4、采用80目的无织构氧化铝砂轮5与经微织构4重构后的氧化铝砂轮5进行淬火轴承钢的磨削试验，发现经微织构4重构后的氧化铝砂轮5能够显著降低磨削温度，减少磨削烧伤，降低磨具钢表面的拉伸残余应力。
本发明实施例提供的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维7，将金刚石纤维7均匀排布并用热固性树脂6固定，制成矩形的切削单元1；采用热固性树脂6将切削单元1固定在径向开槽的圆盘形夹具2的通槽3内；将装有金刚石纤维7的圆盘形夹具2装在旋转轴上；将砂轮微织构形貌重构切削装置固定在磨床工作台上，将砂轮5通过法兰装在磨床主轴上，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮5圆周表面加工不同微织构4；该砂轮形貌重构的方法突破了传统通过单点金刚石划出沟槽的方法，有效地降低了磨削区温度及磨削热损伤，提高了加工效率，采用最简单的设备在砂轮5圆周表面重构出冷却效果良好的微织构4形貌，加工出的断续的矩形微沟槽面积更大，冷却效果更好，为满足不同工件材料的磨削要求，可通过改变切削参数即可以加工出复杂的微织构4，实现了砂轮5不同微织构4形貌的重构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，其特征在于，该采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法包括以下步骤：
步骤一，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维，将金刚石纤维均匀排布并用热固性树脂固定，制成矩形的切削单元；
步骤二，采用热固性树脂将切削单元固定在径向开槽的圆盘形夹具的通槽内，并使各切削单元的金刚石纤维在圆盘形夹具中的径向突出高度一致；
步骤三，将装有金刚石纤维的圆盘形夹具装在旋转轴上，旋转轴由伺服电机驱动，制备砂轮微织构形貌重构切削装置；
步骤四，将砂轮微织构形貌重构切削装置固定在磨床工作台上，将砂轮通过法兰装在磨床主轴上，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮圆周表面加工不同微织构；
在步骤一中，采用激光切割PDC片或CVD金刚石片制备金刚石纤维时，金刚石纤维的宽度为0.05-1mm，厚度为0.5-2mm；
将金刚石纤维均匀排布并用热固性树脂固定，制成矩形的切削单元时，每个切削单元的金刚石纤维数量为1-100个，金刚石纤维的间距为0.05-2mm。
2.如权利要求1所述的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，其特征在于，在步骤二中，采用热固性树脂将切削单元固定在径向开槽的圆盘形夹具的通槽内，并使各切削单元的金刚石纤维在圆盘形夹具中的径向突出高度保持一致，径向高度误差控制在10μm以内，金刚石纤维周向均布的数量为1-100个，相邻切削单元内的金刚石纤维沿轴向错开0-0.8mm。
3.如权利要求1所述的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，其特征在于，在步骤四中，通过综合控制磨床进给量、磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴转速比，在砂轮圆周表面加工不同微织构时，需通过精确控制砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置主轴的转速比，转速比为5-100，使得砂轮旋转中金刚石纤维加工的微织构位置能重合；通过控制磨床垂直进给量改变加工微织构的深度，微织构深度为0.05-0.2mm，控制磨床主轴的轴向进给改变微织构沿砂轮轴向的排布，控制磨床主轴与砂轮微织构形貌重构切削装置的转速比改变微织构沿砂轮周向的排布。
4.如权利要求1所述的采用金刚石纤维微切削进行砂轮形貌重构的方法，其特征在于，砂轮的半径为R，圆盘形夹具的半径为r，金刚石纤维片径向伸出圆盘形夹具的通槽的高度为h，金刚石纤维微刃点切削刀具的切削深度为a，由此得切削刃与砂轮的接触角为：
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当砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置相对运动时，砂轮微织构形貌重构切削装置的主轴转速nt，则角速度ωt＝2πnt；砂轮转速为ns，则角速度ωs＝2πns；砂轮相对于砂轮微织构形貌重构切削装置的角速度ω相为：
其中式2中的正负与砂轮微织构形貌重构切削装置转向有关，当砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置转向同向时为-，反向时为+；
砂轮与砂轮微织构形貌重构切削装置的切削刃与砂轮的接触角为：
即：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |