CN108818337B - 成型磨削用单层钎焊cbn砂轮磨粒排布设计与实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布设计与实现方法，砂轮工作面任一区域的磨粒密度与该区域的几何特征有关，即通过改变磨粒密度调整磨粒排布方式。这有异于传统的磨粒在砂轮工作面不同区域平均分布的方式。目的在于，通过在砂轮轴截面切线平缓的区域布置较多磨粒以延缓该区域砂轮磨损速率，使得砂轮工作面均匀磨损。所述的几何特征指的是砂轮各区域砂轮轴截面切线方向与竖直方向的夹角。采用本发明的成型CBN砂轮磨削钛合金时零件废品率大幅降低，且砂轮使用寿命提高一倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布设计与实现方法，属于超硬磨料磨具制造技术领域。
背景技术
在钛合金、高温合金等难加工材料复杂结构切削(如成型铣削)过程中，由于材料强度高、韧性好和导热性差等特性，极易产生刀具磨损快、表面质量差和尺寸精度低等问题。以缓进深切磨削、高效深切磨削等为典型代表的高效磨削技术凭借众多磨粒的微切削作用完成宏观材料去除，可以在大幅提高表面质量和尺寸精度的同时提供令人满意的材料去除效率，甚至打破传统的“粗切精磨”分工模式。
不同于平面磨削，成型磨削时砂轮截面不同位置磨粒去除材料的体积不同(图1-1，1-2)，从而导致型面各处磨削温度有所差异，其结果便是温度较高的区域砂轮磨损较快，逐渐使砂轮型面与其设计轮廓产生一定偏差。这一尺寸偏差将直接复映到零件加工表面，导致加工精度下降，废品率增加。若采用单层超硬磨料砂轮(如钎焊(或电镀)CBN(或金刚石)砂轮)，一旦各处砂轮磨损量差异达到一定程度，其难以修整的属性很大程度上意味着砂轮的提前报废。
徐九华等(张志伟.镍基高温合金高效深切成型磨削关键技术研究[博士学位论文].南京航空航天大学,2014)曾采用单层电镀CBN砂轮高效成型磨削DZ125定向凝固镍基高温合金涡轮叶片榫齿，工艺优化后(磨削速度80m/s、工件速度1.85m/min、切深1.64mm)材料去除率高达50mm3/mm，且加工精度满足实际要求。此外，他们还证明了采用单层钎焊CBN砂轮成型磨削钛合金榫头的可行性(杨长勇.单层钎焊立方氮化硼砂轮缓进深切磨削钛合金的基础研究[博士学位论文].南京航空航天大学,2010)。但以上文献涉及的砂轮磨损研究均限于对磨粒磨损形式的探讨，并未考虑砂轮型面随磨削过程进行而产生的偏差。事实上，只有采用合适的方法使砂轮型面轮廓精度在其使用寿命范围内保持不变，才能最大限度地发挥超硬磨料在高效磨削中的潜能。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提供一种成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布设计与实现方法，目的在于通过采用此种磨粒排布方式的砂轮保证航空发动机涡轮叶片榫头等成型磨削过程中砂轮轮廓精度，最终实现其高效精密磨削加工，同时提高砂轮寿命。
技术方案：本发明通过如下技术方案予以实现：
一种成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布设计与实现方法的原理是：砂轮工作面某区域的磨粒密度与其几何特征有关，即通过改变指定区域的磨粒密度调整其磨粒排布方式，进而改变该区域砂轮磨损速率。
具体而言，一种成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布设计与实现方法，所用的单层钎焊CBN砂轮包括砂轮基体、结合剂和CBN磨粒三部分，砂轮轴截面不同位置的CBN磨粒密度不等，根据砂轮各区域的几何特征(此处的几何特征主要指：砂轮各区域处砂轮轴截面切线方向与竖直方向的夹角)在该区域排布不同密度的磨粒，在砂轮轴截面切线较为平缓的区域布置较多磨粒以延缓其砂轮磨损速率，使成型磨削过程中砂轮工作面各区域砂轮磨损速度保持一致。
成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布实现方法包括以下步骤：
步骤(1)：清洁；清除CBN磨粒与砂轮基体表面的污渍；
步骤(2)：磨粒排布密度的确定：
根据图1-2所示的数学关系，砂轮工作面各位置磨粒密度可通过以下方法确定：
设X、Y为砂轮轴截面上两不同位置，磨粒密度分别为dX、dY，则：
dX/dY＝Sinα/Sinβ 式(1)
其中α和β分别为X、Y处砂轮轴截面切线方向与竖直方向的夹角，且0≤α≤90°，0≤β<90°。
这里α和β是由被磨工件形状确定的设计参数，dX(或dY)为预先确定的砂轮工作面区域X(或区域Y)的磨粒密度，将以上三个已知量带入式(1)求取砂轮工作面任一区域dY(或dX)的磨粒密度。进而根据获得的磨粒密度布置该区域处的磨粒数量(即分布密度)。这有异于传统的不同部位平均分布磨粒的方式。
步骤(3)：制模；采用不粘胶标签纸紧紧包裹砂轮基体工作面，并在标签纸上制作边长比磨粒粒径略大的方孔，方孔的密度分布与上述步骤(2)确定的CBN磨粒分布密度保持一致；
步骤(4)：布磨粒；首先在砂轮基体工作面涂抹一层不干胶用于固定磨粒，然后将CBN磨粒放入模板的方孔内，每孔一颗，并轻压磨粒使磨粒牢固黏附在砂轮基体表面；最后脱去模板；
步骤(5)：钎焊；将CBN磨粒钎焊至砂轮基体。钎焊时，以10～15℃/min的升温速率将钎焊炉加热至880～900℃，并保温8～10min；保温结束后，以10～15℃/min的降温速率将钎焊炉的温度降至室温。
有益效果：针对成型磨削过程中因砂轮截面不同位置磨粒去除材料体积不等而极易出现砂轮磨损不均和零件加工精度超差等不利因素，本发明通过砂轮工作面磨粒排布优化设计使砂轮均匀磨损，最终实现提高加工精度和砂轮使用寿命目的，结果表明，采用本发明涉及的成型CBN砂轮磨削钛合金时零件废品率相比常规磨削方法大幅降低，且砂轮使用寿命提高一倍。此外，表面粗糙度维持现有水平，磨削表面为80-90MPa残余压应力。可为钛合金等难加工材料复杂结构高效精密成型磨削提供可靠的工具支持。
附图说明
图1-1是成型磨削时砂轮轴截面各位置对应材料去除体积示意图；
图1-2是砂轮轴截面各位置对应的材料去除体积之间的数量关系；S区域X＝dx·d，S区域Y＝dx·d·sinα；
图2-1是实施例1的TC4钛合金直齿条成型磨削截面示意图；其中，CBN磨粒-1、结合剂-2、基体-3；
图2-2为磨粒排布模板上的方孔分布示意图(以图2-1中的区域A为例)，4-方孔。
具体实施方式
以下将结合实施例具体说明本发明的技术方案：
实施例1
一种TC4钛合金直齿条成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布方法，通过采用优化的磨粒排布方式并运用匹配的磨削工艺参数实现了该型零件的高效精密加工。
图2-1是TC4钛合金直齿条成型磨削截面示意图，如图所示，在本实施例中，单层钎焊CBN砂轮由CBN磨粒1、结合剂2和基体3组成。所述单层钎焊CBN磨粒1的粒径为0.15mm；所述结合剂2选择Ag-Cu-Ti合金粉末钎料；所述基体3的材料为45#钢，其外径为400mm，内径为127mm。
本实施例中单层钎焊CBN砂轮磨粒排布设计与实现方法，包括以下步骤：
步骤(1)：清洁；清洗CBN磨粒和砂轮基体；采用丙酮将CBN磨粒超声清洗5分钟，并用擦拭布蘸取无水乙醇清洁砂轮基体表面；
步骤(2)：磨粒排布密度的确定：
其中面3与竖直方向的夹角α'＝28.3°，为直齿条设计参数。毛坯预留加工余量为3mm。
砂轮截面磨粒分布不均：面1磨粒密度d面1＝25mm-2，α'＝28.3°，由面1水平可知其切线与竖直方向的夹角为α”＝90°。
可根据dX/dY＝Sinα/Sinβ 式(1)
则：d面1/d面3＝Sin90°/Sin28.3°，则面3磨粒密度d面3＝11.5mm-2
同理，计算得到面2磨粒密度d面2＝11.5mm-2。
步骤(3)：制模；采用不粘胶标签纸紧紧包裹砂轮基体工作面，并在标签纸上制作边长为0.18mm的方孔4(方孔孔径略大于CBN磨粒的粒径)，方孔的密度分布与CBN磨粒密度分布保持一致，即面1处为25mm-2，面2和面3处为11.5mm-2，图2-2为图2-1中区域A内方孔分布的示意图；
步骤(4)：布磨粒；首先在砂轮基体工作面涂抹一层不干胶用于固定磨粒，然后将CBN磨粒放入按步骤2所制模板的方孔内，每孔一颗，并轻压磨粒使磨粒牢固黏附在砂轮基体表面；最后轻轻脱去模板；
步骤(5)：钎焊；采用超高频感应钎焊工艺将CBN磨粒钎焊在砂轮基体表面，与陶瓷结合剂连接和镀层连接相比，该连接方式可为难加工材料高效磨削技术提供牢固的磨粒把持力，避免因磨粒过早脱落引起砂轮提早报废；钎焊时，以10～15℃/min的升温速率将钎焊炉加热至880～900℃，并保温8～10min；保温结束后，以10～15℃/min的降温速率将钎焊炉的温度降至室温。
粗磨时磨削用量选择砂轮线速度25m/s、切深1.2mm、工件进给速度100mm/min；精磨时选择砂轮线速度25m/s、切深0.1mm、工件进给速度200mm/min。
此处以常规磨粒排布方式(即磨粒在砂轮工作面均匀分布)的钎焊CBN成型砂轮为对比，磨粒密度为25mm-2，粒径为0.15mm。砂轮尺寸与材质、钎料成分与用量和钎焊工艺等条件均与本发明所述的经磨粒优化排布设计的钎焊CBN砂轮保持相同。
采用两种砂轮获得的磨削结果见表1。可以看出，采用本发明所述的单层钎焊CBN砂轮磨削直齿条齿面尺寸超差率比采用常规磨削方法降低75％，砂轮使用寿命提高一倍，加工表面粗糙度和表面残余应力维持现有水平。
表1实施例1所述单层钎焊CBN砂轮磨削效果比较
Claims (2)
1.成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布的实现方法，其特征在于，砂轮工作面任一区域的磨粒密度与该区域的几何特征有关，通过调整磨粒密度调整磨粒排布方式，在砂轮轴截面切线平缓的区域布置较多磨粒以延缓其砂轮磨损速率；
所用的单层钎焊CBN砂轮包括砂轮基体、结合剂和CBN磨粒三部分，所述的几何特征指的是砂轮各区域处砂轮轴截面切线方向与竖直方向的夹角；
具体步骤如下：
步骤（1）：清洁，清除CBN磨粒与砂轮基体表面的污渍；
步骤（2）：磨粒排布密度的确定；设X、Y为砂轮轴截面上两个不同区域，α和β分别为X、Y处砂轮轴截面切线方向与竖直方向的夹角，这两个位置处的磨粒密度分别为dX、dY，根据式（1），确定砂轮工作面位置X或Y处的磨粒密度：
dX/dY=Sinα/Sinβ 式（1）
步骤（3）：制模；采用不粘胶标签纸包裹砂轮基体工作面，并在标签纸上制作边长大于磨粒粒径的方孔，方孔的密度分布与步骤（2）确定的CBN磨粒分布密度保持一致；
步骤（4）：布磨粒；首先在砂轮基体工作面涂抹不干胶，然后将CBN磨粒放入模板的方孔内，每孔一颗，并轻压磨粒使磨粒牢固黏附在砂轮基体表面；最后脱去模板；
步骤（5）：钎焊；将CBN磨粒钎焊至砂轮基体，钎焊时，以10～15℃/min的升温速率将钎焊炉加热至880～900℃，并保温8～10min；保温结束后，以10～15℃/min的降温速率将钎焊炉的温度降至室温。
2.权利要求1所述的成型磨削用单层钎焊CBN砂轮磨粒排布的实现方法，其特征在于，步骤（2）中，α和β是由被磨工件形状确定，且0≤α≤90°，0≤β<90°，dX或dY为预先确定。
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