钢结硬质合金的精密镜面磨削技术的研究

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1　钢结硬质合金在磨削中存在的问题
　　钢结硬质合金是以工具钢或合金钢为粘结相，以难熔金属碳化物（主要是WC、TiC）作硬质相用粉末冶金的方法制备的，其组织特点是微细的硬质相晶粒弥散地分布于钢基中。合金中的硬质相主要赋予材料以高硬度和高耐磨性，粘结相又赋予材料以钢的性能，因而使钢结硬质合金具有钢和硬质合金的综合性能，使其在各个领域中得到了广泛应用。但其本身的加工制造却很困难，特别是精密加工，这是因为硬质相和粘结相的硬度差别较大，钢基容易被切除，而硬质点不易被切除，且其晶粒容易从合金表面剥落下来，从而在表面形成具有硬质相晶粒一样大小的孔隙。同时钢基的韧性大，在一定的磨削温度、接触压力和相对速度条件下，磨屑填满磨粒之间的气孔，使砂轮急剧堵塞工件表面产生烧伤，因而传统的加工方法很难获得低的表面粗糙度，且多级研磨效率低，成本高。
　　运用在线电解连续修整（ELID）的金属结合剂超细颗粒金刚石砂轮磨削钢结硬质合金，表面粗糙度可达10 nm左右，且效率高。本试验采用ELID镜面磨削技术对钢结硬质合金进行精密加工，很容易得到低粗糙度镜面。
2　ELID磨削技术的基本原理
' Y- C3 F9 M9 `* }1 k1 n　　在线电解修整镜面磨削是日本在20世纪90年代初发展起来的一种超精密加工新技术，它采用铸铁或铁纤维结合剂金刚石或CBN砂轮，利用电解过程中的阳极溶解现象，对砂轮进行在线电解修锐磨削，电解电源采用直流脉冲电源，电解液采用弱电解质的水溶液。铸铁砂轮为阳极，电解中，砂轮表面的铁元素变成Fe2O3氧化膜，使不能电解的金刚石或CBN磨料凸出于砂轮表面。磨钝的磨料随着电解的进行及时脱落，使砂轮始终处于锐利状态。同时生成的氧化膜又起着抑制电解过程继续进行的作用，使砂轮损耗不致太快。当砂轮表面磨粒磨损后，氧化膜被工件表面刮擦去除，电解过程继续进行，对砂轮表面继续进行修整。这是一个循环的过程，既避免了砂轮过快损耗，又能自动保持砂轮表面的磨削状态［1～3］,见下图。

) l& V1 C$ |! x+ d" jELID磨削原理示意图
3 P9 R& T8 T1 _. ?. z( u# Y0 x3　ELID磨削技术对钢结硬质合金的应用
3.1　试验条件
1 J  c1 K( P- M4 T7 t) K　　试验设备、试验参数见表1、表2
( w2 H' V) U8 ?* W3 v; C  Q表1　试验设备
! b+ c6 i$ B% k+ c磨床
* d$ c3 T5 H* ?6 j6 ?: dMM7120型
( C# @$ G) g  S3 D& U砂轮
W1.5（CIB-D）砂轮和W1.5金刚石、CBN混合磨料铁基砂轮（自制）
' l  `) M0 p! o* r$ l4 D" `专用电源
: i7 c7 Z# W. M5 e- wHDMD—Ⅱ型ELID镜面磨削高频脉冲电源(自制)
" e2 _% e3 m( ?& w$ b; s专用磨削液
HDMY—201电解磨削液(自制)
7 N; n, W- L. _表2　试验参数
磨削
参数
主轴转速(r/min)
8 {2 ?/ K7 l6 G( w* o6 F1 500
横向进给速度(mm/行程)
0.1～3
: u- Y1 d* `5 `$ p工作台速度(m/s)
& w+ z* c8 @1 v3 m# @0.05～0.08
/ j8 N( Z3 ]4 k. N) J磨削深度(mm)
0.001～0.005
电解
参数
电压(V)
) u' O% y% O) d% j- X' l90～105
电流(A)
' I; Y) j& V2 H# |- W' ^# {" U, l' W1～3
电极间隙(mm)
/ ~$ b1 X4 U3 t7 t# b0.1～0.75
$ I. s. b3 `$ B3.2　磨削效果及分析
　　在以上条件下对钢结硬质合金进行镜面磨削，工件表面粗糙度Ra=0.003 μm～0.011 μm。若采用更细的砂轮（W1以上），则会明显降低Ra值，取得更好的表面粗糙度。
　　分析得到的磨削效果，我们发现，工件表面粗糙度不仅与所用砂轮磨料的粒度和种类有密切关系，还与磨削液的配比有密切联系，不同成分和含量的磨削液，其化学特性相差悬殊，加工出来的表面粗糙度不同。采用HDMY—110和HDMY—200磨削液，我们加工出达到镜面的光学玻璃、蓝宝石、淬火钢、硬质合金、金属陶瓷、PCBN、单晶硅片等材料的试件。但对于钢结硬质合金就加工不出能够达到 14）的钢结硬质合金。这主要是因为磨削液的成分和含量对电解速度、成膜速度、成膜厚度、膜的硬度，以及被加工工件表面组织性能都有着很大的影响。针对被加工材料的不同，合理地调整磨削液中的成分和配比，以及铁基砂轮磨料的种类和粒度，可以获得最佳的磨削状态，从而得到更低的Ra值，达到精密加工的要求。
5 w0 W) [2 N  Q4　结论
" n) H2 |" A0 Z% j　　采用ELID精密镜面磨削技术对钢结硬质合金进行精密加工，可得到表面粗糙度为10 nm量级的镜面，该方法可取代传统的多级研磨逐级精化工艺，具有一次磨削成形、效率高、表面质量好等优点，是一种很有发展前途的先进工艺方法。
文章关键词： 磨削技术