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。
+ a( q, w+ v* {/ C0 c: N; z. |! G3 f2　ELID磨削技术的基本原理
　　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。
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ELID磨削原理示意图
3　ELID磨削技术对钢结硬质合金的应用
3.1　试验条件
+ j9 r7 J( A- @　　试验设备、试验参数见表1、表2
- N9 J# v; h  M( W表1　试验设备
磨床
MM7120型
! `: u' }) B. y9 b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）
( y* S- Z- C. E8 T: [专用电源
HDMD—Ⅱ型ELID镜面磨削高频脉冲电源(自制)
  Z# f! @% k" N3 g$ p, B& A专用磨削液
8 V& ]+ L2 w1 P1 {# p) o+ A9 |6 HHDMY—201电解磨削液(自制)
. Y$ r  M& |3 X& u# y. @4 ^* Z表2　试验参数
: h; |0 z1 H! S+ p6 K磨削
; \) g/ ^% c5 C参数
主轴转速(r/min)
& S' z/ I. I& z1 500
; a) P; T' M- }: `2 f* u+ D& _' u横向进给速度(mm/行程)
0.1～3
: @6 }. K  G" B- Y& N+ Q工作台速度(m/s)
0.05～0.08
) \/ n- A( J6 ]) i9 E, S: X磨削深度(mm)
$ c% L1 E# g# w+ d2 Z# y0.001～0.005
  n5 B$ j1 @( g7 C* C电解
! J  U8 x6 i6 _# e) c; L1 U2 s6 n参数
8 E: U, \( ~. t& o电压(V)
) x) c6 Z. {" {3 P7 |; P* b" |90～105
1 y/ R% {0 ], t1 R& o0 _% @$ ]电流(A)
0 v5 E) V- O! ?! z7 n' o7 M  m4 D1～3
电极间隙(mm)
0.1～0.75
/ `3 h$ m$ H) }; K3.2　磨削效果及分析
7 q, M; c* I$ S; T4 u　　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。
7 Q6 G3 g1 x, r$ L' z. W( ~" _　　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。
4　结论
4 m: u  x8 s# j4 P; `" C" B6 ?　　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