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
　　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。

7 v- t; k- v5 o, s$ WELID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
　　试验设备、试验参数见表1、表2
表1　试验设备
+ r# }8 ^; K5 k; l8 d+ }0 |1 }磨床
1 B  U* ~( m  u6 v# x/ VMM7120型
+ e8 c/ d& L' D% [砂轮
2 e! W0 E- O4 A1 H1 A! w% GW1.5（CIB-D）砂轮和W1.5金刚石、CBN混合磨料铁基砂轮（自制）
专用电源
" U9 P6 F) T/ G" e# I1 S: W# E7 g* tHDMD—Ⅱ型ELID镜面磨削高频脉冲电源(自制)
专用磨削液
8 {6 l7 t/ M" L! AHDMY—201电解磨削液(自制)
表2　试验参数
, j& M8 ^! D; s磨削
" ^% E. [: w: c: a参数
主轴转速(r/min)
7 e1 c* J. Z! g% E: {1 500
5 D- g7 L5 G0 o' X6 `8 N% w横向进给速度(mm/行程)
0.1～3
7 L, n/ }2 `* d% D- q/ Q, {工作台速度(m/s)
0.05～0.08
1 L# a9 p" d  c, M! N" V磨削深度(mm)
0.001～0.005
电解
参数
电压(V)
90～105
  ]+ w" V: E0 x3 g; ?9 i电流(A)
9 P/ [0 H* j) ~' K+ D" G$ |3 [! R1～3
电极间隙(mm)
0.1～0.75
; N$ @- D) a7 m6 k+ u0 i3.2　磨削效果及分析
! L" B6 z- K- f( `2 P　　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。
5 F& W' q8 O& \2 i$ U. ]/ y　　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
　　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