一种高切向磨削力与低法向磨削力的磨削方法与流程

本发明涉及一种高切向磨削力与低法向磨削力的新型磨削方法，属于难加工材料高效精密磨削技术领域。

背景技术：

磨削技术广泛的应用于航空航天、机械工业、汽车、船舶、模具工业、半导体制造、光伏产业等行业中，是重要的高效精密加工技术。在德国、日本、美国等发达国家中，磨料、磨具与磨削装备占据机械制造领域的总生产成本的30%以上。在高精密仪器仪表、机械工具以及汽车模具生产企业中，磨削技术与设备投资成本甚至占到总投资的50%以上，成为最重要的加工手段。

磨削采用表面具有许多细小且极硬磨料的磨具高速去除工件材料。由于磨具较大的负前角和刃口圆弧半径，在磨削过程中，与其它切削加工相比，产生的总磨削力非常大，总磨削力又可分解为切向磨削力、法向磨削力和轴向磨削力，三向分力中，法向磨削力总是最大，通常情况下，法向磨削力大约是切向磨削力三倍左右。然而，从材料磨削去除机理角度分析，高的法向磨削力和低的切向磨削力是导致材料磨除率低、磨具与工件损坏变形、磨削震动、砂轮阻塞、工件表面完整性差以及磨削烧伤频繁等问题的主要成因。特别对于硬脆材料或者航空航天新型复合材料的磨削加工，法向磨削力比普通材料高数倍乃至百倍，难以提高磨削效率和磨削质量。在磨削加工过程中，降低法向磨削力以及提高切向磨削力，甚至，能够实现高切向磨削力与低法向磨削力加工，将是解决高效率高表面完整性磨削的重要突破口。

本发明针对传统磨削过程中高法向磨削力与低切向磨削力的特性，提出一种“类防弹衣原理”-高切向磨削力与低法向磨削力的磨削方法。利用“类防弹衣”式的特制磨具，使高速运动磨具磨粒与工件表面微凸峰发生接触、碰撞、挤压，形成类似高速飞行子弹冲击防弹衣的作用原理，使受冲击区域的磨粒瞬时产生“集群效应”，形成反向冲击载荷的阻抗力，使切向磨削力瞬时增大而法相磨削力瞬时减小，同时利用磨具中填充物向磨削液溶解扩散，产生具有氧化性和碱性（或酸性）的工作液环境，形成活性化工件表面和磨料表面，在多能量场的耦合下，以高切向磨削力与低法向磨削力的磨削方式去除工件表面材料。

技术实现要素：

本发明针对当前磨削难加工材料加工过程中材料去除率低、砂轮易阻塞、磨削工件表面完整性差、磨削烧伤频繁等问题，提出一种利用“类防弹衣原理”-磨粒在冲击载荷下产生“集群效应”的特制磨削工具进行高切向磨削力与低法向磨削力的磨削方法，实现难加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。

发明的一种高切向磨削力与低法向磨削力磨削方法，所使用的特制磨削工具其磨料层的组织成份由磨料、气孔、填充物、分散介质、分散相、粘结剂、高性能纤维织物组成；填充物由氧化剂、活化剂、PH调节剂组成。磨料选用金属氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金刚石），粒度为1-200 μm。填充物中的氧化剂和活化剂选用过氧化钠、次氯酸钠、高锰酸钾或者过氧化钙等。PH调节剂选用强酸弱碱盐或强碱弱酸盐，如碳酸钠、碳酸钾或者碳酸氢钠等。分散介质选用有机物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG）等）或者矿物油等。分散相选用碳酸钙、二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，粒径小于1 μm。粘结剂选用陶瓷、金属、树脂或者橡胶等。高性能纤维织物选用芳纶纤维（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、尼龙（Nylon）、聚对苯撑苯并双口恶唑纤维（PBO）、聚酰亚胺纤维（PI）或蜘蛛丝纤维等。

一种高切向磨削力与低法向磨削力的磨削方法，具体磨削过程如下：

(1) 将特制磨削工具安装在高强度精密磨床主轴上，利用固定在磨床夹持工作台上的修整工具对磨具进行初始修整；

(2) 修整完成后，将修整工具取下，然后将工件固定在工作台上；控制磨具速度为35 m/s以上，控制磨削进给速度为500-10000 mm/min，采用水基或者油基冷却液，控制冷却液的流量为1-100 L/min，使修整后的特制磨削工具在高速旋转下与工件表面接触，开始磨削；

(3) 工件表面微凸峰处与磨具产生接触、摩擦、碰撞，对磨具接触区域产生冲击载荷，在高性能纤维织物中分散相与分散介质的作用下，使受冲击区域的磨粒瞬间产生“集群效应”，瞬时微加工区域形成“子弹冲击防弹衣”式（超高摩擦系数）接触，从而使切向磨削力瞬间变大而法向磨削力瞬间减小；

(4) 同时，由于磨具的磨损和自锐，磨具中的填充物不断地向冷却液中溶解并扩散，在工件表面产生具有氧化性和碱性（或酸性）的工作液环境，活化工件表面；通过磨粒与工件之间接触、碰撞、摩擦和热作用激发或强化工件表面与工作液的固液化学反应，以及磨粒与工件表面的固相化学反应，使工件表面不断产生软化的化学反应膜；

(5) 在进一步的磨削过程中，“集群效应”的磨粒以高切向磨削力和低法向磨削力的方式快速去除化学反应软化膜，使工件表面原始材料重新暴露，继续进行固液化学反应或者固相化学反应并生成新的化学反应膜，而脱落的磨粒和去除的材料随工作液一起排走。反复进行以上过程，实现难加工材料的高效、精密、高表面完整性的磨削加工。

本发明的磨削方法具有以下明显效果：与传统磨削相比，本发明的磨具中的磨粒产生“集群效应”，使切向磨削力瞬间增大而法向磨削力瞬间减小，加工区域内形成高摩擦系数接触，使材料去除率高；低法向磨削力使磨削过程产生的磨削热低、振动小，使磨削表面/亚表面质量好；利用磨削工具中填充物向磨削液溶解与扩散，使难加工材料工件表面（尤其是表面微凸峰）形成更易于去除的“软化薄膜层”，进一步提高磨削效率。

附图说明

图1是特制磨削工具组成示意图，其中，1.1-磨料，1.2-气孔，1.3-填充物，1.4-分散介质，1.5-分散相，1.6-粘结剂，1.7-高性能纤维织物。

图2是磨削过程微观示意图，包括磨削第一阶段图2a、第二阶段图2b、第三阶段图2c、第四阶段图2d示意图。其中，2.1-软化薄膜层。

具体实施方式

具体实施方式一：结合附图1，详细说明一种高切向磨削力与低法向磨削力的磨削工具，其特征为：

(1) 磨料层由磨料[1.1]、气孔[1.2]、填充物[1.3]、分散介质[1.4]、分散相[1.5]、粘结剂[1.6]、高性能纤维织物[1.7]组成；填充物[1.3]由氧化剂、活化剂、PH调节剂组成；

(2) 磨料[1.1]用金属氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金刚石），粒度为1-200 μm。填充物[1.3]中的氧化剂和活化剂选用过氧化钠、次氯酸钠、高锰酸钾或者过氧化钙等。 PH调节剂选用碳酸钠、碳酸钾或碳酸氢钠等。分散介质[1.4]选用有机物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG)等)或者矿物油等。分散相[1.5]选用碳酸钙、二氧化硅、聚苯乙烯或者聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，粒径小于1 μm。粘结剂[1.6]选用陶瓷、金属、树脂或者橡胶等。高性能纤维织物[1.7]选用芳纶纤维（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、尼龙（Nylon）、聚对苯撑苯并双口恶唑纤维（PBO）、聚酰亚胺纤维（PI）或蜘蛛丝纤维等。

具体实施方式二：结合附图1和附图2，详细说明所发明的高切向磨削力与低法向磨削力的磨削方法：

(1) 利用数控成型磨床，将难加工硬脆材料或高能束流快速增材制造新型航空航天复合材料制成的试样为工件，采用具体实施方式一所述的磨削工具。将磨具安装到数控成型磨床主轴上，修整工具采用金刚石砂轮，其粒度选用#100，利用固定在磨床夹持工作台上的修整工具对磨具进行初始修整；将样片固定在磨床夹持工作台上，控制磨具转速为50 m/s，控制磨削进给速度为700 mm/min，采用水基冷却液，控制冷却液的流量为10 L/min，开始磨削；

(2) 第一阶段：磨具高速旋转，开始与工件表面发生接触；

(3) 第二阶段：工件表面微凸峰处与磨具中的磨粒[1.1]发生接触、摩擦、碰撞，对磨具微接触区域产生冲击载荷，在高性能纤维织物[1.7]中分散介质[1.4]和分散相[1.5]的作用下，使受冲击区域的磨粒[1.1]瞬间产生“集群效应”，使切向磨削力瞬间增大而法向磨削力瞬间减小，实现理想加工特性。通过磨具的磨损和自锐，磨具中的填充物[1.3]不断地向磨削液中溶解并扩散，在工件表面产生具有氧化性和碱性（或酸性）的工作液环境，形成活化性工件表面。通过磨粒与工件之间的接触、碰撞、摩擦和热作用激发或强化工件表面与工作液的固液化学反应和磨粒[1.1]与工件表面的固相化学反应，形成工件表面的“软化薄膜层”[2.1]；

(4) 第三阶段：随着磨具与工件表面微凸峰处的进一步相互作用，产生“集群效应”的磨粒[1.1]在高切向磨削力与低法向磨削力的条件下，将微凸峰处的“软化薄膜层”[2.1]快速去除, 使工件表面原始材料重新暴露，继续进行固液化学反应或者固相化学反应并生成新的化学反应膜；

(5) 第四阶段：冲击载荷消失，产生“集群效应”的磨粒[1.1]会恢复未受冲击载荷前排列状态，而脱落的磨料[1.1]和磨屑随工作液一起排走；

(6) 重复上述四个阶段，可实现难加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。