一种高切向磨削力与低法向磨削力的磨削工具

技术领域

本发明涉及一种新型磨削工具，尤其是一种针对难加工材料的高切向力与低法向力的磨削工具，属于难加工材料高效精密磨削技术领域。

技术背景

传统磨削技术采用表面具有许多细小且极硬磨料的磨具对工件表面进行加工。由于磨具较大的负前角和刃口圆弧半径，切削深度非常小，工件表面材料产生弹性变形，随着挤入深度的增大，磨粒与工件表面的压力逐渐变大，工件表面材料开始产生塑性变形，继续加大切入深度，工件表面部分材料开始沿剪切面滑移并形成磨屑。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，由于磨粒几何形状和工作角度的随机性，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。

本发明针对当前难加工材料磨削加工过程中磨具易阻塞、磨削工件表面完整性差、磨削烧伤频繁等问题，通过改变传统砂轮磨削过程中切向磨削力与法向磨削力的特性，发明一种“类防弹衣”式的高切向力与低法向力的新型磨削工具，并给出了磨具的组织结构与成份及其制造工艺。新型磨具的磨削过程原理如下：工件表面微凸峰与磨具高速下发生摩擦、碰撞、挤压，对磨具产生“冲击载荷”，使受冲击区域中磨粒瞬间产生“集群效应”，从而瞬间增大磨具的切向磨削力并降低法向磨削力（类似于子弹冲击防弹衣的原理）；磨削过程中，磨具中的添加物会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和磨料表面；然后，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以及“集群效应”的磨粒与工件表面的固相化学反应，形成工件表面的“软化层”，在进一步的磨削过程中，“集群效应”的磨粒在高切向磨削力与低法向磨削力的方式下，快速去除“软化层”，而不会在工件表面产生严重机械损伤；此后，工件表面又会暴露在工作液环境中，继续产生固液化学反应生成“软化层”，而脱落的磨粒以及去除的材料会一同随工作液排走，反复进行以上过程，实现难加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。

本发明的新型磨削工具具有高材料去除率、良好的磨削自锐性、高磨削工件表面完整性等特点。

发明内容

发明的一种高切向磨削力与低法向磨削力的磨削工具，其组织结构与成份及其制造工艺为：

(1)磨削工具由配合环-Ⅰ、基体环-Ⅱ、磨料层-Ⅲ组成；配合环和基体环的材料为铝合金、低碳钢或者不锈钢；磨料层由磨料、填充物、粘结剂、分散相、分散介质、高性能纤维织物、气孔组成；填充物由氧化剂、活化剂、PH调节剂组成；

(2)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。粘结剂选用陶瓷、金属、树脂或者橡胶等。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），粒径小于1 μm。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。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（PI）或蜘蛛丝纤维等；

(3)磨料层制作方法如下：利用油浴搅拌法或球磨法在超声辅助下将分散相与分散介质混合，制成分散体系，固体质量含量为10%-80%。当分散相的粒径为1 nm-100 nm，选用油浴搅拌法与超声分散法相结合的方式制作所述分散体系，在70-90℃油浴温度下，将定量的分散相缓慢加入分散介质中，并在超声辅助下进行机械搅拌1-2 h，控制速度范围200-350 r/min，直至分散相充分且均匀地分散到分散介质中，制成分散体系；当分散相的粒径为100 nm-1 μm时，选用球磨法与超声分散法结合的方式制作所述分散体系，运用磨球干磨定量的分散相0.5-1 h，随后加入定量的分散介质在超声辅助下进行球磨3-5 h，制成所述分散体系；将定量所述分散体系加到定量磨料和填充物中在超声辅助下进行球磨1-2 h，制成磨料分散体系，并置入真空干燥箱内24 h，控制温度范围20-27℃，除去所述磨粒分散体系中的气泡。然后，按1:1至1:3对所述磨料分散体系与无水乙醇进行配比稀释，将高性能纤维织物浸渍在被稀释的磨料分散体系中，并超声震动2-10 min，使各组成成份充分且均匀地分布在高性能纤维织物中。最后将所述浸渍后的高性能纤维织物放入烘干箱中，控制温度范围为60-90℃，时间为1-24 h，使无水乙醇完全挥发，制成磨粒层-Ⅲ；

(4)磨削工具制作方法如下：将树脂涂抹于磨料层-Ⅲ，沿基体环-Ⅱ的外圈逐层缠绕，并利用机器对所述磨粒层-Ⅲ缓慢拉紧，并置入烘干箱中，控制温度范围为170-190℃，时间为0.5-10 h，使磨粒层-Ⅲ固结在基体环-Ⅱ上；然后将基体-Ⅱ装配到配合环-Ⅰ上，利用内六角螺栓固定，制成磨削工具；

(5)将所述制作完成的磨削工具进行静平衡测试，对基体环-Ⅱ进行配重调整使磨削工具达到静平衡；针对磨料层-Ⅲ已磨损的磨削工具，只需更换固结有高性能纤维织物的基体环-Ⅱ即可。

本发明具有以下明显效果：所述磨削工具材料的去除率高；磨削表面完整性好；可进行高效、高精度、高表面完整性磨削。

附图说明

图1是一种高切向磨削力与低法向磨削力的磨削工具的磨料层成份示意图。其中：1.1-磨料，1.2-填充物，1.3-粘结剂，1.4-分散相，1.5-分散介质，1.6-高性能纤维织物层，1.7-气孔。

图2是磨料层制作程序框图。

图3是一种高切向磨削力与低法向磨削力的砂带磨削工具示意图。其中，Ⅲ-磨料层，3.1-背基，3.2-底胶，3.3-砂带。

图4是一种高切向磨削力与低法向磨削力的平行磨削工具示意图。其中，Ⅰ-配合环，Ⅱ-基体环，Ⅲ-磨粒层，Ⅳ-配合环与卡盘连接螺纹孔，Ⅴ-内六角螺栓。

图5是一种高切向磨削力与低法向磨削力的杯形磨削工具示意图。其中，Ⅰ-配合环，Ⅱ-基体环，Ⅲ-磨粒层，Ⅳ-配合环与卡盘连接螺纹孔，Ⅴ-内六角螺栓。

具体实施方式

具体实施方式一：结合附图1与附图2详细说明本发明中磨料层具体实施方式：

(1)参考附图1，磨料[1.1]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[1.2]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。粘结剂[1.3]选用陶瓷、金属、树脂或者橡胶等。分散相[1.4]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。分散介质[1.5]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。高性能纤维织物[1.6]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（PI）或者蜘蛛丝纤维等；

(2)参考附图1和附图2，分别称取定量的磨料[1.1]、填充物[1.2]、分散相[1.3]、分散介质[1.5]。当分散相[1.4]的粒径为1 nm-100 nm时，选用油浴搅拌法与超声分散法相结合的方式制作所述分散体系，在70-90℃油浴温度下，将定量的分散相[1.4]缓慢加入分散介质[1.5]中，并在超声辅助下进行机械搅拌1-2 h，控制速度范围为200-350 r/min，直至分散相[1.4]充分且均匀地分散到分散介质[1.5]中，制成分散体系；当分散相[1.4]的粒径为100 nm-1 μm时，选用球磨法与超声分散法相结合的方式制作所述分散体系，运用磨球干磨定量的分散相[1.4] ，控制时间范围为0.5-1h，随后加入定量的分散介质[1.5]在超声辅助下进行球磨3-5 h，制成所述分散体系；将定量所述分散体系加入定量磨料[1.1]和填充物[1.2]在超声辅助下进行球磨1-2 h，制成磨料分散体系，并置入真空干燥箱内24 h，控制温度范围为20-27℃，除去所述磨粒分散体系中的气泡；然后按1:1至1:3的比例对所述磨料分散体系与无水乙醇进行配比稀释，将高性能纤维织物[1.6]浸渍在被稀释的磨料分散体系中，并超声震动2-10 min，使所述磨料分散体系中的各组成成分充分且均匀地分布在高性能纤维织物[1.6]中。最后将所述浸渍后的高性能纤维织物[1.6]放入烘干箱中，控制温度范围为60-90℃，时间为1-24 h，使无水乙醇完全挥发，制成磨料层-Ⅲ。

具体实施方式二：结合附图3，详细说明制作一种高切向磨削力与低法向磨削力的砂带磨削工具的具体实施方式。按照具体实施方式一所述方法制成磨料层-Ⅲ，底胶[3.2]选用树脂，利用底胶[3.2]将所述磨粒层-Ⅲ与带基[3.1]粘结在一起，之后置入烘干箱中，温度控制在170-190℃，时间为0.5-10 h，将所述磨粒层-Ⅲ固结在带基[3.1]上，制成砂带磨削工具[3.3]。

具体实施方式三：结合附图3和附图4，详细说明制作一种高切向磨削力与低法向磨削力的平行磨削工具和杯形磨削工具的具体实施方式：

(1)按照具体实施方式一所述方法制成磨料层-Ⅲ，在所述磨料层-Ⅲ表面涂抹树脂后，沿基体环-Ⅱ的外圈层层缠绕，并利用机器缓慢对所述磨料层-Ⅲ进行拉紧，之后将所述缠有磨料层Ⅲ的基体环-Ⅱ置入烘干箱中，温度控制在170-190℃，保温时间为0.5-10h，使所述磨料层-Ⅲ固结在基体环-Ⅱ上；

(2)将所述固结有磨料层-Ⅲ的基体环-Ⅱ装配到配合环-Ⅰ上，附图3所示的平行磨削工具利用4个内六角螺栓-Ⅴ将基体环-Ⅱ与配合环-Ⅰ进行固定，附图4所示的杯形磨削工具利用6个内六角螺栓-Ⅴ将基体环-Ⅱ与配合环-Ⅰ进行固定，从而制成平行磨削工具和杯形磨削工具；所述平行磨削工具和杯形磨削工具的配合环-Ⅰ端面上各有4个螺纹孔-Ⅳ，利用螺纹孔-Ⅳ和螺栓可将所述平行磨削工具和杯形磨削工具装配到磨床主轴的卡盘上；

(3)将所述制成的平行磨削工具和杯形磨削工具进行静平衡测试，对基体环-Ⅱ进行配重调整使磨削工具达到静平衡；如果所述平行磨削工具或杯形磨削工具的磨料层-Ⅲ已磨损，仅需更换相配套的基体环-Ⅱ即可继续使用。