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免修整型柔性砂轮对硬脆材料的磨削特性

免修整型柔性砂轮对硬脆材料的磨削特性 2011年12月04日 来源: 磨削加工中的振动是影响磨削精度的重要因素之一。对于磨削中砂轮振动对加工工件精度影响的研究,文献[1]中作了叙述。为了消除砂轮振动的影响,笔者在文献[2]提出一种结构简单,采用特殊砂带作为磨削工具同时具备柔性砂轮的消振性能的新型柔性砂轮。本文对这种新型砂轮的磨削特性继续进行研究。1实验设备及条件根据柔性砂轮高效的磨削特性,将免修整柔性砂轮应用于对半导体石英基板的磨削中。实验以高效磨削为目标,采用大进给量磨削和深切磨削方式。研究磨削过程中砂轮的磨削力、磨削精度、砂轮的磨损及表面磨粒的变化情况。实验中采用KISTLER 5011型动力计测量磨削力;由KEYENCE LT8000非接触式激光测量仪测量砂轮的圆周精度和磨损量。实验条件如附表所示。实验条件磨床柔性砂轮橡胶环工件磨削液冈本G—52电镀金刚石#140#50石英105mm×4.1mm2%水溶冷却液普通磨削砂轮速度v=1200m/min进给量Δ=100,200μm/次走刀速度v=5,3.6m/min当量切深gm/2a=9.3×10-5深切磨削砂轮速度v=1200m/min进给量Δ=5000μm/次走刀速度v=0.4m/min当量切深gm/2a=5.3×10-5

2磨削实验 2.1大进给量磨削以附表中的磨削条件设定:砂轮磨粒的当量切深 gm/2a=9.3×10-5。第一次磨削进给量Δ1=100μm/次、走刀速度v1=5m/min;第二次磨削进给量Δ2=200μm/次、走刀速度v2=3.6m/min。磨削加工能率Z′为Z′=Δ.v(1)式中Δ——磨削进给量,μm/次v——走刀速度,m/min由实验条件得 Z′1=8.3mm3/mm.s;Z′2=12mm3/mm.s。图1为实验测得的磨削力和工件去除量关系曲线。从图中曲线可以得出:当磨粒的当量切深gm/2a不变时,改变磨削进给量Δ对法向磨削力Fn的影响不大。当进给量Δ减小时,切向磨削力Ft增大。磨削过程中Ft基本不变,而法向磨削力Fn的变化呈线性增大趋势。

图1磨削力和工件去除量关系

比较普通金刚石砂轮和柔性砂轮的实验结果可以得到:柔性砂轮的磨削力Fn为普通砂轮磨削的大约1/10,而且磨削过程中砂轮的吸振性能良好,达到柔性砂轮磨削的要求。图2为实际切深和工件去除量之间的关系曲线。从曲线中得出:在磨削去除量小于300mm3时,因为砂轮弹性变形的影响,实际切深 小于理论值。整个磨削过程中进给残留量保持在70μm左右。

图2实际切深和工件去除量关系

.2深切磨削从以上的磨削过程得出:柔性砂轮的磨削力较小,因此适应于深切磨削加工。深切磨削可以达到高的磨削精度和小的表面粗糙度值,并相对减小砂轮的磨损。深切磨削中设定:磨削进给量Δ3=500μm/次,加工能率Z′3=33.3mm3/mm.s。图3为深切磨削中磨削力和工件去除量关系曲线。分析磨削过程可以得出:由于深切磨削中砂轮磨粒对工件的切削过程不同,正向磨削和逆向磨削过程中切向磨削力Ft有较大变化,正向磨削力Ft是逆向磨削力Ft的大约4倍。法向磨削力Fn随磨削过程的进行而不断增大。

图3深切磨削磨削力和工件去除量关系

图4为深切磨削后测得工件表面的横向和纵向形状误差曲线。从图中数据可以得出:柔性砂轮磨削保持刚性砂轮的磨削特征,磨削后工件形状精度达到同等粒度砂轮的加工水平。

图4深切磨削后工件形状误差

3磨削精度及磨损图5为磨削过程中柔性砂轮圆周误差的变化曲线。从图中可以得出:在磨削初期砂轮圆周误差的增长较快,随着磨削过程的进行而趋向于稳定。

图5磨削条件对砂轮圆周误差的影响

图6为大进给量磨削(Δ1=100μm/次,Δ2=200μm/次)和深切磨削(Δ3=5000μm/次)时测得工件表面粗糙度变化情况。从图中得出:在深切磨削中工件表面粗糙度达到Ra1.8μm。

图6磨削条件对工件表面粗糙度的影响

图7为磨削中测得柔性砂轮的磨损曲线。从图中得出:柔性砂轮在整个磨削中磨损量呈上升趋势。

图7砂轮磨损量曲线

4表面磨粒观察图8为在金属带基上电镀#140号金刚石磨粒的柔性砂轮,在深切磨削石英前后表面磨粒状态照片。从照片中可以看出:深切磨削后,砂轮表面有近40%的磨粒发生破碎和磨损,而发生脱落的磨粒较少。因此磨削过程中法向磨削力Fn呈上升趋势。

图8磨削前后砂轮表面磨粒变化

5结论针对新型柔性砂轮高效磨削的特性,将其应用于半导体石英基板的磨削。通过大进给量磨削和深切磨削实验结果得出:(1)柔性砂轮的法向磨削力Fn为通常刚性砂轮的1/10以下,而磨削精度达到相同水平。(2)柔型砂轮可实现高效磨削,在深切磨削中加工能率Z达到33.3mm3/mm.s。(3)磨削过程中柔型砂轮的磨损量和刚性砂轮处于同一水平。(4)磨削过程中砂轮表面磨粒发生磨损和破碎较多,法向磨削力Fn呈上升趋势。作者单位:郭隐彪(重庆大学机械传动国家重点实验室400044)杨继东(重庆大学机械传动国家重点实验室400044)梁锡昌(重庆大学机械传动国家重点实验室400044)庄司克雄(日本东北大学工学部)参考文献:[1]Sexton.T.S,et al.The Use of Increased Flexibility to Improve Chatter Performance in Grinding.Proc Institution of Mechanical Engineering Sciences Division,1982,196(25)[2]郭隐彪,庄司克雄等.免修整柔性砂轮的结构设计及精度.制造技术与机床,1999(12)(end)

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