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硬质合金模具微结构超声椭圆振动磨削试验研究*

作者:李经理浏览数:4 
文章附图

摘要:硬质合金材料因其硬度高、耐磨损,常被用作模压加工微结构光学元件的模具材料,但在其表面进行微结构磨削加工时常存在形状精度低、表面质量差等问题。为提高加工质量,在磨削加工微结构时引入了超声椭圆振动。利用树脂结合剂金刚石砂轮在WC硬质合金工件表面进行V沟槽微结构的普通磨削和超声椭圆振动磨削试验,研究磨削参数和超声振动对V沟槽微结构表面粗糙度的影响,并对比分析普通磨削和超声椭圆振动磨削后的V沟槽表面形貌.结果表明:与普通磨削相比,超声椭圆振动磨削后的V沟槽表面粗糙度有了明显下降。V沟槽表面粗糙度随着进给速度和磨削深度的增大而升高,随着磨削速度的增加呈降低的趋势。相比普通磨削,采用超声椭圆振动磨削时V沟槽侧面磨痕较少且更浅,更加光滑平整,底部的凹坑缺陷较少也更小,具有更高的表面质量。

关键词:超声椭圆振动磨削;表面粗糙度;表面形貌

中图分类号:TG156

ResearchonUltrasonicEllipticalVibrationGrindingofHardAlloyMold

Microstructure

LIMengzhao1LIANGZhiqiang2ZHOUTianfeng2WANGXibin2XIELijing2JIAOLi2

SHENWenhua2WULifei1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;

2.KeyLaboratoryofFundamentalScienceforAdvancedMachining,BeijingInstituteofTechnology,Beijing

100081)

Abstract:Duetothehighhardnessandgoodwearresistance,hardalloyisusuallyusedasthemoldmaterialformoldingmicro-structuredopticalcomponents.Butproblemssuchaslowshapeaccuracy,poorsurfacequalityoftenoccurwhengrindingmicrostructure.Inordertoimprovetheprocessingquality,ultrasonicellipticalvibrationisintroducedduringthegrindingofmicrostructure.OrdinarygrindingandultrasonicellipticalvibrationgrindingtestofVgroovemicrostructureiscarriedoutonthesurfaceofWChardalloyworkpiece,andtheresinbonddiamondgrindingwheelisadopted.TheinfluenceofgrindingparametersandultrasonicellipticalvibrationonthesurfaceroughnessofV-grooveisstudied.Themachinedsurfacemorphologyafterordinarygrindingandultrasonicellipticalvibrationgrindingarecomparedandanalyzed.Theresultsshowthat,comparedwithordinarygrinding,thesurfaceroughnessoftheV-grooveafterultrasonicellipticalvibrationgrindingissignificantlyreduced.thesurfaceroughnessoftheVgrooveincreaseswiththeincreaseofthefeedrateandthegrindingdepth,andasthegrindingspeedincreases,ittendstodecrease.Comparedwithordinarygrinding,theV-grooveafterultrasonicellipticalvibrationgrindinghasfewerandshallowergrindingcrackonthesideface,thesurfaceissmoother.Thebottompitsaresmallerandfewer,andthesurfacequalityishigher.

Keywords:ultrasonicellipticalvibrationgrinding;surfaceroughness;surfacetopography

0前言

微结构光学元件因其体积小、重量轻,具有多

种优异特性,如高衍射效率、独特的色散性能、特殊的光学功能等,在光电成像、信息处理、医疗卫生、机械加工等领域具有重要应用价值[1]。随着对高精度微结构光学元件需求的不断增加,国内外的研究机构开发了多种微结构光学元件的加工制造技术,主要有蚀刻技术、模压加工技术、超精密车削技术、超精密磨削技术、微放电加工技术、LIGA技术等[2-4]。为了实现微结构光学元件的高精度、低成本的大规模生产,目前比较先进的工艺方案是,先加工出具有微结构的模具,再利用玻璃模压技术进行批量生产[5]。为保证模压精度和长期一致性,模具材料通常选用硬质合金等高硬度、耐高温、耐磨损的材料。对于模具材料的微结构表面加工,超精密磨削技术因其具有效率高、加工精度高、表面粗糙度小并适于加工高硬度材料等优点[6],成为微结构超硬模具加工较为切实可行的方法。

用于模压的模具微结构表面要求具有很高的形状精度和表面质量,为此,国内外学者进行了一系列的微结构表面超精密磨削加工理论与试验研究。日本的OHMORI等[7-8]利用机械滚轮和放电加工技术对金刚石砂轮进行了精密修整,并利用修整后砂轮进行锗基浸没光栅的加工研究,加工后微结构表面内角半径小于12μm。华南理工大学的谢晋[9]等人利用碳化硅修整块对金属基金刚石砂轮进行修整,并在硅材料上加工出微金字塔矩阵。修整后砂轮尖端半径达19.5μm,微结构表面面形精度可达3.4μm,但由于材料脆性及砂轮尖端磨损,微金字塔底部出现23.1μm的误差。德国Aurich等[10]利用电镀方法制造出单晶金刚石微磨削笔,并在硬质合金和碳化物陶瓷材料上进行微槽结构磨削加工。磨削后的微槽底部表面粗糙度Ra可达10nm,同时微槽具有非常尖锐的边缘。哈尔滨工业大学郭兵等[11]利用GC修整轮采用展成磨削法修整金刚石砂轮尖端,并在Si3N4材料上开展微槽磨削试验。磨削后微槽底部半径达4μm,表面粗糙度为112nm。德国的Denkena等[12]研究发现在外圆磨削的基础上施加超声振动后,磨粒磨削轨迹的变化导致材料去除机制发生改变,表面质量得到明显提高。

目前国内外对于硬脆材料表面微结构的超声椭圆振动磨削加工的研究相对较少。本文通过WC硬质合金表面V沟槽微结构普通磨削和超声椭圆振动磨削试验来研究超声椭圆振动在微结构表面磨削加工过程中的作用机理,分析其作用效果。并通过单因素试验研究加工时磨削速度、磨削深度、进给速度对磨削后V沟槽表面质量的影响规律,为合理高效的超声椭圆振动磨削工艺参数选择提供理论依据,为提高模具材料表面微结构的加工质量提供新思路。

1超声椭圆振动磨削机理

超声椭圆振动磨削加工系统示意图如图1所示。具有椭圆振动特性的超声振动子被安装在机床的工作台上,波函数发生器产生两个具有相同频率且有一定相位差的交流电压信号,经功率放大器放大后同时施加到超声振动子的A、B电极上,由于压电陶瓷(PZT)的逆压电效应,超声振动子的伸缩模态和弯曲模态将被同时激励,由此产生超声振动子的伸缩方向振动和弯曲方向振动,这两个方向振动的合成即为椭圆振动。

图1.png

在磨削加工时,工件固连在振动子上以一个固有频率做椭圆振动,V形金刚石砂轮绕自身轴线旋转并以一定速度进给,通过砂轮磨粒与工件间的切削、划擦等去除材料,在工件表面加工出V沟槽。V沟槽微结构超声椭圆振动磨削加工示意图如图2所示。

图2.png

工件的椭圆振动可分为与工件表面垂直方向的振动和砂轮进给方向振动,砂轮和工件的相对运动是砂轮的旋转进给运动和工件椭圆振动的合成。加工过程中工件沿进给方向的振动和砂轮进给速度进行叠加形成实际的进给速度。在不考虑砂轮转速的情况下,工件与砂轮的相对进给速度VAf为工件沿进给方向振动速度VA和进给速度Vf的矢量和,即:

公式1.png

其中为超声振动角频率,2f,f为超声振动频率;LA为进给方向超声振动振幅;0为超声振动初始相位。对于一定的振动频率f,存在一个临界进给速度,即VfLA,当最大振动速度LA大于进给速度Vf时,砂轮与工件待加工部分在磨削过程中存在分离状态,二者周期性接触,减少了砂轮与工件待加工部分间的实际接触时间,砂轮相对工件的运动是周期性的往复运动,加工表面在形成后又受到砂轮的往复光磨作用,这种往复光磨作用有利于提高光洁度。同时,与工件表面垂直方向超声振动使相对固定的磨削深度产生一定的周期变化,能降低磨削力,有助于提高工件表面质量。

2试验条件

2.1试验设备

超声椭圆振动磨削与普通磨削试验均在牧野CNS7d数控工具磨床上进行,试验系统如图3所示。试验时,利用蜂蜡将工件粘结到超声振动子上,再固定在机床工作台上。超声椭圆振动磨削时,开启波函数发生器,超声振动子将超声信号转化为相应的机械振动,带动工件一起高频振动,金刚石砂轮安装在机床主轴上作高速旋转,按照设定好的轨迹进行磨削进给,完成V沟槽磨削加工。关闭波函数发生器时工件停止振动,可进行普通磨削试验。在磨削时,由于工件材料硬度较大,砂轮磨损较快,可采用小的磨削深度。

图3.png

2.2砂轮修整

在微沟槽的磨削加工过程中,金刚石砂轮V形

尖端极易磨损,为保证试验准确性,需对砂轮进行修整。金刚石砂轮V形尖端修整原理如图4所示,修整轮在以一定速度旋转的同时沿着金刚石砂轮V形轮廓以一定的磨削深度切向移动,通过修整轮磨粒对金刚石砂轮磨粒、结合剂的冲击及研磨作用,达到整形和修锐砂轮的目的。通过对砂轮尖端两边的反复修磨,最终将砂轮尖端修整成V形。

图4.png

2.3试验参数

为分析超声椭圆振动、磨削工艺参数对磨削表面质量的影响,分别对超声椭圆振动磨削、普通磨削进行单因素试验,具体参数如表1所示。采用#5000树脂结合剂金刚石砂轮进行磨削试验,采用小的单次磨削深度,多次磨削方式,总磨削深度为40μm,修整轮为#1200绿碳化硅砂轮,磨削液为油性冷却液,工件材料为WC硬质合金。

表1.png

2.4测量方法

采用多普勒测振仪测量振动子弯曲方向和伸缩方向的振幅及谐振频率。磨削试验后对工件进行超声清洗,采用FEIQUANTA650FEG扫描电镜观测V沟槽表面微观形貌,采用NanoMap-D光学三维轮廓仪测量V沟槽轮廓,将测得数据导入Matlab软件中拟合出表面粗糙度。

3试验结果与讨论

3.1磨削参数对表面粗糙度的影响

超声椭圆振动磨削及普通磨削时表面粗糙度随磨削速度、进给速度、磨削深度的变化规律如图5所示。可以看出,在相同的磨削参数下,超声椭圆振动磨削时的表面粗糙度明显低于普通磨削时。主要原因是超声椭圆振动会使磨粒切削轨迹发生重叠,同时工件进给速度小于临界进给速度,单颗磨粒对沟槽有往复光磨作用,有利于提高表面质量。

图5.1.png

图5.2.png

图5.3.png

     



当磨削速度从10.5m/s增加到31.4m/s,磨削后的V沟槽表面粗糙度呈现逐渐降低的趋势。磨削速度提高使得单位时间内砂轮磨粒在工件表面上切削次数增多,在多个磨粒累计切削作用下,V沟槽表面残余高度减小,有助于提高表面质量。无论是普通磨削还是超声椭圆振动磨削,磨削后V沟槽表面粗糙度均随进给速度及磨削深度的增大而升高。磨削进给速度增加导致磨粒在单位面积上切削次数减少,进而使V沟槽表面粗糙度增大。V沟槽表面粗糙度随着磨削深度的增加逐渐变大,是由于磨削深度增大,单颗磨粒未变形切削厚度增大,磨粒对表面的划痕加深,使磨削表面质量降低。

3.2V沟槽表面形貌

超声椭圆振动磨削和普通磨削后的V沟槽表面形貌如图6所示。由图可知,超声椭圆振动磨削表面质量明显高于普通磨削,普通磨削V沟槽侧面磨削痕迹较多且深,而超声椭圆振动磨削表面磨痕较少且浅,磨痕变窄,表面更加平整光滑;而比较V沟槽的底部形貌发现,施加超声椭圆振动后底部的凹坑缺陷减少,面积更小。但在普通磨削底端可以观察到较深的磨削划痕,而超声振动磨削底端并未出现较深划痕形貌。这是因为超声椭圆振动使磨粒轨迹在普通磨削轨迹基础上发生周期性变化,砂轮磨粒对沟痕两侧的塑性隆起部分产生了二次切削作用,即产生所谓的研磨作用,导致工件表面上类似于毛刺的残余材料被去除,达到提高表面质量的效果。

图6.1.png

图6.2.png

图6.3.png

4结论

(1)普通磨削和超声椭圆振动磨削时V沟槽表面粗糙度均随进给速度及磨削深度的增大而升高,随着磨削速度的增加呈现逐渐降低的趋势,超声振动磨削时表面粗糙度相比普通磨削明显降低。

(2)相比普通磨削,超声椭圆振动磨削后V沟槽侧面磨痕较少且浅,更为平整光滑,底部的凹坑缺陷较小也更少,说明超声椭圆振动磨削能提高V沟槽表面质量。

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