專利名稱：一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超硬材料表面加工技術領域，具體涉及一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法。
背景技術：
加工表面的納米鏡面特征表現(xiàn)為表面粗糙度Ra為20納米以下和微觀加工表面無脆性破壞。它是滿足精密零部件及精密模具機械性能要求的重要指標。
通常采用拋光劑拋光方法將超硬碳化硅陶瓷、硬質鋼等超硬材料加工成鏡面。但是，拋光劑拋光方法效率非常低，成本非常高，且污染嚴重。因此，采用超細金剛石砂輪實現(xiàn)超硬材料零部件的鏡面磨削加工。但是，超細金剛石砂輪的修銳非常困難，即很難使微米級的金剛石磨粒從砂輪結合劑中出刃。雖然ELID(在線電解修銳)可以進行超細金剛石砂輪的修銳，實現(xiàn)超硬陶瓷材料的鏡面磨削。但是，超細金剛石磨粒容易脫落，磨削比低，效率較低，而且，修銳裝置、電解電源等復雜，價格昂貴，技術難度較高，實用性較差。
此外，采用#120，#240和#500的粗細金剛石砂輪進行碳化硅陶瓷磨削，通?？梢苑謩e獲得表面粗糙度Ra為200～600納米，150～550納米和120～450納米。如果實現(xiàn)碳化硅陶瓷的Ra為20納米以下的鏡面磨削，則需要細到#3000的金剛石砂輪。但如此細顆粒的金剛石砂輪磨削加工，其加工技術難度非常高，因而其加工費用也非常高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種采用粗金剛石砂輪(#180)，加工出表面粗糙度小于20納米，并且加工成本低、加工效率高的超硬碳化硅陶瓷的納米鏡面磨削方法。
本發(fā)明的目的通過如下技術方案實現(xiàn)一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法，砂輪沿垂直砂輪切削方向的z軸移動，對工件進行磨削，磨削由砂輪上出刃磨粒連續(xù)切削，磨粒切除深度dc可通過式(1)的參數(shù)控制dc=2Vfsin(θ2)ngN---(1)]]>式中，N為砂輪轉速，Vf為砂輪行走速度，ng為有效磨粒數(shù)，θ為磨粒切削刃的頂角；控制切除深度dc為100納米及以下，能夠使在磨削中磨粒的切除深度小于塑性域切除臨界深度，使加工表面沒有脆性破壞；完成一次z軸向的磨削后，沿砂輪切削方向x-軸，砂輪移動距離fx后再進行下次磨削時，在工件表面形成高度為he的包絡跡，包絡跡高度由式(3)的參數(shù)確定，其中，Dw為砂輪直徑he=Dw-Dw2-fx22---(3)]]>當選擇適當?shù)纳拜喼睆紻w，使得x-軸方向移動fx小于100微米時，磨削表面的包絡跡高度he小于15納米，可以形成平整、超光滑超硬碳化硅陶瓷納米鏡面。
當控制切除深度dc為100納米及以下時，磨削面表面粗糙度Ra達到20納米以下，其中表面粗糙度Ra由式(2)的參數(shù)確定；Ra=vf8ngNtanθ2---(2)]]>式中，N為砂輪轉速，Vf為砂輪軸向行走速度，ng為有效磨粒數(shù)，θ為磨粒切削刃的頂角。
磨削時，控制砂輪進給深度a小于5微米，以防磨削振動。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果(1)與采用超細金剛石砂輪鏡面磨削相比，可以省去細磨和精磨工藝，能夠較大幅提高納米鏡面加工效率；(2)因為超細金剛石磨粒在加工中不斷的脫落，而粗金剛石砂輪磨粒逐漸磨損，所以粗金剛石砂輪有較大的磨削比。
(3)本發(fā)明磨削方式的磨粒切除深度不依賴砂輪進給深度，因此可以在微米級或亞微米級的機床上利用數(shù)控技術實現(xiàn)超精密表面加工，而不需采用昂貴的納米精度機床。
(4)因為金剛石顆粒較粗，不需要進行電腐蝕修銳，因此，附加裝置簡單、實用，且技術容易掌握。


圖1為本發(fā)明納米鏡面磨削方式示意圖。
圖2為納米鏡面磨削的磨粒切削原理圖。
圖3為實施例1微觀加工表面的掃描電鏡圖。
圖4為實施例1加工表面的粗糙輪廓圖。
具體實施例方式
為更好理解本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明做進一步地詳細說明，但是本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
如圖1所示，超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法是金剛石砂輪1沿垂直砂輪切削方向的z軸移動，對碳化硅陶瓷面2進行磨削，磨削的粗糙輪廓3。完成一次z軸向的磨削后，沿砂輪切削方向x-軸，砂輪移動距離fx后再進行下次磨削時，在工件表面形成高度為he的包絡跡，包絡跡高度由式(3)參數(shù)確定，其中，Dw為砂輪直徑he=Dw-Dw2-fx22---(3)]]>當選擇適當?shù)纳拜喼睆紻w，使得x-軸方向移動fx小于100微米時，磨削表面的包絡跡高度he小于15納米，可以形成平整、超光滑面。
如圖2所示，金剛石砂輪1沿垂直砂輪切削方向的z軸移動，磨削的粗糙輪廓3是由砂輪1上出刃磨粒4連續(xù)切削后將出刃輪廓復制在工件2上而成，磨粒4切除深度dc可通過式(1)的參數(shù)控制dc=2Vfsin(θ2)ngN---(1)]]>式中，N為砂輪轉速，Vf為砂輪行走速度，ng為有效磨粒數(shù)，θ為磨粒切削刃的頂角；控制切除深度dc為100納米及以下，能夠使在磨削中磨粒的切除深度小于塑性域切除臨界深度，使加工表面沒有脆性破壞。切除深度dc為100納米及以下時，磨削面表面粗糙度Ra達到20納米以下，其中表面粗糙度Ra由式(2)參數(shù)確定；Ra=Vf8ngNtanθ2---(2)]]>實施例在CNC精密磨床(SMRART B818)上采用直徑180mm的#180粗金剛石砂輪，利用CNC系統(tǒng)驅動砂輪沿著砂輪軸向行走，對反應燒結碳化硅陶瓷(RB-SiC)進行納米鏡面磨削。采用#180GC磨石對#180金剛石砂輪進行修銳，使砂輪工作表面的金剛石磨粒充分出刃，保持一定的出刃高度。修銳條件為N＝1500r/min，Vf＝600mm/min，fx＝5mm，a＝0.3mm，∑a＝4mm，BM2磨削液。修銳后，采用鑄鐵對已經出刃的金剛石砂輪工作表面進行修整，提高有效磨粒數(shù)ng，增大磨粒平均出刃頂角θ。鑄鐵修整條件為N＝3000r/min，Vf＝1500mm/min，fx＝0.1mm，a＝5μm，∑a＝0.1mm，BM2磨削液。
在磨削過程中，采用砂輪轉速N＝3000轉/分，Vf＝5毫米/分，砂輪進給深度a＝5微米，累計砂輪進給深度∑a＝0.6毫米，零磨削2次以及BM2磨削液。
如圖2所示，砂輪1垂直砂輪切削方向沿軸向(z-軸方向)移動，且對工件2進行磨削，傳統(tǒng)磨削方向與砂輪切削方向平行(x-軸方向)。當砂輪沿x-軸方向移動fx后再進行下次磨削時，在工件1表面形成包絡跡，本例中當x-軸方向移動fx為100微米，磨削表面的包絡跡高度he根據(jù)式(3)計算為13.9納米，檢測結果工件1表面形成如圖3所示的平整、超光滑面，說明其包絡跡高度he小于15納米。
如圖1所示，在z-軸方向，磨削的粗糙輪廓3是由砂輪1上出刃磨粒4連續(xù)切削后將出刃輪廓復制在工件2上而成，在本例中，N＝3000r/min，ng＝120和θ＝125°，Vf為20mm/min，磨粒切除深度dc通過式(1)計算為98.6納米，從圖3所示的加工微觀表面看，工件1表面無脆性破壞，表明磨粒切除深度在塑性域切除深度小于100納米。根據(jù)塑性磨削理論可以實現(xiàn)超硬材料的塑性域切除加工，其表面粗糙度Ra根據(jù)式(2)計算為3.6納米。獲得鏡面加工效果。
本實施例對反應燒結的超硬碳化硅陶瓷進行磨削后，加工后的微觀加工表面無脆性破壞，經檢測，形成如圖3所示鏡面，加工表面的粗糙輪廓如圖4所示，平均表面粗糙度Ra為16.3納米，小于20納米。由于加工過程受到設備震動，磨削液不定性，電源的穩(wěn)定性的影響，式(2)計算的理論值表面粗糙度與實際值稍有差異，該差異是在受加工環(huán)境影響的合理范圍之內。
權利要求
1.一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法，其特征在于砂輪沿垂直砂輪切削方向的z軸移動，對工件進行磨削，磨削由砂輪上出刃磨粒連續(xù)切削，磨粒切除深度dc可通過式(1)的參數(shù)控制dc=2Vfsin(θ2)ngN---(1)]]>式中，N為砂輪轉速，Vf為砂輪軸向行走速度，ng為有效磨粒數(shù)，θ為磨粒切削刃的頂角；控制切除深度dc為100納米及以下，能夠使在磨削中磨粒的切除深度小于塑性域切除臨界深度，使加工表面沒有脆性破壞；完成一次z軸向的磨削后，沿砂輪切削方向x-軸，砂輪移動距離fx后再進行下次磨削時，在工件表面形成高度為he的包絡跡，包絡跡高度由式(3)的參數(shù)確定，其中，Dw為砂輪直徑he=Dw-Dw2-fx22---(3)]]>當選擇適當?shù)纳拜喼睆紻w，使得x-軸方向移動fx小于100微米時，磨削表面的包絡跡高度he小于15納米，可以形成平整、超光滑超硬碳化硅陶瓷納米鏡面。
2.根據(jù)權利要求1所述一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法，其特征在于當控制切除深度dc為100納米及以下時，磨削面表面粗糙度Ra達到20納米以下，其中表面粗糙度Ra由式(2)的參數(shù)確定；Ra=Vf8ngNtanθ2---(2)]]>式中，N為砂輪轉速，Vf為砂輪軸向行走速度，ng為有效磨粒數(shù)，θ為磨粒切削刃的頂角。
3.根據(jù)權利要求1所述一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法，其特征在于控制砂輪進給深度a小于5微米，以防磨削振動。
4.根據(jù)權利要求1～3任意項所述一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法，其特征在于磨削前采用磨石對金剛石砂輪進行修銳，使砂輪工作表面的金剛石磨粒充分出刃，保持一定的出刃高度；修銳后，采用鑄鐵對已經出刃的金剛石砂輪工作表面進行修整，提高有效磨粒數(shù)ng，增大磨粒平均出刃頂角θ。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超硬碳化硅陶瓷納米鏡面的磨削方法。該方法采用修銳修整后的粗金剛石砂輪沿垂直砂輪切削方向的z軸移動，對工件進行磨削，磨削由砂輪上出刃磨粒連續(xù)切削，磨粒切削深度控制在100納米實現(xiàn)塑性域磨削；完成一次z軸向的磨削后，沿切削方向x－軸移動距離f
文檔編號B24B19/22GK1986151SQ20061012423
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權日2006年12月15日
發(fā)明者謝晉 申請人:華南理工大學