本發(fā)明涉及一種高切向磨削力與低法向磨削力的新型磨削方法，屬于難加工材料高效精密磨削技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磨削技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空航天、機械工業(yè)、汽車、船舶、模具工業(yè)、半導(dǎo)體制造、光伏產(chǎn)業(yè)等行業(yè)中，是重要的高效精密加工技術(shù)。在德國、日本、美國等發(fā)達(dá)國家中，磨料、磨具與磨削裝備占據(jù)機械制造領(lǐng)域的總生產(chǎn)成本的30%以上。在高精密儀器儀表、機械工具以及汽車模具生產(chǎn)企業(yè)中，磨削技術(shù)與設(shè)備投資成本甚至占到總投資的50%以上，成為最重要的加工手段。

磨削采用表面具有許多細(xì)小且極硬磨料的磨具高速去除工件材料。由于磨具較大的負(fù)前角和刃口圓弧半徑，在磨削過程中，與其它切削加工相比，產(chǎn)生的總磨削力非常大，總磨削力又可分解為切向磨削力、法向磨削力和軸向磨削力，三向分力中，法向磨削力總是最大，通常情況下，法向磨削力大約是切向磨削力三倍左右。然而，從材料磨削去除機理角度分析，高的法向磨削力和低的切向磨削力是導(dǎo)致材料磨除率低、磨具與工件損壞變形、磨削震動、砂輪阻塞、工件表面完整性差以及磨削燒傷頻繁等問題的主要成因。特別對于硬脆材料或者航空航天新型復(fù)合材料的磨削加工，法向磨削力比普通材料高數(shù)倍乃至百倍，難以提高磨削效率和磨削質(zhì)量。在磨削加工過程中，降低法向磨削力以及提高切向磨削力，甚至，能夠?qū)崿F(xiàn)高切向磨削力與低法向磨削力加工，將是解決高效率高表面完整性磨削的重要突破口。

本發(fā)明針對傳統(tǒng)磨削過程中高法向磨削力與低切向磨削力的特性，提出一種“類防彈衣原理”-高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法。利用“類防彈衣”式的特制磨具，使高速運動磨具磨粒與工件表面微凸峰發(fā)生接觸、碰撞、擠壓，形成類似高速飛行子彈沖擊防彈衣的作用原理，使受沖擊區(qū)域的磨粒瞬時產(chǎn)生“集群效應(yīng)”，形成反向沖擊載荷的阻抗力，使切向磨削力瞬時增大而法相磨削力瞬時減小，同時利用磨具中填充物向磨削液溶解擴散，產(chǎn)生具有氧化性和堿性（或酸性）的工作液環(huán)境，形成活性化工件表面和磨料表面，在多能量場的耦合下，以高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方式去除工件表面材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對當(dāng)前磨削難加工材料加工過程中材料去除率低、砂輪易阻塞、磨削工件表面完整性差、磨削燒傷頻繁等問題，提出一種利用“類防彈衣原理”-磨粒在沖擊載荷下產(chǎn)生“集群效應(yīng)”的特制磨削工具進(jìn)行高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法，實現(xiàn)難加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。

發(fā)明的一種高切向磨削力與低法向磨削力磨削方法，所使用的特制磨削工具其磨料層的組織成份由磨料、氣孔、填充物、分散介質(zhì)、分散相、粘結(jié)劑、高性能纖維織物組成；填充物由氧化劑、活化劑、PH調(diào)節(jié)劑組成。磨料選用金屬氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金剛石），粒度為1-200 μm。填充物中的氧化劑和活化劑選用過氧化鈉、次氯酸鈉、高錳酸鉀或者過氧化鈣等。PH調(diào)節(jié)劑選用強酸弱堿鹽或強堿弱酸鹽，如碳酸鈉、碳酸鉀或者碳酸氫鈉等。分散介質(zhì)選用有機物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG）等）或者礦物油等。分散相選用碳酸鈣、二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，粒徑小于1 μm。粘結(jié)劑選用陶瓷、金屬、樹脂或者橡膠等。高性能纖維織物選用芳綸纖維（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、尼龍（Nylon）、聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維（PBO）、聚酰亞胺纖維（PI）或蜘蛛絲纖維等。

一種高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法，具體磨削過程如下：

(1) 將特制磨削工具安裝在高強度精密磨床主軸上，利用固定在磨床夾持工作臺上的修整工具對磨具進(jìn)行初始修整；

(2) 修整完成后，將修整工具取下，然后將工件固定在工作臺上；控制磨具速度為35 m/s以上，控制磨削進(jìn)給速度為500-10000 mm/min，采用水基或者油基冷卻液，控制冷卻液的流量為1-100 L/min，使修整后的特制磨削工具在高速旋轉(zhuǎn)下與工件表面接觸，開始磨削；

(3) 工件表面微凸峰處與磨具產(chǎn)生接觸、摩擦、碰撞，對磨具接觸區(qū)域產(chǎn)生沖擊載荷，在高性能纖維織物中分散相與分散介質(zhì)的作用下，使受沖擊區(qū)域的磨粒瞬間產(chǎn)生“集群效應(yīng)”，瞬時微加工區(qū)域形成“子彈沖擊防彈衣”式（超高摩擦系數(shù)）接觸，從而使切向磨削力瞬間變大而法向磨削力瞬間減小；

(4) 同時，由于磨具的磨損和自銳，磨具中的填充物不斷地向冷卻液中溶解并擴散，在工件表面產(chǎn)生具有氧化性和堿性（或酸性）的工作液環(huán)境，活化工件表面；通過磨粒與工件之間接觸、碰撞、摩擦和熱作用激發(fā)或強化工件表面與工作液的固液化學(xué)反應(yīng)，以及磨粒與工件表面的固相化學(xué)反應(yīng)，使工件表面不斷產(chǎn)生軟化的化學(xué)反應(yīng)膜；

(5) 在進(jìn)一步的磨削過程中，“集群效應(yīng)”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學(xué)反應(yīng)軟化膜，使工件表面原始材料重新暴露，繼續(xù)進(jìn)行固液化學(xué)反應(yīng)或者固相化學(xué)反應(yīng)并生成新的化學(xué)反應(yīng)膜，而脫落的磨粒和去除的材料隨工作液一起排走。反復(fù)進(jìn)行以上過程，實現(xiàn)難加工材料的高效、精密、高表面完整性的磨削加工。

本發(fā)明的磨削方法具有以下明顯效果：與傳統(tǒng)磨削相比，本發(fā)明的磨具中的磨粒產(chǎn)生“集群效應(yīng)”，使切向磨削力瞬間增大而法向磨削力瞬間減小，加工區(qū)域內(nèi)形成高摩擦系數(shù)接觸，使材料去除率高；低法向磨削力使磨削過程產(chǎn)生的磨削熱低、振動小，使磨削表面/亞表面質(zhì)量好；利用磨削工具中填充物向磨削液溶解與擴散，使難加工材料工件表面（尤其是表面微凸峰）形成更易于去除的“軟化薄膜層”，進(jìn)一步提高磨削效率。

附圖說明

圖1是特制磨削工具組成示意圖，其中，1.1-磨料，1.2-氣孔，1.3-填充物，1.4-分散介質(zhì)，1.5-分散相，1.6-粘結(jié)劑，1.7-高性能纖維織物。

圖2是磨削過程微觀示意圖，包括磨削第一階段圖2a、第二階段圖2b、第三階段圖2c、第四階段圖2d示意圖。其中，2.1-軟化薄膜層。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合附圖1，詳細(xì)說明一種高切向磨削力與低法向磨削力的磨削工具，其特征為：

(1) 磨料層由磨料[1.1]、氣孔[1.2]、填充物[1.3]、分散介質(zhì)[1.4]、分散相[1.5]、粘結(jié)劑[1.6]、高性能纖維織物[1.7]組成；填充物[1.3]由氧化劑、活化劑、PH調(diào)節(jié)劑組成；

(2) 磨料[1.1]用金屬氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金剛石），粒度為1-200 μm。填充物[1.3]中的氧化劑和活化劑選用過氧化鈉、次氯酸鈉、高錳酸鉀或者過氧化鈣等。 PH調(diào)節(jié)劑選用碳酸鈉、碳酸鉀或碳酸氫鈉等。分散介質(zhì)[1.4]選用有機物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG)等)或者礦物油等。分散相[1.5]選用碳酸鈣、二氧化硅、聚苯乙烯或者聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，粒徑小于1 μm。粘結(jié)劑[1.6]選用陶瓷、金屬、樹脂或者橡膠等。高性能纖維織物[1.7]選用芳綸纖維（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、尼龍（Nylon）、聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維（PBO）、聚酰亞胺纖維（PI）或蜘蛛絲纖維等。

具體實施方式二：結(jié)合附圖1和附圖2，詳細(xì)說明所發(fā)明的高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法：

(1) 利用數(shù)控成型磨床，將難加工硬脆材料或高能束流快速增材制造新型航空航天復(fù)合材料制成的試樣為工件，采用具體實施方式一所述的磨削工具。將磨具安裝到數(shù)控成型磨床主軸上，修整工具采用金剛石砂輪，其粒度選用#100，利用固定在磨床夾持工作臺上的修整工具對磨具進(jìn)行初始修整；將樣片固定在磨床夾持工作臺上，控制磨具轉(zhuǎn)速為50 m/s，控制磨削進(jìn)給速度為700 mm/min，采用水基冷卻液，控制冷卻液的流量為10 L/min，開始磨削；

(2) 第一階段：磨具高速旋轉(zhuǎn)，開始與工件表面發(fā)生接觸；

(3) 第二階段：工件表面微凸峰處與磨具中的磨粒[1.1]發(fā)生接觸、摩擦、碰撞，對磨具微接觸區(qū)域產(chǎn)生沖擊載荷，在高性能纖維織物[1.7]中分散介質(zhì)[1.4]和分散相[1.5]的作用下，使受沖擊區(qū)域的磨粒[1.1]瞬間產(chǎn)生“集群效應(yīng)”，使切向磨削力瞬間增大而法向磨削力瞬間減小，實現(xiàn)理想加工特性。通過磨具的磨損和自銳，磨具中的填充物[1.3]不斷地向磨削液中溶解并擴散，在工件表面產(chǎn)生具有氧化性和堿性（或酸性）的工作液環(huán)境，形成活化性工件表面。通過磨粒與工件之間的接觸、碰撞、摩擦和熱作用激發(fā)或強化工件表面與工作液的固液化學(xué)反應(yīng)和磨粒[1.1]與工件表面的固相化學(xué)反應(yīng)，形成工件表面的“軟化薄膜層”[2.1]；

(4) 第三階段：隨著磨具與工件表面微凸峰處的進(jìn)一步相互作用，產(chǎn)生“集群效應(yīng)”的磨粒[1.1]在高切向磨削力與低法向磨削力的條件下，將微凸峰處的“軟化薄膜層”[2.1]快速去除, 使工件表面原始材料重新暴露，繼續(xù)進(jìn)行固液化學(xué)反應(yīng)或者固相化學(xué)反應(yīng)并生成新的化學(xué)反應(yīng)膜；

(5) 第四階段：沖擊載荷消失，產(chǎn)生“集群效應(yīng)”的磨粒[1.1]會恢復(fù)未受沖擊載荷前排列狀態(tài)，而脫落的磨料[1.1]和磨屑隨工作液一起排走；

(6) 重復(fù)上述四個階段，可實現(xiàn)難加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。