楊文濤，張 軍

(1.三河市晶日金剛石復(fù)合材料有限公司，河北 三河 065201; 2.北京巨龍金地科技發(fā)展有限公司，北京 102300)

0 前言

高精度齒輪全部采用磨削方式加工，磨削砂輪的尺寸及形狀精度決定齒輪精度，砂輪的尺寸及精度由其修整精度決定，砂輪修正精度由修整工具的尺寸及形狀精度決定，一般齒輪磨床砂輪修正工具采用的是金剛石滾輪。金剛石滾輪是用天然金剛石或人造金剛石為原料制成用于成型磨削、齒輪磨床等專用機(jī)床加工的高效率、高壽命的砂輪修整工具。天然金剛石有脆性，解理面使用時需要選擇，顆粒的差異性致使硬度一致性差，耐磨性的變化無固定規(guī)律，修正時無法預(yù)測修整截面的變化趨勢。CVD金剛石厚膜作為一種化學(xué)氣相沉積的人造金剛石，是無粘結(jié)劑純多晶形態(tài)，耐磨性、硬度和熱穩(wěn)定性與天然金剛石基本接近，金剛石晶粒呈無序排列，無脆性解理面，呈現(xiàn)各向同性。用CVD金剛石替代天然金剛石做成的滾輪修整砂輪的修整工藝參數(shù)穩(wěn)定，其綜合性能優(yōu)越，近年來應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的金剛石滾輪尺寸及精度修整均使用樹脂結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑金剛石砂輪來修整，但因為二者的性能差異，修整金剛石滾輪時存在效率低，磨削時讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重，尺寸精度及直面直線度精度不好控制，加工CVD金剛石滾輪時常崩口。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪的結(jié)合劑有其硬而脆的特點，化學(xué)穩(wěn)定性好，彈性變形小，硬度允變范圍寬，因而砂輪磨削時不易堵塞和發(fā)熱，磨削效率較高，易于修整；既能很好彌補(bǔ)樹脂結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的不足，又能對CVD金剛石滾輪的鼓型量(輪廓精度)和尺寸精度有很好的控制。本試驗在提高金剛石滾輪修正精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

1 CVD金剛石滾輪修整砂輪配方試驗設(shè)計

由于金剛石滾輪種類較多，本文針對德國KAPP-KX300P磨齒機(jī)進(jìn)行金剛石滾輪試驗，其結(jié)構(gòu)較簡單但修整精度高。滾輪圖紙及局部放大工作區(qū)域的檢驗要求見圖1，如圖2所示為滾輪修整檢測要求。本文配選形狀14A1—350×25×127×10×10砂輪，優(yōu)化選擇合適的金剛石粒度、濃度、硬度加工CVD金剛石滾輪摸索最佳的制作參數(shù)和修整參數(shù)，砂輪具體規(guī)格如圖3所示，滾輪修整后如圖4所示。

圖1 金剛石滾輪加工要求

圖2 滾輪修整檢測要求

圖3 砂輪規(guī)格

圖4 CVD滾輪

結(jié)合劑選用自主編號DG型號多元玻璃料。此結(jié)合劑多次試驗結(jié)果后的特性顯示其結(jié)合強(qiáng)度高，膨脹系數(shù)小，燒成主控溫度為780 ℃。主要成分如表1所示為結(jié)合劑化學(xué)成分配比表。

表1 結(jié)合劑化學(xué)成分配比表 %

玻璃料通過高溫冶煉-球磨-過篩等工序做成300目的玻璃物料，放入干燥箱保存待用。

2 金剛石砂輪制作工藝設(shè)計

由于CVD金剛石特性使?jié)L輪本身難于修整，既要修整效率又要修整質(zhì)量，砂輪金剛石粒度經(jīng)過多次試驗和前人的經(jīng)驗綜合各種因素選擇140/170粒度能夠達(dá)到最佳匹配，金剛石選用Ⅱ型的金剛石140/170粒度。首先根據(jù)砂輪基本尺寸制作成50 mm×10 mm×10 mm規(guī)格的三種不同密度的樣塊，樣塊使用不同的燒結(jié)工藝制作成型密度參數(shù)見表2。

表2 樣塊成型密度表

按照表2參數(shù)，制作成50 mm×10 mm×10 mm的樣塊。壓制燒成工藝：采用熱壓法氮氣保護(hù)措施燒結(jié)，該方法比冷壓燒結(jié)進(jìn)一步提高成型密度和結(jié)合劑熔融狀態(tài)的流動性、增加金剛石的把持力和成型模具壽命，使成型產(chǎn)品的鋒利度更好、壽命更長；但其輔助設(shè)備和制造成本高、工藝復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)節(jié)難控制，燒結(jié)工藝圖如圖5所示。

圖5 熱壓燒結(jié)曲線

將冶煉好的玻璃料(以下稱結(jié)合劑)破碎后用300目篩子篩分(參考粒徑48 μm)。將結(jié)合劑、金剛石和輔助磨料按照既定配方配比混合好裝入鋼成型模具中，在100 t四柱壓機(jī)上預(yù)壓。壓力為最終壓力的2/3。將整個模具放入GWL-ZQLB真空箱式電爐中，采用氮氣保護(hù)措施，快速升溫到780 ℃，保溫規(guī)定時間，待結(jié)合劑完全軟化放到壓機(jī)上提高壓力到最終壓力。壓制到位后冷卻至室溫卸模。熱壓法燒結(jié)相對于傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑砂輪工藝，其密度、硬度和強(qiáng)度都有極大地提升。參考測定硬度方法見表3。采用磨具洛氏硬度工作條件測定洛氏硬度，隨機(jī)選點打硬度記錄見表4。

表3 測定硬度方法

表4 記錄洛氏硬度值(HRC)

3 金剛石滾輪修整參數(shù)確定

按照樣塊硬度值所對應(yīng)的不同密度，做成三片14A1型的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，使用滾輪專用修整裝置在外圓磨床M1420上使用，根據(jù)圖2要求進(jìn)行修整CVD金剛石滾輪，在線測量修整尺寸及精度，記錄修整完滾輪成品測量參數(shù)。修整滾輪采用軌跡法，在修整外徑端部1 mm(測量參考尺寸)后確定先修整17.5°斜面，再修整尖部0.6°～0.7°斜面及尺寸4.0～4.05 mm和2.14 mm，最后修整根部0.45°～0.55°斜面及尺寸2.4～2.45 mm，修整兩處尺寸0.023 mm作為檢測尺寸。滾輪修整示意如圖6 所示。修整時參照圖2滾輪修整檢測要求進(jìn)行檢測。

圖6 砂輪修整滾輪示意圖

4 修整試驗參數(shù)及修整過程分析

4.1 修整試驗參數(shù)

試驗用CVD金剛石滾輪采用粉壓法制造，精度本身較高，徑向修整量<0.03 mm，采用順修方式,用該CVD滾輪修整砂輪鋒利，磨削工件表面不易燒傷，選擇如圖6的順修方式較合理。確定具體修整試驗參數(shù)見表5，磨床轉(zhuǎn)速1 780 r/min，每次進(jìn)刀量0.004～0.006 mm，光整時間90 s，擺動次數(shù)15次/分鐘，使用全合成冷卻液，滾輪轉(zhuǎn)速12 r/min，跳動要求0.003 mm，輪廓度要求0.002 mm。修整參數(shù)表及檢測結(jié)果如圖7所示。

表5 加工參數(shù)表及檢測數(shù)據(jù)

圖7 滾輪測量圖

4.2 修整過程分析

滾輪修整過程是砂輪徑向切入、滾輪自身的旋轉(zhuǎn)運動和垂直砂輪徑向的擺動運動。修整時砂輪上的金剛石顆粒對滾輪上的CVD金剛石也有兩個作用：一是徑向切入對CVD金剛石的擠壓作用；二是由砂輪和滾輪切向及軸向相對運動引起的對CVD金剛石的磨削作用，修整過程是這兩種作用的交互過程。擠壓和磨削作用的相對大小就決定了滾輪表面的修整質(zhì)量，進(jìn)而就體現(xiàn)了砂輪的磨削性能。滾輪修整過程中，若擠壓作用為主，則CVD金剛石以微破碎為主，而CVD金剛石的破碎會形成尖刃，滾輪表面頂端銳利，磨刃間隔大，滾輪表面輪廓度偏差大；修整過程中如果磨削作用為主，CVD金剛石以鏟削為主，此時滾輪表面磨刃頂端平滑，磨刃間隔小，滾輪表面輪廓度偏差小。

在滾輪修整時，提高進(jìn)給量，擠壓作用大，修整效率高；減少進(jìn)給量，雖然效率低但修磨作用增強(qiáng)，提高滾輪表面修整輪廓精度。因此為了提高修整精度在試驗中特別是最后階段要注意進(jìn)給量的匹配。

5 結(jié)束語

本文試驗采用同批次3個相同滾輪和3片砂輪，從陶瓷結(jié)合劑砂輪不同成型密度和燒結(jié)硬度兩方面，通過滾輪修整確定結(jié)合劑在熱壓燒結(jié)工藝。通過數(shù)據(jù)及修整結(jié)果分析：修整滾輪的陶瓷結(jié)合劑砂輪成型密度控制在2.55±0.03 g/m3，偏差不宜過大，燒結(jié)硬度控制在HRB85±1，太軟則消耗過快，影響修整磨削精度，過硬易造成磨料鈍化磨粒，不易脫落，影響修整磨削效率和精度。此結(jié)合劑有良好的高溫濕潤性，粘結(jié)強(qiáng)度高，對金剛石的把持力好，此款陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪選用Ⅱ型金剛石粒度140/170最適合修整CVD金剛石的滾輪。