钢结硬质合金轴的精密点磨削工艺及砂轮在位修整方法研究

摘要

GT35钢结硬质合金广泛应用于刀具、模具和航天航空等领域。该材料是一种典型的硬脆难加工材料，在上述应用领域中对精度要求高的GT35零件需使用精密磨削实现其精密和超精密加工。精密磨削工艺的选择与优化以及金刚石砂轮的精密修整是影响GT35的精密磨削后零件精度的主要因素。本文根据GT35静压马达轴的精密加工要求，从GT35钢结硬质合金材料的微米/纳米力学性质入手，揭示了该材料的去除机理，以指导磨削工艺实验。设计了金刚石砂轮的精密在位修整系统，应用该系统完成了超薄金刚石砂轮的精密修整，并优化了修整工艺。开发了GT35钢结硬质合金的精密点磨削工艺，使用修整后高精度金刚石砂轮进行磨削正交实验，得到最佳磨削工艺参数，获得了高精度动压马达轴零件。
　　本文通过纳米、微米压痕实验研究了GT35钢结硬质合金材料的力学性质，揭示了该材料塑性域去除机理。根据GT35的复合材料特性，分别对该材料的硬质相、粘结相进行了研究。通过纳米、微米压痕实验揭示了两相材料磨削时硬度互相影响的规律，即在微米和纳米尺度下复合材料每一相的硬度并非完全由本身决定，而是受其余相的影响，压痕尺寸越大，影响越强。通过观察压痕裂纹，分析其产生方式，提出GT35塑形域磨削临界磨削深度。
　　本文基于杯形砂轮修整法，针对Studer S30外圆磨床设计了配套的超薄金刚石砂轮在位修整系统。该系统由PLC控制，杯形修整轮由直流电机带动旋转，并且可以沿金刚石砂轮切向匀速运动、径向高精度进给（进给精度小于1μm）。该套系统与外圆磨床配合良好，修整精度高。
　　采用激光位移传感器在位测量法测量砂轮圆跳动和截面直线度，硅胶转印间接测量法获得砂轮表面微观形貌，且建立了针对于金刚石砂轮形状精度和表面地貌的评价体系，提出了杯形砂轮修整超薄金刚石砂轮的修整工艺。对120＃和600＃金刚石砂轮进行修整实验，得出最佳修整工艺参数，获得形状精度为圆跳动0.55μm，截面直线度4μm的高精度金刚石砂轮。实验还对比了杯形砂轮修整法、金刚石滚轮修整法的修整精度，说明了杯形修整法的优势。
　　用精密修整后的600＃超薄金刚石砂轮对GT35马达轴进行精密点磨削，得到了高精度的轴类零件。通过正交实验，得出工件转速、纵向进给速度和磨削深度对工件形状精度和表面粗糙度的影响规律，并获得最佳磨削工艺参数。最佳磨削参数对应的零件形状精度为圆柱度0.34μm、圆度0.11μm、表面粗糙度Ra0.040μm。同时，观察了磨削时GT35材料两种相的去除方式，粘结相为塑性去除，硬质相为塑性与脆性相结合的去除方式。根据GT35精密点磨削时的去除机理，提出复合材料表面粗糙度的预测公式，并对比实验结果进行验证和讨论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 硬质合金的性质

1．2 微／纳米压痕测试技术

1．2．1 压痕实验与磨削加工的联系

1．2．2 压痕实验原理

1．2．3 压痕硬度

1．3 硬质合金超精密磨削的研究现状

1．3．1 硬质合金超精密磨削的国内外研究现状

1．3．2 未变形切屑厚度

1．3．4 硬质合金的磨削方法

1．3．5 超硬磨料砂轮

1．3．6 快速点磨削

1．4 金刚石砂轮修整技术

1．4．1 金刚石笔、金刚石滚轮修整技术

1．4．2 特种修整技术

1．4．3 杯形砂轮修整技术

1．5 研究的目的和意义

1．6 本文研究的主要内容

第2章 GT35钢结硬质合金材料微／纳米力学性质研究

2．1 压痕实验方案及过程

2．1．1 压痕实验仪器与材料

2．1．2 工件表面预处理及压头观察

2．1．3 压痕实验参数

2．2 压痕实验结果及分析

2．2．1 压痕硬度

2．2．2 压痕深度

2．2．3 压痕裂纹

2．3 本章小结

第3章 外圆磨床金刚石砂轮的在位修整系统设计

3．1 机械结构设计

3．1．1 整体结构设计

3．1．2 关键机械部件设计

3．2 控制系统的设计与调节．

3．2．1 手动控制模式

3．2．2 自动控制模式

3．2．3 进给精度的调整

3．3 本章小结

第4章 超薄金刚石砂轮的精密修整工艺

4．1 砂轮选型及砂轮评价体系的建立

4．1．1 砂轮的选型

4．1．2 金刚石砂轮测量原理和评价体系的建立

4．2 120#金刚石砂轮修整正交实验

4．2．1 实验设备与方案

4．2．2 实验结果及分析

4．3 120#金刚石砂轮修整单因素实验

4．3．1 实验方案

4．3．2 实验结果及分析

4．4 120#金刚石砂轮修整分步实验

4．4．1 实验方案

4．4．2 实验结果及分析

4．5 600#金刚石砂轮修整实验

4．5．1 实验方案

4．5．2 实验结果及分析

4．6 本章小结

第5章 GT35马达轴的精密点磨削工艺

5．1 GT35马达轴精密点磨削实验方案

5．1．1 实验器材

5．1．2 实验方案

5．2 GT35马达轴精密点磨削实验结果及分析

5．2．1 工件转速对形状精度及表面粗糙度的影响

5．2．2 磨削深度对形状精度及表面粗糙度的影响

5．2．3 纵向进给速度对形状精度及表面粗糙度的影响

5．2．4 GT35硬质合金的材料去除机理

5．3 表面粗糙度的预测与检验

5．3．1 外圆磨削最大未变形切屑厚度的修正

5．3．2 磨削加工脆塑性转变的预测

5．3．3 复合材料粗糙度公式的建立

5．3．4 粗糙度公式的检验

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及奖励

致谢