微型槽精密磨削加工工藝的研究

章 浩，徐少華

(南通科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電與交通工程學(xué)院, 江蘇 南通 226007)

0 引言

現(xiàn)代模具制造行業(yè)中許多的零件都帶有微型槽，如電腦接插件、USB接口、普通電器接頭等，對(duì)這些工藝特征的加工很多采用了磨削精加工方法。某電腦接插件模具零件圖如圖1所示，零件中的微型槽槽寬為0.1 mm左右, 槽深為3 mm左右,槽加工寬度誤差、深度誤差均在0.002 mm以內(nèi)，表面粗糙度值Ra均在0.4 μm以上。在實(shí)際磨削加工制造過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)尺寸超差、廢次品率較高等問(wèn)題。對(duì)于如何有效控制微型槽加工精度，提高產(chǎn)品的合格率，已成為微型精密模具制造企業(yè)亟待解決的難題。本文對(duì)電腦接插件微型槽的磨削加工進(jìn)行了工藝技術(shù)研究。

1 材料組織成分分析

微型槽模具零件的材料通常采用進(jìn)口高綜合性能的VIKING(或者深冷加工后的VIKING)冷作模具鋼材料，其主要化學(xué)成分如表1所示。VIKING是一種油冷、氣冷硬化模具鋼， 其交貨狀態(tài)為軟性退火至最高225 HB，常用的硬度范圍為52～62 HRC。VIKING經(jīng)1 010 ℃淬火及540 ℃兩次回火后的組織包括碳化物、回火馬氏體和大約1%殘余奧氏體，具有良好的熱處理尺寸穩(wěn)定性、良好的磨削加工性能、極佳的韌性和耐磨性。

表1 VIKING材料的主要化學(xué)成分

2 磨削加工砂輪的選擇

砂輪對(duì)磨削加工效果的影響是多方面的，如：加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率等。為獲得良好的磨削效果,砂輪選擇時(shí)主要考慮下列因素：(1)工件材料的物理機(jī)械性能，如強(qiáng)度、硬度、韌性、導(dǎo)熱性等；(2)工件熱處理方法，如調(diào)質(zhì)、淬火、氮化處理等；(3)工件的加工精度和表面粗糙度要求；(4)工件的磨削用量等。

2.1 砂輪磨料的選擇

磨料是砂輪主要組成部分，其直接擔(dān)負(fù)著切削作用。常用的磨料有以下幾種：剛玉類磨料、碳化硅磨料、金剛石、立方氮化硼等。在該零件的磨削加工中選擇白剛玉(WA)材料，白剛玉硬而脆，自銳性好，磨削力和磨削熱量較小，適用于磨削淬硬鋼、高速鋼、高碳鋼、螺紋、齒輪、薄壁薄片零件、刃磨刀具和軸承鋼等。

2.2 粒度的選擇

粒度是指磨料顆粒的幾何尺寸大小，也就是磨粒的粗細(xì)程度。粒度的選擇主要與工件的加工精度、表面粗糙度要求和磨削生產(chǎn)率有關(guān)。精磨時(shí)工件表面質(zhì)量和精度要求高，應(yīng)選擇粒度較細(xì)的砂輪。反之，粗磨時(shí)磨削余量大，對(duì)表面質(zhì)量要求不高，而磨削效率要求較高，應(yīng)選用粒度較粗的砂輪。該微型槽的加工屬于精密加工，一般采用粒度為380～500粒的砂輪。

2.3 結(jié)合劑的選擇

結(jié)合劑是粘合磨粒而制成各種砂輪的材料，結(jié)合劑種類及其性質(zhì)決定著砂輪的強(qiáng)度、硬度、耐熱和耐腐蝕性能等。此外，結(jié)合劑對(duì)磨削的表面粗糙度和磨削溫度也有一定的影響。該零件的加工中選擇了陶瓷結(jié)合劑，它是一種無(wú)機(jī)結(jié)合劑，應(yīng)用最為廣泛，能制成各種粒度、硬度、組織、形狀和尺寸的砂輪，性能穩(wěn)定，耐熱性和耐腐蝕性好，既可干磨，又能適應(yīng)使用各種冷卻液的磨削。

根據(jù)該微型槽的加工要求，在磨削加工時(shí)必須使用優(yōu)質(zhì)高密度砂輪，結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，一般采用粒度為320～500粒、厚度為3～6 mm砂輪。如使用進(jìn)口高密度砂輪則能通過(guò)較高的進(jìn)給速度提高生產(chǎn)率，砂輪損耗較小從而減少砂輪修刀等過(guò)程的非生產(chǎn)時(shí)間。在研究中采用了奧地利泰樂(lè)利砂輪，主要用于精密加工研磨、平面磨、成型磨、窄槽磨、鏡面磨等精密磨削加工。

3 磨削設(shè)備的選擇

進(jìn)行精密及超精密磨削加工的設(shè)備應(yīng)具有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性和高度自動(dòng)化等特點(diǎn)，并要求機(jī)床的主軸單元系統(tǒng)具有剛性好、精度高、加工穩(wěn)定性好、散熱好等特點(diǎn)。機(jī)床主軸單元的靜剛度和工作精度對(duì)磨床精密加工性能有很大的影響。磨床主軸單元的動(dòng)態(tài)性能在很大程度上決定了機(jī)床的加工質(zhì)量和切削能力。實(shí)驗(yàn)中使用了臺(tái)灣準(zhǔn)力三軸全自動(dòng)Y軸微電腦控制平面磨床，該機(jī)床具有全新微電腦控制器及完整的各種研磨功能，其主軸單元系統(tǒng)剛性好，反應(yīng)速度快，回轉(zhuǎn)精度高。

4 砂輪的修整

在微型槽精密磨削加工中，砂輪修整技術(shù)是保證零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵。砂輪的修整形狀會(huì)直接影響微型槽的表面質(zhì)量，是目前普遍存在的一個(gè)技術(shù)難題。

砂輪修整主要包括修形與修銳兩種操作。修形是使砂輪達(dá)到特定的幾何形狀，修銳是將磨粒間的結(jié)合劑去除，以保證有足夠的容屑空間和切削刃。微型槽加工所用砂輪的修整方法主要采用金剛石修刀修整。本研究采用了使用細(xì)目(80粒)的多點(diǎn)修刀及3 mm修刀相互配合對(duì)砂輪進(jìn)行修整。

現(xiàn)在以修整槽寬0.1 mm，深度為3 mm的砂輪為例，其操作步驟如下：

(1)選取3.5 mm厚的500J砂輪，修整分粗、精修兩道工序；

(2)確認(rèn)砂輪沒(méi)有破損后安裝到機(jī)床；

(3)開(kāi)始把砂輪兩邊的余量用多點(diǎn)修刀修掉，兩邊余量對(duì)稱去除；

(4)單邊各先修掉1.35 mm，這時(shí)的砂輪寬度應(yīng)該在0.8 mm左右(砂輪轉(zhuǎn)速2 200 r·min-1左右)；

(5)砂輪一邊的側(cè)面再去掉0.2 mm(圖2)，這時(shí)必須要保證現(xiàn)在所修的這個(gè)側(cè)面是平的(砂輪轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1)；

圖2 粗修砂輪第一面

(6)再來(lái)修另外一邊的側(cè)面，這時(shí)砂輪應(yīng)該是還有0.6 mm的余量，把砂輪修整至0.35 mm(圖3)，這時(shí)應(yīng)該還有0.25 mm的余量；

圖3 粗修砂輪第二面

(7)把修刀進(jìn)給0.25 mm，這時(shí)的下刀應(yīng)每次保證在0.01～0.02 mm，不能求快(圖4)；

圖4 精修砂輪第一面

(8)到位時(shí)砂輪應(yīng)該會(huì)讓出來(lái)0.005 mm左右，這時(shí)就需要用3 mm的修刀把兩邊輕輕的修平即可，修形完成后的砂輪如圖5所示。

圖5 修形完成后的砂輪

砂輪修整過(guò)程工藝參數(shù)的設(shè)定如表2所示。

表2 砂輪修整過(guò)程工藝參數(shù)的設(shè)定

5 研磨工藝參數(shù)的選擇

試驗(yàn)中對(duì)不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量、不同切削量等各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行比較，及時(shí)優(yōu)化各項(xiàng)切削參數(shù)，達(dá)到保證相關(guān)尺寸要求的效果。磨削加工過(guò)程中工藝參數(shù)的選擇過(guò)程如表3所示。

表3 磨削加工過(guò)程中工藝參數(shù)的選擇

6 實(shí)施磨削加工中的幾個(gè)注意點(diǎn)

(1) 對(duì)于修整不同寬度的砂輪選取不同粒度的砂輪，具體選用見(jiàn)表4；

表4 砂輪粒度的選擇

(2)砂輪在修整完成時(shí)應(yīng)保證用于切削的部分在砂輪的中間位置，且修整的兩邊高度應(yīng)大體一致；

(3)薄型砂輪的修整，最后到位之前應(yīng)該留出0.25 mm左右的切削余量，以便不讓砂輪讓刀；

(4)修整砂輪的高度應(yīng)高出待加工槽的實(shí)際深度2～3 mm；

(5)對(duì)刀、定位要準(zhǔn)確，首先，將零件裝夾到工作臺(tái)上確保零件裝夾平整，然后根據(jù)圖紙要求在基準(zhǔn)邊對(duì)刀砂輪(圖6)，當(dāng)砂輪的側(cè)面碰到零件的時(shí)候應(yīng)該聽(tīng)到很均勻的聲音，數(shù)顯就可以清零，再根據(jù)圖紙尺寸進(jìn)行加工(圖7)；

圖6 對(duì)刀

圖7 加工第一條槽面

(6)切削時(shí)需加強(qiáng)對(duì)工件及相關(guān)設(shè)備穩(wěn)定性的控制，切削時(shí)對(duì)于工件裝夾的要求：工件無(wú)毛刺，裝夾必須平整，所有工件平整度必須要在0.002 mm左右，切削時(shí)砂輪轉(zhuǎn)速為2 400 r·min-1左右，每次下刀切削量應(yīng)在0.005 mm左右,不宜過(guò)大。

7 零件加工質(zhì)量檢驗(yàn)

精密加工的尺寸測(cè)量主要采用兩種技術(shù)：激光干涉技術(shù)和光柵技術(shù)。激光干涉儀分辨率高，最高可達(dá)0.001 μm，其測(cè)量范圍大，可達(dá)40～80 m。由于激光波長(zhǎng)受溫度、濕度、壓力的影響比較大，因此該測(cè)量方法對(duì)環(huán)境要求很高。光柵技術(shù)從分辨率和精度上看，可以和激光干涉技術(shù)相媲美，對(duì)環(huán)境要求相對(duì)較低，可以滿足精密磨削加工的使用要求。本實(shí)驗(yàn)采用了日本尼康公司生產(chǎn)的Nikon·MM800新型數(shù)字化測(cè)量顯微鏡。該顯微鏡主要用于機(jī)械加工車間、檢測(cè)室的尺寸測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。物鏡倍率10X、20X、50X可選，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，安裝、操作簡(jiǎn)單。在加工前的試切、加工中的檢測(cè)、加工完成后均需進(jìn)行精度檢測(cè)。

8 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)對(duì)微型槽的精密磨削加工進(jìn)行了研究，總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)。在加工中不僅需要超精密的磨床和砂輪，也需要超穩(wěn)定的環(huán)境條件及精密的檢測(cè)工具。隨著制造行業(yè)的不斷發(fā)展，微型模具應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，精密與超精密磨削加工在切削加工中的比重日益增大，未來(lái)可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將會(huì)在很大程度上提高工件的加工精度，縮短加工時(shí)間，提高工作效率。