鏟磨用金剛石磨輪修形工藝綜述
發(fā)布時間：
2014-07-02 11:29
鏟磨用金剛石磨輪修形工藝綜述
（寧波雙林汽車配件股份有限公司歐陽志喜）
[摘要]：鏟磨用盤型金剛石磨輪修形工藝，是高精度整體硬質合金滾刀鏟磨加工中的核心技術。金剛石磨輪的修形工藝，經歷半個多世紀的摸索研究，已有了長足的進步。本文簡要介紹了國內外有關這類磨輪修形工藝的演變概況。
[關鍵詞]：鏟磨金剛石磨輪修形
國內外整體硬質合金小模數齒輪滾刀開發(fā)，始于上世紀五十年代。不久，我國第一把采用銅基金剛石磨輪鏟磨加工的手表齒輪（俗稱擺線齒輪）整體滾硬質合金刀，由原上海手表廠工具車間自主研制成功，有關這種滾刀的制造工藝曾在《上海機械》上作了詳細介紹[1]。我國第一把采用鋁基金剛石磨輪鏟磨加工的小模數漸開線硬質合金齒輪滾刀，由西安東方機械廠在成都工具研究所指導下[2]開發(fā)成功。以上兩種金屬基金剛石磨輪修形工藝，在我國已應用了半個多世紀，至今仍被大多數小模數齒輪硬質合金滾刀生產廠家所采用。進入本世紀以來，我國在鏟磨用盤型金剛石磨輪修形工藝方面，又有了長足進步。江陰、漢江工具廠等廠家已采用金剛石砂輪對盤型陶瓷金剛石磨輪進行數控自動修形工藝，大大提高了硬質合金滾刀綜合精度和降低了滾刀齒面粗糙度。在進口德國、瑞士鏟磨機床上，能穩(wěn)定的加工AAA硬質合金漸開線滾刀。寧波朗曼達自力更生研制開發(fā)鋼基電鍍金剛石鏟磨用盤型磨輪，成功應用于整體硬質合金滾刀鏟磨加工，大大提高了生產效率，獲得了可觀的經濟效益。本文擬將對以上鏟磨用盤型金剛石磨輪修形工藝概況，作一簡要介紹。
一．銅基金剛石磨輪修形工藝
早在上世紀60年代中期，上海手表廠楊德榮等就開始試驗采用青銅基金剛石磨輪，鏟磨加工手表齒輪硬質合金滾刀齒形。青銅基體的成分為銅粉90%+錫粉10%，天然金剛石粉濃度為100%（0.88g/cm3）。這種鏟磨用青銅基金剛石磨輪的修形工藝，借鑒了瑞士手表廠的經驗。青銅基金剛石磨輪具有以下優(yōu)點 ：
1. 具有較好的磨削性能和工作型面截形精度的保持性能；
2. 青銅基體具有良好的延展性能和一定的機械強度，有利于金剛石磨輪的擠壓修形。
青銅基磨輪擠壓修形工藝流程，如圖1所示。圖中成形車刀（俗稱樣板刀）采用瑞士精密樣板磨床或光學曲線磨床加工成形，利用成形車刀手工精刮成形擠輪和鏟齒加工成形銑刀；成形銑刀用來銑削磨輪工作型面；成形擠輪用來對金剛石磨輪型面進行擠壓修形；成形磨輪采用專用壓模壓制，通過燒結成型。
圖1 青銅基金剛石磨輪擠壓修形工藝流程示意圖
由于手表齒輪模數特小（0.05mm≦m≦0.15mm）；因此，手表齒輪硬質合金滾刀制造是一項難度很高的關鍵技術。上世紀60～80年代是我國手表工業(yè)的鼎盛時期，上海、天津、南京、廣州、重慶、丹東等各大手表廠，均先后從瑞士引進了手表齒輪及其滾刀加工用成套精密設備，并全都參照上海手表廠經驗，自行生產本廠自用的硬質合金擺線滾刀。但由于人員素質的差異，大多數手表廠生產的滾刀質量仍遠不如瑞士滾刀好。
二．鋁基金剛石磨輪修形工藝
上世紀60年代后期，我國兵器工業(yè)生產急需模數稍大（0.2mm≦m≦0.5mm）的硬質合金滾刀，以滿足大批量鐘表齒輪滾齒加工需要。1967年西安東方廠率先采用鋁基金剛石磨輪造形工藝，改裝螺紋磨床試制成功硬質合金鐘表滾刀；接著上海工具廠和重慶前衛(wèi)儀表借鑒西安的經驗，鏟磨加工小模數硬質合金漸開線滾刀和擺線滾刀獲得新進展，分別建成滾刀生產線，解決了國內廠家的需求。這種鏟磨用鋁基金剛石磨輪的修形工藝，借鑒了原蘇聯莫斯科手表廠的一些作法。所不同的是該廠采用了鋁基磨輪作粗鏟磨、鋼基磨輪作精鏟磨加工；而國內則是采用單一的鋁合金基體金剛石磨輪。鋁基金剛石磨輪壓砂造形工藝流程與圖1所示大同小異，鋁基磨輪基體是直接采用LY1或LY4棒材車削加工完成[3]。
以上兩種不同基體金剛石磨輪修形，均需要有專用的擠壓（又稱壓砂）工具。這種工具的結構與所使用的鏟磨磨頭結構有很大關系。筆者1969年設計制造的壓砂工具照片，如圖2 a) 所示；專用壓砂工具的結構和工作原理，如圖 b) 所示。
a)壓砂工具 b)壓砂工具示意圖
圖2 壓砂工具
以上兩種金屬基體金剛石磨輪成形工藝的比較
1.青銅基金剛石磨輪擠壓修形工藝的優(yōu)缺點：燒結成型的磨輪青銅基體內、外都有金剛石粉，磨輪工作型面的保持性好，使用壽命長，特別適合手表齒輪品種單一，長期使用的定型滾刀和銑刀鏟磨加工；缺點是磨輪截形銑削、擠壓修形的技術難度大。此外，價格昂貴的天然金剛石粉用量相對較大一些，磨輪磨削性能也不如鋁基金剛石磨輪好；僅適應微細進給量、快走刀鏟磨加工。
2. 鋁基金剛石磨輪點砂壓砂修形工藝優(yōu)缺點：磨輪基體的切削性能好，由手工刮削成形的磨輪工作型面截形精度高；手工點砂、壓砂成形磨輪工作型面層金剛石粉濃度高、磨削性能好、金剛石粉用量少；缺點是壓砂過程中金剛石粉易破碎，要采用天然金剛石粉。磨輪基體里層沒有金剛石粉，磨輪型面保持性和使用壽命不及前者。僅適合于進給量較大、慢速走刀鏟磨加工多品種、小批量滾刀鏟磨加工。
3. 以上兩種磨輪修形工藝，為采用全齒形鏟磨加工整體硬質合金滾刀奠定了基礎。
1982年，重慶前衛(wèi)儀表廠采用鋁基點砂、壓砂修形工藝磨輪，自主為南京手表廠開發(fā)成功手表齠輪微型硬質合金滾刀，如圖3 a) 所示。滾刀外徑為8mm，內孔為φ3.5mm，容屑槽數為z=15，滾刀外形如圖3照片所示；滾刀材料采用天津硬質合金研究所的L10超細晶硬質合金滾刀坯。在瑞士MIKRON A22/4高速、高效全自動滾齒機上滾切加工手表齠輪（易切鋼），滾刀主軸轉速高達3500r/min。在這類滾齒機上采用雙刀進行滾切。分別在南京、北京和重慶手表廠長達半年的試切，班產量達1300～2000件。滾刀每1刀位可滾切9～11萬件齠輪，滾刀使用壽命與瑞士滾刀相同。滾刀齒形見圖b) ；滾切齠輪齒形見圖c) 。該項目于1984年曾榮獲我國第六機械工業(yè)部（現中船總）科技進步二等獎類中的第一項。
a) D8滾刀 b) 齠輪滾刀齒形 c) 齠輪齒形
圖3 D8微型硬質合金齠輪滾刀及齒形與滾切齒廓照片
三．樹脂基金剛石磨輪修形工藝
西安儀表廠于上世紀60年代末，從瑞士引進了MIKRON 126滾刀鏟磨機；該機采用了樹脂基金剛石磨輪鏟磨加工硬質合金小模數漸開線滾刀。為了修整鏟磨磨輪齒形，還專門配置有S-8樹脂基金剛石磨輪修形機，如圖3 a) 所示；工作臺部分見圖b) 。不久，成都工具研究所和寧江機床廠根據該機的工作原理，設計制造了樹脂基金剛石磨輪修形機。
a)S-8 修形機 b) 工作臺
圖4 S-8樹脂基金剛石磨輪修形機照片
在S-8上是采用樹脂基金剛石磨輪作修整磨輪，可用來修整樹脂基（或青銅基）金剛石磨輪工作型面上的直線和齒頂圓柱面以及齒頂兩側倒角或倒圓型面；所修整的磨輪直線型面精度和粗糙度都要優(yōu)于金屬基金剛石磨輪。采用銅基和鋁基金剛石磨輪，均能按全齒形法鏟磨加工滾刀齒形，如圖4 a) 所示。而采用S-8修形方法卻只適應于按分序法鏟磨加工漸開線滾刀兩側直線齒廓和牙底齒廓，如圖b) 所示；齒頂直線和兩側倒角（或倒圓）需要更換磨輪，單獨進行鏟磨加工完成。因此，這種鏟磨加工滾刀齒形的整體精度和生產效率均不及全型鏟磨工藝高。成都工具研究所自行設計制造修形機，至今仍在改裝的國產螺紋磨床上鏟磨加工AA、AAA級小模數漸開線硬質合金漸開線滾刀。
a) 全齒形鏟磨法 b) 分序鏟磨法
圖5 全齒形和分序鏟磨法示意圖
四．陶瓷金剛石磨輪修形工藝
歐、美和日本等國，在十幾年前就開始采用陶瓷金剛石磨輪鏟磨加工高精度硬質合金滾刀。漢江、江陰等工具廠引進了德國薩克SAACKE HG Ⅲ、Ⅳ數控滾刀鏟磨機，見圖6 a）、瑞士RG500數控滾刀鏟磨機，見圖 b）。這類進口鏟磨均采用陶瓷金剛石磨輪鏟磨硬質合金滾刀，配置有在線修整裝置；對于型號較大的鏟磨中模數硬質合金滾刀，還可能配置有離線數控砂輪修整裝置；采用陶瓷磨輪可以穩(wěn)定鏟磨加工AAA級硬質合金滾刀。
a) 德國HGⅢ數控鏟磨機 b) 瑞士RG500數控鏟磨機
圖6 國外數控滾刀鏟磨機
近年來，我國無錫泰諾等單位自主研發(fā)生產了數控鏟磨床、數控鏟齒車床、數控開刃磨床和數控砂輪修整機床等先進設備。其中，數控鏟磨機如圖7a) 所示；數控砂輪修整機如圖b) 所示。大大縮小了國產設備與國外同類設備之間的差距。
a) HGM-Ⅲ數控鏟磨機 b) GPM-Ⅰ數控砂輪修整機
圖7 無錫泰諾數控滾刀鏟磨機和磨輪修整機照片
陶瓷金剛石磨輪的主要優(yōu)點：
1. 陶瓷金剛石磨輪采用人造金剛石磨料，磨削力小、磨削溫度低、磨削效率高；
2. 具有較高的耐磨性，磨粒消耗小，特別是在磨削硬脆工件時，最為明顯；
3. 磨削的工件精度高、表面質量好，工件的形狀保持性好。
由于以上優(yōu)點，陶瓷金剛石砂輪在鉆石、工業(yè)陶瓷、金剛石復合片，金剛石聚晶，金剛 石刀具，立方氮化硼，硬質合金等高硬脆材料等一些特殊材料的磨削加工中，具有越來越明顯的優(yōu)勢。因此，在金剛石磨具的發(fā)展中有著良好的前景；被認為是高速、高效、高精、低磨削成本、低環(huán)境污染的高性能磨具，具有越來越廣泛的應用，是近年來世界各國磨削工具競相研究開發(fā)的熱點。已經成為硬質合金齒輪滾刀鏟磨加工，后來居上的鏟磨用最佳選擇。
我國鏟磨用陶瓷金剛石磨輪，前幾年主要從德國、瑞士等國進口，價格相當昂貴；近年已越來越多的采用國產陶瓷金剛石磨輪。在這方面，天津大學學習國外先進技術，進行了卓有成效的研發(fā)工作，由該校生產的陶瓷金剛石磨輪，質量在國內處于領先水平。
陶瓷金剛石磨輪修形工藝
陶瓷基金剛石用于鏟磨硬質合金滾刀，在線或離線修整鏟磨用金剛石磨輪，都需要采用金屬基修整砂輪，這種修整砂輪如圖8 a) 所示。前幾年，我國主要從國外協作解決，其價格非常昂貴；現在國內也開始生產，產品質量正在逐步提高。金屬基修整用砂輪的工作部位為圓弧型面，如圖 b) 所示。工作部位的圓弧型面，在修整過程中容易磨損，圓弧型面的幾何形狀受損，從而造成磨輪工作型面修整精度下降。為此，在生產中多會采用精度變差的修整砂輪作粗鏟磨磨輪型面修形，采用精度好的修整砂輪用作精鏟磨磨輪型面的修形。
a) 修形用金剛石砂輪 b) 修形砂輪的工作部位
圖8 修形用金剛石砂輪結構圖
五．電鍍金剛石磨輪制造與修形工藝
電鍍金剛石磨輪是用電化學法制作的金剛石砂輪，磨輪工作型面層含有金剛石磨粒，金剛石磨料被金屬結合劑（主要采用金屬鎳）粘結在磨輪基體上。首先在磨輪工作型面沉積一層薄薄的金屬結合劑，其厚度為金剛石磨粒高度的20%左右，然后進行上砂，而后繼續(xù)用金屬結合劑把金剛石磨粒粘結，厚度約為磨粒高度的2/3左右。包括金剛石修整砂輪，磨削或切削用金剛石砂輪均如此。用于鏟磨硬質合金滾刀齒形的電鍍金剛石磨輪，由于有較高的型面幾何精度要求，對其電鍍工藝的要求是很高的。
電鍍金剛石磨輪的優(yōu)缺點：
1. 電鍍工藝簡單，投資少，制造方便；單層結構決定了它可以達到很高工作速度，目前國外已高達250～300m/s；磨輪金剛石顆粒鋒利，磨削效率很高，是其他磨輪無法達到的。雖然只有單層金剛石，但磨輪仍有足夠的使用壽命；對于形狀復雜、精度要求較高滾壓修形滾輪，需要采用“內鍍法”電鍍，也是目前國內外唯一的制造工藝。
2. 鍍層金屬與基體及磨料結合面上并不存牢固化學冶金結合，磨料實際上只被機械包埋鑲嵌鍍層金屬，因而結合力小，在負荷較重高效磨削時，金剛石顆粒易脫落(或鍍層成片剝落)，從而導致磨輪整體失效。為增加結合力就必須增大鍍層厚度，其結果磨粒裸露高度和容屑空間減小，砂輪容易發(fā)生堵塞，散熱效果變差，工件表面容易發(fā)生燒傷。
電鍍金剛石磨輪修形工藝
電鍍金剛石磨輪是無法進行修形，如果要求進行修形，磨輪的磨削效率將會大大降低；因此，電鍍金剛石磨輪原則上是不進行修形的。
寧波朗曼達對金剛石磨輪的電鍍涂層、電鍍設備、電鍍參數和工藝流程進行了多年的自主摸索實驗和分析研究，終于實現了采用“外鍍法”電鍍的金剛石磨輪鏟磨加工AA級硬質合金漸開線滾刀。如果發(fā)現滾刀齒面粗糙度或齒形不滿意，操作人員或會采用金剛石油石憑借自己的操作經驗，對磨輪工作型面進行輕輕的打磨，來改善滾刀齒面粗糙度或齒形精度。
電鍍金剛石磨輪的制造成本低廉，磨削效率高，也是其他金剛石磨輪所無法相比擬的。寧波朗曼達為了提高硬質合金滾刀質量，將會繼續(xù)保留電鍍金剛石磨輪作為粗鏟磨用磨輪，并積極開展采用陶瓷金剛石磨輪作為精鏟磨用磨輪。
[參考文獻]
[1] 楊德榮. 硬質合金小模數鐘表齒輪滾刀的制造. 上海機械. 1965（11）
[2] 尹潔華. 整體硬質合金刀具制造工藝.工具技術.1972（2）
[3] 歐陽志喜. 整體硬質合金儀表齒輪滾刀及銑刀的設計與制造[M].北京: 國防工業(yè)出版社. 1994.
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