金刚石砂轮微观出刃形貌的非接触检测及3D图形化评价

【摘要】： 金刚石砂轮磨削技术是硬脆性材料精密加工的有效方法。依据磨削理论,增加有效磨粒出刃数可以减小单颗磨粒的切除深度,且减小磨粒尺寸可以防止磨粒破碎而划伤已加工的表面,实现硬脆性材料的塑性域镜面磨削加工。通常,需要采用#3000以细的金刚石砂轮,加工效率极为有限。因此,本研究提出选择较粗的#46、#60、#270金刚石砂轮实现硬脆性材料的高效塑性域镜面磨削。这就需要研究金刚石磨粒在砂轮表面如何分布、微小磨粒出刃形貌能否被参数化、磨粒微出刃参数如何影响磨削性能等关键问题。采用非接触检测技术和图形化处理技术,建立砂轮表面微观形貌的参数化模式,分析其与精密磨削性能的关系。 首先,采用单颗#46金刚石磨粒对光学玻璃进行微纳V槽的切削试验,通过非接触激光检测构建了微V槽形状误差、V槽角度及V槽尖端半径的评价模式。结果发现,切削深度控制在0.386μm以内,可以在脆性玻璃表面发生塑性域去除加工。若要形成完整的V槽,切削深度还要控制在0.365μm以下。 然后,利用激光检测方法获取修整修齐的#270金刚石砂轮表面的3D数据。通过砂轮微观出刃形貌的图形化处理,建立磨粒出刃高度、出刃体积、磨粒切削前角和后角等特征参数模式。结果表明,GT修齐的砂轮与理想砂轮相比,磨粒出刃高度、出刃体积和磨粒后角的平均值要小,但是,磨粒切削负前角要大。此外,在2μm的切深内,有效磨粒出刃数可增加36倍,有效磨粒出刃体积增大约194倍,使得每颗磨粒切削深度减小,磨粒切削刃的刚度增大。这导致磨削表面粗糙度减小约80%,接近塑性域磨削,但磨削力却提高了约40倍,需要更大的磨削能量。 最后,采用修整修齐的#60金刚石砂轮对碳化硅陶瓷进行轴向镜面磨削,采用白光干涉检测方法获得砂轮工作表面的3D数据。结果表明,与出厂砂轮相比,镜面加工砂轮的磨粒出刃高度、出刃体积和出刃后角要大,但出刃前角减小,这与微细#270金刚石砂轮的GT修齐机理不一致。此外,在2μm的切深内,有效磨粒出刃数可提高约2倍,有效磨粒出刃体积提高约2倍,这与GT修齐的#270金刚石砂轮的出刃特征一致。 综上所述,有效磨粒出刃数和有效磨粒出刃体积是衡量硬脆性材料磨削性能的主要指标,使两者增大可以实现较粗金刚石砂轮的硬脆性材料塑性域镜面加工。