铲磨用金刚石磨轮修形工艺综述
发布时间：
2014-07-02 11:29
铲磨用金刚石磨轮修形工艺综述
（宁波双林汽车配件股份有限公司欧阳志喜）
[摘要]：铲磨用盘型金刚石磨轮修形工艺，是高精度整体硬质合金滚刀铲磨加工中的核心技术。金刚石磨轮的修形工艺，经历半个多世纪的摸索研究，已有了长足的进步。本文简要介绍了国内外有关这类磨轮修形工艺的演变概况。
[关键词]：铲磨金刚石磨轮修形
国内外整体硬质合金小模数齿轮滚刀开发，始于上世纪五十年代。不久，我国第一把采用铜基金刚石磨轮铲磨加工的手表齿轮（俗称摆线齿轮）整体滚硬质合金刀，由原上海手表厂工具车间自主研制成功，有关这种滚刀的制造工艺曾在《上海机械》上作了详细介绍[1]。我国第一把采用铝基金刚石磨轮铲磨加工的小模数渐开线硬质合金齿轮滚刀，由西安东方机械厂在成都工具研究所指导下[2]开发成功。以上两种金属基金刚石磨轮修形工艺，在我国已应用了半个多世纪，至今仍被大多数小模数齿轮硬质合金滚刀生产厂家所采用。进入本世纪以来，我国在铲磨用盘型金刚石磨轮修形工艺方面，又有了长足进步。江阴、汉江工具厂等厂家已采用金刚石砂轮对盘型陶瓷金刚石磨轮进行数控自动修形工艺，大大提高了硬质合金滚刀综合精度和降低了滚刀齿面粗糙度。在进口德国、瑞士铲磨机床上，能稳定的加工AAA硬质合金渐开线滚刀。宁波朗曼达自力更生研制开发钢基电镀金刚石铲磨用盘型磨轮，成功应用于整体硬质合金滚刀铲磨加工，大大提高了生产效率，获得了可观的经济效益。本文拟将对以上铲磨用盘型金刚石磨轮修形工艺概况，作一简要介绍。
一．铜基金刚石磨轮修形工艺
早在上世纪60年代中期，上海手表厂杨德荣等就开始试验采用青铜基金刚石磨轮，铲磨加工手表齿轮硬质合金滚刀齿形。青铜基体的成分为铜粉90%+锡粉10%，天然金刚石粉浓度为100%（0.88g/cm3）。这种铲磨用青铜基金刚石磨轮的修形工艺，借鉴了瑞士手表厂的经验。青铜基金刚石磨轮具有以下优点 ：
1. 具有较好的磨削性能和工作型面截形精度的保持性能；
2. 青铜基体具有良好的延展性能和一定的机械强度，有利于金刚石磨轮的挤压修形。
青铜基磨轮挤压修形工艺流程，如图1所示。图中成形车刀（俗称样板刀）采用瑞士精密样板磨床或光学曲线磨床加工成形，利用成形车刀手工精刮成形挤轮和铲齿加工成形铣刀；成形铣刀用来铣削磨轮工作型面；成形挤轮用来对金刚石磨轮型面进行挤压修形；成形磨轮采用专用压模压制，通过烧结成型。
图1 青铜基金刚石磨轮挤压修形工艺流程示意图
由于手表齿轮模数特小（0.05mm≦m≦0.15mm）；因此，手表齿轮硬质合金滚刀制造是一项难度很高的关键技术。上世纪60～80年代是我国手表工业的鼎盛时期，上海、天津、南京、广州、重庆、丹东等各大手表厂，均先后从瑞士引进了手表齿轮及其滚刀加工用成套精密设备，并全都参照上海手表厂经验，自行生产本厂自用的硬质合金摆线滚刀。但由于人员素质的差异，大多数手表厂生产的滚刀质量仍远不如瑞士滚刀好。
二．铝基金刚石磨轮修形工艺
上世纪60年代后期，我国兵器工业生产急需模数稍大（0.2mm≦m≦0.5mm）的硬质合金滚刀，以满足大批量钟表齿轮滚齿加工需要。1967年西安东方厂率先采用铝基金刚石磨轮造形工艺，改装螺纹磨床试制成功硬质合金钟表滚刀；接着上海工具厂和重庆前卫仪表借鉴西安的经验，铲磨加工小模数硬质合金渐开线滚刀和摆线滚刀获得新进展，分别建成滚刀生产线，解决了国内厂家的需求。这种铲磨用铝基金刚石磨轮的修形工艺，借鉴了原苏联莫斯科手表厂的一些作法。所不同的是该厂采用了铝基磨轮作粗铲磨、钢基磨轮作精铲磨加工；而国内则是采用单一的铝合金基体金刚石磨轮。铝基金刚石磨轮压砂造形工艺流程与图1所示大同小异，铝基磨轮基体是直接采用LY1或LY4棒材车削加工完成[3]。
以上两种不同基体金刚石磨轮修形，均需要有专用的挤压（又称压砂）工具。这种工具的结构与所使用的铲磨磨头结构有很大关系。笔者1969年设计制造的压砂工具照片，如图2 a) 所示；专用压砂工具的结构和工作原理，如图 b) 所示。
a)压砂工具 b)压砂工具示意图
图2 压砂工具
以上两种金属基体金刚石磨轮成形工艺的比较
1.青铜基金刚石磨轮挤压修形工艺的优缺点：烧结成型的磨轮青铜基体内、外都有金刚石粉，磨轮工作型面的保持性好，使用寿命长，特别适合手表齿轮品种单一，长期使用的定型滚刀和铣刀铲磨加工；缺点是磨轮截形铣削、挤压修形的技术难度大。此外，价格昂贵的天然金刚石粉用量相对较大一些，磨轮磨削性能也不如铝基金刚石磨轮好；仅适应微细进给量、快走刀铲磨加工。
2. 铝基金刚石磨轮点砂压砂修形工艺优缺点：磨轮基体的切削性能好，由手工刮削成形的磨轮工作型面截形精度高；手工点砂、压砂成形磨轮工作型面层金刚石粉浓度高、磨削性能好、金刚石粉用量少；缺点是压砂过程中金刚石粉易破碎，要采用天然金刚石粉。磨轮基体里层没有金刚石粉，磨轮型面保持性和使用寿命不及前者。仅适合于进给量较大、慢速走刀铲磨加工多品种、小批量滚刀铲磨加工。
3. 以上两种磨轮修形工艺，为采用全齿形铲磨加工整体硬质合金滚刀奠定了基础。
1982年，重庆前卫仪表厂采用铝基点砂、压砂修形工艺磨轮，自主为南京手表厂开发成功手表龆轮微型硬质合金滚刀，如图3 a) 所示。滚刀外径为8mm，内孔为φ3.5mm，容屑槽数为z=15，滚刀外形如图3照片所示；滚刀材料采用天津硬质合金研究所的L10超细晶硬质合金滚刀坯。在瑞士MIKRON A22/4高速、高效全自动滚齿机上滚切加工手表龆轮（易切钢），滚刀主轴转速高达3500r/min。在这类滚齿机上采用双刀进行滚切。分别在南京、北京和重庆手表厂长达半年的试切，班产量达1300～2000件。滚刀每1刀位可滚切9～11万件龆轮，滚刀使用寿命与瑞士滚刀相同。滚刀齿形见图b) ；滚切龆轮齿形见图c) 。该项目于1984年曾荣获我国第六机械工业部（现中船总）科技进步二等奖类中的第一项。
a) D8滚刀 b) 龆轮滚刀齿形 c) 龆轮齿形
图3 D8微型硬质合金龆轮滚刀及齿形与滚切齿廓照片
三．树脂基金刚石磨轮修形工艺
西安仪表厂于上世纪60年代末，从瑞士引进了MIKRON 126滚刀铲磨机；该机采用了树脂基金刚石磨轮铲磨加工硬质合金小模数渐开线滚刀。为了修整铲磨磨轮齿形，还专门配置有S-8树脂基金刚石磨轮修形机，如图3 a) 所示；工作台部分见图b) 。不久，成都工具研究所和宁江机床厂根据该机的工作原理，设计制造了树脂基金刚石磨轮修形机。
a)S-8 修形机 b) 工作台
图4 S-8树脂基金刚石磨轮修形机照片
在S-8上是采用树脂基金刚石磨轮作修整磨轮，可用来修整树脂基（或青铜基）金刚石磨轮工作型面上的直线和齿顶圆柱面以及齿顶两侧倒角或倒圆型面；所修整的磨轮直线型面精度和粗糙度都要优于金属基金刚石磨轮。采用铜基和铝基金刚石磨轮，均能按全齿形法铲磨加工滚刀齿形，如图4 a) 所示。而采用S-8修形方法却只适应于按分序法铲磨加工渐开线滚刀两侧直线齿廓和牙底齿廓，如图b) 所示；齿顶直线和两侧倒角（或倒圆）需要更换磨轮，单独进行铲磨加工完成。因此，这种铲磨加工滚刀齿形的整体精度和生产效率均不及全型铲磨工艺高。成都工具研究所自行设计制造修形机，至今仍在改装的国产螺纹磨床上铲磨加工AA、AAA级小模数渐开线硬质合金渐开线滚刀。
a) 全齿形铲磨法 b) 分序铲磨法
图5 全齿形和分序铲磨法示意图
四．陶瓷金刚石磨轮修形工艺
欧、美和日本等国，在十几年前就开始采用陶瓷金刚石磨轮铲磨加工高精度硬质合金滚刀。汉江、江阴等工具厂引进了德国萨克SAACKE HG Ⅲ、Ⅳ数控滚刀铲磨机，见图6 a）、瑞士RG500数控滚刀铲磨机，见图 b）。这类进口铲磨均采用陶瓷金刚石磨轮铲磨硬质合金滚刀，配置有在线修整装置；对于型号较大的铲磨中模数硬质合金滚刀，还可能配置有离线数控砂轮修整装置；采用陶瓷磨轮可以稳定铲磨加工AAA级硬质合金滚刀。
a) 德国HGⅢ数控铲磨机 b) 瑞士RG500数控铲磨机
图6 国外数控滚刀铲磨机
近年来，我国无锡泰诺等单位自主研发生产了数控铲磨床、数控铲齿车床、数控开刃磨床和数控砂轮修整机床等先进设备。其中，数控铲磨机如图7a) 所示；数控砂轮修整机如图b) 所示。大大缩小了国产设备与国外同类设备之间的差距。
a) HGM-Ⅲ数控铲磨机 b) GPM-Ⅰ数控砂轮修整机
图7 无锡泰诺数控滚刀铲磨机和磨轮修整机照片
陶瓷金刚石磨轮的主要优点：
1. 陶瓷金刚石磨轮采用人造金刚石磨料，磨削力小、磨削温度低、磨削效率高；
2. 具有较高的耐磨性，磨粒消耗小，特别是在磨削硬脆工件时，最为明显；
3. 磨削的工件精度高、表面质量好，工件的形状保持性好。
由于以上优点，陶瓷金刚石砂轮在钻石、工业陶瓷、金刚石复合片，金刚石聚晶，金刚 石刀具，立方氮化硼，硬质合金等高硬脆材料等一些特殊材料的磨削加工中，具有越来越明显的优势。因此，在金刚石磨具的发展中有着良好的前景；被认为是高速、高效、高精、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具，具有越来越广泛的应用，是近年来世界各国磨削工具竞相研究开发的热点。已经成为硬质合金齿轮滚刀铲磨加工，后来居上的铲磨用最佳选择。
我国铲磨用陶瓷金刚石磨轮，前几年主要从德国、瑞士等国进口，价格相当昂贵；近年已越来越多的采用国产陶瓷金刚石磨轮。在这方面，天津大学学习国外先进技术，进行了卓有成效的研发工作，由该校生产的陶瓷金刚石磨轮，质量在国内处于领先水平。
陶瓷金刚石磨轮修形工艺
陶瓷基金刚石用于铲磨硬质合金滚刀，在线或离线修整铲磨用金刚石磨轮，都需要采用金属基修整砂轮，这种修整砂轮如图8 a) 所示。前几年，我国主要从国外协作解决，其价格非常昂贵；现在国内也开始生产，产品质量正在逐步提高。金属基修整用砂轮的工作部位为圆弧型面，如图 b) 所示。工作部位的圆弧型面，在修整过程中容易磨损，圆弧型面的几何形状受损，从而造成磨轮工作型面修整精度下降。为此，在生产中多会采用精度变差的修整砂轮作粗铲磨磨轮型面修形，采用精度好的修整砂轮用作精铲磨磨轮型面的修形。
a) 修形用金刚石砂轮 b) 修形砂轮的工作部位
图8 修形用金刚石砂轮结构图
五．电镀金刚石磨轮制造与修形工艺
电镀金刚石磨轮是用电化学法制作的金刚石砂轮，磨轮工作型面层含有金刚石磨粒，金刚石磨料被金属结合剂（主要采用金属镍）粘结在磨轮基体上。首先在磨轮工作型面沉积一层薄薄的金属结合剂，其厚度为金刚石磨粒高度的20%左右，然后进行上砂，而后继续用金属结合剂把金刚石磨粒粘结，厚度约为磨粒高度的2/3左右。包括金刚石修整砂轮，磨削或切削用金刚石砂轮均如此。用于铲磨硬质合金滚刀齿形的电镀金刚石磨轮，由于有较高的型面几何精度要求，对其电镀工艺的要求是很高的。
电镀金刚石磨轮的优缺点：
1. 电镀工艺简单，投资少，制造方便；单层结构决定了它可以达到很高工作速度，目前国外已高达250～300m/s；磨轮金刚石颗粒锋利，磨削效率很高，是其他磨轮无法达到的。虽然只有单层金刚石，但磨轮仍有足够的使用寿命；对于形状复杂、精度要求较高滚压修形滚轮，需要采用“内镀法”电镀，也是目前国内外唯一的制造工艺。
2. 镀层金属与基体及磨料结合面上并不存牢固化学冶金结合，磨料实际上只被机械包埋镶嵌镀层金属，因而结合力小，在负荷较重高效磨削时，金刚石颗粒易脱落(或镀层成片剥落)，从而导致磨轮整体失效。为增加结合力就必须增大镀层厚度，其结果磨粒裸露高度和容屑空间减小，砂轮容易发生堵塞，散热效果变差，工件表面容易发生烧伤。
电镀金刚石磨轮修形工艺
电镀金刚石磨轮是无法进行修形，如果要求进行修形，磨轮的磨削效率将会大大降低；因此，电镀金刚石磨轮原则上是不进行修形的。
宁波朗曼达对金刚石磨轮的电镀涂层、电镀设备、电镀参数和工艺流程进行了多年的自主摸索实验和分析研究，终于实现了采用“外镀法”电镀的金刚石磨轮铲磨加工AA级硬质合金渐开线滚刀。如果发现滚刀齿面粗糙度或齿形不满意，操作人员或会采用金刚石油石凭借自己的操作经验，对磨轮工作型面进行轻轻的打磨，来改善滚刀齿面粗糙度或齿形精度。
电镀金刚石磨轮的制造成本低廉，磨削效率高，也是其他金刚石磨轮所无法相比拟的。宁波朗曼达为了提高硬质合金滚刀质量，将会继续保留电镀金刚石磨轮作为粗铲磨用磨轮，并积极开展采用陶瓷金刚石磨轮作为精铲磨用磨轮。
[参考文献]
[1] 杨德荣. 硬质合金小模数钟表齿轮滚刀的制造. 上海机械. 1965（11）
[2] 尹洁华. 整体硬质合金刀具制造工艺.工具技术.1972（2）
[3] 欧阳志喜. 整体硬质合金仪表齿轮滚刀及铣刀的设计与制造[M].北京: 国防工业出版社. 1994.
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