鎳鈷硬磁合金微型零件V形邊加工工藝研究

程立江，袁明濤，尹 毅

(貴州振華群英電器有限公司，貴州貴陽，550018)

1 引言

鋁鎳鈷是由鋁、鎳、鈷、鐵和其他微量金屬元素構(gòu)成的一種合金，可分為燒結(jié)鋁鎳鈷和鑄造鋁鎳鈷。因其具有高矯頑性和高居里溫度，被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表及電子元器件領(lǐng)域。不過，鋁鎳鈷合金非常堅(jiān)硬易脆，只能進(jìn)行磨削和電加工，而電子元器件領(lǐng)域使用零件尺寸微小，加工中易出現(xiàn)斷裂、崩缺等缺陷，導(dǎo)致成品合格率不高，產(chǎn)能低，對于質(zhì)量要求高的產(chǎn)品難以滿足生產(chǎn)需求。

2 加工工藝分析

2.1 零件設(shè)計(jì)要求

電子元器件零件具有尺寸小、精度高的特點(diǎn)，加工工藝對零件質(zhì)量有著重大的影響。如圖1零件，材料為鋁鎳鈷硬磁合金，外形尺寸為4.5×3.5×0.9mm，其中一條邊要求加工成V形邊，V形邊端面倒圓角R0.1，表面粗糙度要求為Ra0.8，其余面粗糙度為Ra1.6。

圖1 零件設(shè)計(jì)要求

2.2 零件加工工藝流程

鋁鎳鈷硬磁合金材料具有硬度高(材料表面硬度檢測結(jié)果Hv0.5達(dá)700以上)、易脆的特點(diǎn)，能考慮的加工方法只有線切割、磨削、拋光或光飾研磨，根據(jù)零件形狀特點(diǎn)，主要工藝流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

上述工藝流程中，通過線切割粗加工得到零件基本形狀，加工難度不大，但尺寸精度和粗糙度不能滿足要求，故需留加工余量通過高精度磨床磨削加工或拋光的工藝方法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而在磨削過程中，易出現(xiàn)磨平面斷裂和裂紋、磨V形邊崩缺、磨小端面崩缺和裂紋等缺陷，故該零件加工難點(diǎn)在各面的磨削加工上，而V形邊由于設(shè)計(jì)的角度、R角及粗糙度要求高，是整個工藝過程中最大的難點(diǎn)。

2.3 V形邊工藝選擇

為了滿足V形邊加工質(zhì)量要求，首先查詢了相關(guān)文獻(xiàn)資料，其中，于光、陳俊云、趙清亮等的《硬脆材料表面加工V 形槽結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究》中提出直接使用V形砂輪進(jìn)行加工試驗(yàn)[1]，但砂輪磨損后對V槽輪廓影響較大，沒有成熟的在線修整技術(shù)和耐磨新型砂輪的情況下，很難達(dá)到要求的質(zhì)量；倪皓、宮虎、房豐洲等人的《旋轉(zhuǎn)超聲加工硬脆性材料中邊緣破損的研究》中使用旋轉(zhuǎn)超聲[2]輔助磨削技術(shù)，能有效降低硬脆材料工件表層溫度，從而有利于硬脆材料的磨削；丁春生、趙延軍、丁玉龍等人的《不同晶粒度硬質(zhì)合金的磨削性能研究》中得出硬質(zhì)合金材料晶粒大小[3]對磨削質(zhì)量有較大影響，表面粗糙度隨粒度增加而降低，而硬磁合金屬粗柱晶，粗糙度想要達(dá)到設(shè)計(jì)要求就了有一定難度。根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了如表1所示的工藝流程方法，為減少磨削量或拋光量，提升效率，故先使用線切割切成V形邊的長條狀零件，然后再進(jìn)行精加工試驗(yàn)工序。

表1 V形邊工藝流程方法對比

3 工藝試驗(yàn)過程

3.1 V形成型砂輪磨削

為了進(jìn)行V形成型砂輪磨削試驗(yàn)，聯(lián)系國內(nèi)多家砂輪制造廠家，均不能定制出滿足尺寸要求的高精度V形成形砂輪。因此，只能使用金剛石修正筆修整的方式將普通平行綠色碳化硅砂輪改進(jìn)，得到了相應(yīng)的成型砂輪，如圖3所示。

圖3 V形成型砂輪示意圖

通過對該砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn)，結(jié)論如下：

a、零件磨削后斷裂、崩缺嚴(yán)重；

b、砂輪磨損快，修整困難；

c、計(jì)量零件尺寸精度不滿足設(shè)計(jì)要求；

d、V形砂輪修整成型難度大，成本高。

基于上述缺點(diǎn)，V形邊成型砂輪很難應(yīng)用于批量生產(chǎn)該鋁鎳鈷微形零件。

3.2 砂帶機(jī)拋光V形邊

使用砂帶機(jī)進(jìn)行V形邊拋光時，設(shè)計(jì)了如圖4的夾具進(jìn)行零件固定，試驗(yàn)條件如下：

設(shè)備：砂帶機(jī)；

砂紙：W40、W5金相砂紙；

固定工具：專用夾具設(shè)計(jì)；

工件：線切割切出V形邊的長條狀零件。

圖4 零件夾持示意圖及放大圖

砂帶機(jī)先使用W40金相砂紙進(jìn)行粗拋，再用W5金相砂紙進(jìn)行精拋，拋光效果如下：

圖5 砂帶拋光效果

從圖5可以看出，拋光后V形邊尖端R角不規(guī)則，兩側(cè)不對稱，同時V形邊尖端粗糙度明顯優(yōu)于底端，底端還存在明顯的線切割麻點(diǎn)；上述現(xiàn)象表面，在金相砂紙拋光過程中，V形邊尖端是主要的受力點(diǎn)，越往底端受力大幅減小，故底端拋光效果很差；因?yàn)樯皫且粋€運(yùn)動方向，在V形邊兩側(cè)被分解為一邊磨削力向上，另一邊磨削力向下，受力點(diǎn)和磨削力的差異導(dǎo)致了表面一致性很差。通過粗糙度檢測儀檢測結(jié)果如表2所示。

表2 砂帶拋光粗糙度及磨削力

由此可見，砂帶拋光的表面粗糙度一致性不好，且V形邊尖端R角不規(guī)則，V形邊兩側(cè)不對稱，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 工具磨床+圓盤砂輪+夾具磨削

為實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，考慮試驗(yàn)條件如下：

設(shè)備：高精度工具磨床；

砂輪： 綠色碳化硅圓盤砂輪，粒度180#；

夾具：設(shè)計(jì)專用夾具；

工件：線切割切出V形邊的長條狀零件。

磨削原理如圖6所示。

圖6 砂輪磨削原理圖

試驗(yàn)時，先將線切割切出V形邊的長條狀零件(磨削余量預(yù)留0.05mm)夾緊于專用夾具中，利用工具磨床平臺吸住固定專用夾具，然后分別磨削V形邊的兩側(cè)，磨削完成后顯微鏡觀察零件V形邊外觀，并計(jì)量角度和粗糙度。考慮到砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對磨削力的影響，設(shè)計(jì)了不同參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)摸底，如表3所示。

表3 砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，磨削質(zhì)量與砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量確有很大關(guān)系。轉(zhuǎn)速增大、進(jìn)給量增大，磨削V形邊會出現(xiàn)崩缺現(xiàn)象，甚至零件出現(xiàn)斷裂。如圖7所示。

圖7 磨削前后對比

在磨削過程中，隨著加工零件數(shù)量增加，砂輪會出現(xiàn)磨損或粘連金屬屑的情況，導(dǎo)致零件表面光潔度變差，砂紋印變深，還會產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象，這個時候就需要使用金剛筆對砂輪進(jìn)行修整，以達(dá)到最好的磨削效果。根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行V形邊磨削時，加工30～50件零件后，就需要修整一次砂輪。因此磨削加工零件越多，砂輪修整次數(shù)越多，砂輪直徑隨之變小，根據(jù)理論推導(dǎo)，砂輪與零件接觸的切向切削力可簡單表示為：

F切=P功×V線=P功×ω×R

(1)

式中，F(xiàn)切為切向切削力，P功為設(shè)備功率，V線為砂輪接觸零件處切向線速度，ω為砂輪角速度(即轉(zhuǎn)速)，R為砂輪半徑。

從(1)式可看出，隨著砂輪磨損修整后半徑逐漸變小，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，切削力也逐漸變小的，理論上轉(zhuǎn)速和砂輪半徑存在線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，磨削過程中，隨著砂輪直徑減小，需適當(dāng)調(diào)高轉(zhuǎn)速，以此恒定切削力，保證磨削質(zhì)量穩(wěn)定。砂輪半徑與轉(zhuǎn)速調(diào)整關(guān)系如圖8所示。

圖8 砂輪半徑與功率調(diào)整關(guān)系

通過上述試驗(yàn)，在切削力恒定的情況下，選擇合適的轉(zhuǎn)速匹配砂輪直徑，調(diào)整合適的砂輪進(jìn)給量，便可加工出質(zhì)量穩(wěn)定的合格零件；在磨削完成后，因V形邊尖端是兩個面交接而成，為了達(dá)到設(shè)計(jì)R0.05～0.1的圓角和粗糙度，可采用磨料進(jìn)行光飾研磨處理。磨削并光飾研磨處理后的零件V形邊如圖9，粗糙度測量如表4所示。

表4 砂輪磨削粗糙度測量

圖9 V形邊磨削前后對比

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，零件尺寸精度、對稱度及表面粗糙度均可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 磨削砂輪選擇

鑒于該材料硬、脆的特點(diǎn)，選擇了白鋼玉、綠碳化硅和樹脂金剛石砂輪作為試驗(yàn)對象，因?yàn)槟ハ饔泊嗖牧蠈ι拜喣p較快，需要較快進(jìn)行更新，故砂輪的硬度選擇較軟級別(級別為 H )，粒度為80目、160目、220目的三種砂輪進(jìn)行，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示。

表5 不同類型砂輪磨削試驗(yàn)

分析試驗(yàn)結(jié)果，白鋼玉磨削時產(chǎn)生崩缺的比例大于綠碳化硅，主要是由于白剛玉材料韌性較差，磨削硬材料時易碎裂，鋒利度不夠；高粒度的綠碳化硅沒有出現(xiàn)崩塊的缺陷，可以滿足要求；金剛石砂輪磨削斷裂，主要是因?yàn)樯拜喰拚y度大，難以修整到與設(shè)備轉(zhuǎn)速匹配讓切削力保持恒定，而且金剛石硬度大，與硬磁合金材料硬碰硬，故導(dǎo)致零件直接斷裂。

另外，綠碳化硅砂輪在磨削時，偶爾出現(xiàn)燒傷和裂紋現(xiàn)象，因此砂輪硬度需要選擇較軟的，并適時增加砂輪修整次數(shù)，保持鋒利度，有利于保證磨削質(zhì)量。

3.5 交替磨削法防止崩缺

在顯微鏡下分析磨削零件V形邊時，發(fā)現(xiàn)磨削反面存在磨削產(chǎn)生的毛刺，部分零件還有燒傷現(xiàn)象；同時，對通過磨料光飾研磨的零件進(jìn)行分類，也發(fā)現(xiàn)多出了很多崩缺零件。這些現(xiàn)象說明，磨削后的零件V形邊尖端存在微裂紋或應(yīng)力，在后續(xù)拋光處理時因受力而產(chǎn)生了新的崩缺現(xiàn)象。經(jīng)過分析驗(yàn)證，磨削毛刺是導(dǎo)致崩缺的主因，而且毛刺的大小決定了崩缺的程度，毛刺和崩缺如圖10。為了減小磨削毛刺，采用交替磨削法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，磨削原理如圖11所示。

圖10 磨削毛刺和崩缺對比圖

圖11 交替磨削法原理示意圖

與原來的A面先磨0.05mm，B面再磨0.05mm的方法相比，交替磨削法可以有效減少磨削產(chǎn)生的累積毛刺，消除單邊持續(xù)受微應(yīng)力，故而減少了崩缺的產(chǎn)生。但在磨削時，為了控制磨削光潔度、減少崩缺和毛刺，還應(yīng)將每次砂輪進(jìn)給量進(jìn)行控制，通常小于0.005～0.01mm為宜。

3.6 角度磨削法防止崩缺

在進(jìn)行上述磨削試驗(yàn)時，采用的是零件與砂輪成垂直角度進(jìn)行，因?yàn)榱慵形邊寬度只有約0.55mm，通過分析其受力面很小，磨削法向力(圖6)相對集中，因而容易產(chǎn)生崩缺和斷裂。為了增大磨削時零件V形邊受力面積，減小單位面積內(nèi)的磨削法向力，可以改變磨削時零件與砂輪的角度，即形成一定角度進(jìn)行磨削。其原理如圖12所示。

圖12 角度磨削法原理示意圖

經(jīng)過磨削試驗(yàn)，改變角度后磨削零件崩缺明顯減少；調(diào)整不同角度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合適的角度還可以完全避免出現(xiàn)崩缺現(xiàn)象，合格率也得到很大的提升；同時，改變角度是零件受力面增大，也有利于增大磨削散熱面，從而減少了零件局部燒傷的現(xiàn)象。角度磨削效果如圖13所示。

圖13 角度磨削法零件表面

在采用角度磨削時，固定角度在120°～140°為宜，因?yàn)榻嵌忍螅瑫斐赡ハ鞣ㄏ蛄ο騐形邊尖端偏移，增加尖端受力會導(dǎo)致尖端直接崩裂。

4 結(jié)論

(1)采用砂帶拋光法，因拋光過程中V形邊受力不均勻，尖端受力大、底端受力小或不受力，故拋光后表面粗糙度不一致，V形邊兩側(cè)不對稱，不能滿足零件質(zhì)量要求；

(2)工具磨床+平面砂輪+專用夾具磨削的方法，通過磨削參數(shù)(轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量)的調(diào)整控制和砂輪的選擇以及交替磨削法、角度磨削法，磨削零件不僅尺寸精度和粗糙度可以滿足設(shè)計(jì)要求，還能有效防止零件磨削毛刺和崩缺的缺陷，可以提升和保證零件生產(chǎn)的質(zhì)量和合格率；

(3)通過不同種類砂輪對比試驗(yàn)，選擇硬度較軟(G、 H、 J級)，粒度150～220目綠色碳化硅砂輪，可滿足鋁鎳鈷硬磁合金磨削質(zhì)量需求；

(4)使用交替磨削法，可有效減少V形邊累積毛刺和微應(yīng)力的產(chǎn)生，防止零件出現(xiàn)崩缺現(xiàn)象；

(5)使用角度磨削法，可以增大零件承受磨削法向力的受力和散熱面積，有效防止零件出現(xiàn)崩缺和燒傷現(xiàn)象。