微型槽精密磨削加工工藝的研究

章 浩，徐少華

(南通科技職業學院 機電與交通工程學院, 江蘇 南通 226007)

0 引言

現代模具制造行業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，表面粗糙度值Ra均在0.4 μm以上。在實際磨削加工制造過程中經常會出現尺寸超差、廢次品率較高等問題。對于如何有效控制微型槽加工精度，提高產品的合格率，已成為微型精密模具制造企業亟待解決的難題。本文對電腦接插件微型槽的磨削加工進行了工藝技術研究。

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， 其交貨狀態為軟性退火至最高225 HB，常用的硬度范圍為52～62 HRC。VIKING經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材料的主要化學成分

2 磨削加工砂輪的選擇

砂輪對磨削加工效果的影響是多方面的，如：加工精度、表面質量和生產效率等。為獲得良好的磨削效果,砂輪選擇時主要考慮下列因素：(1)工件材料的物理機械性能，如強度、硬度、韌性、導熱性等；(2)工件熱處理方法，如調質、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，其直接擔負著切削作用。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率有關。精磨時工件表面質量和精度要求高，應選擇粒度較細的砂輪。反之，粗磨時磨削余量大，對表面質量要求不高，而磨削效率要求較高，應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 結合劑的選擇

結合劑是粘合磨粒而制成各種砂輪的材料，結合劑種類及其性質決定著砂輪的強度、硬度、耐熱和耐腐蝕性能等。此外，結合劑對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合劑，它是一種無機結合劑，應用最為廣泛，能制成各種粒度、硬度、組織、形狀和尺寸的砂輪，性能穩定，耐熱性和耐腐蝕性好，既可干磨，又能適應使用各種冷卻液的磨削。

根據該微型槽的加工要求，在磨削加工時必須使用優質高密度砂輪，結構緊湊穩定，一般采用粒度為320～500粒、厚度為3～6 mm砂輪。如使用進口高密度砂輪則能通過較高的進給速度提高生產率，砂輪損耗較小從而減少砂輪修刀等過程的非生產時間。在研究中采用了奧地利泰樂利砂輪，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 磨削設備的選擇

進行精密及超精密磨削加工的設備應具有高精度、高剛度、高穩定性和高度自動化等特點，并要求機床的主軸單元系統具有剛性好、精度高、加工穩定性好、散熱好等特點。機床主軸單元的靜剛度和工作精度對磨床精密加工性能有很大的影響。磨床主軸單元的動態性能在很大程度上決定了機床的加工質量和切削能力。實驗中使用了臺灣準力三軸全自動Y軸微電腦控制平面磨床，該機床具有全新微電腦控制器及完整的各種研磨功能，其主軸單元系統剛性好，反應速度快，回轉精度高。

4 砂輪的修整

在微型槽精密磨削加工中，砂輪修整技術是保證零件加工質量的關鍵。砂輪的修整形狀會直接影響微型槽的表面質量，是目前普遍存在的一個技術難題。

砂輪修整主要包括修形與修銳兩種操作。修形是使砂輪達到特定的幾何形狀，修銳是將磨粒間的結合劑去除，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目(80粒)的多點修刀及3 mm修刀相互配合對砂輪進行修整。

現在以修整槽寬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)確認砂輪沒有破損后安裝到機床；

(3)開始把砂輪兩邊的余量用多點修刀修掉，兩邊余量對稱去除；

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

(5)砂輪一邊的側面再去掉0.2 mm(圖2)，這時必須要保證現在所修的這個側面是平的(砂輪轉速1 500 r·min-1)；

圖2 粗修砂輪第一面

(6)再來修另外一邊的側面，這時砂輪應該是還有0.6 mm的余量，把砂輪修整至0.35 mm(圖3)，這時應該還有0.25 mm的余量；

圖3 粗修砂輪第二面

(7)把修刀進給0.25 mm，這時的下刀應每次保證在0.01～0.02 mm，不能求快(圖4)；

圖4 精修砂輪第一面

(8)到位時砂輪應該會讓出來0.005 mm左右，這時就需要用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

砂輪修整過程工藝參數的設定如表2所示。

表2 砂輪修整過程工藝參數的設定

5 研磨工藝參數的選擇

試驗中對不同主軸轉速、進刀量、不同切削量等各項工藝參數進行比較，及時優化各項切削參數，達到保證相關尺寸要求的效果。磨削加工過程中工藝參數的選擇過程如表3所示。

表3 磨削加工過程中工藝參數的選擇

6 實施磨削加工中的幾個注意點

(1) 對于修整不同寬度的砂輪選取不同粒度的砂輪，具體選用見表4；

表4 砂輪粒度的選擇

(2)砂輪在修整完成時應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大體一致；

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

(4)修整砂輪的高度應高出待加工槽的實際深度2～3 mm；

(5)對刀、定位要準確，首先，將零件裝夾到工作臺上確保零件裝夾平整，然后根據圖紙要求在基準邊對刀砂輪(圖6)，當砂輪的側面碰到零件的時候應該聽到很均勻的聲音，數顯就可以清零，再根據圖紙尺寸進行加工(圖7)；

圖6 對刀

圖7 加工第一條槽面

(6)切削時需加強對工件及相關設備穩定性的控制，切削時對于工件裝夾的要求：工件無毛刺，裝夾必須平整，所有工件平整度必須要在0.002 mm左右，切削時砂輪轉速為2 400 r·min-1左右，每次下刀切削量應在0.005 mm左右,不宜過大。

7 零件加工質量檢驗

精密加工的尺寸測量主要采用兩種技術：激光干涉技術和光柵技術。激光干涉儀分辨率高，最高可達0.001 μm，其測量范圍大，可達40～80 m。由于激光波長受溫度、濕度、壓力的影響比較大，因此該測量方法對環境要求很高。光柵技術從分辨率和精度上看，可以和激光干涉技術相媲美，對環境要求相對較低，可以滿足精密磨削加工的使用要求。本實驗采用了日本尼康公司生產的Nikon·MM800新型數字化測量顯微鏡。該顯微鏡主要用于機械加工車間、檢測室的尺寸測量和數據處理。物鏡倍率10X、20X、50X可選，測量數據準確，安裝、操作簡單。在加工前的試切、加工中的檢測、加工完成后均需進行精度檢測。

8 結語

本試驗對微型槽的精密磨削加工進行了研究，總結出了一些經驗。在加工中不僅需要超精密的磨床和砂輪，也需要超穩定的環境條件及精密的檢測工具。隨著制造行業的不斷發展，微型模具應用將越來越廣泛，精密與超精密磨削加工在切削加工中的比重日益增大，未來可以運用計算機技術進行實時檢測，將會在很大程度上提高工件的加工精度，縮短加工時間，提高工作效率。