強力快速送進(jìn)打磨
—國外精鑄技術(shù)進(jìn)展述評(10)—
《特種鑄造及有色合金》，2005（10）：615~618
現在無(wú)論外，打磨鑄件的手段主要是砂輪和砂帶磨輪二種。但國外只是在少數情況下使用砂輪。砂帶打磨已成為打磨鑄件的主要手段，廣泛用于不銹鋼、高溫合金、鈷基、鎳基合金和鈦合金等各種合金鑄件，在某些情況下也用于精整、拋光。手工打磨只在批量小時(shí)采用。從效率、質(zhì)量、安全和降低成本等諸方面考慮，越來(lái)越多地采用半自動(dòng)或機械手全自動(dòng)打磨技術(shù)。
一．磨料、磨具的更新[1] [2]
1.1 氧化鋁納米陶瓷磨料
傳統的磨料主要有碳化硅和剛玉（氧化鋁），它們都很硬（前者莫氏硬度 9.6，后者 9.4）,打磨一些不是特別硬的金屬材料、或塑料、橡膠等較軟的材料時(shí)，打磨速度快而均勻。但它 們又都較脆，受沖擊時(shí)，磨粒容易破碎，打磨時(shí)施壓不宜過(guò)大，因此，打磨硬的金屬材料時(shí)， 效率低，磨具壽命短。較之于上述二種磨料，鋯-鋁尖晶石就更強韌，打磨時(shí)以中等強度施壓， 即可獲得較為理想的效果，故適用于手持工件打磨澆冒口等大磨削量場(chǎng)合。上世紀 80 年代， 一種生產(chǎn)氧化鋁納米陶瓷(簡(jiǎn)稱(chēng)氧化鋁陶瓷)的新方法——Sol-Gel 法，由美國 3M - Abrasive
Systems 公司發(fā)明并取得專(zhuān)利權。與傳統磨料電熔剛玉的生產(chǎn)方法不同，它不是由工業(yè)氧化鋁經(jīng)電弧高溫熔融，再冷卻、破碎、篩分制成，而是用氧化鋁酸性水溶膠，經(jīng)膠凝、干燥后獲得納米級超細微粉，再在 1500~2000℃下高溫燒結制成。其莫氏硬度高達 9.8, 比碳化硅和剛玉都硬，接近世間硬的材料金剛石。特別是它非常堅韌，打磨時(shí)，能承受大壓力施壓，因此，打磨速度快，效率高，磨具使用壽命長(cháng)，并適合機械化和自動(dòng)化操作[1] [2]。圖 10-1 所示為在 0.7MPa 大壓力下，不同磨料打磨效果的比較。
1.1 微細轉印 (Microreplication) 砂帶
對于磨具使用壽命和打磨效率起決定作用的固然是磨料，然而，其他一些因素，例如磨
粒在砂帶上的粘結強度和磨削助劑（通常是潤滑劑）也有重要作用。圖 10-2 所示就是帶有和不帶磨削助劑時(shí)打磨效果的對比。1990 年 3M - Abrasive Systems 公司率先推出并獲得專(zhuān)利的一項制作砂帶的新技術(shù)——微細轉印 (Microreplication)法問(wèn)世。與傳統砂帶不同，它不是將磨粒直接粘附在人造纖維編織襯帶上(圖 10-3 下和圖 10-4 右) [2]，而是在襯帶表面轉印上具有預
期幾何形狀和尺寸的研磨錐(圖 10-3 上和圖 10-4 左)或研磨塊。這一改進(jìn)不僅使砂帶上承載的磨粒數量大增，而且還可以把磨削助劑添加其中。使用傳統砂帶打磨時(shí)，磨粒的頂部與工件 接觸，鋒利的磨粒很快就被磨禿，隨即從砂帶上脫落，磨削效率急劇下降，砂帶也很快 報廢（圖 10-5 上）。用微細轉印法制成的砂帶打磨時(shí)，研磨錐（塊）表面的磨粒一旦磨鈍，就會(huì )從粘結樹(shù)脂上崩裂，同時(shí)，暴露出新磨粒，不斷形成鋒利磨刃，直所有研磨錐被磨平為止（圖 10-5 下）[2]。這種砂帶打磨效率高，使用壽命也長(cháng)，盡管它的價(jià)格比傳統砂帶貴，但經(jīng)久耐用，打磨鑄件的數量多，打磨速度快，所以，打磨一個(gè)鑄件所耗費的成本卻成倍下降 [2]。
圖 10-6 所示為 INCAST, 2004(9):25 刊載的 3M - Abrasive Systems 公司新推出的 Trizact
CF 砂帶。其上的 Microreplication 研磨塊厚而耐用，比傳統砂帶裝載的磨粒多 2～3 倍，使用壽命長(cháng) 2 倍，而且，工件經(jīng)打磨后的表面粗糙度始終保持均勻（見(jiàn)圖 10-7）。
二．強力快速送進(jìn)打磨
由于磨料和磨具制作技術(shù)的重大改進(jìn)，特別是氧化鋁納米陶瓷和微細轉印砂帶的開(kāi)發(fā)成功，為強力快速送進(jìn)打磨(High-Pressure Power-Assist Plunge Grinding)提供了必需的物質(zhì)基礎和前提條件。其實(shí)，這種技術(shù)的原理很簡(jiǎn)單，就是通過(guò)液壓缸產(chǎn)生強大壓力(3.5~5.0MPa)，迫使工件快速送進(jìn)(圖 10-8 和圖 10-9) [8]，從而使打磨速度成倍增長(cháng)。如果選擇合適設備和合理
的工藝參數，打磨效率很高。
3M - Abrasive Systems 公司在大量實(shí)踐經(jīng)驗的基礎上，歸納出不同合金鑄件的打磨送進(jìn)速度如表 10-1 所列 [4]。由表 10-1 可見(jiàn)，打磨 400 系列不銹鋼鑄件時(shí)可以 8mm/s 速度送進(jìn)，一個(gè)面積 20mm×20mm 的澆冒口殘根，可在 1.5s 內磨掉，加上裝卸鑄件的輔助時(shí)間，能在 10s 內打磨一個(gè)鑄件。這比手工打磨節省 2/3 時(shí)間，使用一臺這樣的設備就可減少 3 個(gè)工人。由于打磨時(shí)工人不用手持鑄件，其主要任務(wù)是裝卸工件和管理設備，所以一個(gè)工人可以同時(shí)打磨幾 個(gè)工件，而勞動(dòng)強度卻大為減輕。采用如此強大的壓力快速送進(jìn)，有人會(huì )擔心砂帶的使用壽 命。其實(shí)不必，這是因為采用大的機械壓力可能將磨粒更深地切入工件表面，提高磨削效率， 并且，磨禿變鈍的磨粒會(huì )更快地崩裂或破損，催生出許多新的鋒利磨刃，直所有磨粒都被 耗盡為止。另外，打磨速度快，摩擦產(chǎn)生的熱量迅速被磨屑帶走，也有利于延長(cháng)其使用壽命。圖 10-10 和圖 10-11 分別是打磨時(shí)的工作狀態(tài)和設備外觀(guān)[3]。
打磨時(shí)工件裝卡夾持可采用專(zhuān)門(mén)設計的手動(dòng)快速夾鉗（圖 10-12）[5]，也可采用轉盤(pán)或機械手等多種方式(見(jiàn)圖 10-11、圖 10-13 和圖 10-14)[8、13]。
三．工藝參數對打磨速度和質(zhì)量的影響
除設備和砂帶外，砂帶速度、接觸輪及襯輪的硬度，以及接觸輪槽形等工藝參數對打磨速度和質(zhì)量也有一定影響 [6、7]。
l 砂帶的速度 砂帶速度直接影響打磨速度、表面粗糙度和打磨過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。一般來(lái)說(shuō)， 砂帶速度快打磨速度也快，工件表面粗糙度細，但過(guò)高的砂帶速度會(huì )使工件發(fā)熱。軟的金屬，如鋁和黃銅等，可以采用較高的砂帶速度。打 磨 鈦合金要求不能產(chǎn)生過(guò)多熱量，建議將砂帶速度降低到625m/min。表10-2 列出了在手持工
件打磨時(shí)，不同合金材料的佳砂帶速度[6、7]，供參考。
l 接觸輪及其背襯輪硬度 接觸輪通?？捎射?、鋁、壓緊的帆布和硬橡膠等多種材質(zhì)制成。接觸輪材質(zhì)的軟硬對砂帶打磨速度和一致性有決定性影響。軟的接觸輪配合軟而輕的背襯，對工件有好的隨形性和適應性，切入工件的深度比硬接觸輪淺，有利于獲得粗糙度 細而均勻的光潔表面，但打磨速度和砂帶壽命有所降低。適用于對表面不十分平整的零件（如高爾夫球棒頭等）進(jìn)行倒圓和磨光。硬橡膠接觸輪有更高的能效，使磨料更深地切入工件表面，有利于加快打磨速度，但打磨面較粗糙。隨形性和適應性較差的硬接觸輪適合打磨平整表面。氧化鋁陶瓷磨料更適合用硬接觸輪、大磨削量。硬接觸輪促使粗磨粒崩裂以保持鋒利，從而獲得持續的高磨削速度和延長(cháng)砂帶壽命。
l 接觸輪的齒形和槽形 與光滑圓柱輪相比， 由于鋸齒形接觸輪減小了切向接觸面積， 使得在相同施壓的條件下，單位面積擠壓力增大。所以，隨著(zhù)凹槽寬度增大，打磨效率提高。打磨量大的操作(例如，去除澆冒口和焊縫、調整尺寸等)，推薦使用鋸齒形接觸輪。更大的有效壓力將使粗一些的磨料，特別是陶瓷氧化鋁，得到更加有效的應用。在手持工件打磨操作中，帶鋸齒槽的接觸輪有助于防止磨粒變鈍，因為它能促使磨粒崩裂而重新變得鋒利。但凹槽過(guò)寬會(huì )縮短砂帶壽命。但鋸齒形接觸輪，用手工操作可能會(huì )感到力不從心，故更適合半自動(dòng)設備或機械手夾持工件打磨。
