动压马达是惯性导航系统的核心部件．它的转子轴及动环片采用钢结硬质合金材料制造，加工精度和 表面质量要求极高，如表面粗糙度要求达到Ｒａ１０ｎｍ以下．但是，由于钢结硬质合金的结构特 点，其超精密加工和镜面加工至今没有很好地解决．本文采用游离磨料研磨、在线电解修整（ＥＬ ＩＤ）超硬磨料微细粒度砂轮磨削和固着磨料研磨等三种方法，进行了钢结硬质合金的镜面加工试 验．１ＧＴ３５钢结硬质合金的成分和物理机械性能钢结硬质合金是以合金钢为粘结相，以金属碳 化物颗粒为硬质相，采用粉末冶金方法制成的新材料，它呈现细小的硬质相在钢基体中弥散分布的 结构特点，如图１所示．图中黑色颗粒状物质为硬质相．钢结硬质合金具有硬度高、强度好、韧性 大、热稳定性优越、耐腐蚀和耐磨损等特点。其成分和物理机械性能如表１所示。表１ＧＴ３５钢 结硬质合金的成分和性能Ｔａｂ．１ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＧ Ｔ３５ｓｔｅｅｌｂａｓｅｄｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅ材料成分硬度／ＨＲＡ抗弯强度／ ＭＰａ冲击韧性Ｎ·ｍ／ｍｍ２ＧＴ３５ＴｉＣ３５％８５．５１４００～１８０００．０６图１ 钢结硬质合金的结构特点Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｔｅｅｌｂａｓ ｅｄｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ２钢结硬质合金的加工特性钢结硬质合 金在退火状态下，可切削加工性接近于低碳钢．钢结硬质合金淬火后，碳化物会弥散析出，形成图 １所示的结构．韧性基体和硬质点相间分布，而且两者的物理、化学和机械性能差异悬殊．这种状 态下的钢结硬质合金类同砂轮的组织结构，在机械加工过程中，将对切削刀具和矿轮施加严重的反 切削作用，造成切削刀具和砂轮快速磨损，因而得不到好的加工表面．也就是说，淬火后，钢结硬 质合金的机械加工性能较差．３钢结硬质合金的镜面加工试验及现象分析钢结硬质合金的镜面加工 是针对淬火后的状态进行的．３．１游离磨料研磨试验传统的研磨工艺，方法简单，不需要复杂设 备，适合单件或小批量生产厂家应用．实验进行了ＧＴ３５钢结硬质合金的游离磨料研磨试验．具 体步骤是这样的，首先预磨削ＧＴ３５试件，达到约Ｒａ０．１μｍ的表面粗糙度，然后采用不同 种类和粒度的磨料，在ＤＦ－ＷＳＰ型单面精密研磨机上进行研磨试验，研磨时间共约２０分钟． 图２是采用ＴａｙｌｏｒＳｕｒｆ６表面轮廓仪测量的研磨（ａ）Ｗ１刚玉磨料研磨的ＧＴ３５工 件表面轮廓（ｂ）Ｗ１金刚石微粉研磨的ＧＴ３５工件表面轮廓图２传统研磨后的ＧＴ３５工件表 面轮廓Ｆｉｇ．２ＰｒｏｆｉｌｅｓｏｆＧＴ３５ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｕｒｆａｃｅａｆｔｅｒ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｌａｐｐｉｎｇ后ＧＴ３５钢结硬质合金试件的表面轮廓．从图上可以 看出，采用普通磨料（刚玉）研磨的钢结硬质合金工件表面几乎没有提高；而采用金刚石微粉研磨 的钢结硬质合金工件表面则显著改善．将普通磨料研磨后的工件放在体视显微镜下观察，可以发现 ：工件表面的韧性金属基本材料大量被磨料切削去除，而硬质相却几乎没有变化．也就是说，加工 表面发生了严重的选择去除现象．同样地，金刚石微粉研磨后的工件表面，则只发生了轻微的选择 性去除现象．由分析可知，这是由于磨料硬度和工艺系统弹性造成的．在普通磨料研磨中，磨料对 韧性金属基体具有良好的切削作用，但对于工件中硬度高于磨料的硬质相ＴｉＣ，则几乎不产生切 削作用．同时，由于工艺系统弹性的协同作用，结果形成了严重的选择去除现象．在金刚石微粉研 磨中，金刚石磨料的硬度明显高于ＴｉＣ硬质相，对它产生了较强的微切削去除．但是，由于工件 材料中两种组成相的物理机械性能差别较大，在研磨工艺系统弹性及磨料堆积效应的影响下，仍然 产生了轻微的选择去除现象．从金刚石磨料研磨后工件表面的ＳＥＭ照片（见图３），可以清晰地 看到磨料对工件材料中硬质相的微切削作用．图３Ｗ１金刚石微粉研磨后的ＧＴ３５试件表面Ｆｉ ｇ．３ＳｕｒｆａｃｅｔｏｐｏｇｒａｐｈｙｏｆＧＴ３５ｗｏｒｋｐｉｅｃｅａｆｔｅｒｌａｐ ｐｉｎｇｗｉｔｈｔｉｎｙｄｉａｍｏｎｄａｂｒａｓｉｖｅＷ１３．２ＥＬＩＤ镜面磨削试验采 用ＥＬＩＤ金属基（特别是铸铁基）超硬磨料砂轮实现硬脆材料的镜面磨削加工，是日本学者大森 整提出的新工艺［１］．它的加工原理如文献［２］所述，利用在线的非线性电解作用，对高刚性 的铸铁基超硬磨料砂轮进行连续修整，使砂轮在整个磨削过程中始终保持足够的出刃高度和容屑空 间．ＥＬＩＤ镜面磨削过程稳定，可以得到纳米级的表面粗糙度［３］（Ｒａ可达１ｎｍ以下）． 在改进的平面磨床ＭＭ７１２０Ａ上，采用６０００＃铸铁基ＣＢＮ砂轮和４０００＃铸铁基金刚 石砂轮，进行了ＧＴ３５钢结硬质合金的镜面磨削试验，试验条件如表２所示．表２ＥＬＩＤ镜面 磨削试验条件Ｔａｂ．２ＣｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＥＬＩＤｍｉｒｒｏｒｇｒｉｎｄｉｎｇｔｅｓ ｔ磨床改进的ＭＭ７１２０Ａ，机床开环刚度２００Ｎ／μｍ砂轮４０００＃铸铁基金刚石砂轮６ ０００＃铸铁基ＣＢＭ砂轮磨削参数主轴转速１５００ｒ／ｍｉｎ横向进给速度５ｍｍ／行程工作 台速度３００ｍｍ／ｓ磨削深度０．００１ｍｍ磨削时间５ｍｉｎ图４是采用ＴａｙｌｏｒＳｕｒ ｆ６表面轮廓仪测量的ＥＬＩＤ镜面磨削后ＧＴ３５钢结硬质合金试件的表面轮廓．从试验结果看 出，ＥＬＩＤ磨削可以得到比传统研磨工艺更低的表面粗糙度，但是磨削表面出现了明显的波纹度 ．这可能是由于磨床设备特性引起的．实验还用扫描电镜观察分析了ＥＬＩＤ磨削后的ＧＴ３５试 件表面，如图５所示．观察表明，金刚石和ＣＢＮ磨削刃对ＧＴ３５材料中的硬质相均产生了良好 的微切削作用．（ａ）４０００＃金刚石砂轮磨削的ＧＴ３５工件表面轮廓（ｂ）６０００＃ＣＢ Ｎ砂轮磨削的ＧＴ３５工件表面轮廓图４ＥＬＩＤ镜面磨削ＧＴ３５试件的表面轮廓Ｆｉｇ．４Ｐ ｒｏｆｉｌｅｓｏｆＧＴ３５ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｕｒｆａｃｅｓａｆｔｅｒＥＬＩＤｍｉｒｒ ｏｒｇｒｉｎｄｉｎｇ因为从工件表面黑色硬质相颗粒上可以看到切削沟痕的存在．另外，在ＧＴ ３５钢结硬质合金的ＥＬＩＤ镜面磨削中，不论是金刚石砂轮还是ＣＢＮ砂轮均可获得良好的加工 表面，不发生选择性去除．（ａ）金刚石砂轮磨削试件表面ＳＥＭ照片（ｂ）ＣＢＮ砂轮磨削试件 表面ＳＥＭ照片图５ＥＬＩＤ镜面磨削的ＧＴ３５试件表面ＳＥＭ照片Ｆｉｇ．５ＳＥＭｐｈｏｔ ｏｇｒａｐｈｓｏｆＧＴ３５ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｕｒｆａｃｅｓａｆｔｅｒＥＬＩＤｍｉｒｒ ｏｒｇｒｉｎｄｉｎｇ３．３固着磨料研磨试验据磨削理论和试验结果可知，方向性磨痕的存在对 于形成高质量的加工表面是不利的．为此，进行了固着磨料研磨ＧＴ３５试件的探索性试验．固着 磨料研磨ＧＴ３５钢结硬质合金的试验是在长春光机所的专用高速镜片精磨机上进行的．由于精磨 片使用青铜结合剂，而且在研磨过程中精磨片的自锐完全依赖于磨屑的反切削作用和研磨冷却液对 精磨片基体的刻蚀修整作用，试验要求工件初始表面粗糙度应达到约Ｒａ０．０５μｍ．在本试验 中，使用６０００＃金刚石精磨片，研磨时间约２ｍｉｎ．图６是采用ＴａｙｌｏｒＳｕｒｆ６表 面轮廓仪测量的固着磨料研磨后ＧＴ３５试件的表面轮廓．试验结果表明，固着磨料研磨可以达到 较高的加工效率和极低的表面粗糙度（Ｒａ约１０ｎｍ以下）．这是由微细切削刃的微切削作用和 切削轨迹杂乱共同促成的．不过，由于精磨片易堵塞，该工艺一般不易实现过多的金属去除量，局 限在微米级去除范围．４结论１）传统研磨工艺宜采用刚性好的研磨工具和金刚石研磨粉，以减轻 选择性去除现象．２）ＥＬＩＤ镜面磨削可以高效率地得到良好的加工表面，使选择性去除现象减 少到最低限度，但需要高刚度精密磨床和一些专用装置．３）固着磨料研磨可以利用研磨轨迹的无 序性，有效地获得极低的表面粗糙度，但加工去除量不宜太大．GT35钢结硬质合金材料镜面加 工的试验研究@张春河@徐燕申@林彬$天津大学机械工程学院@韩荣久$中国科学院长春光学精 密机械研究所钢结硬质合金,研磨,ＥＬＩＤ磨削,固着磨料研磨钢结硬质合金是一种组织结构特 殊的难加工材料，难以获得超精和镜面加工表面质量．本文用三种方法对ＧＴ３５进行镜面加工试 验研究，取得良好效果．传统研磨工艺宜采用高刚性研磨工具和金刚石研磨粉，以减轻对基体材料 软硬组织的选择去除现象；以高刚度精密磨床及专用装置为基础的ＥＬＩＤ磨削方法可获得良好的 加工表面；固体磨料研磨方法以其无序研磨轨迹，在微量去除时可有效获得极低的表面粗糙度．１ ＯｈｍｏｒｉＨｅｔａｌ．ＥＬＩＤＧｒｉｎｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｕｌｔｒａ－ｐ ｒｅｃｉ－ｓｉｏｎｍｉｒｒｏｒｓｕｒｆａｃｅｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ ａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＪＳＰＥ，１９９２，２６（４）：２７３～２７７２张春河．在线电解 修整砂轮精密镜面磨削理论及应用技术的研究［博士学位论文］．哈尔滨：哈尔滨工业大学系，１ ９９６３ＯｈｍｏｒｉＨｅｔａｌ．Ｍｉｒｒｏｒｓｕｒｆａｃｅｇｒｉｎｄｉｎｇｏｆｓｉｌｉ ｃｏｎｗａｆｅｒｓｗｉｔｈＥＬＩＤ．ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰ，１９９０，３９（１ ）：３２９～３３２中国博士后科学基金,天津大学陶瓷加工技术开放实验室基金００Ｎ／μｍ砂 轮４０００＃铸铁基金刚石砂轮６０００＃铸铁基ＣＢＭ砂轮磨削参数主轴转速１５００ｒ／ｍｉ ｎ横向进给速度５ｍｍ／行程工作台速度３００ｍｍ／ｓ磨削深度０．００１ｍｍ磨削时间５ｍｉ ｎ图４是采用ＴａｙｌｏｒＳｕｒｆ６表面轮廓仪测量的ＥＬＩＤ镜面磨削后ＧＴ３５钢结硬质合金试件的表面轮廓．从试验结果看出，ＥＬＩＤ磨削可以得到比传统研磨工艺更低的表面粗糙度，但是磨削表面出现了明显的波纹度．这可能是由于磨床设备特性引起的．实验还用扫描电镜观察分析了ＥＬＩＤ磨削后的ＧＴ３５试件表面，如图５所示．观察表明，金刚石和ＣＢＮ磨削刃对ＧＴ
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