本發明涉及一種高切向磨削力與低法向磨削力的新型磨削方法，屬于難加工材料高效精密磨削技術領域。

背景技術：

磨削技術廣泛的應用于航空航天、機械工業、汽車、船舶、模具工業、半導體制造、光伏產業等行業中，是重要的高效精密加工技術。在德國、日本、美國等發達國家中，磨料、磨具與磨削裝備占據機械制造領域的總生產成本的30%以上。在高精密儀器儀表、機械工具以及汽車模具生產企業中，磨削技術與設備投資成本甚至占到總投資的50%以上，成為最重要的加工手段。

磨削采用表面具有許多細小且極硬磨料的磨具高速去除工件材料。由于磨具較大的負前角和刃口圓弧半徑，在磨削過程中，與其它切削加工相比，產生的總磨削力非常大，總磨削力又可分解為切向磨削力、法向磨削力和軸向磨削力，三向分力中，法向磨削力總是最大，通常情況下，法向磨削力大約是切向磨削力三倍左右。然而，從材料磨削去除機理角度分析，高的法向磨削力和低的切向磨削力是導致材料磨除率低、磨具與工件損壞變形、磨削震動、砂輪阻塞、工件表面完整性差以及磨削燒傷頻繁等問題的主要成因。特別對于硬脆材料或者航空航天新型復合材料的磨削加工，法向磨削力比普通材料高數倍乃至百倍，難以提高磨削效率和磨削質量。在磨削加工過程中，降低法向磨削力以及提高切向磨削力，甚至，能夠實現高切向磨削力與低法向磨削力加工，將是解決高效率高表面完整性磨削的重要突破口。

本發明針對傳統磨削過程中高法向磨削力與低切向磨削力的特性，提出一種“類防彈衣原理”-高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法。利用“類防彈衣”式的特制磨具，使高速運動磨具磨粒與工件表面微凸峰發生接觸、碰撞、擠壓，形成類似高速飛行子彈沖擊防彈衣的作用原理，使受沖擊區域的磨粒瞬時產生“集群效應”，形成反向沖擊載荷的阻抗力，使切向磨削力瞬時增大而法相磨削力瞬時減小，同時利用磨具中填充物向磨削液溶解擴散，產生具有氧化性和堿性（或酸性）的工作液環境，形成活性化工件表面和磨料表面，在多能量場的耦合下，以高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方式去除工件表面材料。

技術實現要素：

本發明針對當前磨削難加工材料加工過程中材料去除率低、砂輪易阻塞、磨削工件表面完整性差、磨削燒傷頻繁等問題，提出一種利用“類防彈衣原理”-磨粒在沖擊載荷下產生“集群效應”的特制磨削工具進行高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法，實現難加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。

發明的一種高切向磨削力與低法向磨削力磨削方法，所使用的特制磨削工具其磨料層的組織成份由磨料、氣孔、填充物、分散介質、分散相、粘結劑、高性能纖維織物組成；填充物由氧化劑、活化劑、PH調節劑組成。磨料選用金屬氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金剛石），粒度為1-200 μm。填充物中的氧化劑和活化劑選用過氧化鈉、次氯酸鈉、高錳酸鉀或者過氧化鈣等。PH調節劑選用強酸弱堿鹽或強堿弱酸鹽，如碳酸鈉、碳酸鉀或者碳酸氫鈉等。分散介質選用有機物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG）等）或者礦物油等。分散相選用碳酸鈣、二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，粒徑小于1 μm。粘結劑選用陶瓷、金屬、樹脂或者橡膠等。高性能纖維織物選用芳綸纖維（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、尼龍（Nylon）、聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維（PBO）、聚酰亞胺纖維（PI）或蜘蛛絲纖維等。

一種高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法，具體磨削過程如下：

(1) 將特制磨削工具安裝在高強度精密磨床主軸上，利用固定在磨床夾持工作臺上的修整工具對磨具進行初始修整；

(2) 修整完成后，將修整工具取下，然后將工件固定在工作臺上；控制磨具速度為35 m/s以上，控制磨削進給速度為500-10000 mm/min，采用水基或者油基冷卻液，控制冷卻液的流量為1-100 L/min，使修整后的特制磨削工具在高速旋轉下與工件表面接觸，開始磨削；

(3) 工件表面微凸峰處與磨具產生接觸、摩擦、碰撞，對磨具接觸區域產生沖擊載荷，在高性能纖維織物中分散相與分散介質的作用下，使受沖擊區域的磨粒瞬間產生“集群效應”，瞬時微加工區域形成“子彈沖擊防彈衣”式（超高摩擦系數）接觸，從而使切向磨削力瞬間變大而法向磨削力瞬間減小；

(4) 同時，由于磨具的磨損和自銳，磨具中的填充物不斷地向冷卻液中溶解并擴散，在工件表面產生具有氧化性和堿性（或酸性）的工作液環境，活化工件表面；通過磨粒與工件之間接觸、碰撞、摩擦和熱作用激發或強化工件表面與工作液的固液化學反應，以及磨粒與工件表面的固相化學反應，使工件表面不斷產生軟化的化學反應膜；

(5) 在進一步的磨削過程中，“集群效應”的磨粒以高切向磨削力和低法向磨削力的方式快速去除化學反應軟化膜，使工件表面原始材料重新暴露，繼續進行固液化學反應或者固相化學反應并生成新的化學反應膜，而脫落的磨粒和去除的材料隨工作液一起排走。反復進行以上過程，實現難加工材料的高效、精密、高表面完整性的磨削加工。

本發明的磨削方法具有以下明顯效果：與傳統磨削相比，本發明的磨具中的磨粒產生“集群效應”，使切向磨削力瞬間增大而法向磨削力瞬間減小，加工區域內形成高摩擦系數接觸，使材料去除率高；低法向磨削力使磨削過程產生的磨削熱低、振動小，使磨削表面/亞表面質量好；利用磨削工具中填充物向磨削液溶解與擴散，使難加工材料工件表面（尤其是表面微凸峰）形成更易于去除的“軟化薄膜層”，進一步提高磨削效率。

附圖說明

圖1是特制磨削工具組成示意圖，其中，1.1-磨料，1.2-氣孔，1.3-填充物，1.4-分散介質，1.5-分散相，1.6-粘結劑，1.7-高性能纖維織物。

圖2是磨削過程微觀示意圖，包括磨削第一階段圖2a、第二階段圖2b、第三階段圖2c、第四階段圖2d示意圖。其中，2.1-軟化薄膜層。

具體實施方式

具體實施方式一：結合附圖1，詳細說明一種高切向磨削力與低法向磨削力的磨削工具，其特征為：

(1) 磨料層由磨料[1.1]、氣孔[1.2]、填充物[1.3]、分散介質[1.4]、分散相[1.5]、粘結劑[1.6]、高性能纖維織物[1.7]組成；填充物[1.3]由氧化劑、活化劑、PH調節劑組成；

(2) 磨料[1.1]用金屬氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金剛石），粒度為1-200 μm。填充物[1.3]中的氧化劑和活化劑選用過氧化鈉、次氯酸鈉、高錳酸鉀或者過氧化鈣等。 PH調節劑選用碳酸鈉、碳酸鉀或碳酸氫鈉等。分散介質[1.4]選用有機物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG)等)或者礦物油等。分散相[1.5]選用碳酸鈣、二氧化硅、聚苯乙烯或者聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，粒徑小于1 μm。粘結劑[1.6]選用陶瓷、金屬、樹脂或者橡膠等。高性能纖維織物[1.7]選用芳綸纖維（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、尼龍（Nylon）、聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維（PBO）、聚酰亞胺纖維（PI）或蜘蛛絲纖維等。

具體實施方式二：結合附圖1和附圖2，詳細說明所發明的高切向磨削力與低法向磨削力的磨削方法：

(1) 利用數控成型磨床，將難加工硬脆材料或高能束流快速增材制造新型航空航天復合材料制成的試樣為工件，采用具體實施方式一所述的磨削工具。將磨具安裝到數控成型磨床主軸上，修整工具采用金剛石砂輪，其粒度選用#100，利用固定在磨床夾持工作臺上的修整工具對磨具進行初始修整；將樣片固定在磨床夾持工作臺上，控制磨具轉速為50 m/s，控制磨削進給速度為700 mm/min，采用水基冷卻液，控制冷卻液的流量為10 L/min，開始磨削；

(2) 第一階段：磨具高速旋轉，開始與工件表面發生接觸；

(3) 第二階段：工件表面微凸峰處與磨具中的磨粒[1.1]發生接觸、摩擦、碰撞，對磨具微接觸區域產生沖擊載荷，在高性能纖維織物[1.7]中分散介質[1.4]和分散相[1.5]的作用下，使受沖擊區域的磨粒[1.1]瞬間產生“集群效應”，使切向磨削力瞬間增大而法向磨削力瞬間減小，實現理想加工特性。通過磨具的磨損和自銳，磨具中的填充物[1.3]不斷地向磨削液中溶解并擴散，在工件表面產生具有氧化性和堿性（或酸性）的工作液環境，形成活化性工件表面。通過磨粒與工件之間的接觸、碰撞、摩擦和熱作用激發或強化工件表面與工作液的固液化學反應和磨粒[1.1]與工件表面的固相化學反應，形成工件表面的“軟化薄膜層”[2.1]；

(4) 第三階段：隨著磨具與工件表面微凸峰處的進一步相互作用，產生“集群效應”的磨粒[1.1]在高切向磨削力與低法向磨削力的條件下，將微凸峰處的“軟化薄膜層”[2.1]快速去除, 使工件表面原始材料重新暴露，繼續進行固液化學反應或者固相化學反應并生成新的化學反應膜；

(5) 第四階段：沖擊載荷消失，產生“集群效應”的磨粒[1.1]會恢復未受沖擊載荷前排列狀態，而脫落的磨料[1.1]和磨屑隨工作液一起排走；

(6) 重復上述四個階段，可實現難加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。