詹友基 李 遠 黃 輝 徐西鵬

1.華僑大學(xué),泉州,362021 2.福建工程學(xué)院,福州,350108

0 引言

硬質(zhì)合金具有高硬度、高抗壓強度、耐高溫、耐磨損等優(yōu)越性能,在刀具、模具、量具、耐磨結(jié)構(gòu)件和采掘工具制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1]。利用金剛石砂輪進行磨削是加工硬質(zhì)合金最主要的工藝方法。傳統(tǒng)的金剛石磨削砂輪,如樹脂結(jié)合劑和電鍍砂輪廣泛應(yīng)用于各種硬質(zhì)合金的磨削加工。但無論是樹脂結(jié)合劑砂輪,還是電鍍金剛石砂輪,都存在把持力小,磨粒裸露高度和容屑空間小、金剛石利用率低、易造成環(huán)境污染的明顯缺陷[2-3]。因此,硬質(zhì)合金的廣泛應(yīng)用迫切需要新的高效高質(zhì)量的先進磨削加工工藝。國外20世紀90年代初開始以高溫釬焊替代電鍍開發(fā)單層超硬磨料砂輪,目的是利用釬焊的化學(xué)冶金結(jié)合,改善結(jié)合強度,可使磨料裸露高度達到磨料高度的70%～80%,容屑空間大,不易堵塞,有效磨料切刃更多、更鋒利,在高效磨削中更能顯示出其優(yōu)勢[3-4]。

磨削力是研究磨削過程的重要加工過程參量,其大小將直接影響到硬質(zhì)合金的磨削質(zhì)量和加工成本。在磨削加工中,材料磨削的難易程度可以用F t/F n來說明,它表示了磨粒切入工件的難易程度,與被磨材料的物理和機械性能以及砂輪的銳利程度等有關(guān)。因此,磨削力及磨削力比的研究有著重要的理論價值和實際意義。目前,對釬焊金剛石磨削硬質(zhì)合金過程中磨削力及力比還少有研究。本文采用真空爐中釬焊技術(shù)來制作釬焊金剛石砂輪,通過磨削硬質(zhì)合金進行實驗研究。

1 實驗條件與方法

制作金剛石砂輪的基體為 45鋼,直徑d s=155mm,寬度 b=6mm。選用高品質(zhì)金剛石(ISD1650),粒度為30/35,釬焊后的金剛石顆粒間隔為1mm(圖1)。采用真空爐中釬焊技術(shù)來制作釬焊金剛石砂輪,釬焊溫度為 1050℃,保溫15min,真空度為0.49Pa,所用釬料為鎳基合金粉末。

磨削加工實驗在精密平面磨床(型號MSG-250HMO)上進行。工件選擇兩種典型的硬質(zhì)合金(YG8和YT30),其性能如表1所示。工件尺寸長度 20mm。改變砂輪速度vs(14.6～23.5 m/s)、切深 ap(0.01～0.03mm)和進給量 v w(100～300mm/s)進行順磨加工。磨削中不加冷卻液。采用Kistler 9257BA型壓電晶體測力儀測量不同磨削參數(shù)下工件承受的垂直方向的磨削力Fv和水平方向的磨削力Fh。圖2所示為采集的典型的垂直方向的磨削力F v信號。實驗裝置示意圖見圖1。數(shù)據(jù)采集后傳輸并存儲到PC機,通過虛擬數(shù)字濾波器進行濾波處理。每次實驗重復(fù)三次求平均值以提高數(shù)據(jù)的準確性。

圖1 實驗裝置示意圖

表1 硬質(zhì)合金材料性能表

圖2 磨削力典型信號

2 實驗結(jié)果與討論

以往的研究表明,在切深較小的平面磨削條件下,F t與F n以及F h與F v在數(shù)值上基本相等[5],因此法向力Fn和切向力Ft分別用實驗所測得的垂直力F v和水平力F h替代。

單位寬度砂輪實際承受的平均法向載荷F′n和切向載荷F′t的大小可以計算如下：

單顆磨粒最大切屑厚度hmax是研究加工過程中很重要的一個物理量(圖3),它直接影響到單顆磨粒的受力情況,磨削加工參數(shù)的影響可由hmax來反映,hmax可表達為[6]

式中,C為平均單位面積內(nèi)實際參與切削的有效磨粒數(shù)(本實驗中C為0.685);θ為磨粒頂錐角的一半,這里取θ=60°。

圖3 單顆磨粒未變形切屑示意圖

單顆磨粒實際承受的平均法向載荷P n和切向載荷Pt的大小可以表示為

2.1 單顆磨粒磨削力模型及分析

磨削中大部分的能量是消耗在砂輪與工件的滑擦作用上。而滑擦作用很大程度上受下面引入的另外一個參量A g,即單顆金剛石磨粒耕犁的兩側(cè)面面積(圖3)的影響,它綜合考慮了單顆金剛石磨粒最大切削厚度h max與切削長度l c的影響。由圖3可得[6]

假設(shè)單位寬度磨削切向力和單顆金剛石耕犁的兩側(cè)面面積A g及切屑體積由于釬焊金剛石砂輪的有序單層排布及假設(shè)磨粒等高,對于制作好的工具,C可認為是常數(shù)。)有如下的關(guān)系：

式中,k1、k2為系數(shù);x、y為待求的數(shù)。

然后通過實驗數(shù)據(jù)的擬合情況來驗證假設(shè)的合理性。據(jù)文獻[7],在磨削弧區(qū)的平均法向接觸應(yīng)力σn和平均切入角ε之間存在一個對應(yīng)的關(guān)系：

故有

式中,k3、k4為系數(shù);z為待求的數(shù)。

對于單顆磨粒承受的載荷,假設(shè)磨削力都加載在金剛石上,從而有

式中,k5、k6為系數(shù)。

結(jié)合式(11)和式(12),力比 F′t/F′n可表達為

利用以上各式對單位寬度砂輪和單顆磨粒所承受的切向力、法向力進行回歸分析,分別求出各系數(shù),從而確定磨削深度、進給速度、砂輪線速度對單位寬度砂輪、單顆磨粒磨削力及力比的影響程度?；貧w的效果可以從圖4、圖5所示的回歸曲線中直觀地看出來。這說明實驗數(shù)據(jù)推算出來的單位寬度砂輪和單顆金剛石磨粒承受的載荷和前面的理論推導(dǎo)模型有著較好的一致性,也就是切向力與單顆金剛石耕犁的兩側(cè)面面積 Ag及切屑體積,法向力與弧區(qū)內(nèi)法向接觸應(yīng)力σn有著較好的對應(yīng)關(guān)系。

從圖4求得的回歸方程可以看出,增大磨削深度ap和進給速度v w都會導(dǎo)致單位寬度法向力F′n和單位寬度切向力F′t的增大,但磨削深度對磨削力的影響要比進給速度明顯。這主要是因為增大磨削深度除了引起切削厚度增大外,還會使金剛石磨粒與硬質(zhì)合金接觸弧長隨之增大,導(dǎo)致磨削弧區(qū)內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增多(增大進給速度磨削弧區(qū)內(nèi)的磨粒數(shù)基本不變),而磨削力近似等于單顆磨粒載荷乘以磨削弧區(qū)內(nèi)的有效磨粒數(shù);另外,磨削弧區(qū)增大使排屑困難,砂輪由于摩擦作用而磨損加劇,也會導(dǎo)致磨削力增大。因此從這兩方面看,ap對磨削力的影響要比v w對磨削力的影響大。隨著砂輪線速度的增大,單位時間參與切削的總磨粒數(shù)增多,使每顆磨粒切削厚度減小,單顆金剛石磨粒承受的載荷減小,機械磨損也相應(yīng)減弱,單位時間內(nèi)功耗減小,導(dǎo)致磨削力減小。這可減小磨削過程中的變形,提高工件的加工精度。在相同的磨削條件下,YG8合金所受的磨削力要比YT30合金所受的磨削力大,主要是由于YG8合金具有較好的韌性,塑性變形大所致。對比文獻[8]中用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金的磨削力,在相同的條件下,樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金的法向力約為釬焊金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金的法向力的2倍,而切向力約為3～4倍。這說明釬焊金剛石砂輪能有效減小磨削力,提高加工精度。

圖4 單位寬度磨削力回歸方程及圖示

從圖5求得的回歸方程可以看出,增大磨削深度和進給速度都會導(dǎo)致單顆金剛石磨粒平均承受的載荷增大,而進給速度對其影響程度要比磨削深度明顯。這是因為增大進給速度時,單顆金剛石磨粒最大切削厚度和法向接觸應(yīng)力增大的幅度要比增加磨削深度明顯,磨削深度的增大雖然造成了總磨削力的增大,但是由于磨削弧區(qū)的增長也使同時參與切削的金剛石磨粒的個數(shù)增加,從而使單顆磨粒平均承受的載荷增加的幅度有所下降。

圖5 單顆金剛石磨削載荷回歸方程及圖示

2.2 單顆金剛石磨粒平均承受載荷與最大切屑厚度關(guān)系

圖6 所示為在不同的材料去除率Q′w下單顆金剛石磨粒平均承受的法向力和切向力與單顆金剛石磨粒最大切削厚度的關(guān)系。由圖6可見,在某一固定材料去除率Q′w下,Pn和Pt基本上隨著hmax的增大而增大。在固定Q′w的情況下,h max增大的過程實際上就是磨屑由細長型變?yōu)榇侄绦偷倪^程,如圖7所示,即大切深和小進給的組合變到小切深和大進給組合。再結(jié)合式(3)可知,在生產(chǎn)效率一定的情況下,采用大切深小進給的磨削參數(shù)組合有利于降低單顆金剛石磨粒所承受的磨削力。

圖 6 不同 Q′w下磨削硬質(zhì)合金時P n和P t隨h max的變化曲線

圖7 固定Q′w時不同h max下未變形切屑的形態(tài)變化

2.3 磨削力比分析

同樣,利用式(13)對力比進行回歸分析,從圖8所求的回歸方程可以看出,隨切深、工件進給速度的增大及砂輪速度的下降,力比 F′t/F′n上升。增大切深、增大工件進給速度及減小砂輪速度,硬質(zhì)合金以脆性斷裂方式去除增多,而脆性斷裂所需的使裂紋擴展的法向磨削力較小,因此力比上升。但進給速度對力比影響程度要比磨削深度明顯。這是由于增大進給速度時,單顆金剛石磨粒最大切削厚度和法向接觸應(yīng)力σn增大的幅度要比增加磨削深度明顯。

圖8 力比回歸方程及圖示

圖9 所示為F′t與 F′n的關(guān)系曲線,圖中直線為最小二乘法擬合曲線。文獻[7]指出F′t與F′n的關(guān)系為一條直線,斜率為μ,所以擬合曲線斜率實際上反映了摩擦因數(shù)的大小。由圖9可見,在所有的加工條件下,摩擦因數(shù)基本為常數(shù)在0.2左右,比文獻[9]所介紹的常規(guī)砂輪磨削難加工材料的力比(0.31～0.83)要小得多,與文獻[10]中樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削不同陶瓷的力比(0.05～0.42)中的磨削燒結(jié)氮化硅和熱壓氮化硅相當(dāng),比文獻[5]中磨削花崗石的力比(0.06～0.15)大,比文獻[11]中樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金的力比(0.45～0.51)要小得多。力比小說明砂輪與工件的摩擦較小,這可能與釬焊金剛石砂輪表面上磨粒有序分布有很大關(guān)系。摩擦因數(shù)基本為常數(shù),說明金剛石與硬質(zhì)合金之間的運動符合Coulomb定律描述的滑動摩擦方式。另外YT30的摩擦因數(shù)與YG8的基本相等。

圖9 單位寬度切向力對單位寬度法向力

3 結(jié)論

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出的單顆金剛石磨粒承受的載荷和理論模型推導(dǎo)載荷基本一致。

(2)磨削用量三要素對單位寬度磨削力的影響程度：磨削深度最大,進給速度次之,轉(zhuǎn)速產(chǎn)生負影響。在固定材料去除率Q′w下,單顆金剛石所承受的法向力和切向力隨h max的增大而增大。進給速度對單顆金剛石所受磨削力及力比的影響程度比磨削深度大。因此實際磨削過程中,采用大切深小進給和高速度的組合有利于降低金剛石所承受的磨削力,有利于延長工具壽命,并可降低摩擦能耗。

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