黃 云 楊春強(qiáng) 黃 智

1.重慶大學(xué)，重慶，400030 2.重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心，重慶，400021

0 引言

304不銹鋼具有熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性及耐磨性好等特點(diǎn)，并且具有全面和良好的綜合性能，因此被廣泛應(yīng)用在航空、航海、汽車配件、醫(yī)療器具等領(lǐng)域[1－2]。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)其加工精度及加工效率的要求也愈來愈高，但是由于其韌性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量低等特點(diǎn)，在使用砂輪磨削加工時(shí)易產(chǎn)生以下問題：①磨削力大、磨削過程發(fā)熱加?。虎谀バ家尊じ缴拜?；③磨屑難以切離、磨粒容易磨鈍；④加工表面易產(chǎn)生燒傷和裂紋，表面粗糙度增大，工件表面質(zhì)量不易保證[3－5]。這些問題在一定程度上限制了304不銹鋼的推廣和使用。為此，研制性能卓越的不銹鋼磨削工具，提高磨削效率與磨削質(zhì)量，已成為非常迫切的要求。

砂帶磨削技術(shù)的發(fā)展，為解決上述問題提供了一條有效的途徑。砂帶磨削是一種優(yōu)質(zhì)高效的工藝技術(shù)。砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光等多重作用，使得表面加工質(zhì)量粗糙度小，加工表面發(fā)熱少，即使干磨也不易燒傷工件，具有“冷態(tài)加工”的美譽(yù)[6－7]。

本文通過2種不同磨料砂帶對(duì)304不銹鋼進(jìn)行磨削試驗(yàn)，分析磨削時(shí)間、法向磨削壓力對(duì)工件表面粗糙度的影響。借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察砂帶表面磨損形貌，研究砂帶磨損機(jī)理，以期提高304不銹鋼的加工精度和磨削效率，實(shí)現(xiàn)304不銹鋼的大規(guī)模應(yīng)用。

1 磨粒和加工表面的實(shí)際接觸時(shí)間

在磨削過程中，當(dāng)舊的磨粒磨損后，就不斷會(huì)有新的磨粒參與磨削，因此參與磨削的磨粒數(shù)基本上是不變的。磨粒和加工表面的實(shí)際接觸時(shí)間ts是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它對(duì)磨粒的磨損有著直接的影響。ts對(duì)應(yīng)于砂帶從點(diǎn)A到運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)B（圖1）。ts可以用下式來表示：

圖1 砂帶磨削模型

2 工藝試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料的選用

試驗(yàn)材料選用304不銹鋼（國際為0Cr18Ni9），規(guī)格為φ35mm×400mm。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包含外圓砂帶磨床試驗(yàn)機(jī)、表面粗糙度儀、SEM等。

試驗(yàn)在重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心外圓砂帶磨削試驗(yàn)機(jī)床上進(jìn)行，同時(shí)配備相應(yīng)的變頻器對(duì)主動(dòng)輪進(jìn)行矢量變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

表面粗糙度的測定采用針描法，使用北京時(shí)代集團(tuán)制造的粗糙度儀TR200，測定的粗糙度參數(shù)為Ra。當(dāng)磨削試驗(yàn)完成后，在掃描電子顯微鏡上分析砂帶表面的微觀形貌特征。

2.3 試驗(yàn)條件

該試驗(yàn)采用順磨方式，所采用的試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 表面粗糙度的影響因素研究

磨削加工一般作為機(jī)械零件的終加工工序，其主要目的是保證零件的表面粗糙度和形狀精度要求。磨削表面的創(chuàng)成過程是磨粒與工件表面材料相互干涉的最終結(jié)果。由于磨削過程復(fù)雜，影響表面粗糙度的因素眾多，磨削過程的物理關(guān)系往往很難精確表達(dá)[8－9]。

3.1.1 磨削時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響

磨削時(shí)間與表面粗糙度的關(guān)系如圖2所示，接觸輪的硬度標(biāo)準(zhǔn)為邵氏硬度（HS），從圖2可以知道，無論是硬度為90HS還是硬度為70HS的接觸輪，它是橡膠硬度的一種表示方式。表面粗糙度的變化都分為兩個(gè)階段：表面粗糙度Ra值快速減小階段和穩(wěn)定階段。從一個(gè)階段變化到另一階段的時(shí)間與的實(shí)際接觸時(shí)間ts相一致，由圖2可以看出，兩個(gè)階段的分界線大約是在8s，即ts＝8s。因此，磨削時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響很大。當(dāng)t＜ts時(shí)，磨粒的等高性差，表面粗糙度值大，隨著磨粒的鋒利性的降低，表面粗糙度的值快速下降。當(dāng)t＞ts時(shí)，磨粒磨損使砂帶表面形貌標(biāo)準(zhǔn)偏差穩(wěn)定地減小，磨粒等高性變好，表面粗糙度的大小也趨于穩(wěn)定。由圖2可看出，隨著磨削時(shí)間的延長，表面粗糙度值的大小與接觸輪硬度的關(guān)系不大。

圖2 磨削時(shí)間與表面粗糙度的關(guān)系

3.1.2 法向磨削力對(duì)粗糙度的影響

法向磨削壓力與表面粗糙度的關(guān)系如圖3所示，從圖3可以知道，表面粗糙度隨著磨削壓力的增大而減小。當(dāng)法向磨削壓力較小時(shí)（30N以下），表面粗糙度減小得較快；當(dāng)法向磨削壓力較大時(shí)，表面粗糙度的減小變得緩慢。表面粗糙度值的減小直接與參與磨削的磨粒數(shù)Ng和磨粒的形狀有關(guān)。Ng隨著法向磨削壓力的增大而增大，然而，磨粒的形狀一方面與法向接觸壓力有關(guān)，另一方面與磨削時(shí)間有關(guān)。當(dāng)法向磨削壓力大時(shí)，磨粒的快速磨損使表面粗糙度減小得緩慢。壓力的增大，使振動(dòng)加劇，磨粒脫離嚴(yán)重，Ng減小。

圖3 法向磨削壓力與表面粗糙度的關(guān)系

在較小的法向磨削壓力下，磨削時(shí)間長的表面粗糙度比磨削時(shí)間短的表面粗糙度要小。這是因?yàn)樵谳^小的法向磨削壓力下，磨粒的磨損率較小，并且能保持較長時(shí)間的切削性，磨削時(shí)間長可以對(duì)表面多次磨削，使表面粗糙度值減小。然而，在大的磨削壓力下，表面粗糙度的大小與磨削時(shí)間的關(guān)系不大。

3.2 砂帶磨損研究

砂帶磨損與磨削效率、加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)成本等密切相關(guān)，因此砂帶磨損機(jī)理也受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注[10]。砂帶磨損在正常情況下有三種基本形式：①黏蓋。是指微細(xì)切屑?xì)埩舨ず冈谀チＭ獗砻嫔希璧K磨粒繼續(xù)參與切削，嚴(yán)重降低磨削能力。有時(shí)，大量切屑黏附在磨粒之間的容屑空間，即發(fā)生堵塞。②脫落。磨削時(shí)，磨粒所受的作用力超過其黏著力時(shí)，則磨粒將從黏結(jié)劑中脫落或與黏結(jié)劑一起掉落。③磨鈍。由于磨粒與被加工材料多次反復(fù)摩擦，使磨粒頂點(diǎn)鈍化為小平面或磨粒尖頂部的破斷而無切刃。

在這三種磨損形式中，黏蓋往往和被加工材料的性質(zhì)和砂帶的選擇有關(guān)，脫落則是由于磨削力過大或者砂帶黏結(jié)劑質(zhì)量較差而造成的。磨鈍則是貫穿于整個(gè)磨削過程之中，是砂帶磨損最普遍和最根本的形式，所以下面主要對(duì)磨鈍這一形式進(jìn)行分析。

3.2.1 磨粒的磨損機(jī)理模型

因?yàn)槟チ５男螤畈灰?guī)則，并且隨機(jī)的分布在砂帶上，這使得磨粒的磨損機(jī)理非常復(fù)雜[11]。但是，還是可以通過如圖4的理論模型對(duì)磨粒的鈍化磨損做一些定性分析。

圖4 磨粒磨損的模型

磨粒鈍化主要是磨粒的磨耗磨損和破碎磨損。磨耗磨損是由磨粒與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦而致。破碎磨損是磨粒因受沖擊頂尖破碎或整個(gè)磨粒因黏結(jié)劑的破裂而脫落。通過對(duì)砂帶形貌的電鏡觀察分析可知，新砂帶的磨粒頂部幾乎沒有小平面，而是參差不齊的尖峰垂直“聳立”。隨著磨削的進(jìn)行，頂部逐漸出現(xiàn)小平面的磨粒數(shù)增多，小平面面積加大，這時(shí)各頂峰變平并且其高幾乎在一條直線上（圖4）。

砂帶以恒定的速度va運(yùn)動(dòng)，3Δt是磨粒和工件的實(shí)際接觸時(shí)間，即對(duì)應(yīng)于ts。在磨粒頂端經(jīng)過快速磨損之后，直至使用壽命終結(jié)，砂帶一直處于穩(wěn)定磨損階段，一方面切除材料，另一方面和工件發(fā)生摩擦，在峰頂部形成不斷增大的磨鈍小平面，同時(shí)一些鋒刃較低的磨粒逐步顯露出來，參與磨削工作。在3Δt后，與工件接觸的磨粒的磨損保持常量，因?yàn)榭傆行碌哪チＬ娲f磨粒參與磨削。圖5描述了磨粒的磨損的過程。如果磨削時(shí)間小于ts（如t1），磨粒磨損程度取決于磨削時(shí)間。但是，如果磨削時(shí)間大于ts（如t2），磨損達(dá)到最大，不再隨磨削時(shí)間的變化而變化。

3.2.2 砂帶磨損表面形貌研究

圖5 磨削時(shí)間和磨粒磨損的關(guān)系

磨料的微結(jié)構(gòu)和使用條件對(duì)砂帶磨粒的具體磨損形式和演變過程影響很大。為了提高砂帶使用壽命和增加材料切除率，從微觀角度來研究不同種類磨料的磨粒磨損形式，進(jìn)而分析砂帶磨損的變化規(guī)律[12]。

由圖6a可以看出，磨削304不銹鋼后鋯剛玉磨料砂帶磨粒頂部出現(xiàn)了鈍化的小平面，但其表面相對(duì)平滑，此外除磨粒邊緣有少量破碎外，幾乎沒發(fā)現(xiàn)有塊狀破碎和黏附磨損，砂帶磨粒以緩慢鈍化磨損為主。

碳化硅磨料與鋯剛玉相比，砂帶磨損形式呈現(xiàn)出明顯的差異（圖6b），碳化硅磨料磨削后的磨粒頂部幾乎都出現(xiàn)較大的磨損小平面，在磨損小平面周圍出現(xiàn)有少量的磨粒脫落和破碎現(xiàn)象，且砂帶表面有較明顯的裂紋。從放大后的SEM照片還可以發(fā)現(xiàn)小平面幾乎被黏附物覆蓋，即砂帶磨粒頂部被黏附物包裹，并且磨削過程中還可以觀察到大量明亮的火花。以上跡象表明碳化硅磨料砂帶在磨削過程中磨粒與304不銹鋼的親合力較強(qiáng)，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的黏蓋磨損。

通過以上對(duì)比分析可以看出，砂帶的磨損形式主要是磨粒的微細(xì)破碎磨損和黏蓋磨損，兼有少量小塊狀破碎磨損；鋯剛玉砂帶的磨損過程穩(wěn)定，以磨粒緩慢鈍化磨損為主。而碳化硅磨損比鋯剛玉嚴(yán)重，有較大的磨損小平面和嚴(yán)重的黏蓋磨損。

圖6 鋯剛玉和碳化硅砂帶磨損微觀地貌圖

3.2.3 磨粒的破碎與自銳作用

通常單個(gè)碳化硅磨粒由一個(gè)或幾個(gè)粗大的晶體構(gòu)成，從圖7a可知，在磨削過程中，磨粒頂點(diǎn)首先鈍化成小平面。隨著磨削的持續(xù)進(jìn)行，鋒利的磨粒頂部鈍化成小平面并逐漸擴(kuò)展變大，磨粒與工件表面摩擦增加而切削作用減小，這一變化將會(huì)加速磨粒的磨損。

鋯剛玉作為一種抗破碎性強(qiáng)的磨粒，通常由多個(gè)晶體構(gòu)成。從圖7b可知，單個(gè)晶體由黑色片狀A(yù)l2O3和白色片狀ZrO2交替堆疊形成。在磨削過程中，首先是ZrO2層快速被磨掉，然后才是下層Al2O3緩慢地被磨掉，這種交替磨損的原因就在于ZrO2層相對(duì)Al2O3層較軟，每次ZrO2層被磨掉就會(huì)使下面新的Al2O3層暴露出來，即形成耐磨而較鋒利的切削刃。

圖7 碳化硅和鋯剛玉磨粒磨損過程示意圖

4 結(jié)論

（1）磨粒和加工表面的實(shí)際接觸時(shí)間ts對(duì)表面粗糙度Ra有很大的影響，由試驗(yàn)結(jié)果知ts＝8s。即當(dāng)磨削時(shí)間t＜8s時(shí)，表面粗糙度快速減??；當(dāng)t＞8s時(shí)，表面粗糙度大小趨于穩(wěn)定。在磨削時(shí)間大于20s后，表面粗糙度值的大小與接觸輪硬度的關(guān)系不大。

（2）表面粗糙度隨著法向磨削壓力的增大而減小。當(dāng)法向磨削壓力較小時(shí)（30N以下），表面粗糙度減小得較快；當(dāng)法向磨削壓力較大時(shí)，表面粗糙度減小變得緩慢。當(dāng)法向磨削力在60～80N時(shí)，表面粗糙度有穩(wěn)定的最小值。

（3）砂帶磨損有三種基本形式：黏蓋、脫落和磨鈍。根據(jù)鋯剛玉和碳化硅的SEM圖像分析可知，鋯剛玉砂帶的磨損過程穩(wěn)定，磨粒邊緣有少量破碎外，以磨粒緩慢鈍化磨損為主。而碳化硅磨損比鋯剛玉嚴(yán)重，有較大的磨損小平面和嚴(yán)重的黏蓋磨損。鋯剛玉磨粒的自銳作用較強(qiáng)，能不斷形成鋒利的切削刃。

[1]熊家強(qiáng)，謝剛，唐廣波.304不銹鋼熱變形過程奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及流變應(yīng)力研究[J].云南冶金，2008，37（5）：37-42.

[2]Gajendra P S，Alphonsa J，Barhai P K.Effect of－Surface Roughness on the Properties of the Formed on AISI 304Stainless Steel after Plasma Nitriding[J].Surface ＆ Coatings Technology，2006，200：5807－5811.

[3]王德泉，陳艷.砂輪特性與磨削加工[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4]李寶膺，華麗，石占先.不銹鋼拋光工藝與磨具選擇[J].金剛石與磨料磨具工程，2007（4）：72－74.

[5]Minori N，Mamoru K.ExperimentalStudy on Grinding Fluids for Abrasive Belt Grinding of Stainless Steel[J].Journal of Japan Society of Lubrication Engineers，1985，6（5）：157－162.

[6]黃云，黃智.現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.

[7]黃云，黃智.砂帶磨削的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，2007，18（18）：2263－2267.

[8]Bigerelle M，Najjar D，Iost A.Relevance of Roughness Parameters for Designing and Modeling Machined Surface[J].Journal of Materials Science，2003，38（11）：2525－2536.

[9]修世超，李長河，蔡光起.磨削加工表面粗糙度理論模型修正方法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，26（8）：770-772.

[10]Jourani A，Dursapt M，Hamdi H，et al.Effect of the Belt Grinding on the Surface text：Modeling of the Contact and Abrasive Wear[J].Wear，2005，259：1137－1143.

[11]Mezghani S，Mansori M，Sura E.Wear Mechanism Maps for the Belt Finishing of Steel and Cast Iron[J].Wear，2009，267：132－144.

[12]Deuis R L，Subramanian C，Yellup J M.AbrasiveWear of Aluminium Composites—a Review[J].Wear，1996，201：132－144.