田欣利， 王 龍， 王望龍， 唐修檢， 王朋曉

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

小砂輪軸向緩進(jìn)給磨削是一種可以實(shí)現(xiàn)工程陶瓷等硬脆材料外圓表面加工的低成本、高效率的加工方法。小砂輪結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，動(dòng)平衡性好；磨削過程中砂輪振動(dòng)小，切削抗力小[1-2]，可獲得較好的凹槽加工精度。筆者嘗試采用小砂輪徑向緩進(jìn)給磨削來實(shí)現(xiàn)工程陶瓷等硬脆材料外圓或小內(nèi)孔表面的凹槽加工。由于小砂輪在凹槽加工過程中受到的磨削力和磨削熱綜合作用會(huì)與常規(guī)表面磨削加工過程有所不同，砂輪的磨損狀況也會(huì)存在差異，因此，筆者設(shè)計(jì)了工程陶瓷的小砂輪徑向緩進(jìn)給磨槽試驗(yàn)系統(tǒng)方案，通過顯微放大鏡觀測(cè)小砂輪片工作表面的形貌來分析其磨損形式并研究其機(jī)理[3-5]，通過稱重法對(duì)小砂輪的磨損進(jìn)行了跟蹤測(cè)量，從而揭示小砂輪在不同磨損階段的差異及其原因。

1 試驗(yàn)研究方案

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用專用的電鍍金屬結(jié)合劑金剛石小砂輪和薄片狀表面多槽型燒結(jié)金屬結(jié)合劑砂輪片。小砂輪的磨頭厚度2 mm,直徑12 mm;砂輪片厚度2 mm,直徑100 mm。其實(shí)物結(jié)構(gòu)分別如圖1、2所示。

圖1 電鍍金剛石小砂輪圖2 薄片狀砂輪片

試驗(yàn)采用北京機(jī)電研究院生產(chǎn)的BV-75立式銑削加工平臺(tái)，其主軸功率為15 kW，可無級(jí)調(diào)速范圍為60～7 000 r/min。

試驗(yàn)采用反應(yīng)燒結(jié)Si3N4陶瓷試件，材料尺寸規(guī)格為φ=26 mm,h=60 mm。材料的主要性能參數(shù)：密度ρ=2.73 g/cm3，硬度HRA=85，彈性模量E=160 GPa，斷裂強(qiáng)度KIC=2.85 MPa/m2。

1.2 試驗(yàn)方法

工程陶瓷的小砂輪徑向緩進(jìn)給磨槽及加工過程如圖3所示。工件裝夾在三爪卡盤上隨A軸低速旋轉(zhuǎn)，加工用小砂輪安裝在加工中心主軸上隨其高速旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)沿小砂輪徑向緩進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。BV-75機(jī)床能實(shí)現(xiàn)高主軸轉(zhuǎn)速和高精度，一次裝夾定位便可實(shí)現(xiàn)工件表面多道環(huán)形槽加工。

圖3 凹槽加工示意圖

試驗(yàn)在有磨削液冷卻條件下進(jìn)行，加工的環(huán)形槽的深度為2 mm, 凹槽寬度為2 mm，其加工效果如圖4、5所示。加工過程中工件轉(zhuǎn)速為100 r/min。

當(dāng)使用電鍍金剛石小砂輪時(shí)，小砂輪轉(zhuǎn)速為5 000 r/min；當(dāng)使用燒結(jié)砂輪片時(shí)，其轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。磨槽的徑向進(jìn)給速度分別為0.5、1、2 mm/min。

圖4 加工后凹槽實(shí)物圖5 加工后凹槽剖面圖

試驗(yàn)選擇以小砂輪的質(zhì)量變化來衡量砂輪的磨損程度，即考察砂輪的磨損質(zhì)量隨加工槽數(shù)變化的關(guān)系。稱質(zhì)量前,選用丙酮試劑清洗掉小砂輪表面的油漬和磨屑。試驗(yàn)采用的測(cè)量工具為LA204型電子分析天平，其測(cè)量精度為0.1 mg。

試驗(yàn)采用愛國者數(shù)碼觀測(cè)王GE-5對(duì)多槽型砂輪片各加工部位放大180倍觀察，便于分析砂輪工作面的磨損機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 小砂輪的磨損形式和機(jī)理分析

磨損后的砂輪片形貌如圖6所示，可以看出：砂輪片主要磨損有結(jié)合劑磨損和金剛石磨粒磨損。在磨削加工過程中，由于金剛石砂輪受到機(jī)械載荷、沖擊載荷和熱載荷等不同類型的載荷，因此金剛石磨粒會(huì)受到磨料磨損、熱應(yīng)力破碎、化學(xué)磨損、粘附磨損、塑性磨損等摩擦學(xué)中的磨損機(jī)理作用[6-8]。砂輪磨損可分為輕微磨損和嚴(yán)重磨損。輕微磨損的表現(xiàn)形式為磨粒和結(jié)合劑的摩擦磨損，如金剛石磨粒表面常會(huì)出現(xiàn)犁溝磨損、剝層磨損和點(diǎn)蝕磨損等；嚴(yán)重磨損的表現(xiàn)形式為金剛石磨粒破碎、脫落和結(jié)合劑脫落，這是由于磨粒與工件的接觸區(qū)域在受到磨削力和磨削熱作用的應(yīng)力循環(huán)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)應(yīng)力大于金剛石的剪切強(qiáng)度時(shí)，裂紋會(huì)發(fā)生爆發(fā)性的擴(kuò)展，導(dǎo)致磨粒內(nèi)部發(fā)生斷裂而破碎。此外，結(jié)合劑的磨損會(huì)讓金剛石顆粒裸露出來，再加上磨粒表面的擠壓作用，會(huì)導(dǎo)致金剛石與結(jié)合劑的接觸部位發(fā)生彈塑性變形而存在離隙溝槽，使得結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力變?nèi)?。由此，不僅結(jié)合劑斷裂會(huì)直接使磨粒脫落，而且當(dāng)應(yīng)力超過金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，金剛石顆粒也會(huì)脫落。

圖6 砂輪片磨損形式

圖7所示為小砂輪實(shí)物各工作面，其在陶瓷工件表面環(huán)形槽加工過程所受的磨削力的作用如圖8所示?？梢钥闯觯盒∩拜唸A周部位主要受到去除陶瓷材料時(shí)產(chǎn)生的徑向擠壓抗力Fnx和切向力Fty；小砂輪兩側(cè)的端面主要受到已加工的凹槽兩對(duì)稱壁面對(duì)端面的軸向擠壓力Fnz和徑向磨擦力Ftx；小砂輪的拐角邊緣也會(huì)受到復(fù)雜的徑向、軸向、切向3個(gè)方向磨削力的綜合作用。

圖7 小砂輪的工作面

圖8 磨槽砂輪受力示意圖

小砂輪圓周面和拐角的磨損情況如圖9所示，可見小砂輪的圓周面和拐角邊緣部位的磨粒磨損較為嚴(yán)重，說明這2個(gè)部位主要起到去除材料的作用。圓周面承擔(dān)主要的切削作用，它有砂輪周向旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給兩運(yùn)動(dòng)，且承受主要的徑向擠壓力和切向力，其磨損較大，易發(fā)生磨粒和結(jié)合劑的破碎、脫落。拐角邊緣處作為過渡切削區(qū)，承受三向磨削力的綜合作用較大，再加上拐角處的磨粒與結(jié)合劑的結(jié)合力相對(duì)較小，導(dǎo)致其磨損情況最為嚴(yán)重，此處的金剛石磨粒迅速產(chǎn)生磨損和脫落，其結(jié)合劑磨損也相當(dāng)大。小砂輪的上下端面主要和已加工的凹槽兩對(duì)稱壁面有摩擦接觸，擠壓摩擦力較小，結(jié)合劑和磨粒發(fā)生磨損損耗小。

圖9 小砂輪圓周面和拐角的磨損情況

由于磨粒自身品質(zhì)存在差異，以及磨粒和結(jié)合劑結(jié)合狀況不同，金剛石砂輪將呈現(xiàn)出不同的耗損。雖然電鍍型小砂輪制造工藝簡單，成本低，使用方便，且無需修整,但電鍍金屬結(jié)合劑小砂輪在磨削力和磨削熱的作用下，其把持力顯得不夠大，導(dǎo)致磨粒出現(xiàn)了嚴(yán)重脫落，相比而言，燒結(jié)型砂輪片的結(jié)合強(qiáng)度高，使用壽命長，可承受較大的載荷。

2.2 小砂輪的磨損規(guī)律分析

試驗(yàn)用的電鍍金剛石小砂輪的質(zhì)量為12.543 5～13.205 7 g，以3組試驗(yàn)結(jié)果的砂輪磨損量平均值為縱坐標(biāo)，以磨削加工的環(huán)形槽數(shù)為橫坐標(biāo)，繪出砂輪平均磨損量與加工環(huán)形槽數(shù)的關(guān)系曲線。筆者以每加工2條環(huán)形槽為一個(gè)單位測(cè)量砂輪總磨損量磨損增量隨加工環(huán)形槽數(shù)量的變化曲線，分別如圖10、11所示?？梢钥闯觯寒?dāng)小砂輪徑向磨槽的進(jìn)給速度分別為0.5、1、2 mm/min時(shí)，小砂輪的總磨損量和磨損增量隨加工的環(huán)形槽數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致；當(dāng)ν=1 mm/min時(shí)，小砂輪磨損程度最小；當(dāng)ν=0.5 mm/min時(shí)，此時(shí)加工效率相對(duì)較低，小砂輪與工件磨損接觸時(shí)間較長，其磨損程度次之;當(dāng)ν=2 mm/min時(shí)，徑向進(jìn)給量較大，磨削力和磨削溫度都會(huì)增大，磨削環(huán)境變得惡劣，砂輪磨損最嚴(yán)重。

圖10 小砂輪總磨損量隨加工槽數(shù)的變化

圖11 小砂輪磨損增量隨加工槽數(shù)的變化

如圖10所示，隨著磨削加工的環(huán)形槽數(shù)增加，小砂輪總磨損量增加是必然的趨勢(shì)，可以看出：其曲線形狀在加工第1-4條環(huán)形槽時(shí)，大致呈一條較短的直線且其斜率略大；當(dāng)加工第4-18條環(huán)形槽時(shí)，大致呈現(xiàn)了另一條穩(wěn)定直線趨勢(shì)且斜率較前者略?。辉诩庸さ?8條環(huán)形槽之后就發(fā)生了急劇的磨損。同時(shí)結(jié)合對(duì)照?qǐng)D11，可將小砂輪的磨損分為3個(gè)階段：加工前4條環(huán)形槽時(shí)為初期磨損階段，小砂輪單位磨損增量較大，這是因?yàn)殡婂兘饘俳Y(jié)合劑小砂輪的電鍍層較薄，金剛石濃度較致密而容屑空間小，許多表層金剛石微粒因不能充分鑲嵌在鍍層金屬中，造成把持力不夠承受負(fù)荷，導(dǎo)致脫落嚴(yán)重；加工第4-18條環(huán)形槽時(shí)為穩(wěn)定磨損階段，小砂輪單位磨損增量較穩(wěn)定，這是因?yàn)榇藭r(shí)砂輪表面鑲嵌在鍍層金屬中把持不穩(wěn)的金剛石微粒已脫落，進(jìn)入到結(jié)合劑被輕微磨損，金剛石微粒被摩擦磨損，也有小部分金剛石受徑向擠壓力、切向力的作用發(fā)生破碎、脫落；在加工18條環(huán)形槽以后為急劇磨損階段，小砂輪單位磨損增量過大，這是由于砂輪磨削環(huán)境變差，磨削熱和磨削力變大，金剛石顆粒密度較稀疏，工件與結(jié)合劑的大面積接觸也造成了嚴(yán)重的磨損和脫落，甚至整體的電鍍層也有可能發(fā)生嚴(yán)重磨損。

3 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了簡單經(jīng)濟(jì)且符合試驗(yàn)要求的工程陶瓷的小砂輪徑向緩進(jìn)給磨槽試驗(yàn)系統(tǒng)，能在陶瓷外圓或小內(nèi)孔表面較好完成小寬度凹槽的加工。

2) 通過砂輪片各加工部位的表面形貌觀察，研究了砂輪表面存在的主要磨損形式和產(chǎn)生機(jī)理。

3) 通過稱重法，研究了小砂輪徑向進(jìn)給速度分別為0.5、1、2 mm/min時(shí)小砂輪的磨損規(guī)律。結(jié)果表明：砂輪在徑向進(jìn)給速度為1 mm/min時(shí)磨損程度最?。浑S著加工環(huán)形凹槽數(shù)量的增加，小砂輪的磨損變化曲線會(huì)在初期磨損、穩(wěn)定磨損、嚴(yán)重磨損3個(gè)階段存在不同的顯著表征。

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