王望龍 王 龍 田欣利 唐修檢 王健全 王朋曉

(裝甲兵工程學(xué)院再制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

工程陶瓷材料抗剪應(yīng)力很高而抗拉伸應(yīng)力極低、彈性模量大、硬度高、脆性大，目前主要以磨削加工方法為主，但大都存在加工成本高、效率低等突出問(wèn)題［1］。小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工硬脆材料是一種高效、低成本的加工方法，其優(yōu)點(diǎn)有小砂輪運(yùn)動(dòng)慣性小，無(wú)需考慮動(dòng)平衡影響;磨削力矩小，振動(dòng)小，其動(dòng)剛度提高;其動(dòng)進(jìn)給方向與中位裂紋擴(kuò)展一致等［2］。加工時(shí)，砂輪軸線與工件軸線相互平行，依靠砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)完成工程陶瓷等硬脆材料軸類或內(nèi)孔表面加工。其端部和拐角處的磨粒起到主切削刃去除材料作用。

通過(guò)多顆粒金剛石小砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能更好地研究端面邊緣金剛石對(duì)陶瓷加工過(guò)程的影響及金剛石的磨損規(guī)律，探討如何選擇合適的砂輪和合理的加工參數(shù)，有效利用大塊崩裂去除方式來(lái)提高加工效率，又能減少對(duì)工件和砂輪磨具的損傷。本文主要通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并利用邊緣檢測(cè)和輪廓曲線擬合的方法追蹤檢測(cè)頂尖曲率半徑變化來(lái)研究金剛石顆粒的耗損規(guī)律。

1 多顆粒金剛石小砂輪軸向進(jìn)給磨削實(shí)驗(yàn)方案

1.1 多顆粒金剛石小砂輪結(jié)構(gòu)

本次在小砂輪端面上焊接兩排較粗大的金剛石顆粒，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是砂輪磨具頭部位呈倒錐型，端面邊緣金剛石顆粒之間隙小于1 mm，基體材料45號(hào)鋼。本實(shí)驗(yàn)利用金剛石磨粒頂錐角2θ及磨削刃圓弧半徑ρg來(lái)表征磨粒切削性能。本次在金剛石端部均勻?qū)ΨQ的部位所焊接的金剛石顆粒有設(shè)定角度2θ和尖端圓弧半徑。制備的單顆粒金剛石頂錐角2θ分別為60°、120°和150°。圖1為本次研究使用小砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖及實(shí)物。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用FANUC BV75立式加工中心為試驗(yàn)平臺(tái)，其主要技術(shù)參數(shù)為:主軸功率15 kW，轉(zhuǎn)速為60～7 000 r/min可無(wú)級(jí)調(diào)速;工作臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)功率7 kW，工作臺(tái)進(jìn)給速度3～15 000 mm/min。將小砂輪固定在加工中心主軸上，將加工中心第四軸固定在工作臺(tái)上用于裝夾陶瓷件。加工過(guò)程中對(duì)砂輪與工件結(jié)合部實(shí)施水基磨削液冷卻潤(rùn)滑，小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料和工藝參數(shù)

采用反應(yīng)燒結(jié)Si3N4陶瓷進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)研究，材料尺寸規(guī)格為直徑26 mm，高度60 mm。材料的主要性能參數(shù):密度ρ=2.73 g/cm3，硬度85HRA，彈性模量E=160 GPa，斷裂強(qiáng)度KIC=2.85 MPa·m1/2。

當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，工件轉(zhuǎn)速150 r/min，分析小砂輪軸向進(jìn)給磨削加工中金剛石頂錐角2θ、磨削深度ap和軸向進(jìn)給速度V的磨粒耗損規(guī)律。按表1的加工參數(shù)進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

2 金剛石顆粒耗損規(guī)律的研究方法

2.1 多顆粒金剛石小砂輪的磨損現(xiàn)象

實(shí)際磨削加工過(guò)程中，由于金剛石磨粒會(huì)受到陶瓷工件的摩擦和擠壓作用，當(dāng)其所受磨削力超過(guò)自身強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生破碎的形式從基體上脫落，金剛石磨粒尖端磨耗、破碎或崩落［3-4］，尖端圓弧半徑會(huì)按特定規(guī)律逐漸增大。此時(shí)，隨著金剛石的鈍化，磨削力顯著增大，工件表面質(zhì)量變差和表面損傷增多。所以，可以利用實(shí)時(shí)追蹤檢測(cè)金剛石尖端圓弧半徑的耗損規(guī)律衡量砂輪磨粒磨削刃的耗損特性。

實(shí)驗(yàn)完成后，用愛(ài)國(guó)者數(shù)碼觀測(cè)王GE-5放大倍數(shù)為180倍對(duì)其進(jìn)行觀察。金剛石砂輪的端面焊接金剛石磨損情況如圖3所示。

通過(guò)對(duì)金剛石磨粒進(jìn)行標(biāo)號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤SEM觀測(cè)，單顆粒金剛石表面掃描電鏡形貌及其耗損失效過(guò)程如圖4所示，金剛石顆粒尖端磨耗過(guò)程中同時(shí)存在解理剝落和擠壓破碎，磨粒破損脫落時(shí)會(huì)產(chǎn)生新磨刃的自礪作用，這些導(dǎo)致圓弧半徑的斷續(xù)增大。

2.2 尖端圓弧半徑研究方法

圖5為本次研究采用的金剛石尖端圓弧半徑檢測(cè)方法和步驟［5-6］。其中主要分為5步:(1)SEM觀測(cè)圖像。本次采用1 000倍率，金剛石尖端完全落入SEM視場(chǎng)內(nèi)，圖形的邊緣輪廓清晰。(2)圖像預(yù)處理。用Matlab對(duì)采集的TIF格式SEM圖像質(zhì)化處理，通過(guò)圖像增強(qiáng)、平滑、二值化處理后得到視覺(jué)效果較好、邊緣輪廓信息豐富的灰度圖像。(3)邊緣檢測(cè)。Canny算子運(yùn)用雙閾值算法可生成光滑細(xì)膩的邊緣，使得結(jié)果更為準(zhǔn)確。(4)輪廓點(diǎn)采樣與曲線擬合。按高階多項(xiàng)式函數(shù)的曲線來(lái)擬合SEM圖像的輪廓點(diǎn)集。本次采樣點(diǎn)數(shù)為40，曲線擬合階數(shù)8。其能如實(shí)反映金剛石顆粒尖端輪廓細(xì)節(jié)和曲率變化，曲線擬合有一個(gè)較佳狀態(tài)。(5)曲率半徑計(jì)算。經(jīng)最小二乘曲線擬合得到物體邊緣輪廓的擬合函數(shù)y=f(x)后，計(jì)算函數(shù)上各點(diǎn)沿切線方向的曲率k，取其倒數(shù)得到擬合函數(shù)的最小曲率半徑Rf。

3 金剛石磨粒耗損規(guī)律研究結(jié)果和分析

將砂輪上的金剛石按頂錐角進(jìn)行了分類標(biāo)記，其中并重點(diǎn)對(duì)砂輪端面圓的節(jié)點(diǎn)部位金剛石顆粒進(jìn)行了追蹤實(shí)時(shí)檢測(cè)其尖端圓弧變化規(guī)律，然后按分類所測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果各取平均值作為試驗(yàn)最終的測(cè)量結(jié)果。用Matlab對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行了階數(shù)為8的多項(xiàng)式曲線擬合。分別取砂輪磨削行程作橫坐標(biāo)、按錐角分類磨粒尖端圓弧半徑的平均值作縱坐標(biāo)，繪出不同加工參數(shù)下對(duì)Si3N4陶瓷材料進(jìn)行加工的磨粒耗損規(guī)律圖。

3.1 磨粒頂錐角對(duì)耗損規(guī)律的影響

如圖6所示，在磨削深度ap=1 mm，進(jìn)給速度V=100 mm/min時(shí)，每次取100 mm做為一個(gè)行程。60°頂錐角顆粒更容易發(fā)生破碎式耗損，初始圓弧半徑ρg=4μm的金剛石顆粒經(jīng)歷6個(gè)行程后被劇烈磨損，在第8行程時(shí)接近破壞極限;而150°頂錐角使金剛石顆?？购膿p性能大為增強(qiáng)，在劃擦1 200 mm前磨粒的耗損都較穩(wěn)定，在1 200 mm后劇烈破壞，其耗損壽命為小頂錐角磨粒耗損壽命的若干倍。在其他兩組不同的加工參數(shù)圖表里也可以看到相同的規(guī)律?？芍?，頂錐角2θ對(duì)金剛石顆粒耗損速率影響很大。

3.2 磨削深度對(duì)耗損規(guī)律的影響

如圖7所示，比較不同錐角的磨粒以進(jìn)給速度V=100 mm/min，分別以ap=1 mm、1.5 mm兩種不同磨削深度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磨削深度的增加會(huì)使各磨粒耗損加劇，其可磨削的行程減小，在較短時(shí)間內(nèi)喪失切削能力。磨削深度加大會(huì)引起磨削力成倍加大，金剛石顆粒承受的載荷也就相應(yīng)增大?？梢?jiàn)，磨削深度是影響砂輪耗損的重要因素。

3.3 進(jìn)給速度對(duì)耗損規(guī)律的影響

如圖8所示，砂輪以ap=1 mm，進(jìn)給速度V分別為100 mm/min、200 mm/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用較高的工件進(jìn)給速度時(shí)，磨粒與工件的法向與切向摩擦力增加，磨粒承受較大的反作用力，磨粒與工件接觸區(qū)高溫致使磨粒局部軟化，因此磨削刃磨損加劇。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)小砂輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和實(shí)驗(yàn)方案，更方便清晰地研究軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工的端部拐角處對(duì)邊緣破碎和加工質(zhì)量影響，以及金剛石磨粒的耗損規(guī)律。

(2)利用金剛石磨粒的頂錐角2θ和圓弧半徑ρg來(lái)表征磨削刃的鋒利程度。闡述了磨粒在加工過(guò)程中承受摩擦和擠壓作用，發(fā)生解理剝落和擠壓破碎，同時(shí)磨粒因破碎而反復(fù)發(fā)生顆粒自礪行為，它的尖端圓弧半徑會(huì)按特定規(guī)律逐漸增大。并擬定邊緣檢測(cè)和輪廓曲線擬合的實(shí)驗(yàn)方法追蹤檢測(cè)金剛石頂尖曲率半徑變化來(lái)研究金剛石顆粒的耗損規(guī)律。

(3)分析了磨粒頂錐角、磨削深度、進(jìn)給速度對(duì)金剛石耗損規(guī)律的影響。結(jié)果表明，磨粒頂錐角對(duì)磨粒耗損速率影響起重要角色，頂錐角越大，金剛石磨粒磨削行程越長(zhǎng)。材料磨削深度與進(jìn)給速度兩加工參數(shù)越大，磨削力和磨削溫度越高，磨削條件變惡劣，金剛石顆粒磨削行程越短。

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