田欣利, 王　龍, 郭　昉, 王望龍, 雷　蕾

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072)

小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削的磨損特征

田欣利, 王龍, 郭昉, 王望龍, 雷蕾

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072)

摘要：為了探討小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削技術(shù)的磨損特征和加工機(jī)理，對砂輪磨損情況、已加工表面和斷面顯微形貌等方面開展了研究。結(jié)果表明：氮化硅(Si3N4)陶瓷的已加工表面顯微形貌存在塑性去除痕跡；斷面形貌除20～50 μm的變質(zhì)層厚度存在裂紋缺陷外，基體部分未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋；金剛石小砂輪的主切削區(qū)、過渡切屑區(qū)和修磨區(qū)存在的摩擦磨損、磨粒破碎和結(jié)合劑破碎3種基本耗損特征不同；砂輪磨損隨著磨削深度、工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的增大而增大，但隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，且磨削深度影響作用最顯著。

關(guān)鍵詞：工程陶瓷; 小砂輪; 軸向大切深進(jìn)給磨削; 磨損特征

工程陶瓷為典型的高硬脆性材料，目前最成熟的加工方法是采用金剛石砂輪進(jìn)行普通磨削加工。為了降低加工成本和提高加工效率，工程陶瓷的高效磨削技術(shù)趨向于高速度和大背吃刀量2個方向發(fā)展,進(jìn)而相繼開發(fā)出高速/超高速磨削、深切緩進(jìn)給磨削、高速深磨和ELID磨削等技術(shù)[1-2]。然而，工程陶瓷的高效強(qiáng)力磨削機(jī)床與配套設(shè)備價格昂貴，且采用高速主軸和較大直徑金剛石砂輪提高砂輪線速度，也需要配備砂輪的動平衡裝置和修整裝置。

針對研發(fā)新的高效、低成本的工程陶瓷加工技術(shù)，裝甲兵工程學(xué)院于2009年便提出了小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削方法[3-5]，可直接在普通數(shù)控機(jī)床上以較小功率實現(xiàn)硬脆材料的高效、低成本加工。軸向大切深緩進(jìn)給磨削技術(shù)采用小直徑的金剛石砂輪，以較大的磨削深度沿工件軸線方向緩慢進(jìn)給加工工程陶瓷等硬脆材料的外圓或內(nèi)孔。小砂輪慣性質(zhì)量小，無需考慮動平衡操作；小砂輪半徑小，磨削力對砂輪產(chǎn)生的力矩很小，砂輪振動小；在采用電鍍金剛石小砂輪時，基體可以重復(fù)利用，降低成本。筆者研究了小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削過程的砂輪表面、工件已加工表面和斷面形貌等狀況，分析了小砂輪磨損原因和材料去除機(jī)理；采用正交試驗分析了磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和工件轉(zhuǎn)速等因素對砂輪磨損量的影響程度和規(guī)律。

1試驗方法

采用小砂輪軸向緩進(jìn)給磨削技術(shù)完成Si3N4陶瓷的外圓表面加工。機(jī)床采用FANUC BV75立式加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)為：主軸功率為15 kW，最高轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，定位精度≤0.016 mm,工作臺伺服電機(jī)功率為7 kW，最大進(jìn)給速度為15 m/min。圖1為試驗用小砂輪結(jié)構(gòu)，主要由砂輪柄、砂輪體和砂輪磨頭組成；砂輪體的外徑為20 mm，內(nèi)徑為14 mm；基體材料為45號鋼，砂輪磨頭表面為燒結(jié)金剛石層；砂輪體上可開有通槽，提高排屑能力和冷卻效果。使用Si3N4陶瓷工件材料，規(guī)格60 mm×φ26 mm，密度ρ=3.21 g/cm3，硬度HRA=90，彈性模量E=295 GPa，斷裂韌性KIC=4.7 MPa·m1/2。

圖1　小砂輪結(jié)構(gòu)

采用愛國者GE-5光學(xué)顯微鏡將砂輪磨損表面放大180倍，用于觀察砂輪表面的磨粒和結(jié)合劑的磨損、脫落情況；采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Nova NanoSEM 450/650型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察Si3N4陶瓷已加工表面形貌和斷面形貌；選用百靈天平儀器有限公司生產(chǎn)的LA204型電子分析天平測量砂輪的磨損質(zhì)量，其測量精度為0.1 mg。

2結(jié)果與分析

2.1形貌分析

砂輪磨損[6-7]起源于磨粒壓入工件表層后引起的彈/塑性變形，持續(xù)動態(tài)的劃擦、耕犁過程，以及結(jié)合劑與工件表面之間摩擦作用。圖2是砂輪轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、工件轉(zhuǎn)速為200 r/min、磨削深度為2 mm時，Si3N4陶瓷工件在軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工后的表面顯微形貌。

圖2　已加工表面形貌

由圖2可以看出：Si3N4陶瓷加工表面存在顯著的脆斷區(qū)和玻璃相涂敷層，玻璃相熔融涂敷區(qū)存在塑性溝槽和塑性去除痕跡。脆性斷裂通?？赡軙嬖诰ЯＮ⑵扑?、沿晶斷裂和解理斷裂等情況。玻璃相涂敷層的顯著存在說明了砂輪與陶瓷材料發(fā)生持續(xù)動態(tài)的機(jī)械劃擦、耕犁等機(jī)械磨損，以及高溫材質(zhì)塑性流動使磨粒更容易發(fā)生粘結(jié)磨損和熱化學(xué)反應(yīng)。砂輪磨粒之間存在的陶瓷細(xì)屑也會與磨粒進(jìn)行相互摩擦，使磨粒更容易發(fā)生微破碎。圖3為相同條件下軸向大切深緩進(jìn)給磨削的斷面形貌。

圖3　斷面形貌

由圖3可知：1)變質(zhì)層存在部分非晶層、微晶層或碎晶層，表層碎晶在加工過程中被擠入晶界后使玻璃相析出到表面； 2)結(jié)構(gòu)疏松的變質(zhì)層和基體之間存在明顯的分界線，變質(zhì)層的厚度大約在20～50 μm之間；3)變質(zhì)層和分界線部位存在微裂紋等缺陷，然而基體卻沒有發(fā)現(xiàn)裂紋存在，因此基體材料的力學(xué)性能不會受到破壞。

2.2砂輪磨損分析

由于小砂輪磨粒與工件表面的摩擦作用、磨粒與磨削區(qū)的化學(xué)反應(yīng)，磨粒磨削刃逐漸磨鈍、變平、碎裂，甚至直接從砂輪表面脫落[8]。小砂輪圓周面、端面和拐角處3個切削區(qū)域的磨損狀況如圖4所示。由圖4(a)可知：小砂輪圓周面存在少量的結(jié)合劑磨損和磨粒破碎。其原因為：小砂輪圓周面主要起到修磨已加工表面的作用，結(jié)合劑和磨粒主要在摩擦力的作用下發(fā)生摩擦磨損，導(dǎo)致較輕的結(jié)合劑脫落和磨粒磨鈍、碎裂。由圖4(b)可知：小砂輪端面的磨粒和結(jié)合劑都發(fā)生了相對嚴(yán)重的磨損。其原因為：小砂輪端面是導(dǎo)致材料去除的主磨削區(qū)，承受了主要的摩擦力和擠壓力作用，且與冷卻液不能充分接觸，容易引起熱量累積而產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。由圖4(c)可知：砂輪拐角不僅存在磨粒磨損和結(jié)合劑磨損，且存在磨粒大面積脫落狀況。其原因為：小砂輪拐角處磨粒與結(jié)合劑的結(jié)合力相對較小，導(dǎo)致磨粒最容易脫落；此外，拐角處起到過渡磨削區(qū)作用，承受了復(fù)雜的磨削力與相對較高的磨削溫度，導(dǎo)致磨粒受到熱化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械磨損的綜合作用。

圖4　小砂輪圓周面、端面和拐角處等表面磨損形貌

小砂輪軸向緩進(jìn)給磨削加工過程采用表1中16組正交試驗的磨削參數(shù)條件，在冷卻液的充分冷卻作用下，以軸向進(jìn)給磨削行程30 mm后的砂輪磨損量為評價指標(biāo)進(jìn)行分析，且通過求每組磨削參數(shù)下的3次試驗結(jié)果的平均值作為最終砂輪磨損量。由表1可知：1)第3、4組試驗的砂輪磨損最嚴(yán)重，砂輪質(zhì)量磨損量分別多達(dá)106、121.8 mg；2)在第1組試驗條件下，即砂輪速度為5 500 r/min、磨削深度為0.5 mm、工件轉(zhuǎn)速為150 r/min、工件進(jìn)給速度為150 mm/min時，砂輪磨損最小，質(zhì)量磨損量僅為51.4 mg；3)相對于其他各組參數(shù)下，在磨削深度為0.5 mm時砂輪磨損量最小，可知磨削深度對砂輪磨損量起到最顯著性作用。此外，可采用方差比F值表征砂輪轉(zhuǎn)速、磨削深度、工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度分別對砂輪磨損量影響的顯著水平，通過求解得到這4個因素的方差比F值依次為3.672、9.288、1.339、7.263。工件轉(zhuǎn)速和砂輪轉(zhuǎn)速對砂輪磨損作用不顯著，進(jìn)給速度的作用較為顯著，磨削深度的作用最為顯著。

依據(jù)表1中砂輪磨損量均值計算結(jié)果，可繪制平均砂輪磨損量隨磨削參數(shù)的變化關(guān)系，如圖5所示。由圖5(a)可知：隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大，砂輪磨損量逐漸減少。其原因為：砂輪轉(zhuǎn)速越大，單位時間參與磨削作用的磨粒數(shù)越多，導(dǎo)致單顆磨粒的未變形切屑厚度越小，單顆磨粒承受的磨削力作用將減少，磨粒和結(jié)合劑的磨損、脫落程度逐漸減弱。由圖5(b)可知：隨著磨削深度的增大，砂輪磨損量增大。其原因為：隨著磨削深度的增大，砂輪與工件的接觸弧長、單顆磨粒的未變形切屑厚度均增大，導(dǎo)致磨削溫度升高，磨粒遭受的熱化學(xué)耗損和機(jī)械摩擦耗損嚴(yán)重。由圖5(c)可知：隨著工件轉(zhuǎn)速的增大，砂輪磨損量增大。其原因為：工件轉(zhuǎn)速增大，導(dǎo)致砂輪磨粒的每轉(zhuǎn)磨削深度增大，砂輪與工件的接觸寬度增加，磨粒和結(jié)合劑的磨損次數(shù)增加。由圖5(d)可知：隨著工件進(jìn)給速度的增大，砂輪磨損量增大。其原因為：工件進(jìn)給速度增大，導(dǎo)致砂輪磨粒的每轉(zhuǎn)磨削深度增大，單位時間內(nèi)材料去除量增多，進(jìn)而磨削力和磨削能增大，磨粒和結(jié)合劑磨損嚴(yán)重。綜上所述，為減輕砂輪磨損，應(yīng)該在減小磨削深度的基礎(chǔ)上，盡量減小進(jìn)給速度和工件轉(zhuǎn)速，同時適當(dāng)提升砂輪轉(zhuǎn)速。

表1　砂輪磨損的正交試驗分析

圖5　平均砂輪磨損量隨4個磨削參數(shù)的變化關(guān)系

3結(jié)論

1) 分析了Si3N4陶瓷工件的已加工表面形貌和斷面形貌。變質(zhì)層與基體存在明顯的分界線，變質(zhì)層存在非晶層和碎晶層現(xiàn)象，基體卻未發(fā)現(xiàn)加工缺陷。小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削技術(shù)除了以脆性斷裂為主要方式去除外，還存在玻璃相熔融涂敷的塑性去除痕跡。通過表面微觀形貌觀察可發(fā)現(xiàn)，砂輪與工件之間存在機(jī)械磨損、粘結(jié)磨損、熱化學(xué)反應(yīng)等磨損形式。

2) 分析了小砂輪的磨損形式和磨損規(guī)律。小砂輪3個切削區(qū)域在磨削過程中的主要作用不同，所以存在的結(jié)合劑磨損和磨粒磨損的狀況也不同。磨削深度、進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速對砂輪磨損的影響依次減弱。通過在盡量選擇較小的磨削深度基礎(chǔ)上，減小進(jìn)給速度和工件轉(zhuǎn)速，適當(dāng)提升砂輪轉(zhuǎn)速，可減輕砂輪磨損。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Wear Characteristics Study of Axial Deep Creep-feed Grinding with Small Grinding Wheel

TIAN Xin-li, WANG Long, GUO Fang, WANG Wang-long, LEI Lei

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：To explore the unique wear characteristics and mechanism of axial deep creep-feed grinding with small grinding wheel, it studies the wear condition of grinding wheel, machined surface and section micro topography. It shows that there are some plastic removal traces on the machined surface of Si3N4 ceramics. In addition to the presence of crack defects in the surface layer thickness of 20-50 μm, there is no crack in the base material. Wear characteristics of the friction wear, grain chipping and bond broken in the main cutting area, transitional cutting chip area and the grinding zone of the small grinding wheel are different. With the increase of the grinding depth, workpiece speed and feed rate, the grinding wheel wear increases. With the increase of the grinding wheel speed,the grinding wheel wear decreases. The influence of grinding depth is the most significant.

Key words:engineering ceramics; small grinding wheel; axial deep creep-feed grinding; wear characte-ristics

文章編號：1672-1497(2016)01-0087-05

收稿日期：2015-11-16

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51475474)

作者簡介：田欣利(1956-)，男，教授，博士。

中圖分類號：TG580

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.017