吳玉厚，王 浩，李頌華,，王 賀，孫 健，王定文

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110168； 2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168)

1 引 言

工程陶瓷因?yàn)橛捕雀?、?qiáng)度高、耐磨損和耐腐蝕等良好性能被廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)中[1]。磨削目前是其主要的加工方式，而在磨削加工中，磨削力與溫度是衡量陶瓷材料加工性的主要過程參量。由于陶瓷材料自身的硬脆特性，磨削力比大，是金屬的5～10倍[2]。磨削加工中法向磨削力對(duì)材料的表面與亞表面損傷存在很大影響，切向磨削力則對(duì)磨削區(qū)能量的消耗與磨削熱特性起決定性作用，是分析磨削溫度的主要參數(shù)。此外，磨削力還對(duì)電主軸系統(tǒng)的耦合特性、金剛石砂輪的磨損以及工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響[3]，進(jìn)而影響加工后零件的質(zhì)量與性能。在磨削區(qū)中，磨削功率大且絕大多數(shù)都以熱的形成進(jìn)行轉(zhuǎn)化，一方面溫度過高會(huì)對(duì)陶瓷的表面質(zhì)量、加工精度、加工效率、殘余應(yīng)力以及砂輪性能(磨損、碳化)等產(chǎn)生很大影響；另一方面適當(dāng)?shù)臏囟葧?huì)促使陶瓷材料的塑性變形，提高加工后表面質(zhì)量(粗糙度值小)[4]。此外，陶瓷因?yàn)閷?dǎo)熱率較低，其抗熱沖擊性能差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在磨削表面形成燒傷和熱裂紋，極大影響其使用壽命與強(qiáng)度。所以研究磨削力與溫度對(duì)陶瓷磨削機(jī)理、加工性能和表面完整性有重要意義。

在過去幾年里，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶瓷的磨削力與磨削溫度進(jìn)行了研究。韓濤等[5]采用正交實(shí)驗(yàn)法探究干/濕磨下磨削參數(shù)對(duì)HIPSN陶瓷磨削力的影響。楊緒啟等[6]采用正交實(shí)驗(yàn)法探究了在切槽-推磨復(fù)合式加工下磨削碳化硅時(shí)磨削參數(shù)對(duì)單顆磨粒平均磨削力的影響。Dai等[7]設(shè)計(jì)了具有固定速度比vs/vw的單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)，探究隨著磨削速度的增加，磨削力與比磨削能對(duì)陶瓷材料去除機(jī)制的影響。張珂等[8]對(duì)氧化鋯陶瓷進(jìn)行平面磨削溫度的研究，采用熱電偶測(cè)溫法通過ABAQUS仿真與實(shí)驗(yàn)得出磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度和磨削熱分配比的影響。Wu等[9]采用NI-DAQ可磨熱電偶技術(shù)來測(cè)量碳化硅陶瓷的高速磨削溫度特性，得出一個(gè)新的溫度分配模型，后通過分子動(dòng)力學(xué)仿真來驗(yàn)證其模型對(duì)機(jī)械加工時(shí)的影響。尹國(guó)強(qiáng)等[10]采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)新型點(diǎn)磨砂輪進(jìn)行探究，研究磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響，得出點(diǎn)磨削偏角和粗磨削區(qū)傾角對(duì)磨削溫度和表面質(zhì)量的影響。以上眾多研究表明研究陶瓷磨削力與溫度對(duì)陶瓷去除機(jī)理和加工特性有重要意義，但以往只是從單方面對(duì)力或者溫度進(jìn)行研究，因此本文在以往研究的基礎(chǔ)上將磨削力與溫度有效地結(jié)合起來，探究磨削參數(shù)對(duì)磨削力與溫度的影響以及力與溫度對(duì)表面成形的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 設(shè)備與方案

實(shí)驗(yàn)試件為先將兩塊尺寸為20 mm×20 mm ×10 mm的熱等靜壓氮化硅陶瓷塊的20 mm×20 mm面研磨拋光后，再將特制的超薄K型熱電偶夾片放入兩個(gè)拋光面之間，用耐高溫和導(dǎo)熱性好的云石膠固定24 h后裝夾，平面力與溫度的測(cè)量采用Kistler9257B三向平面測(cè)力儀和K型熱電偶多通路測(cè)溫儀，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)在由德國(guó)柯爾柏斯來福臨生產(chǎn)制造的BLOHM Orbit 36精密平面磨床上進(jìn)行，采用樹脂結(jié)合劑砂輪(D91)進(jìn)行磨削，磨床與砂輪的性能指標(biāo)如表1和表2所示，檢測(cè)磨削表面形貌為S-4800冷場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡(SEM)。在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整磨削參數(shù)的大小來研究其對(duì)磨削力與磨削溫度的影響，為提高效率，使用三因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。本實(shí)驗(yàn)在濕磨下進(jìn)行，采用逆磨的方式。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of experimental device

表1 BLOHM Orbit 36平面磨床指標(biāo)Table 1 BLOHM Orbit 36 surface grinder index

Spindle power/kWMaximum rotating speed/(r·min-1)Wheel maximum speed/(m·s-1)Minimum resolution/mm8.55000500.001

表2 金剛石砂輪指標(biāo)Table 2 Diamond wheel index

表3 正交實(shí)驗(yàn)表Table 3 Orthogonal experimental table

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過16組正交實(shí)驗(yàn)得出不同磨削參數(shù)下磨削溫度與磨削力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4與表5所示。由表5的正交回應(yīng)表可知：磨削深度對(duì)磨削溫度的影響最大，砂輪線速度次之，工件進(jìn)給速度最??；磨削深度對(duì)磨削力的影響最大，工件進(jìn)給速度次之，砂輪線速度最小。此外，比磨削能也是磨削理論中一個(gè)重要概念，是評(píng)價(jià)磨削過程中能量損耗的一個(gè)重要指標(biāo)，是指磨削過程中單位體積材料所消耗的能量[11]，如式(1)所示，式中e為比磨削能，F(xiàn)t為切向磨削力，vs為砂輪線速度，b為砂輪寬度，取20 mm，ap為磨削深度，vw為工件進(jìn)給速度。而比磨削能與磨削力、磨削參數(shù)、磨削時(shí)所產(chǎn)生的熱量和砂輪屬性都存在關(guān)系，因此在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過計(jì)算得出不同參數(shù)下比磨削能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同樣展示在表4與表5中。由表5可知：工件進(jìn)給速度對(duì)比磨削能影響最大，磨削深度次之，砂輪線速度最小。

(1)

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experiment results

表5 正交實(shí)驗(yàn)回應(yīng)表Table 5 Orthogonal experiment response table

3 結(jié)果與討論

3.1 磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度影響

將正交實(shí)驗(yàn)表4～5中的數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖2～4所示。由圖2(a)可知，當(dāng)砂輪線速度由30 m/s增加到45 m/s，磨削溫度由268 ℃增加到370.5 ℃。這是因?yàn)樯拜喚€速度的提高使得在單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)增加，磨削功率增加。另外當(dāng)砂輪線速度增加到一定程度后會(huì)在磨削區(qū)周圍形成空氣氣障，阻礙磨削液的進(jìn)入，進(jìn)而導(dǎo)致磨削區(qū)溫度升高[12]。由圖2(b)可知，磨削深度由5 μm增加到35 μm，磨削溫度由77.75 ℃增加到593 ℃，這是因?yàn)槟ハ魃疃仍黾雍蠼佑|弧長(zhǎng)增大，砂輪與工件作用路徑增長(zhǎng)，磨削區(qū)的熱流密度也隨之增加。由圖2(c)可知，當(dāng)工件進(jìn)給速度由1000 mm/min增加到7000 mm/min，磨削溫度先由352.25 ℃降低到308 ℃，后增加到325.75 ℃。這是因?yàn)楣ぜM(jìn)給速度增大，單位面積上參與磨削的有效磨粒數(shù)增加，并且金剛石砂輪的導(dǎo)熱性要優(yōu)于陶瓷，在較小的熱源作用時(shí)間下大部分熱被傳入砂輪中，因此磨削溫度降低，而后隨著進(jìn)給速度繼續(xù)增加，單位面積上單顆金剛石磨粒的磨削厚度繼續(xù)增大，使磨削能和熱量分配比增加明顯，大量的熱量來不及傳入砂輪并且聚集在磨削表面，導(dǎo)致磨削溫度急劇升高，因此溫度先降低后增加。

圖2 磨削參數(shù)與磨削溫度曲線Fig.2 Curves of grinding parameters and grinding temperatures

3.2 磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響

由圖3(a)可知，當(dāng)砂輪速度由30 m/s增加到45 m/s，法向磨削力由241.4 N減小到185.3 N、切向磨削力由83.5 N減小到58 N，主要原因是磨削速度增加，砂輪上磨粒的實(shí)際切削厚度減小，降低了每個(gè)磨粒的切削力，所以整體磨削力都降低。另外，由于磨削速度增大，磨削溫度升高，進(jìn)而提高了氮化硅材料的斷裂韌性，增加的塑性變形，磨削力降低。由圖3(b)可知，當(dāng)磨削深度由5 μm增加到35 μm，法向磨削力由178.15 N增加到274.6 N、切向磨削力由40.88 N增加到115 N，出現(xiàn)此現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)磨削深度較小時(shí)，最大未變形切削厚度小于陶瓷材料發(fā)生延脆性去除轉(zhuǎn)變的臨界切深，氮化硅陶瓷實(shí)現(xiàn)以塑性變形為主的磨削過程，法向磨削力與切向磨削力均很小，當(dāng)增大磨削深度，磨削過程中參與磨削的有效磨粒數(shù)增多，同時(shí)接觸弧長(zhǎng)增大，磨削力增大，且變化幅度較大。由圖3(c)可知，隨著工件進(jìn)給速度由1000 mm/min增加到7000 mm/min，法向磨削力由185.13 N增加到256 N、切向磨削力由47.48 N增加到91.08 N。主要原因是當(dāng)工件進(jìn)給速度較小時(shí)，磨削時(shí)主要以塑性變形的去除方式為主，隨著進(jìn)給速度的繼續(xù)增加，磨粒的實(shí)際磨削深度增加，磨削過程由塑性變形的去除方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训娜コ绞?，因此磨削力增大?/p>

圖3 磨削參數(shù)與磨削力曲線Fig.3 Curves of grinding parameters and grinding force

3.3 磨削參數(shù)對(duì)比磨削能影響

在氮化硅等工程陶瓷的磨削過程中，比磨削能主要由三部分構(gòu)成：裂紋擴(kuò)展形成新表面的能量；工件顯微塑性變形所產(chǎn)生的剪切能量；磨屑形成過程中磨粒和切屑之間的摩擦功[13]。由圖4可知：分別在砂輪線速度減小，磨削深度增大，工件進(jìn)給速度增大的三種情況下，磨削時(shí)的比磨削能減小。為進(jìn)一步探究比磨削能變化原因，對(duì)磨削后的表面進(jìn)行微觀形貌檢測(cè)，分別對(duì)六組參數(shù)下的加工后表面進(jìn)行檢測(cè)，如圖5至圖7所示。由圖5至圖7可知：當(dāng)分別在砂輪速度較低，磨削深度較大，工件進(jìn)給速度較大的三種情況下，表面脆性剝落痕跡較多，主要是以脆性斷裂的去除為主，此時(shí)比磨削能較小。當(dāng)分別在砂輪速度較大，磨削深度較小，工件進(jìn)給速度較小時(shí)，表面塑性溝槽與塑性變形痕跡較多，以塑性變形的方式去除，此時(shí)比磨削能較大。此外，由陶瓷材料的去除機(jī)理可知，當(dāng)磨削時(shí)最大未變形切削厚度(公式(2))小于產(chǎn)生裂紋的臨界切深，即陶瓷材料實(shí)現(xiàn)延性和脆性去除轉(zhuǎn)變的臨界切深(公式(3))時(shí)，陶瓷材料將實(shí)現(xiàn)延性域磨削[14]。

圖4 磨削參數(shù)與比磨削能曲線Fig.4 Curves of grinding parameters and specific grinding energy

(2)

(3)

公式(2)中，Ns為單位面積有效磨粒數(shù)，α為未變形切屑橫斷面半角，一般取值68°，ds為砂輪直徑。公式(3)中，β為砂輪常數(shù)，E為材料彈性模量，H為材料硬度，KIC為材料斷裂韌性。由公式(2)可知，當(dāng)工件進(jìn)給速度減小，砂輪線速度增大，磨削深度減小時(shí)，最大未變形厚度hmax減小，未超過發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界切深hc，磨削表面以塑性變形的去除方式為主，此時(shí)比磨削能較大；反之hmax增大，當(dāng)超過臨界切深hc時(shí)，材料以脆性斷裂的去除方式為主，此時(shí)比磨削能較小。因此，陶瓷材料在以塑性變形的去除方式為主時(shí)，比磨削能較大、磨削力較低；以脆性斷裂的去除方式為主時(shí)，比磨削能較小、磨削力較大，而磨削溫度過高導(dǎo)致了表面燒傷與微裂紋的產(chǎn)生，還加劇了砂輪的磨損，但是在一定的溫度范圍內(nèi)表面塑性變形增加，表面質(zhì)量得以提升。

圖5 不同砂輪速度下SEM圖(ap=15 μm, vw=3000 mm/min)Fig.5 SEM images of different wheel speed (ap=15 μm, vw=3000 mm/min)

圖6 不同磨削深度下SEM圖(vs=35 m/s, vw=3000 mm/min)Fig.6 SEM images of different grinding depth (vs=35 m/s, vw=3000 mm/min)

圖7 不同工件進(jìn)給速度下SEM圖(vs=35 m/s, ap=15 μm)Fig.7 SEM images of different workpiece feed rate (vs=35 m/s, ap=15 μm)

4 結(jié) 論

通過對(duì)磨削實(shí)驗(yàn)中的磨削力、磨削溫度、比磨削能以及表面形貌的分析，得出以下結(jié)論：

(1)磨削力與磨削深度和工件進(jìn)給速度呈正相關(guān)、與砂輪線速度成負(fù)相關(guān)。且磨削深度對(duì)磨削力影響最大，工件進(jìn)給速度次之，砂輪線速度最小。過大的磨削力會(huì)導(dǎo)致比磨削能變小，表面質(zhì)量變差。

(2)磨削溫度與磨削深度和砂輪線速度呈正相關(guān)，與工件進(jìn)給速度先呈負(fù)相關(guān)，到3000 mm/min后呈正相關(guān)。且磨削深度對(duì)磨削溫度影響最大，砂輪線速度次之，工件進(jìn)給速度最小。

(3)比磨削能與磨削深度和工件進(jìn)給速度呈負(fù)相關(guān)，與砂輪線速度成正相關(guān)。且工件進(jìn)給速度對(duì)比磨削能影響最大，磨削深度次之，砂輪線速度最小。當(dāng)材料以塑性變形的方式去除時(shí)，比磨削能較大，當(dāng)以脆性斷裂的方式去除時(shí)，比磨削能較小。

(4)為增加表面塑性變形、提高表面質(zhì)量與加工效率、適當(dāng)控制磨削力與溫度，在加工時(shí)盡可能選擇小切深(5～15 μm)和較緩的工件進(jìn)給速度(2000～3000 mm/min)，并且可以適當(dāng)?shù)奶岣呱拜喚€速度(35～45 m/s)。