楊文濤

(晶日金剛石復合材料有限公司，河北 三河 065201)

0 前言

金剛石是迄今為止發(fā)現并廣泛應用的最硬材料，具有硬度高、耐磨性好等特點，金剛石復合片是通過金剛石粉和硬質合金基體在高溫高壓的合成條件下燒結而成的復合材料，近些年來金剛石復合片作為超硬材料，由于其具有硬度高、耐磨性好的特點，在各個領域的應用越來越廣泛，同時給它本身的磨削加工增加了許多難度，特別是近年來石油開采行業(yè)冷鑲工藝的擴大應用對復合片的外圓磨削精度提出了更高的要求。外圓磨削常用的磨削設備有外圓磨床和無心磨床等設備，由于復合片生產量猛增和金剛石砂輪技術的完善，各個廠家已經幾乎全部由外圓磨床磨削轉移到無心磨床上磨削。

而實際生產中會出現各種磨削缺陷，如外圓尺寸超差、出現錐度、垂直度、圓柱度等形位公差超差和表面粗糙度值超差等問題。這些問題往往一時無法解決，要結合現場生產經驗和進行理論分析，提出相應的解決辦法，以供實操人員參考。

1 金剛石復合片的磨削性能特殊性

表1為幾種材料磨削加工技術性能指標對比。

表1 幾種材料相關磨削技術性能比較

從表1中可以看出，金剛石復合片各項指標都是僅次于天然金剛石。用金剛石砂輪進行復合片磨削時，砂輪上的金剛石磨粒與復合片的物理作用實際上是兩種硬度、性質相近的物質之間的相互作用，與常規(guī)材料的磨削過程具有本質差別，其磨削機理與工藝的特殊性對砂輪性能的選擇很關鍵。

由于樹脂結合劑的磨削時磨削力小，富有彈性但耐磨性較差，不能大進刀磨削；金屬結合劑的剛性好，壽命長，但鋒利度差切不易出刃，產生的磨削熱對復合片內部應力損傷較大，也不能大進刀磨削；陶瓷結合劑的剛性強，耐熱性、耐腐蝕性好，不易堵塞和發(fā)熱，磨削效率高，適合大進刀，綜合比較而言陶瓷結合劑的金剛石砂輪綜合性能最優(yōu)越。

2 金剛石復合片磨削的磨削機理

無心磨床磨削復合片全部都采用貫穿磨的磨削方式。根據復合片的直徑，依據表2選擇合適厚度和寬度的托板，然后根據設備操作規(guī)程要求進行磨削前機床調整，調整前后導板和砂輪及導輪的相對位置保證復合片可以順利無阻從進口到出口通過。本文數據全部以無錫機床廠MT1040A 無心磨為例說明。復合片外形為短圓柱狀或圓片狀，對于長徑比大于1的磨削時復合片能夠自由通過磨削區(qū)；由于長徑比小于1的復合片重心高運動不穩(wěn)定，很難自由通過磨削區(qū)，必須使用特殊工裝防止復合片傾倒才能自由通過磨削區(qū)，對于長徑比小于0.1的復合片不宜使用無心磨加工。

表2 砂輪回轉中心距基面距離190 mm時不同復合片中心高、托板選擇和調整參數

如圖1所示為工作原理，復合片在砂輪、導輪和托板的接觸點形成的圓內，砂輪固定通過如圖1導輪進刀方向的移動，減小成圓面積，從而實現磨削余量的去除。復合片的運動是如圖示各向力作用的結果。磨削時復合片主要受砂輪磨削產生的法相分力F1和切向分力F2，導輪帶動復合片轉動的法向分力F3和切向分力F4，以及由于沿導輪軸線的傾角形成的軸向分力F0，托板對復合片法向分力F5和阻礙復合片轉動的切向分力F6和自身重力G。各法向分力F1、F3、F5和重力G的平衡使復合片隨時和砂輪、導輪、托板同時接觸，切向分力F2、F4克服摩擦阻力F6在力和力矩作用下保證復合片在磨削區(qū)正常轉動，在導輪軸向分力F0作用下順利通過磨削區(qū)實現余量去除，軸向分力F0的產生比較復雜，是由F1、F2、F3、F4、F5、F6、G及它們對復合片產生的力矩作用的綜合結果，主要作用力是F3和F4在軸向對復合片產生的分力，在導輪轉速和進刀量固定情況下，分力大小決定復合片運動加速度變化大小，而分力隨α(α為導輪在垂直面的傾斜角)增大而增大，復合片通過磨削區(qū)的速度越快，時間越短。復合片外圓工序工藝安排為粗磨-半精磨-精磨三道工序。

圖1 工作原理圖

復合片的金剛石層是金剛石顆粒以D-D鍵重新形成化學鍵，鍵能高，通過掃描電鏡分析表明，復合片金剛石層的去除主要是通過砂輪磨削時的磨粒沖擊的機械破碎的物理去除和瞬間摩擦產生局部高溫的金剛石碳化的化學去除兩種方式。復合片在磨削時進刀量大,產生的熱量會導致接觸面瞬間積蓄較大的熱應力，從而引起金剛石表層化學鍵的撕裂磨除，瞬間局部溫度能夠達到1 100 ℃以上，在冷卻不充分時會造成碳化燒傷。

以下使用同批1308復合片(規(guī)格Φ14 mm×9 mm，金剛石層厚度2.2 mm，最終尺寸Φ13.44 mm×8.0 mm)進行磨削力數據測試，磨削過程中用測力儀Kistler測量磨削力，砂輪規(guī)格直徑Φ350 mm×125 mm(寬度)×10 mm(砂輪工作層厚度)，水基磨削液冷卻。

在不同金剛石主粒度的砂輪、不同進刀量條件下測量砂輪對復合片法向推力和切向磨削力的變化，分析法向推力和切向磨削力的變化趨勢。在砂輪和導輪轉速固定的前提下，金剛石砂輪磨削加工復合片時，隨著每次進刀量的增加，砂輪的法向推力和切向磨削力均呈線性增大如圖2所示。當進刀量固定時隨著復合片在無心磨的磨削區(qū)通過時，由于去除余量由大到小是從磨削去除到外形直徑修整的過程，砂輪法向推力和切向磨削力又是呈線性減小的過程如圖3所示。不同金剛石主粒度不同進刀量法向推力和切向磨削力的變化趨勢如圖2、圖4、圖5所示。

圖2 砂輪金剛石主粒度140～170目加大進刀量

圖3 砂輪金剛石主粒度140～170目固定進刀量0.06 mm/次

圖4 砂輪金剛石主粒度200～240目加大進刀量

圖5 砂輪金剛石主粒度325～400加大進刀量

在測試中得出同一主粒度的砂輪磨削時法向推力小于切向磨削力，進刀量越大法向推力和切向磨削力越大，超過一定數值發(fā)生急劇變化；不同主粒度的砂輪同樣進刀量時主粒度越細法向推力和切向磨削力越大。同一砂輪一個磨削過程中隨著磨削余量的逐漸減小法向推力和切向磨削力也逐漸減小。磨削過程就是切向磨削力的控制過程，不同工序主要控制進刀量的過程。

3 粗磨過程中的缺陷及解決對策

3.1 粗磨工序要求及砂輪指標要求

粗磨工序要求是磨削余量的大量去除，尺寸精度ΦD±0.03 mm，粗糙度Ra0.6 μm。磨削余量范圍在0.8～2.2 mm，一般開始磨削時每次進刀量控制在0.1～0.3 mm之間，且對砂輪綜合性能要求很高。粗磨陶瓷結合劑砂輪的金剛石主粒度選擇140～170目，金剛石濃度控制在220%以上，抗彎強度80 MPa。這樣的砂輪金剛石把持力高，兼具鋒利和高壽命的特點，既可以提高效率又能保證復合片外觀效果達到要求。本工序是磨削余量大量去除，砂輪消耗較大，砂輪鋒利度和壽命的最佳匹配是控制磨削成本和影響產品內在質量的關鍵工序。

3.2 粗磨時易產生的缺陷

粗磨時的大余量材料去除，對外形尺寸及形狀要求低，進刀量較大，在粗磨時易出現磨削缺陷，同一批次尺寸分散性過大、劃傷、燒傷、出現錐度和外圓和端面的垂直度超差、直線度超差、圓度圓柱度不良、復合片跳動飛出等缺陷。

3.3 粗磨缺陷控制措施

在粗磨時缺陷出現的主要原因是設備調整不到位、選擇砂輪性能參數不合理和單次進刀量大造成的。而設備調整包括中心高、導輪傾斜角、進出口擋板位置不正確等。中心高的選擇可以參照表2和經驗公式

式中，γ為切向角度，推薦6～8°；DR為導輪直徑實際測量值，mm；DS為砂輪直徑實際測量值，mm；d為工件直徑實際測量值，mm。表2為導輪直徑250 mm、砂輪直徑350 mm時h的計算值范圍。實際中心高高于參考值容易使復合片磨削不穩(wěn)甚至在托板上跳動，直至飛出傷人；低于參考值圓度不好，呈橢圓或者棱圓，托板急劇磨損，合理的中心高能夠保證復合片磨削順暢和圓柱度等公差要求。導輪傾斜角α是產生復合片向前運動直線速度變化的直接因素，參考值0～6°(靠近送料進口高遠端低)，進刀量和導輪轉速固定時,α角度越大復合片通過磨削區(qū)速度越快，復合片外觀越差；反之速度越慢，外觀越好。在進刀量和導輪轉速固定情況下，當α角度超過2.5°時，磨削時復合片由于法向分力F1、F3、F5和重力G的力平衡遭到破壞，∑F垂直>G(∑F垂直是F1、F3、F5在豎直方向分力合力)，開始產生跳動，α越大跳到越劇烈，嚴重時會造成復合片從磨削區(qū)飛出，雖可以減小進刀量和導輪轉速避免產生工件跳動，但這樣做的結果是影響磨削效率，根據粗磨工序要求，在滿足基本外觀磨削精度要求和兼顧磨削效率的同時，建議粗磨α最大取2.5°,基本能夠避免產生跳動又不影響磨削效率。導輪轉速根據復合片外徑尺寸大小調整范圍是60～100 r/min。前后導板是輔助復合片進出磨削區(qū)的作用，特別是靠近導輪的前后導板和導輪外圓的相對位置的調整好壞直接影響復合片外圓直線度、垂直度、出現錐度以及劃傷缺陷的形成。

由于合成后的復合片外形是不規(guī)則的，對于粗磨要使用特殊夾具強制復合片正常通過磨削區(qū)不飛出，特別是長徑比小于0.5的復合片，由于容易傾倒,更要注意夾具間隙的調整能夠防止復合片不受控制飛出。特別是大的進刀量，由于磨削力非常大，復合片運動不好控制。長徑比越小的復合片磨削時更要降低導輪速度、進刀量及使用特殊夾具，夾具的制作要根據復合片大小制作，復合片上部前后間隙過小影響復合片正常旋轉，間隙過大復合片容易飛出起不到壓料作用。夾具上部和前后與復合片間隙量要控制在0.5±0.1 mm較好，既能夠保證復合片正常旋轉通過又能避免傾倒。

對于長徑比小于0.3的復合片磨削，每次進刀量不能超過0.06 mm，一旦出現垂直度超差時不能再進刀，要保證夾具拖動方向和托板平行，在工作區(qū)內強制前后拖動，在砂輪磨削區(qū)內強制復合片拖動方向和托板平行，保證復合片端面和外圓的垂直度，將因復合片傾斜造成的橢圓狀而多余的部分逐漸去除成圓，直到前后拖動時沒有磨削聲音，再小量進刀，直到糾正好再正常加工。

4 半精磨過程中的缺陷及解決對策

4.1 半精磨工序要求及砂輪指標要求

半精磨工序最關鍵，目的是整形、保證尺寸精度、直線度、外形圓度、圓柱度和一定的粗糙度精度，要求尺寸精度ΦD±0.015 mm，粗糙度Ra0.1 μm。半精磨時要求復合片的磨削余量為0.1～0.2 mm，陶瓷結合劑的砂輪金剛石主粒度控制在200～240 目，金剛石濃度控制在210%左右，抗彎強度80 MPa，鋒利度要好。

4.2 半精磨時易產生的缺陷

半精磨工序磨削余量比較小，一般在0.2～0.3 mm，每次進刀量不超過0.02 mm，易出現粗磨時的不明顯缺陷和一些因工序要求高的特殊缺陷，如：外圓斑塊、表面振紋、軸向及徑向亮線等外觀缺陷。

4.3 半精磨磨削缺陷控制措施

半精磨工序剩余磨削余量不大，每次進刀量0.005～0.02 mm，在遵從設備正確調整磨削中心高和導板正確進出口位置調整的前提下，導輪傾斜角α一般不超過粗磨導輪傾斜角角度，一般建議選2°，太小也影響效率，導輪轉速低于粗磨，根據復合片外徑尺寸大小調整范圍是30～60 r/min。特別要強調振動問題是本工序缺陷產生的根本原因，包括機床系統(tǒng)振動、砂輪動平衡差產生的離心力及因托板強度差產生的振動；還有砂輪、導輪修整圓度不夠磨削復合片外圓圓度不夠造成精磨時無法順利進行的不易發(fā)現的外觀真圓度缺陷。本工序要求機床砂輪和導輪主軸回轉精度高(空載跳動<0.005 mm)，安裝地基穩(wěn)固有減振槽，傳動皮帶松緊一致，砂輪在修整、平衡后，用改裝在線測量基恩士LJ-X8400型3D線激光測量儀測量徑向跳動誤差小于0.013 mm，圓度誤差小于0.012 mm，用杭州集智機電股份有限公司H3/30型動平衡儀測試砂輪動平衡不平衡量小于5 g范圍,能夠保證達到設備正常磨削要求，導輪不做動平衡，但必須要保證各同一截圓修圓，否則容易因為導輪圓度不夠產生斑塊、振紋及圓度超差。其次，磨削液太臟也是重要影響因素，多增加一道以上冷卻液過濾系統(tǒng)可以防止磨削液太臟而出現斑塊缺陷。而螺旋紋造成原因是托板磨損不平，有微小高點，需要更換新的托板。第三，如果導輪傳動機構精度不好,轉動不平穩(wěn)出現瞬間頓挫,易造成軸向亮線影響圓度公差，就需要專業(yè)人員維修導輪傳動機構。第四，磨削中要及時用400目砂條清理砂輪表面因金剛石顆粒磨鈍而堵塞的磨屑，及時保證砂輪金剛石顆粒能夠隨時出刃。

5 精磨過程中的缺陷及解決對策

5.1 精磨工序要求及砂輪指標要求

精磨工序總的磨削剩余量在0.005～0.012 mm，要求保證外觀粗糙度及光亮度，要求尺寸精度ΦD±0.007 mm，粗糙度小于Ra0.03 μm。每次進刀量0.002～0.005 mm，陶瓷結合劑的砂輪金剛石主粒度控制在325～400目，金剛石濃度控制在210%左右，抗彎強度60 MPa。

5.2 精磨時易產生的缺陷

精磨是復合片外圓磨削工序中的最后一道工序，外形尺寸精度已經由半精磨保證，基本上屬于無余量磨削，重點就是保證外觀粗糙度達到客戶要求。主要磨削缺陷就是保證外觀粗糙度的外圓斑塊、表面振紋、軸向及徑向亮線等外觀缺陷。

5.3 精磨缺陷控制措施

此工序幾乎沒有磨削剩余量去除，因此操作更要謹慎，重點就是保證設備調整及砂輪工作狀態(tài)是否達到使用要求(振動、平衡好壞、砂輪磨塊硬度均勻性是否基本一致等)，砂輪、導輪更要修圓，輪廓修整精度高于半精磨砂輪的修整和動平衡要求，導輪輪廓修整精度要求也要高于半精磨，砂輪在修整、平衡后，徑向跳動誤差小于0.01 mm，圓度誤差小于0.008 mm，砂輪動平衡不平衡量小于3 g范圍。導輪傾斜角α小于半精磨角度選1.5～2°。導輪轉速低于半精磨，根據復合片外徑尺寸大小調整范圍是20～30 r/min。

砂輪用軟鋼棒修圓后還要用復合片廢料將剛修整出刃的砂輪表面的金剛石顆粒鋒刃磨鈍，保證不能露出顆粒尖刃，否則雖然光潔度達到要求但影響復合片外圓表面的亮度。精磨工序磨削剩余量0.01 mm左右，且一般要求不圓度小于0.005 mm。由于半精磨時復合片磨削有公差范圍要求，所以實際尺寸范圍有大有小，精磨時要讓大尺寸的先進行磨削，再根據尺寸差值微小進刀，保證每次磨削量控制不超過0.006 mm。如果進刀量大了會由于復合片磨削層硬度高于砂輪硬度和砂輪鋒利度不夠而出現明顯的擠壓效果，這樣雖然表面很亮,但粗糙度卻達不到要求，而影響復合片表面最終磨削質量。另外，冷卻液太臟，有大顆粒磨料被磨削液再次帶入磨削區(qū)，重新參與磨削及金剛石磨粒在復合片表面和砂輪表面之間產生滾動研磨作用而出現斑塊。軸向亮線缺陷的原因為導輪轉速較低，傳動系統(tǒng)不好，使復合片轉動過程中產生微小瞬間停頓，解決措施是需要專業(yè)維修人員維修導輪傳動機構，提高導輪傳動系統(tǒng)的回轉精度。

經過三道工序，復合片尺寸公差精度能夠達到±0.0035 mm，粗糙度能夠達到Ra0.025 μm以下，能夠滿足復合片尺寸精度和外觀光潔度的要求。

6 結論

(1)針對金剛石復合片的無心磨磨削，設備調整非常關鍵，包括導板選擇(在滿足基本厚度要求前提下盡量選擇厚些的剛性好、強度高、不易發(fā)生振動)、中心高確定、砂輪選擇和砂輪導輪的平衡及正確修整、磨削液的正確選擇和使用等，前期準備工作做好才能正常開始工作。

(2)粗磨中缺陷直接影響后續(xù)工序，進刀量大小直接影響磨削精度，間接影響復合片的內在質量，砂輪要求結合劑把持力要好，磨粒強度高品級好，砂輪出刃后鋒利度好；半精磨中缺陷產生重點原因是磨削系統(tǒng)中各種振動控制和砂輪及導輪修整狀態(tài)，砂輪既要鋒利又要性能均勻一致；精磨缺陷的主要原因是各種振動控制和砂輪及導輪修整狀態(tài)和砂輪修整后不能完全出刃。從粗磨、半精磨到精磨中心高在合理范圍內可以逐漸降低少許，合理調整中心高能避免常規(guī)缺陷的產生。

(3)對于長徑比小于0.5的復合片磨削要盡量使用輔助工裝防止傾倒。

(4)磨削中控制振動和砂輪的動平衡是減少各類缺陷產生的必要措施，尤其在半精磨和精磨工序中尤為重要。砂輪和導輪的輪廓修整圓度和徑向跳動直接影響最后復合片磨削的尺寸精度及形狀精度和粗糙度。