鄭明亮，李文霞，楊德云

(無(wú)錫太湖學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214064)

0 前言

釬焊金剛石磨具作為一種常見(jiàn)磨削超硬磨料工具，由于其高效、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在諸多工業(yè)領(lǐng)域中如高強(qiáng)度鋼、陶瓷和石材等廣泛應(yīng)用[1]。釬焊金剛石磨具磨拋的機(jī)械摩擦過(guò)程中，由于熱固耦合相互動(dòng)應(yīng)力作用，磨頭金剛石顆粒會(huì)發(fā)生沖蝕、熱腐蝕和疲勞磨損，甚至完全脫落失效，它與許多因素(如金剛石品質(zhì)、結(jié)合劑性能、磨拋工藝參數(shù)匹配等)密切相關(guān)[2-4]。磨粒磨損是制約磨具磨拋效率和加工材料表面粗糙度精度的最主要問(wèn)題，因此研究釬焊金剛石磨具磨粒在多物理場(chǎng)作用下的磨損行為、形態(tài)及壽命預(yù)測(cè)是十分必要的。目前，針對(duì)釬焊金剛石磨具磨損特性分析主要是運(yùn)用試驗(yàn)方法如三維視頻顯微鏡和掃描電鏡對(duì)金剛石磨粒的磨損狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、觀(guān)察和統(tǒng)計(jì)分析[5-7]，而在磨具磨損壽命數(shù)理模型研究方面還十分欠缺。同時(shí)，現(xiàn)有研究大都集中在磨削磨具磨損的數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證上[8-11]，研究結(jié)果認(rèn)為磨具磨損量為某一確定量，但再實(shí)際工藝環(huán)境的隨機(jī)效應(yīng)下，磨具磨損應(yīng)具有一定的概率分散性，因此充分考慮隨機(jī)因素，用概設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)階段就能準(zhǔn)確掌握釬焊金剛石磨具的可靠性指標(biāo)，這對(duì)最大化利用材料資源和提高磨削系統(tǒng)性能有著重要的理論和實(shí)際價(jià)值。

鄭明亮等人[12]將隨機(jī)過(guò)程理論運(yùn)用到旋流器壁面磨損可靠性研究中，得到了材料磨損失效的壽命曲線(xiàn)，這為釬焊金剛石磨具磨損壽命計(jì)算提供了很好的思路借鑒。文中在赫茲接觸理論基礎(chǔ)上得到磨拋材料去除函數(shù)解析模型，在傳統(tǒng)磨損過(guò)程中加入白色噪聲，得到考慮磨削力動(dòng)態(tài)隨機(jī)性的釬焊金剛石磨拋盤(pán)磨粒磨損模型。磨具壽命可靠度計(jì)算的極限方程是磨粒厚度磨損量和容許磨損量之差，磨具壽命動(dòng)態(tài)可靠度函數(shù)是利用維納過(guò)程性質(zhì)解析求出，可靠度函數(shù)中的待定參數(shù)用極大似然法估計(jì)。最后對(duì)某特定型號(hào)的釬焊金剛石磨拋盤(pán)進(jìn)行了具體的壽命可靠性計(jì)算。

1 釬焊金剛石磨拋盤(pán)磨拋磨損機(jī)理分析

1.1 磨具磨拋軌跡分析

釬焊金剛石磨拋盤(pán)的實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖1所示[13]，由超硬金剛石磨粒、合金焊料(粘結(jié)劑)和基體(載體)3部分組成。基體的結(jié)構(gòu)外型截面形狀為圖2所示，其中：D0為外徑；D1為中心孔徑；D2為底面直徑；L1為斜面長(zhǎng)度；θ為斜面角度；L2為上平面長(zhǎng)度；T為厚度；R0為邊緣倒角；H為高度；R1為彎角。

圖1 釬焊金剛石磨拋盤(pán)實(shí)體圖

圖2 釬焊金剛石磨拋盤(pán)基體截面形狀

磨具磨拋時(shí)金剛石磨粒刃口的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似切削刃的刨削過(guò)程，磨具上磨粒大小與分布是隨機(jī)的，但出露高度一致，磨粒振動(dòng)磨削的過(guò)程由磨具的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、磨具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和磨具回彈振動(dòng)3個(gè)運(yùn)動(dòng)合成，單顆金剛石磨粒P在接觸材料時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 接觸區(qū)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡

設(shè)磨具旋轉(zhuǎn)速度為n，進(jìn)給速度為vw，忽略磨粒振動(dòng)與磨盤(pán)軌跡耦合，則磨粒的三維運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

式中：θ為磨具初始位置與x軸夾角；α為P點(diǎn)與x軸負(fù)軸方向夾角；A為磨粒振幅；f為磨粒振動(dòng)頻率。進(jìn)一步磨拋軌跡弧長(zhǎng)公式為：

(2)

1.2 磨具磨拋材料去除函數(shù)

工件材料去除函數(shù)與磨拋接觸區(qū)域特征相關(guān)，結(jié)合赫茲接觸理論，可將磨拋過(guò)程視為彈性球體與剛性柱體的接觸問(wèn)題[14]，接觸面為橢圓形狀，接觸面的正應(yīng)力為：

(3)

式中：Fn為磨削接觸力,與磨具切深近似線(xiàn)性正比關(guān)系；a，b為橢圓長(zhǎng)短半軸長(zhǎng)。

將接觸區(qū)域劃分為無(wú)數(shù)平行于工件軸向的微小區(qū)域，利用材料去除Preston經(jīng)驗(yàn)方程，則單位接觸軌跡長(zhǎng)度材料去除深度為：

(4)

式中：ks為相關(guān)系數(shù)，由磨粒尺寸、硬度和工件硬度等因素決定。

在接觸區(qū)域上積分，得到去除率函數(shù)式為：

(5)

式(5)表明工件表面材料去除率是由磨具旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度、磨具設(shè)定切深和磨具粒度決定。

1.3 釬焊金剛石磨拋盤(pán)磨損模型

釬焊金剛石磨拋盤(pán)磨拋硬脆性材料的磨損是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要發(fā)生摩擦磨損和沖擊磨損，摩擦使金剛石鋒利的刃口磨損鈍化，失去原有硬度，加劇摩擦溫度，可導(dǎo)致磨粒脫落；工件沖擊作用使金剛石磨粒承受交變的沖擊應(yīng)力，可導(dǎo)致疲勞裂紋的擴(kuò)展。磨具的磨損與磨粒受力情況直接相關(guān)，其中切向磨削力、法向進(jìn)給力及彈性與振動(dòng)帶來(lái)的沖擊力為主要的載荷，但由于對(duì)于磨具非規(guī)則工作型面(圖2)，上述力的求取是十分困難的，為此，不直接從磨粒的受力推導(dǎo)磨損量，而是利用工件材料去除率函數(shù)去判斷磨具磨損壽命。

釬焊金剛石磨拋盤(pán)以磨粒磨損為主要失效模式，按照文獻(xiàn)[13]的介紹，可認(rèn)為磨具磨損壽命為降低到同規(guī)格中等樹(shù)脂砂輪片90%材料去除率時(shí)所用的時(shí)間。即：

R(Wmax|t)=P(W

(6)

式中：W為時(shí)間t時(shí)的累積磨損量；Wmax為許用磨損量；G為同規(guī)格中等樹(shù)脂砂輪片的重量。式(6)表明磨具磨損量不僅受到磨具表明材料(如金剛石斷裂韌度、硬度)和工件種類(lèi)的影響，而且還與磨拋的加工工藝參數(shù)(如磨削深度、進(jìn)給速度、主軸旋轉(zhuǎn)速度和磨拋方式)密切相關(guān)。工件材料表面的去除率實(shí)際上與磨粒的磨損率具有等價(jià)關(guān)系。

2 釬焊金剛石磨具磨損動(dòng)態(tài)可靠性模型

摩擦學(xué)[14]將材料的磨損過(guò)程一般分為磨合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和急劇磨損階段，一般磨合磨損和急劇磨損階段往往呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性，因此穩(wěn)定磨損階段是壽命特征的主要體現(xiàn)。由于磨具表面形貌的隨機(jī)性和工況條件的不確性，穩(wěn)定階段磨粒的運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)特性，因此磨粒磨損率應(yīng)為一隨機(jī)過(guò)程：

(7)

式中：ε(t)為隨機(jī)白色噪聲項(xiàng)。

維納過(guò)程[15]是一類(lèi)典型的隨機(jī)過(guò)程，自然界中很多的隨機(jī)過(guò)程都符合維納過(guò)程的特點(diǎn)，它的主要特征是具有獨(dú)立平穩(wěn)增量，即增量的分布是獨(dú)立的，都服從正態(tài)分布，且方差隨時(shí)間線(xiàn)性增加。基于維納過(guò)程的累積磨損隨機(jī)過(guò)程概率密度函數(shù)f(W,t)可由帶邊界條件的?？艘黄绽士艘豢?tīng)柲缏宸蚍匠?FPK)確定[16]為：

(8)

則磨具耐磨損可靠度可表述為：

(9)

磨損壽命T的失效平均壽命為：

(10)

3 實(shí)例計(jì)算與分析

選用Ni-Cr合金釬料高溫真空釬焊方法制備的金剛石磨拋盤(pán)對(duì)船體用高強(qiáng)度鋼AH32碳素鋼的磨損消耗為對(duì)象，進(jìn)行基于隨機(jī)過(guò)程的可靠性預(yù)測(cè)，磨拋參數(shù)選用見(jiàn)表1。

表1 磨拋參數(shù)

文獻(xiàn)[18]研究指出影響材料去除率的主要參數(shù)為磨削速度vw、磨削深度ap、磨粒粒徑rp，三者與材料去除率成正比關(guān)系，進(jìn)一步由公式(5)可得：

(11)

式中：ρ為AH32碳素鋼密度；S為接觸橢圓區(qū)面積；NS為單位面積動(dòng)態(tài)；C為有效磨粒數(shù)切屑寬度與切屑厚度之比。

考慮材料、幾何、工藝的隨機(jī)性影響，可設(shè)磨具的磨削速度、磨削深度、磨粒粒徑和工件密度均服從正態(tài)分布，將磨拋參數(shù)代入公式(11)得到材料去除速率的恒定均值為7.5 g/min，過(guò)程強(qiáng)度為1/36，金剛石磨頭最大允許磨損量為18 g，對(duì)應(yīng)材料去除量的最大值為13 500 g，則基于維納隨機(jī)過(guò)程的磨拋盤(pán)磨損可靠性函數(shù)為：

(12)

可靠度變化曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可以看出，金剛石磨具可靠度下降比較快的大致區(qū)間為(5～20 h)，此磨具連續(xù)磨拋平均壽命為15 h?？紤]到生產(chǎn)裝置基本上連續(xù)磨拋1 h就可以達(dá)到需要的表面形貌效果，即以磨具工作運(yùn)行60 min計(jì)算，則其可靠度為0.948 2，可見(jiàn)該釬焊金剛石磨拋盤(pán)材料結(jié)構(gòu)的可靠性良好。文獻(xiàn)[19]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)釬焊金剛石磨具的壽命分布近似正態(tài)分布，其連續(xù)磨拋1 h的可靠度為0.95，兩者十分接近。

圖4 基于磨損隨機(jī)過(guò)程的可靠性預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)

對(duì)比在同樣工藝參數(shù)下，同規(guī)格的樹(shù)脂砂輪片的磨拋壽命，同樣按照公式(11)，可以得到材料去除速率的恒定均值為3.75 g/min，約是釬焊金剛石的一半，則磨具工作運(yùn)行60 min計(jì)算，其磨拋率急劇下降，磨具磨耗加快，則其可靠度為0.89，其平均壽命為80 min，可以看出，釬焊金剛石磨拋壽命約比樹(shù)脂砂輪片提高11倍以上。

表2為不同工藝參數(shù)下，釬焊金剛石磨拋盤(pán)連續(xù)磨拋60 min時(shí)的可靠度。由表2可知：序號(hào)1下，磨具具有較好的可靠度，磨力磨損量小，金剛石磨具的可靠度值隨著材料去除率的增大而增大，而材料去除率又隨著工藝參數(shù)的變化而變化，與磨削旋轉(zhuǎn)速度、磨削進(jìn)給速度和磨削深度乘積大小呈正比關(guān)系，但又單一與磨削旋轉(zhuǎn)速度呈正比關(guān)系，而與磨削進(jìn)給速度和磨削深度并沒(méi)有單一的正反比關(guān)系。

表2 釬焊金剛石磨拋盤(pán)可靠度表

4 結(jié)論

(1)釬焊金剛石的磨粒磨損最大磨損發(fā)生在斜面接觸區(qū)中心點(diǎn)處。釬焊金剛石磨拋盤(pán)的可靠性函數(shù)呈先緩慢下降后劇烈下降再緩慢下降的變換趨勢(shì)，其存在劇烈磨損區(qū)間，這與常規(guī)材料穩(wěn)定階段磨損表現(xiàn)出的“浴盤(pán)曲線(xiàn)”特征是一致的，連續(xù)磨拋下其平均壽命可達(dá)到15 h以上，基本符合生產(chǎn)要求。

(2)磨拋速度高、磨削深度大、磨粒粒徑大，材料去除率高，磨具磨耗慢。釬焊金剛石磨盤(pán)材磨拋平均壽命比同規(guī)格樹(shù)脂砂輪片達(dá)11倍以上。

(3)在高性能釬焊金剛石磨具設(shè)計(jì)過(guò)程中引進(jìn)結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)方法將有利與提高磨具的壽命。