溫雪龍, 王承寶, 鞏亞東, 孫付強

(東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819)

涂層是一種物質形態(tài),涂層制備技術及相關研究起源于20世紀30年代,屬于真空技術領域.由于涂層微磨具的應用可以降低表面摩擦系數(shù)和減緩磨損從而提高使用壽命,其物質為晶態(tài)結構、物理性質穩(wěn)定,因此隨著功能材料涂層迅速發(fā)展,在未來工業(yè)元器件領域中具有廣闊的應用空間.

金魁[1]用準分子脈沖激光制備涂層技術成功制備了該體系的超導涂層.Sun等[2]利用優(yōu)化工藝結構制備了一種直徑約700 μm的微磨具排屑槽,同時建立了基于材料微磨削尺寸效應和未變形切削厚度模型,利用新型結構微磨具針對藍寶石進行微磨削力的實驗研究.Shen等[3]采用超高壓脈沖電源在不同潤滑條件下對制備涂層進行組織沖蝕和摩擦學行為相關研究,發(fā)現(xiàn)DLC涂層在低濃度液體潤滑的條件下摩擦性能優(yōu)異.Xie等[4]發(fā)現(xiàn)工件表面形貌與金剛石砂輪微磨削過程中微裂紋萌生、延伸擴展及材料去除機制有關,通過優(yōu)化磨削參數(shù)可以提高工件加工質量.Lionel等[5]研究發(fā)現(xiàn)在真空條件下進行氣體放電和物理氣相沉積技術可以實現(xiàn)復雜的形貌和優(yōu)化粒子性質,同時對等離子體處理條件進行控制,使得離子轟擊靶材的時間更利于制備細致的涂層結構.Fang等[6]解釋了沉積態(tài)超薄銅涂層的吸收光譜及其隨退火溫度和時間的變化.Kuleshov等[7]針對鎢鈷類硬質合金利用高頻交流電壓進行表面制備涂層,并進一步分析涂層組織性能.Park等[8]制備了直徑為0.5～10 μm的金剛石磨粒微磨具,在不同電鍍參數(shù)下對單晶硅材料進行微磨削實驗,研究不同尺寸的刀具壽命和加工質量.Aurich等[9]制備了最小磨粒直徑為1 μm的微磨具基體,磨削工件溝槽部分表面粗糙度為20 nm左右.Ren等[10]利用電鍍金剛石微磨具磨削單晶硅試驗,分析不同工藝參數(shù)下微磨具的磨損情況及加工表面質量.Priyabrata等[11]利用等離子體物理氣相沉積的方法制備0.5～3 μm厚度的TiAlN涂層,利用不同厚度涂層刀具針對P-20號鋼進行微銑削加工,并分析其可加工性和摩擦學性能.研究結果表明,涂層微磨具在磨削硬脆材料方面具備一定的加工優(yōu)勢,微磨削是當前機械加工的最后一步精密與超精密加工方法,其磨具主要失效形式為磨粒的磨損、破碎與脫落.盡管對涂層刀具的加工方法及組織分析相關研究已經(jīng)展開并取得一些進展,但涂層微磨具的相關研究甚少.黃銅具有耐磨性能好和強度高的機械性能,一般可用于加工熱交換器和低溫管路等零部件,用途廣泛,在工業(yè)領域具有代表性,因此對于黃銅材料的磨削研究具有實際工程意義.

本文通過不同涂層微磨具進行磨削實驗研究,分析不同磨削工藝參數(shù)對黃銅材料表面粗糙度和表面形貌的影響規(guī)律,研究不同涂層微磨具在相同磨削工藝參數(shù)條件下黃銅的磨削表面質量,探討不同涂層微磨具制備機理及磨削性能規(guī)律.實驗結果為高表面質量磨削加工黃銅提供參考,對涂層微磨具的磨削加工及應用具有重要意義.

1 涂層制備及檢測分析

1.1 涂層制備

圖1為真空射頻濺射系統(tǒng)的組成部分.在真空條件下ECWR射頻濺射系統(tǒng)通過加載高頻脈沖電壓產(chǎn)生的電磁波與等離子體進行相互作用,等離子體的密度使用電磁波頻率進行控制.原子經(jīng)歷吸附、擴散和成核三個階段,最終形成連續(xù)涂層.濺射系統(tǒng)主要由分子泵驅動控制器、真空系統(tǒng)、射頻源匹配器、射頻功率源、復合真空計與流量顯示儀等部分組成.

圖1 ECWR射頻濺射系統(tǒng)

圖2為掃描電鏡下TiC涂層微磨具其磨頭表面形貌圖.

圖2 TiC涂層微磨具形貌

在高壓環(huán)境中,氣體分子經(jīng)碰撞運動會發(fā)生電離作用而產(chǎn)生物質的第四種形態(tài),即等離子態(tài).射頻電源在高頻交流電條件下產(chǎn)生能量來控制等離子體的密度,真空室內(nèi)低密度的等離子體由直流電源產(chǎn)生的恒定電磁場進行控制,射頻電壓產(chǎn)生電磁波的分量形式進入室內(nèi),射頻電磁波可以在真空條件下與等離子體進行能量傳遞,提高氣相沉積等離子體的數(shù)量.等離子體經(jīng)靶材基體發(fā)生擴散和遷移運動,使得連續(xù)涂層制備成功.該項技術能夠克服涂層生長速度慢、等離子體濃度不高的缺點.研究表明該項涂層制備技術對不同類型真空室適應力強,能夠保證等離子體純度高,因此利用該項濺射涂層技術成功制備H-DLC,Si-DLC,Ti,TiC四種涂層微磨具如圖3所示,其磨頭直徑均為0.9 mm,磨粒粒度為200#.

圖3 涂層微磨具

1.2 XRD檢測分析

圖4為XRD能譜圖,檢測技術利用涂層含有的特定元素衍射峰進行比較分析,從而確保H-DLC,Si-DLC,Ti,TiC四種涂層成功制備.由圖4a中元素峰值高度可以確定H-DLC涂層成功制備.在分析圖譜中,鈦含量在純鈦與碳化鈦涂層中相差較大,Ti和TiC涂層中的Ti質量分數(shù)分別為0.44%,0.18%,這是因為Ti與C結合成為了TiC.經(jīng)過XRD檢測分析,能譜圖衍射峰中看到涂層含有所需元素,表明涂層制備成功.

圖4 XRD檢測分析圖譜

1.3 SEM表面形貌分析

圖5為掃描電鏡下放大倍數(shù)為1 000和400的磨粒圖.針對不同涂層微磨具,磨粒SEM表面圖片出現(xiàn)模糊化,在磨削時單顆磨粒微小切刃都會變大,這是因為連續(xù)的涂層覆蓋在磨粒的表面,在磨削工件時首先是表面涂層與溝槽接觸,在加工時由于涂層先經(jīng)歷劇烈磨損和穩(wěn)定磨損兩個階段,在一定程度上增加了涂層微磨具的使用壽命.

圖5 不同涂層微磨具SEM磨粒照片

2 實驗材料和實驗方法

2.1 實驗設備與材料

磨削實驗在JX-1A磨床上進行,其磨削最大速度為2.827 4 m/s,如圖6所示.利用超景深顯微鏡觀察磨削黃銅表面形貌,如圖7所示.表1為涂層CBN微磨具磨削黃銅材料的參數(shù).

圖6 JX-1A精密加工磨床

圖7 超景深顯微鏡

表1 材料參數(shù)

2.2 實驗方案設計

本文設計三因素五水平磨削正交試驗,采用不同涂層微磨具進行黃銅的磨削實驗.利用測力儀與輪廓儀分別測量磨削力、黃銅表面粗糙度,進一步分析微磨削工藝參數(shù)對于表面粗糙度和磨削力的影響規(guī)律,并比較涂層和未涂層微磨具的溝槽形貌,探究不同涂層微磨具磨削加工機理,微磨削實驗方案如表2所示.

表2 磨削正交試驗表

3 實驗結果與分析

3.1 磨削工藝參數(shù)對磨削力的影響規(guī)律

圖8為不同涂層微磨具的磨削速度對于磨削力的影響曲線.可以看到,增大磨削速度使得涂層與未涂層微磨具的磨削力均呈現(xiàn)減小的趨勢,在磨削黃銅材料的過程中,隨著磨削速度的提高,在單位時間內(nèi)不同涂層微磨粒磨削其表面的有效次數(shù)增加,從而導致磨削力降低.

圖8 磨削速度對磨削力的影響

對于不同涂層微磨具而言,可以看到未涂層較涂層微磨具的磨削力相對較大,磨削速度vs為0.565 m/s時,涂層與未涂層微磨具之間的差別影響最大,磨削力差值為0.29 N,但涂層微磨具之間的磨削力差值在0.2 N以內(nèi).這是因為涂層包裹磨粒,涂層微磨具微細切刃變大鈍化,因此較未涂層微磨具的磨粒表面具有較低的摩擦系數(shù),因此在磨削工件時磨削力降低.但摩擦力在不同涂層微磨具之間有相對差異,這是各種涂層材料的物理屬性值的不同和磨削時接觸力的大小差異所導致的.

圖9為不同涂層微磨具的進給速度對于磨削力的影響曲線.增大進給速度使得涂層與未涂層微磨具磨削力均呈現(xiàn)增大的趨勢,走向逐漸平緩.但磨削力在涂層微磨具之間差值不大.這是因為在一定的微磨削加工范圍內(nèi),隨著進給速度的增大,磨粒的磨削厚度增大,單顆磨粒的磨削力增大,磨削是大量磨粒共同作用的結果,因此總的磨削力增大.

圖9 進給速度對磨削力的影響

對于不同涂層微磨具而言,涂層微磨具的磨削力較小,在進給速度fm為40 μm/s時,不同涂層微磨具之間的差別影響最大,磨削力差值為0.412 N;進給速度為300 μm/s時差別最小,磨削力差值為0.12 N.這是由于制備連續(xù)涂層的存在會使微小切刃半徑變大,同時增大磨粒與表面的接觸面積,能夠減小微磨具與材料之間的相互磨擦作用，使得涂層較未涂層微磨具的磨削力在一定程度上有所減小.

圖10為不同涂層微磨具的磨削深度對于磨削力的影響曲線.可以看到,磨削深度的增大在一定加工范圍內(nèi)使得不同涂層微磨具磨削力呈現(xiàn)增大的趨勢,但逐漸趨于平緩.這是因為微磨具與黃銅表面接觸面積隨著磨削深度增加而增大,因此總磨削力增大.

圖10 磨削深度對磨削力的影響

對于不同涂層微磨具而言,隨著磨削深度增加,磨削力值在各種涂層微磨具之間沒有顯著差別,在磨削深度為8 μm時影響相對較大,最大差值為0.164 2 N,此時涂層與未涂層微磨具之間的最大差值為0.226 N.涂層相對于未涂層微磨具的磨削力有所減小,這是因為在微磨具上制備連續(xù)涂層以后,涂層相對于未涂層微磨具摩擦系數(shù)減小,連續(xù)涂層的包裹作用使得微磨具對于黃銅表面的磨削力降低.

3.2 磨削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖11為不同涂層微磨具表面粗糙度關于磨削速度的影響曲線.可以看出,磨削速度的增大使得涂層與未涂層微磨具表面粗糙度均呈現(xiàn)減小的趨勢,表面質量更好.這是因為在相同的工藝參數(shù)下,磨削速度的提高使得單位時間內(nèi)微磨具磨削黃銅表面的次數(shù)增加,導致磨削表面更加平整.

對于不同涂層微磨具而言,圖中可以明顯地看到未涂層微磨具表面粗糙度較小,磨削速度vs為0.565 m/s時,不同涂層微磨具之間的最大表面粗糙度差值為0.524 μm,但是粗糙度數(shù)值在其他vs下的各種已制備連續(xù)涂層的微磨具之間幾乎沒有區(qū)別.這是因為在微磨具上制備涂層以后,通過掃描電鏡觀測發(fā)現(xiàn)形貌圖變得模糊化,因為涂層微磨具磨粒微小切刃半徑變大的結果.

圖11 磨削速度對表面粗糙度的影響

圖12為不同涂層微磨具的進給速度對于表面粗糙度的影響曲線.可以看出,進給速度的增大使得涂層與未涂層微磨具表面粗糙度均呈現(xiàn)增大的趨勢,這是因為單顆磨粒的切削厚度增大,導致磨削黃銅表面平整度降低.

圖12 進給速度對表面粗糙度的影響

但對于不同涂層微磨具而言,四種涂層微磨具磨削黃銅表面粗糙度在一定程度上有所增大,在進給速度fm為40 μm/s時,不同涂層微磨具之間的最大表面粗糙度差值為0.629 μm,但是粗糙度數(shù)值差別在其余涂層微磨具之間不明顯.這是因為微磨具表面制備連續(xù)不同的涂層在磨削時加劇滑擦作用、表面彈塑性變形和溝槽,因此工件表面粗糙度增加.

圖13為不同涂層微磨具的磨削深度對于表面粗糙度的影響曲線.磨削深度的增大使得不同涂層微磨具磨削黃銅表面粗糙度均呈現(xiàn)增大的趨勢.這是因為當磨削深度逐漸增加時,切屑厚度增大,磨削表面的磨痕加重,導致加工表面溝槽深淺不一,故表面粗糙度增大.

圖13 磨削深度對表面粗糙度的影響

但對于不同涂層微磨具而言,可以發(fā)現(xiàn)涂層較未涂層微磨具表面粗糙度明顯增大,磨削深度為12 μm時,不同涂層微磨具之間的最大表面粗糙度差值為0.49 μm,但各種涂層之間的粗糙度沒有顯著差別.這是由于在微磨具上制備連續(xù)涂層減小了微磨具切刃的影響,使得表面粗糙度增大.

3.3 未涂層與涂層微磨具加工表面形貌對比分析

圖14～圖18為采用不同涂層微磨具進行黃銅的磨削實驗磨削表面形貌圖,在磨削速度vs為1.696 5 m/s,進給速度fm為100 μm/s,磨削深度ap為8 μm下對鍍有H-DLC涂層、Si-DLC涂層、Ti涂層、TiC涂層及未涂層微磨具進行微磨削實驗.

圖14 未涂層微磨具磨削表面形貌

圖15 H-DLC涂層微磨具磨削表面形貌

圖16 Si-DLC涂層微磨具磨削表面形貌

圖17 Ti涂層微磨具磨削表面形貌

圖18 TiC涂層微磨具磨削表面形貌

利用不同涂層微磨具進行磨削實驗,通過實驗后表面形貌圖可以發(fā)現(xiàn)表面有不同深度的溝槽,溝槽形式多種多樣,且涂層較未涂層微磨具磨削表面溝槽深度大.這是因為微磨具表面制備連續(xù)的涂層后,由于涂層的包裹作用,微磨具切削刃半徑變大鈍化,導致磨粒參與切削的作用減少,但是相應地參與滑擦和耕犁的階段會增加,然后塑性隆起和彈塑性變形加劇、溝槽和凹坑深淺不一.因此最終導致工件表面粗糙度有所增加,表面形貌更粗糙,這與本文前部分分析結論是一致的.

圖19表示在磨削加工黃銅的條件下,涂層與未涂層微磨具粘結磨屑的形貌對比.粘結磨屑會產(chǎn)生堵塞,堵塞進一步導致微磨具的失效.

圖19 粘結磨屑的形貌對比

通過粘結磨屑的形貌對比發(fā)現(xiàn),未涂層微磨具磨削黃銅材料之后產(chǎn)生了磨屑的粘結現(xiàn)象，甚至形成了大面積的塊狀磨屑,而涂層微磨具表面粘結磨屑的現(xiàn)象有所改善.這是因為未涂層微磨具的磨頭粒度大,磨粒較小,從而磨削深度較小,在磨削黃銅進行材料去除時磨屑不易及時排除,在磨粒細小空隙之間發(fā)生了堆積現(xiàn)象.在微磨削過程中,磨屑與磨粒、結合劑發(fā)生劇烈摩擦,使得堆積的磨屑粘結在磨粒上,磨削熱加劇,進一步造成表面燒傷,從而導致微磨具失效.而涂層微磨具磨削時首先是涂層與黃銅材料進行接觸,涂層微磨具由于涂層的包裹作用,磨粒與磨屑的摩擦系數(shù)降低,表面粘屑現(xiàn)象得到很好的改善,因此在一定程度上增加了涂層微磨具的使用壽命.

4 結 論

1) 利用真空濺射涂層技術成功制備H-DLC,Si-DLC,Ti,TiC四種涂層微磨具,通過XRD和SEM分析其表面形貌,可以看到制備涂層包裹微磨具磨頭效果良好.

2) 涂層與未涂層微磨具磨削力均隨磨削速度的增大、進給速度和磨削深度的降低而呈現(xiàn)減小的趨勢.在相同的磨削加工工藝參數(shù)下,涂層微磨具磨削力小于未涂層微磨具磨削力.

3) 涂層與未涂層微磨具磨削表面粗糙度在一定范圍內(nèi)均隨著微磨具磨削速度的增大、進給速度和磨削深度的降低而呈現(xiàn)減小的趨勢,涂層微磨具表面粘屑現(xiàn)象得到很好的改善,可提高其使用壽命.