孫會冰, 焦思華, 謝 嘉

(廣東奔朗新材料股份有限公司,廣東 佛山 528000)

0 引言

立方氮化硼(cBN)是硬度僅次于金剛石的超硬磨料,與金剛石相比,cBN的特點是在高溫下不與鐵、鈷、鎳等鐵族元素反應,對于加工黑色金屬材料呈惰性,因此是各行業(yè)里對黑色金屬加工的首選材料,其被廣泛地應用于汽車、軸承、壓縮機和精密模具等行業(yè)中含鐵族元素零件的精密加工[1-3]。目前應用于零件加工的cBN磨料可以分為裸料和鍍覆料兩大類,其中裸料是cBN磨料表面無任何其他物質,鍍覆料則對cBN表面鍍覆一層銅、鎳、鈦、鉬等金屬材料或者碳化硅、剛玉、氮化鈦等化合物類的難熔硬質材料。鍍層具有減緩對結合劑的熱沖擊、提高磨料與結合劑的結合強度、提高磨料顆?？蛊扑閺姸?、對磨粒起隔離保護等作用[4-5]。

樹脂結合劑cBN砂輪具有加工效率高、磨削力小、自銳性好等特點,被廣泛應用于磨削高速鋼、鑄鐵等工件,但是樹脂結合劑砂輪也常常存在磨削加工中cBN磨料磨削刃鈍化造成磨削不鋒利、結合劑對cBN磨料的把持力不足、磨料易脫落等缺點,從而影響砂輪的磨削性能。因此本文通過在樹脂結合劑cBN砂輪中引入不同量鍍鎳cBN磨料,研究其對樹脂結合劑cBN砂輪的磨削性能的影響。

1 試驗條件與方法

使用同一種類型的cBN裸料和鍍鎳料,其中鍍鎳料鎳層質量分數(shù)為60%(簡稱cBN-N60),按裸料與鍍鎳料質量比為1∶0、1∶1、1∶2、1∶3配比所需原料,并將在同一工藝下制備成端面砂輪,砂輪編號如表1所示,砂輪尺寸為Φ305 mm×50 mm×50 mm,如圖1所示,使用敏嘉復合磨床加工空調壓縮機氣缸的端面,加工工件尺寸為Φ150 mm×50 mm。

表1 不同含量鍍鎳cBN砂輪的編號

圖1 測試砂輪圖

使用80#白剛玉修整塊對砂輪進行修整,磨削時砂輪轉速800 r/min,磨削全過程使用吉蘭丁功率檢測儀實時監(jiān)測不同砂輪磨削工件時的功率變化,修整磨削完成后使用基恩士3D顯微鏡和COXEN掃描電鏡對砂輪表面進行微觀結構的觀察,使用便攜式粗糙度檢測儀對工件表面進行粗糙度監(jiān)測。

2 試驗結果和分析

2.1 不同種類的cBN磨料的表面形貌

圖2為裸料cBN磨料和cBN-N60磨料在掃描電鏡下的形貌圖,從圖2中可以看出,裸料cBN表面較為光滑,相應的顆粒棱角較多,有更多的磨削面和磨削刃,而cBN-N60由于表面鍍覆一層鎳金屬,有效的磨削面和磨削刃全被包裹起來,但是磨料表面有許多微小的凹凸面,這有利于增加磨料與結合劑之間的接觸面積,提高兩者之間的結合力,增加結合劑對磨料的把持力。

2.2 不同含量鍍鎳cBN磨料砂輪修整后表面形貌

砂輪使用80#白剛玉進行修整,修整時砂輪轉速200 r/min,修整進給速度為0.3 mm/min,圖3是四款砂輪修整后的表面形貌以及相應的3D視圖。

圖3 修整后MX01-MX04砂輪表面形貌及3D圖

圖3中對砂輪修整后的表面進行3D模擬,其中顏色發(fā)紅代表高點,發(fā)藍代表低點,從圖3中可以看出,在使用80#白剛玉塊對不同砂輪進行修整后,均可以將cBN磨料的磨削刃修整出來,但是圖3(a)與圖3(b)(c)(d)三張圖對比可以看出,由于MX01使用的全是裸料cBN,在修整后砂輪表面cBN磨料的脫落較為明顯,出現(xiàn)大面積的低點,而使用cBN-N60的在修整后磨料脫落較少,并且修整后的磨料的磨削刃高度也比較平均,這是因為裸料cBN磨料在修整過程中由于與結合劑之間的結合力較小,在修整過程出現(xiàn)脫落,而使用cBN-N60可以有效提高結合劑與磨料之間的結合力,這是因為鍍鎳后cBN磨料表面有一層凹凸不平的鎳層,增加了磨料與結合劑之間的結合力,防止磨料脫落。

2.3 不同含量鍍鎳cBN磨料砂輪對磨削效率的影響

使用吉蘭丁功率檢測儀對磨削全過程進行監(jiān)測,功率大小反映了砂輪在磨削工件時電流的大小,可以直觀的反映出砂輪的鋒利性。

圖4是在不同進刀量下MX01-MX04的磨削功率,圖5是磨削后MX01-MX04砂輪表面掃描圖,從圖4中可以看出,在進刀量為0.2 mm/min條件下,MX01的功率為3800 W左右,MX02-MX04的功率在4480 W、4320 W和6000 W左右,在等進刀量的條件下,隨著cBN-N60含量的增加,磨削功率逐漸增加,這是因為砂輪剛進行修整后,兩種cBN磨料都具有較好的修銳效果,結合圖2和圖3可以看出,裸料cBN的磨削刃口相對較多,因此在磨削初期較為鋒利,而cBN-N60的磨削刃口較少,所以磨削功率隨著cBN-N60 的含量的增加而增加。

圖4 不同進刀量下MX01-MX04的磨削功率

圖5 磨削后MX01-MX04的表面掃描圖

從圖4中還可以看出隨著進刀量的增加,MX01的功率增長較快,而MX02-MX04增長較慢,從圖5(a)中可以看出這是因為MX01中裸料cBN在磨削時逐漸鈍化脫落,所以磨削功率增加較快,而cBN-N60與結合劑結合力較高,磨料鈍化慢,因此磨削功率增加較慢,其中MX03功率增長最為平緩,這是因為磨料中裸料cBN和cBN-N60到達一種最佳配比,當舊磨削刃鈍化后,新的磨削刃又產(chǎn)生,所以磨削功率增加比較緩慢。

2.4 不同含量鍍鎳cBN磨料砂輪對工件粗糙度的影響

圖6是不同進刀量下,MX01-MX04磨削工件后的粗糙度,從圖6中可以看出當在進刀量為0.2 mm/min時,MX01的粗糙度較低,在Ra 0.65 μm左右,而添加cBN-N60的MX02-MX04的粗糙度在Ra 0.75 μm左右,這是因為裸料cBN在修整后磨削刃較多且鋒利,而cBN-N60的較少,因此磨削后粗糙度MX01較好。結合圖5分析,隨著進刀量的增加,MX01的粗糙度先增加后降低,這是因為隨著進刀量的增加,磨粒的磨削深度增加,在工件表面產(chǎn)生“滑擦、耕犁、切削”的深度增加,因此工件表面的粗糙度變差,但是隨著磨削進行,磨料出現(xiàn)鈍化和脫落的現(xiàn)象,使得砂輪的磨削能力變差,只有進行“滑擦”磨削,因此工件表面的粗糙度又開始降低;而MX02和MX03粗糙度在穩(wěn)定發(fā)生變化,這是由于cBN-N60不易脫落且不斷產(chǎn)生新的磨削刃,有部分裸料脫落后又重新露出新磨料,可以使砂輪一直保持鋒利性,而MX04跟MX01出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象,這是由于MX04中cBN-N60含量增加,磨料不易脫落,這又造成砂輪的自銳性較差,從圖5(d)中可以看出,砂輪表面已經(jīng)可以看出明顯的碎屑,因此造成砂輪的不鋒利,使得工件的粗糙度降低。

3 結論

使用同一種類型的cBN裸料和鍍鎳料,按不同比例制備成MX01-MX04四款端面砂輪進行磨削測試,其結果顯示:

(1)使用同樣的修整工藝對不同砂輪進行修整后,裸料cBN磨料的脫落較為明顯,而cBN-N60則能有效防止磨料脫落。

(2)當磨削進刀量較小時,裸料cBN的磨削功率低,磨削力小,而cBN-N60的磨削力相對較大,但是隨著進刀量增加,裸料cBN的磨削功率快速增加,而cBN-N60增加較慢,但兩者質量比為1∶2時,在進刀量為1.0 mm/min時,功率最低,磨削力最小。

(3)當進刀量較小時,裸料的cBN磨削后工件的粗糙度較低,但是隨著進刀量的增加,裸料cBN會較快脫落鈍化,而cBN-N60則能保持較為平穩(wěn)的磨削狀態(tài)。

在加工空調壓縮機大氣缸時,若想要增加磨削效率,穩(wěn)定產(chǎn)品質量,裸料cBN和cBN-N60引入質量比為1∶2時,能得到較好的磨削效果。