熊華軍,張高亮,葉騰飛,錢灌文,丁玉龍,2,朱建輝,2,吳武山,李少杰,李怡瑱

(1 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南 鄭州 450001;2.高性能工具全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001)

0 引言

磨料作為磨具的三要素之一,其除了金剛石和立方氮化硼(cBN)超硬磨料外,還包括輔助磨料,常見的輔助磨料包括白剛玉、碳化硅和碳化硼等[1]。其中,白剛玉磨料硬度高、脆性大,適用于鋼鐵材料的加工,多用于制作cBN砂輪;碳化硅磨料分為綠碳化硅和黑碳化硅,綠碳化硅純度、硬度比黑碳化硅稍高,適用于加工硬而脆的材料,如硬質(zhì)合金、玻璃、瑪瑙等,黑碳化硅強(qiáng)度低、脆性大,適用于加工抗拉強(qiáng)度較低的金屬材料及非金屬材料;碳化硼具有高熔點(diǎn)、高彈性模量、低膨脹系數(shù)和良好的氧氣吸收能力等優(yōu)點(diǎn)[2],硬度比碳化硅高,脆性大,適用于精磨碳鎢合金、碳鈦合金、人造剛玉和寶石等材料[3]。

磨料和填充料作為樹脂磨具的重要組成部分,其性能直接影響著樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的性能[4]。目前,對(duì)樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪性能的研究,大多集中于金剛石磨料的晶型、鍍覆方式和處理方法等方面[5-7];段文遠(yuǎn)等[8]添加綠碳化硅微粉作為輔助磨料,體積分?jǐn)?shù)在30%時(shí)可提高砂輪的壽命和鋒利度;碳化硼可用于制作耐磨損件,用作磨料可降低加工成本[9-10]。而對(duì)于黑碳化硅和碳化硼輔助磨料改善砂輪性能的試驗(yàn)及研究鮮有報(bào)道,本試驗(yàn)采用三種輔助磨料制作樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪,研究輔助磨料對(duì)其性能的影響。

1 試驗(yàn)

本文采用的試驗(yàn)條件及方法如下：采用綠色碳化硅(220#,綠SiC)、黑色碳化硅(240#,黑SiC)和碳化硼(240#,B4C)三種不同的輔助磨料,其顯微形貌見圖1,在相同配方和生產(chǎn)工藝條件下制作試塊和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪,試塊用于檢測(cè)抗折強(qiáng)度和洛氏硬度,砂輪用于磨削試驗(yàn)。試塊規(guī)格為50 mm×10 mm×10 mm,配方同試驗(yàn)砂輪配方(金剛石磨料所占比例用對(duì)應(yīng)輔助磨料替換),砂輪規(guī)格為3A1 Φ180mm×10 mm ×Φ31.7 mm×5 mm×5mm, D80/100 C100。磨削試驗(yàn)設(shè)備為WTG數(shù)控萬能工具磨床,工件為YG8材質(zhì)的硬質(zhì)合金棒,尺寸為Φ20 mm×150 mm。試驗(yàn)砂輪配方見表1,具體工藝參數(shù)見表2。

表1 試驗(yàn)砂輪配方 (%,體積百分比)

表2 磨削試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖1 輔助磨料顯微形貌圖

試驗(yàn)步驟：先裝配試驗(yàn)砂輪、工件和修整工具,連接磨削比測(cè)試裝置,開啟冷卻水,在線修整試驗(yàn)砂輪,完畢后關(guān)閉冷卻液,安裝工件,保證安裝后工件的外圓跳動(dòng)小于0.005 mm。開始對(duì)刀,然后設(shè)定磨削工藝程序,開啟冷卻液,按設(shè)定工藝進(jìn)行磨削試驗(yàn),設(shè)定的磨削工藝程序主要包括加工余量、進(jìn)刀量、砂輪與工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率等。程序執(zhí)行完畢后關(guān)閉冷卻液,停止砂輪與工件旋轉(zhuǎn),檢測(cè)砂輪和工件的尺寸,最后記錄并分析試驗(yàn)結(jié)果,磨削比測(cè)量原理與測(cè)試結(jié)果示意圖見圖2。

圖2 測(cè)量原理及測(cè)試結(jié)果示意圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 輔助磨料對(duì)試塊抗折強(qiáng)度和洛氏硬度的影響

通過測(cè)試試塊的抗折強(qiáng)度和洛氏硬度,最終數(shù)據(jù)為測(cè)試6個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值,測(cè)試數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖3可以看出,對(duì)于測(cè)試的抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù),3#試塊的抗折強(qiáng)度最低,2#試塊最高,從高到低排序?yàn)?#>1#>3#,1#和2#試塊的抗折強(qiáng)度相比3#分別提高了31.5%和37.6%。因此,綠色碳化硅和黑色碳化硅在增加砂輪強(qiáng)度方面的作用高于碳化硼。在洛氏硬度方面,2#試塊數(shù)值最高,從高到低排序?yàn)?#>3#>1#,數(shù)值相差不超過4%,三種輔助磨料對(duì)試塊的洛氏硬度影響差異較小。

2.2 輔助磨料對(duì)砂輪磨削性能的影響

試驗(yàn)砂輪的體積磨削比測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 磨削比數(shù)據(jù)

表3的結(jié)果表明,3#砂輪的體積損耗量小,砂輪的耐磨性優(yōu)于1#和2#,且其體積磨削比值最高,分別比1#砂輪、2#砂輪高75%和97%,2#砂輪的體積磨削比值最低,體積磨削比值從高到低依次排序?yàn)?#>1#>2#。

由于黑碳化硅磨料相對(duì)綠碳化硅磨料硬度較低,主要用于磨削鑄鐵和非金屬材料,不適合磨削硬質(zhì)合金類高硬度材料,因此,2#砂輪的磨削比最低;而碳化硼磨料理論密度小,約為2.52 g/cm3,比碳化硅磨料(3.2 g/cm3)低21.25%,對(duì)于試驗(yàn)砂輪而言,這意味著在單位體積內(nèi)碳化硼磨料的濃度比碳化硅磨料高近20%,有利于增強(qiáng)砂輪整體的耐磨性和鋒利度,從而以較小的損耗可以去除工件較大的磨削量,因此,3#砂輪的耐磨性最好,砂輪的體積磨削比值最高。

3 結(jié)論

(1)1#和2#試塊的抗折強(qiáng)度相比3#分別提高了31.5%和37.6%,綠色碳化硅和黑色碳化硅輔助磨料在增加砂輪強(qiáng)度方面的作用高于碳化硼。

(2)1#、2#和3#試塊的洛氏硬度數(shù)值相差不超過4%,三種不同輔助磨料對(duì)試塊的洛氏硬度影響作用差異較小。

(3)添加碳化硼輔助磨料的3#試驗(yàn)砂輪鋒利度和耐磨性好,其可以作為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪配方設(shè)計(jì)的參考輔助磨料。