精磨高硬脆材料表面形貌分析及工具濃度的選擇①

劉志環,王進保,肖樂銀

(桂林礦產地質研究院,廣西桂林541004)

1 引言

對于莫氏硬度7級以上高硬脆性材料表面的磨削加工,往往除了要求達到一定的磨削效率外,還要求在最短的時間內達到更好的表面光潔度,這對加工工具的設計和磨削工藝的優化提出了更高的要求。本文分別采用W 40、W 14、W 7金剛石砂帶磨削瑪瑙石,通過觀測工件與工具表面形貌變化、測試分析表面粗糙度曲線,研究金剛石砂帶磨削加工瑪瑙石每種粒度能夠達到的最小表面粗糙度及所用時間,分析每種粒度金剛石最優化濃度設計值。

2 實驗方法

對于W 40以細金剛石砂帶采用混膠法制作,金剛石濃度一般采用體積濃度表示。分別制作W 40、W 14、W 7體積濃度為11%、13.5%和16%的砂帶(按砂輪濃度分別為44%、54%和64%)。

選取相同材質瑪瑙石塊,分別切割成3塊80×10×8mm的樣塊,編號分別為m n-1、m n-2、m n-3。首先用CM 6152試驗機采用200/230砂帶將3塊樣塊磨出斜面,然后用W 40-1、W 40-2、W 40-3分別磨削m n-1、m n-2、m n-3,磨削至表面形貌或粗糙度穩定為止,且每磨削5m in,對砂帶、工件表面進行顯微觀察,并檢測工件表面粗糙度;然后用W 14-1、W 14-2、W 14-3分別磨削已經W 40磨削后的m n-1、m n-2、m n-3,直至表面穩定,同樣每磨削5m in觀測1次;最后在W 14磨削的基礎上分別用W 7-1、W 7-2、W 7-3磨削m n-1、m n-2、m n-3,直至表面穩定,同樣每5m in檢測一次。

3 W 40砂帶不同濃度磨削表面

圖1為200/230砂帶磨削后的瑪瑙表面形貌及粗糙度曲線。在工件固定不動的條件下,磨輪對其表面的加工主要為同方向的耕犁和切削,由圖表可測量200/230目磨削的基本參數,見表1。

圖1 200/230目磨削后工件表面形貌和粗糙度曲線Fig.1 Su rfacem o rpho logy ofw o rkp iece and the cu rve of roughness after grindingwith 280#diam ond grain size

表1 220/230目磨削基本參數Tab le 1 The basic parameters for grinding with 280#d iamond grain sizeμm

由粗糙度曲線,曲線凹陷處即為金剛石切削的凹槽,凹陷深度大小與金剛石出露高度有關,但是曲線整體走勢則與砂帶工作層表面不平度有關。由此可知,通過進一步提高表面涂布平整度、并通過十字交錯磨削能夠提高表面磨削質量。

W 40-1、W 40-2、W 40-3磨削5m in和10m in后工件形貌如圖2所示。由粗糙度曲線測量W 40不同濃度和時間磨削的相關參數見表2。

圖2 600目磨削工件表面形貌Fig.2 Surface morphology of workpiece after grinding with 600#diamond grain size

表2 W 40磨削基本參數Table 2 The basic parameters for grinding with W 40 diam ond grain sizeμm

3種濃度砂帶磨削10m in后工作層表面形貌如圖3所示,3種濃度砂帶表面金剛石分布密度相差不大,金剛石出刃高度都較高且包鑲良好。但從表2可知,隨著濃度提高,切削厚度和粗糙度值有逐漸變小的趨勢,表面磨削質量逐漸改善。從時間上來說,3種濃度砂帶磨削5m in和10m in表面磨削質量基本無變化。我們對3種砂帶磨削4小時的損耗量進行了對比,磨削對象為瑪瑙,磨削結果如表3所示,由表3可知隨著濃度提高,使用壽命逐漸提高,磨削效率逐漸降低,但相差不大。因此綜合考慮,W 40砂帶金剛石濃度選擇13.5%～16%(v l%),單個工件達到磨削質量需要用時≤5m in。

圖3 W 40砂帶磨削后表面形貌Fig.3 Surface morphology of diamond belt with W 40 g rain size after g rinding

表3 W 40不同濃度砂帶性能的對比Table 3 Comparison of the performance of W 40 diamond belt with different concentration

4 W 14砂帶不同濃度磨削表面

W 14-1、W 14-2、W 14-3磨削5m in、10m in及20m in后工件形貌見圖4所示。由粗糙度曲線測量W 14不同濃度和時間磨削的相關參數見表4。

表4 W 14磨削基本參數Table 4 The basic parameters for grinding with W 14 diamond grain sizeμm

圖4 W 14磨削工件表面形貌Fig.4 Surface morphology of workpiece after grinding with W 14 diamond grain size

圖5 W 14磨削后砂帶工作層表面形貌Fig.5 Surface morphology of working layer of diamond belt with W 14 grain size after grinding

圖5所示為3種濃度的砂帶磨削后的表面形貌。由圖表可得到以下幾點結論:

(1)由粗糙度儀所測粗糙度值較金剛石實際切削厚度大得多,這是因為粗糙度值取樣長度由于受到測試儀器的限制最低只能達到0.25mm,反映的是0.25mm內整體曲線的不平度。而整體曲線的不平度與工作層涂布不平度有關,因此可以認為,如果磨輪工作層涂布厚度均勻性足夠好,W 14磨削粗糙度值可以達到0.03μm左右;

(2)3種濃度的砂帶使用時,隨著磨削時間的增加,磨削表面質量有逐漸改善的趨勢,但是W 14-3達到穩定的磨削質量需要比其它濃度砂帶多磨削35m in。這是因為,W 14-3金剛石濃度高,金剛石平均間距Ld只有1～2μm,金剛石排布過于密集,使磨削效率降低;

(3)W 14-1磨削5～20m in內表面質量相差不大,W 14-2也是如此,但是W 14-2比W 14-1磨削質量更好。這是由于W 14-2出露金剛石間距較W 14-1小,在對相同面積的工件表面加工時,能夠產生更多的滑擦和耕犁作用,且兩者磨削效率相差不大;

因此,W 14砂帶金剛石濃度應選擇11%～13.5%,磨削瑪瑙達到最佳質量需10～20m in。

5 W 7砂帶不同濃度磨削表面

W 7-1、W 7-2、W 7-3磨削5m in、10m in及20m in后工件形貌見圖6所示。由粗糙度曲線測量W 7不同濃度和時間磨削的相關參數見表5。

圖6 W 7磨削工件表面形貌Fig.6 Surface morphology of workpiece after grinding with W 7 diamond grain size

表5 W 7目磨削基本參數Table 5 The basic parameters for grinding with 3000#diamond grain sizeμm

圖7所示為3種濃度的砂帶磨削后的表面形貌。由圖可知:

(1)如果工作層涂布均勻性足夠好,W 7磨削粗糙度值最低可以達到8nm;

(2)W 7磨削時更多的表現為金剛石尖刃對工件表面的擠壓和滑擦,如圖8所示為W 7-1磨削瑪瑙10m in后瑪瑙表面放大1000倍后的圖像,可知沒有產生晶粒的破碎和耕犁的痕跡。由表可知,3種濃度磨輪相同時間內磨削工件表面質量相差不大,但W 7-1相對更好一點,這是因為W 7-1工作層表面出露金剛石顆粒數相對較少,單個金剛石對工件表面的擠壓作用力更大一點,且出露金剛石間距足夠小,能夠保證在更短的時間內使工件表面的磨削質量更好。而W 7-2和W 7-3出露金剛石顆粒數太多,出刃過于密集,單個金剛石對工件表面的擠壓作用力相對較小,需要更長時間的磨削才能達到最優的磨削質量,而且由于金剛石濃度太大,金剛石工作層整體柔性降低,在柔曲等砂帶制造過程中更容易出現開裂的問題;

因此,綜合考慮,W 7砂帶金剛石體積濃度應選擇≤11%,磨削瑪瑙達到最佳表面質量所需時間為5～10m in。

圖7 W 7磨削后砂帶工作層表面形貌Fig.7 Su rfacem o rpho logy ofw o rk ing layer of diam ond beltwithW 7 grain size after g rinding

圖8 W 7磨削后工件表面放大1000倍的形貌Fig.8 Surface morphology of workpiece after grinding with W 7 diamond grain size(×1000)

6 結論

通過幾種主要粒度不同濃度也不同的砂帶磨削高硬脆性材料的對比可知,金剛石砂帶濃度的設計應當根據粒度不同而區別對待,但是不管哪種粒度,濃度設計總的原則是綜合考慮砂帶磨削的效率、壽命、表面質量以及達到最優表面所需時間,同時還要考慮工作層柔性、制作工藝和成本等等諸多因素。通過本次實驗研究,我們可以得到以下幾點結論:

(1)W 40砂帶金剛石濃度選擇13.5%～16%(vo l%),單個工件達到磨削質量需要用時≤5m in;

(2)W 14砂帶金剛石濃度應選擇11%～13.5%,磨削瑪瑙達到最佳表面質量所需時間為10～20m in;

(3)W 7砂帶金剛石濃度應選擇≤11%,磨削瑪瑙達到最佳表面質量所需時間為5～10m in。

[1] 賈曉鵬.金剛石合成的溶劑理論及當今行業熱點問題的探討[C].中國超硬材料,2001,1(3):1-11.