單顆金剛石磨粒磨削玻璃的磨削力研究

黃 輝 林思煌 徐西鵬

華僑大學,廈門,361021

0 引言

磨削加工是利用磨料去除材料的一種加工方法。隨著工程陶瓷、光學玻璃、光電晶體等硬脆性材料的出現及廣泛應用,這種用磨粒去除材料的加工方法得到了越來越廣泛的應用。但是與其廣泛應用相比,加工過程中磨粒與脆性材料之間的相互作用以及由此導致的力、熱、能量、摩擦等機制都還沒有被全部解釋清楚[1-2]。

普通磨削利用大量隨機磨粒去除工件材料,從而獲得所需要的表面,其本質是磨粒與工件材料之間的相互作用。相對于普通磨削實驗而言,單顆磨粒磨削可以在相似的磨削過程中不受其他磨粒及切屑的影響,因此,利用單顆磨粒磨削來認識復雜的磨削過程是一種很重要的手段。事實上,單顆磨粒磨削方法在金屬材料的磨削機理研究中已經得到了廣泛的應用,并取得了許多有意義的結果[3-4]。一些學者們利用單顆磨粒磨削的方法進行了脆性材料加工機理的研究,但他們的研究重點大多集中于磨粒以微量切深去除脆性材料時,脆性材料產生的塑性變形及其相關機理[5-7]。對于磨粒以脆性方式去除脆性材料的研究,則并不多見[8]。

本文利用釬焊金剛石磨粒對玻璃進行了單顆磨粒脆性磨削實驗,測量了磨削時的法向力和切向力,分析了磨粒形狀、磨削參數對磨削力的影響規律,磨削力與耕犁面積以及磨削力比值的變化規律。

1 實驗條件及方法

為了模擬真實的磨削加工,實驗在精密平面磨床MSG-250HMD上進行,實驗裝置見圖1。實驗時,基體以一定的速度旋轉實現單顆磨粒的磨削,工作臺帶動工件做縱向運動。通過調整工件臺的進給速度,保證工件表面所留下的每道磨痕不產生相互干涉。利用Hirox視頻系統對所得到的磨痕進行觀察,測量磨痕的長度l c。

所選用的金剛石磨粒為 ISD1650,粒度為30/35,粒徑為0.50～0.59mm,利用真空釬焊將金剛石磨粒固接在夾具表面,夾具高度為10mm。釬焊后的磨粒被固定在直徑為100mm的鋁盤基體上(圖1)。保證焊接后磨粒的出刃高度超過粒徑的2/3。

圖1 單顆磨粒磨削實驗裝置示意圖

在早期單顆磨粒磨削研究中,所用的金剛石磨粒為具有固定角度的圓錐體磨粒[5,8]。但在實際的加工過程中,磨粒并不是理想的圓錐體,更多是一些棱錐體,各種棱錐以不同角度切入工件。通過對釬焊后的磨粒進行觀察,選取三種典型形狀的磨粒(圖2)進行實驗。通過選取磨粒端面的不同角度,從而獲得不同磨削錐角θ的磨削結果。

圖2 三種典型形狀的金剛石磨粒

玻璃作為一種典型的脆性材料,在許多脆性材料機理的研究中被選做工件材料,本實驗所用的工件材料為普通玻璃。工件尺寸為60mm×60mm×4mm,密度為 2.5kg/cm3,抗壓強度為890MPa,抗彎強度為 50MPa,彈性模量為70GPa,化學成分為Na2O?CaO?6SiO2。

實驗中采用 Kistler 9257BA壓電晶體測力儀測量單顆磨粒的磨削力,通過Dewe-2010動態信號分析儀對磨削力信號進行采集,采樣頻率為100kHz。利用石蠟將玻璃固定于測力儀表面,測量過程中,保證玻璃表面的不平度遠小于磨削深度。磨削時不添加冷卻液。實驗過程中固定進給速度vf為0.4m/s,磨削深度與磨削速度見表1。實驗中,對于每組加工參數組合各完成一次順磨及逆磨。由于工件長度相同,因此隨著切削速度的不同,每次磨削在工件表面留下5～15道的磨痕。在磨削加工過程中,跟蹤觀察磨粒,要求磨粒在所有參數的實驗中基本保持相同的形狀,不能發生破碎及大量磨損。

表1 磨削工藝參數表

2 磨削力的信號分析

圖3是3號磨粒在磨削過程中所獲得的一個典型的金剛石磨粒磨削玻璃的力的信號圖。從圖3可以看出磨粒在一次磨削玻璃過程中,法向力為駝峰形,即先單調上升達到最大值,再單調減小。相比于法向力而言,切向力在經過開始的單調上升后,突然開始減小,隨后產生了連續的波動變化。這種波動的力信號在本實驗的所有切向力信號曲線中均有出現,但是隨著切深的不同,其波動的程度略有不同。文獻[8]指出,單顆磨粒磨削力信號的波動是材料去除過程中的隨機破碎所致。文獻[8]在專門設計的裝置上測量了單顆磨粒劃擦玻璃的力的信號曲線。與文獻[8]相比,本文實驗雖然受到測力儀采樣頻率的限制,使得兩個實驗中的力信號曲線略有不同,但兩種方法所得到的力的幅值大致相同。圖3實驗中的最大法向力為36.4N,最大切向力為4.6N。后續數據分析中分別取磨削法向力及切向力的最大值進行分析。

圖3 典型的磨削信號曲線圖(3 號磨粒,a p=50μm,v s=6m/s)

另一個值得注意的是,與文獻[3-4]所提供的單顆磨粒磨削純金屬的力信號沿磨痕呈對稱分布不同,單顆磨粒磨削玻璃的力信號并不是沿著磨痕對稱分布的,最大磨削法向力和切向力出現在劃痕的前端。實驗過程中,所有的力信號均表現出上述變化規律。這表明了脆性劃擦中力信號曲線的非對稱性與磨削參數及磨削方式(順磨或逆磨)無關。

3 實驗結果

3.1 順切與逆切的磨削力比較

圖4所示是3號磨粒在不同磨削深度下,順磨和逆磨兩種磨削方式下各得到的8個磨削力的平均值。從圖4中可以看出,磨削方式的改變對磨削力幾乎沒有什么影響。法向力和切向力的平均幅值都幾乎相同。觀察順磨與逆磨的力信號曲線,發現兩者也都是相同的。這主要是因為相比于磨粒旋轉速度而言,工作臺進給速度很低,因此對磨削力的影響很小。在后續的數據分析中,對相同磨削參數下所得到的多條磨痕,先求出各個磨痕各自對應的磨削力,再將多個磨削力的平均值作為該加工參數下的磨削力進行分析。

圖4 磨削方式對磨削力的影響(3號磨粒,v s=9m/s)

3.2 磨削力隨加工參數的變化

圖5 所示是3號磨粒在磨削過程中法向力和切向力隨加工參數變化的曲線。從圖5中可以明顯看出,當磨粒保持原有形狀時,隨著磨削深度的增加,磨削力都呈單調增大的趨勢,法向力與切向力的變化大致相同;另一方面,隨著磨削速度的提高,磨削力是逐漸減小的。這與目前高速磨削加工研究中所得到磨削速度提高,單顆磨粒切削力減小的結論也是相符的[9]。但是圖5顯示出,當磨削速度低于9m/s時,單顆磨粒磨削力隨切深增加而增大的幅度較大,隨著磨削速度的提高,磨削力隨切深增加而增大的幅度減小。這個現象,與其他磨粒的磨削實驗結果是相符的。另一個值得注意的現象是,在實驗中,采用低的磨削速度進行磨削時,磨粒均可以很好地完成不同切深的實驗,但是進行高速大切深磨削時,磨粒很容易產生破碎,這也是導致實驗中沒有采集到v s=15m/s,切深大于40μm以上的磨削力信號的原因。值得思考的是,從磨削力的幅值上而言,當磨削速度提高時,無論是法向力還是切向力都有極大的減小,在本次實驗中,以磨削深度為35μm為例,轉速提高1.5倍(從6 m/s提高到15m/s),法向力與切向力的幅值均下降了約50%,但在實際加工過程中,選用高的磨削速度更容易導致磨粒折斷和失效,這說明導致磨粒在加工過程中失效的原因,可能并不僅僅是磨粒受到的靜態磨削力。對于磨粒失效的更深入研究將在后續的論文中報道。

圖5 磨削力隨加工參數的變化曲線(3號磨粒)

3.3 磨粒形狀對磨削力的影響

圖6 不同磨粒形狀對磨削力的影響(v s=12m/s)

圖6 是三種不同形狀的磨粒磨削時,磨削力隨切深變化的曲線。從圖6中可以看出,對于不同形狀的磨粒,其法向磨削力與切向磨削力均隨著切深的增加而增大。從圖6中還可以明顯看出,磨粒形狀對磨削力有極大的影響。隨著磨粒形狀的改變,相同加工參數下,法向力有近5倍的增加,切向力也有近3倍的增加。這個增加幅度已經超過了實驗中加工參數對磨削力的影響程度(圖 4)。

結合所選擇的三種磨粒的形狀(圖2)可以看出,在相同加工條件下,磨粒形狀對磨削力的影響,主要是通過磨粒與工件在磨削過程中接觸角度的不同而產生的。不同磨粒棱形(三角形、長方形及六面形)導致三種磨粒在切入工件時的錐角也各不相同。對于1號磨粒,其錐角 60°,是三種磨粒中錐角最小的磨粒,其磨削力也相應的最小。隨著切入錐角增大到90°和120°,其磨削力也隨之增大。

4 討論與分析

從上述的實驗結果可以發現,加工參數及磨粒的形狀均會對單顆磨粒磨削力有著重要的影響。實際磨削加工中,即使在加工參數固定的情況下,磨粒形狀也會各不相同,另一方面,磨粒在加工過程中產生的破碎也會導致磨粒的形狀發生變化,從而導致加工過程中磨削力產生較大的波動。

4.1 磨削力與側面耕犁面積的關系

文獻[10]在分析了金剛石磨粒加工脆性石材的過程中能量消耗的比例后指出,加工過程中的大部分能量消耗在金剛石與脆性石材的劃擦作用上。而這種劃擦作用在很大程度上受單顆金剛石磨粒耕犁的兩側面面積的影響。對于單顆磨粒磨削而言,磨粒耕犁兩側面面積見圖7。

圖7 單顆磨粒側面耕犁面積示意圖

從圖7中可以看出,磨粒的錐角會直接影響到側面耕犁面積,其關系表達如下：

式中,Ag為單顆磨粒側面耕犁面積;a′p為實際切深。

在實際加工過程中,磨床剛性系統的不足會導致實際切深小于名義切深ap。為減小此誤差的影響,磨削加工的實際切深可根據磨痕長度推導出,其公式如下：

式中,r為砂輪半徑,即基體中心到磨粒尖端的距離,由測量獲得。

圖8是三種磨粒在相同切削速度下,磨削力與單顆磨粒側面耕犁面積之間的關系。從圖8可以看出,雖然三種磨粒的切入錐角不同,但是其磨削力與磨粒側面耕犁面積有著良好的線性關系,其線性公式及擬合度見圖8。圖8中,R2表示數據點與曲線之間的擬合程度,R2越接近于1,表明數據點與曲線的重合度越高。

圖8 磨削力與側面耕犁面積之間的關系(v s=6m/s)

從圖8a中可以看出,單顆磨粒的法向力與磨粒的側面耕犁面積保持著良好的線性關系(其擬合度達0.9535)。對于同一顆磨粒而言,切削速度保持一定的情況下,隨著切深的增加,單顆金剛石磨粒耕犁的兩側面面積隨之增大,磨粒與工件材料之間的作用也隨之增強,表現在法向力隨著側面耕犁面積的增大而增大。綜合三種磨粒的結果,在相同磨削深度下,錐度角大的磨粒,其磨粒的耕犁側面面積也大,因此其法向力也大。對于同一顆磨粒,其切向力與磨粒側面耕犁面積保持著良好的線性關系(如圖8b所示,其擬合度達0.8590),但是其擬合程度不如法向力那樣高。這主要是因為,對于棱錐性磨粒則言,法向力不僅受到耕犁面積的影響,還受到切削棱邊的位置以及棱邊與工件夾角的影響。

圖8中,另一個值得注意的是磨削力與側面耕犁面積的擬合曲線并沒有經過坐標原點(見圖8中的公式),在側面耕犁面積為零時,也有磨削力存在。這是由于脆性在出現脆性劃痕前,存在著一定的塑性變形。

4.2 磨削力比的變化

磨削力比Fn/Ft表示磨削過程中磨粒壓入工件材料的難易程度,與被磨材料的物理和機械性能以及磨粒的鋒利程度有關。

圖9是三種形狀的磨粒在所有加工參數下的法向力與切向力的相互關系。從圖9中可以看出,對于單顆磨粒而言,在所有加工參數情況下,法向力與切向力之間有著很好的線性對應關系,這說明在工件材料相同的情況下,可以用力的比值來評價磨粒的鋒利程度。

圖9 法向力與切向力比值的變化

三種磨粒的磨削力比值約為5.0～9.5。該比值小于傳統普通金屬的磨削力比值,與陶瓷的磨削力比值相近。但是對于不同的磨粒形狀,法向力與切向力的比值的變化斜率并不相同,并且該變化斜率與磨粒的切入錐角沒有表現出明顯的對應關系。這是因為磨粒切向力與切入棱邊的位置及切入角度有關。

5 結論

(1)單顆磨粒脆性劃擦玻璃時的磨削法向力為駝峰形,但是切向力會有所波動。磨削力的曲線不沿磨痕呈對稱分布,最大磨削力的位置出現在磨痕的前端。

(2)磨粒劃擦實驗中,順磨與逆磨方式對磨削力的幅值及形狀并沒有明顯影響。

(3)在磨粒形狀不變的情況下,單顆磨粒的磨削力隨著切深的增加而增大,隨著磨削速度的增加而減小。

(4)磨粒形狀對單顆磨粒的磨削力有很大的影響。隨著磨粒與工件接觸角度的增大,磨削力也隨之增大。

(5)在相同磨削速度下,不同磨粒的磨削力與磨粒側面耕犁面積有著良好的線性關系。

(6)單顆磨粒的法向力與切向力之間有著很好的線性對應關系。

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