散料研磨工藝對工件表面質量及材料去除率的影響

原一高 暢曉振 朱世根

(東華大學機械工程學院，上海 200051)

研磨是一種傳統的精密加工方法，被廣泛用于金屬零部件［1］、光學元件［2］以及工程陶瓷［3］的表面精加工。研磨過程中，研磨工藝參數對工件表面質量和加工效率有顯著的影響。目前，對研磨參數的研究大多集中于固著磨料研磨條件下如何獲得高的表面精度或加工效率。Yang等［4］采用固著磨料高速平面研磨方法對SiC陶瓷材料的研磨加工進行了實驗研究。結果表明，對于類似于SiC陶瓷這樣的脆性材料，材料的去除機理和表面粗糙度主要與磨料粒度和研磨壓力有關。David等［5］通過研究固著磨料研磨條件下，光學元件的加工表面粗糙度、材料去除率與研磨時間之間的關系，發現磨料粒度越大，材料去除率越高，表面粗糙度越差。Lin等［6］進行了用SiC固著磨料研磨WC－Co硬質合金的實驗，也發現隨磨料粒徑的增大，材料的去除率和表面粗糙度值增大。Zheng等［7］認為，固著磨料研磨過程中，增大研磨壓力和研磨速度，可提高材料的去除率，但對研磨表面粗糙度的影響并不大。相對于固著磨料研磨，散料研磨設備簡單、加工成本低，在工具、模具或閥門等機械零件的精密加工中得到了普遍應用，但至今為止有關散料研磨的研究報道還相當缺乏［8］，僅有零星文獻提及散料研磨過程中研磨壓力、研磨速度等工藝參數對工件表面粗糙度和殘余應力的影響［9］。為此，筆者探討了散料研磨條件下，一些重要的研磨參數，如磨料種類、磨料粒度以及研磨劑裝入量等，對工件表面質量和材料去除率的影響，旨在為高效率、高質量研磨工藝的選擇提供實驗依據。

1 試驗方法

試驗所用材料為W9Mo3Cr4V高速鋼，經淬火+3次高溫回火熱處理后硬度為832 HV。試樣尺寸:10 mm×19 mm×1.4 mm。在離心式研磨機(DL－610C型，溫州德隆研磨機制造公司)上采用不同工藝參數對試樣表面進行研磨加工。研磨機工作原理如圖1所示，磨料性能見表1。實驗結束后，在超聲波清洗機中用95%的酒精清洗試樣，用奧豪斯CPJ812型精密分析天平稱量研磨前后試樣的質量，以ω表示研磨加工的材料去除率，見式(1)。然后，用表面粗糙度測試儀(JB－4C型，上海泰明光學儀器有限公司)測量試樣表面粗糙度，測量時取樣步長為0.25 mm，評定長度為步長的3倍，每個試樣測量3次，結果取平均值。最后，用X射線應力測定儀(X－350A型，邯鄲愛斯特應力技術公司)測量研磨表面的殘余應力。測定殘余應力時所用衍射晶面為(211)晶面，sin2ψ法，半高寬法定峰(ψ 分別取 0°、25°、35°和 45°)，每個試樣測量 3次，結果取平均值。

表1 磨料的物理性能

2 結果與討論

研磨過程中有多種因素會對研磨表面質量和材料去除率產生影響，如研磨機類型，研磨盤表面狀況、研磨盤轉速、磨料種類、研磨劑的濃度、研磨劑裝入量、磨粒粒徑、研磨盤的材料與剛度、研磨壓力和研磨時間等［10］。本文主要研究當磨料種類、粒度以及研磨劑裝入量發生變化時，工件研磨表面質量和材料去除率的變化情況。為此，實驗時將其他因素，如研磨機類型、磨具表面狀況、研磨劑濃度、磨具材料與剛度、研磨速度、研磨壓力和研磨時間等保持恒定(具體地，研磨盤轉速30 r/min、研磨壓力20 N、研磨時間30 min)。同時，實驗開始前，用白剛玉砂輪將所有試樣的表面磨削10 min，以去除不平整的回火表面獲得新的光滑表面。由于所有樣品均是在相同條件下進行磨削的，因此可以認為所有樣品的表面是均勻一致的，測量結果也證實了這一點，原始磨削表面的粗糙度和殘余壓應力分別是 0.69 ±0.3 μm，220 ±15 MPa。

圖2示出了磨料粒度、磨料種類及研磨劑裝入量對表面粗糙度的影響。由圖可見，相同研磨速度、研磨壓力及研磨時間條件下，研磨表面的粗糙度值隨磨料粒度的增大而增大。用同粒度的不同磨料進行研磨，研磨表面的粗糙度明顯不同。3種磨料中，用SiC磨料研磨的試樣表面粗糙度值最小，白剛玉研磨的最大。同時還可以看出，研磨劑的裝入量對研磨表面粗糙度也有顯著的影響，隨研磨劑裝入量的增加，試樣表面粗糙度值呈先減小，后增大的趨勢。

磨料粒度、磨料種類及研磨劑裝入量對研磨表面殘余應力的影響結果如圖3所示。由圖可見，研磨加工后試樣表面的殘余應力均呈壓應力狀態。相同研磨速度、研磨壓力和研磨時間條件下，研磨表面殘余應力的數值隨磨料硬度的提高、磨料粒度的增大而增大，隨研磨劑裝入量的增大而減小。

磨料粒度、種類及研磨劑裝入量對研磨表面材料去除率的影響見圖4。可以看出，用同種磨料研磨，隨磨料粒度的增大，材料的去除率增大。相同粒度條件下，用金剛石磨料研磨材料的去除率最大，用白剛玉磨料研磨材料去除率最小，碳化硅次之。研磨過程中，隨研磨劑裝入量的增加，材料去除率呈先增加后減小的趨勢。這說明，研磨劑裝入量存在一最佳值，裝入量過小或過大，均會導致材料去除率的減小。本實驗條件下，研磨劑裝入量為40 mL時，材料去除率最大。

散料研磨實質上是1個磨料、磨具(研磨盤)和工件之間的3體磨粒磨損過程。因此，磨料的硬度、粒度以及參與研磨過程的磨粒數量必然會對研磨表面的質量和材料去除率產生影響。研磨時，磨粒在研磨壓力作用下對試樣表面進行微切削。磨料的粒度越大，研磨時磨粒在工件表面產生的犁溝就越深，試樣表面被磨粒擠壓出的層狀或鱗片狀剝落碎屑就越多，因此，隨磨料粒度的增大，研磨表面的粗糙度值和材料去除率相應增大(見圖2、圖4)。

采用相同粒度的不同磨料進行研磨，由于磨料硬度之間的差異，研磨表面粗糙度和材料去除率有所不同。根據磨損理論，磨料的硬度越高，研磨過程中磨粒對試樣表面的磨損就越嚴重，材料的去除率也就相應增大(見圖4)。研磨表面的粗糙度除與磨料硬度有關外，還與磨料的脆性密切相關。磨料的硬度低(如白剛玉)，研磨時磨粒對試樣表面的微切削效果較差，研磨表面的粗糙度值就相對較大。硬度高、脆性大的磨料(如SiC)，由于研磨過程中磨具的擠壓作用會導致磨粒破碎，使得磨料粒度減小，反而會減小研磨表面的粗糙度值(見圖2)。

研磨表面粗糙度、材料去除率還與參與研磨過程的磨粒數量有關。在研磨劑裝入量較少時，研磨劑雖處于強制流動狀態，但由于參與研磨的磨粒數量少，磨粒與試樣表面的作用次數相對就少，研磨作用不明顯，因而研磨表面粗糙度值較大、材料的去除率低。研磨劑裝入量過大，雖然參與研磨的磨粒數量大大增加，但研磨過程中研磨劑處于緩和流動狀態，相對滑移速度會明顯下降，大大減弱了磨粒對工件的作用強度，反而使研磨效果變差。因此，隨研磨劑裝入量的增加，研磨表面粗糙度值先減小、后增大(見圖2)，材料去除率先增大、后減小(見圖4)。

由圖3可見，經研磨加工后試樣表面的殘余應力均呈壓應力狀態。這是因為研磨過程實質上是大量高硬度的磨料對工件表面進行微量切削的過程，磨料作為切削刀具，具有很大的負前角，使得研磨過程中磨料在試樣表面產生了很大的壓應力和塑性變形。不均勻的塑性變形殘存于表面，就形成了殘余壓應力。相同研磨速度、研磨壓力和研磨時間條件下，磨料硬度越高，研磨時工件表面產生的擦傷、塑性變形情況就越嚴重，因此，研磨表面殘余應力的數值隨磨料硬度的提高而增大(見圖3)。當磨料粒度增大時，同時作用于工件加工面上的磨粒數量就相應減少。相同研磨壓力下，每個磨粒上的作用力就相應地增大，試樣表面的壓應力和不均勻塑性變形的程度隨之增加，從而導致殘余壓應力增大。

研磨劑的裝入量對研磨介質流動層的長度、磨料與工件的相對滑移速度影響較大。當裝入量增大時，流動層長度明顯變短，滑移速度下降，從而相應地使磨料作用于工件表面的次數減少。在殘余應力測量結果上，就表現為隨研磨劑裝入量的增大，研磨表面的殘余壓應力減小。

3 結語

通過研究發現，散料研磨過程中，磨料種類、粒度以及研磨劑裝入量對工件的表面質量和加工效率有很大的影響。隨磨料粒度的增大，研磨表面的粗糙度值、殘余應力和材料去除率增大。采用相同粒度磨料研磨，磨料的硬度越高，研磨表面殘余應力和材料去除率越大。硬度高、脆性大的磨料，可有效減小研磨表面粗糙度值。隨研磨劑裝入量的增大，研磨表面殘余應力減小。對表面粗糙度和材料去除率而言，研磨劑裝入量有一最佳值，裝入量過小或過大，均會降低研磨表面質量和研磨效率。

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