超音速火焰噴涂WC－Co涂層超高速磨削試驗(yàn)研究＊

郭 力，易 軍，盛曉敏

（湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

涂層是指附著在某一基體材料上起某種特殊作用，且與基體材料具有一定結(jié)合強(qiáng)度的薄層材料.它可以克服基體材料的某種缺陷，改善其表面特性，如光學(xué)特性、電學(xué)特性、耐腐蝕性、耐磨損性和提高機(jī)械強(qiáng)度等.隨著航空航天、電子、軍工等尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涂層技術(shù)得到了持續(xù)高速的發(fā)展[1].

WC－Co是常用的WC系涂層材料，具有良好的韌性，但抗鹽霧腐蝕性能較差；WC－CoCr是在 WC－Co上發(fā)展起來(lái)的，其具有良好的抗腐蝕性能1.氧氣助燃超音速火焰噴涂（High Velocity Oxygen Fuel，以下簡(jiǎn)稱HVOF）具有火焰溫度更低、粒子速度更高的特點(diǎn).用超音速火焰噴涂所制備的 WC－10Co4Cr涂層，涂層致密，孔隙率小于1%；涂層與基體的結(jié)合為機(jī)械和半冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高，可大于70MPa，硬度可以達(dá)到1 100～1 300HV、可以獲得很高的耐磨性能[2].

超音速火焰噴涂 WC－10Co4Cr涂層的優(yōu)越性能使得其只能采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高硬度、高耐磨性涂層的后期機(jī)械加工做了大量的研究工作[3－7]，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的磨削加工過(guò)程中存在以下問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)：

1）高的硬度和耐磨性使得磨削力比較大、砂輪損耗大；

2）涂層屬于脆性材料，磨削過(guò)程中難以獲得很好的表面質(zhì)量，表面裂紋難以控制；

3）磨削砂輪速度較低，磨削效率很低，磨削深度通常為幾μm.

本文通過(guò)進(jìn)行磨削工藝試驗(yàn)，研究了不同砂輪線速度條件下超音速火焰噴涂 WC－10Co4Cr涂層的磨削效果；研究了在超高速磨削條件下，提高磨削深度等磨削參數(shù)對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響.

1 材料磨削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)工件材料的規(guī)格為44mm×15mm×20 mm，其中底面和頂面兩面均采用超音速火焰噴涂方式噴涂有厚度為0.2～0.25mm的 WC－10Co4Cr涂層，工件基體材料是45＃鋼.涂層材料的物理性能見(jiàn)表1.

表1 材料的物理性能Tab.1 The physic properties of the material

加工前材料的表面形貌見(jiàn)圖1.

從圖1可見(jiàn)，噴涂層表面呈現(xiàn)凹凸不平，且存在少量的孔洞.這是由熔融的碳化鎢粉末被高速氣流噴射到基體上，與基體結(jié)合的同時(shí)也產(chǎn)生了飛濺和少部分未熔的顆粒造成的[8].通過(guò)測(cè)量未加工前涂層表面粗糙度發(fā)現(xiàn)，其表面粗糙度平均值為3μm.

圖1 涂層表面微觀照片F(xiàn)ig.1 Microscopic photos of surface of coating

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)制造的314m／s數(shù)控超高速平面磨削試驗(yàn)臺(tái)上完成，該試驗(yàn)臺(tái)主軸的最高轉(zhuǎn)速為20 000 r／min；工 作 臺(tái) 速 度 最 高 可 達(dá) 5m／min；采 用SBS4500砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡；磨削液供液壓力為8MPa.

試驗(yàn)所用的砂輪為400＃樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，分別由鄭州磨料磨具磨削研究所和奧地利泰利萊公司生產(chǎn)；采用SiC滾輪進(jìn)行整形；采用Al2O3油石對(duì)砂輪修銳.圖2為超高速磨床照片，表2為砂輪修整參數(shù)，表3為砂輪規(guī)格.

圖2 超高速磨削試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Ultra－h(huán)igh speed grinding testrig

表2 砂輪修整參數(shù)Tab.2 Grinding wheel’s dressing parameters

表3 砂輪規(guī)格Tab.3 The specification of grinding wheel

磨削過(guò)程中用Kistler測(cè)力儀對(duì)磨削力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；被磨工件表面粗糙度Ra采用JB－4C表面粗糙度臺(tái)階測(cè)量?jī)x在垂直于磨削方向上測(cè)量；用FEI公司生產(chǎn)的型號(hào)為Quanta 200掃描電鏡對(duì)加工前后涂層的表面微觀形貌進(jìn)行檢測(cè).

1.3 磨削試驗(yàn)方案

為了研究 WC－10Co4Cr涂層的超高速磨削性能，做了以下試驗(yàn).為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每一組試驗(yàn)參數(shù)均重復(fù)3次試驗(yàn).工藝參數(shù)和磨削條件見(jiàn)表4.

表4 工藝參數(shù)和磨削條件Tab.4 Process parameters and grinding conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磨削力結(jié)果與討論

圖3是采用泰利萊砂輪磨削涂層工件，工作臺(tái)速度為3.6m／min、磨削深度為0.01mm時(shí)，砂輪線速度為1 600m／s的磨削力實(shí)測(cè)圖.

圖3 vs＝1 600m／s，vw＝3.6m／min，ap＝0.01mm時(shí)垂直磨削力Fig.3 The normal grinding force whilevs＝1 600m／s，vw＝3.6m／min，ap＝0.01mm

圖4和圖5是磨削超音速火焰噴涂碳化鎢涂層時(shí)，磨削力隨砂輪線速度的變化關(guān)系.從圖看出，隨著砂輪線速度的大幅度提高，垂直方向和水平方向的磨削力均減小.

圖4 切向磨削力隨砂輪線速度的變化Fig.4 The tangential grinding force change with wheel speed

圖5 法向磨削力隨砂輪線速度的變化Fig.5 The normal grinding force change with wheel speed

由于砂輪線速度的大幅增加，使得單位時(shí)間內(nèi)磨削區(qū)參與磨削的磨粒數(shù)量大大增加，在磨削深度一定的情況下，單顆磨粒最大未變形切削厚度變薄，磨刃作用在工件上的磨削力也相應(yīng)減小，所以測(cè)量出的磨削力都隨砂輪線速度增大而降低[9－10].

另外隨著磨削力的降低，每顆磨粒的負(fù)荷減小，磨粒磨削時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，因而也有利于提高了砂輪使用壽命.

2.2 表面粗糙度結(jié)果與討論

圖6是采用泰利萊砂輪磨削涂層工件，工作臺(tái)速度為3.6m／min、磨削深度為0.01mm時(shí)砂輪線速度為160m／s的表面粗糙度實(shí)測(cè)圖.

圖6 vs＝160m／s，vw＝3.6m／min，ap＝0.01mm時(shí)表面粗糙度Fig.6 The surface roughness while grinding withvs＝160m／s，vw＝3.6m／min，ap＝0.01mm

圖7為工作臺(tái)速度3.6m／min、磨削深度0.01 mm時(shí)磨削后工件表面粗糙度隨砂輪線速度變化關(guān)系圖，從圖可看出，隨砂輪線速度增加，表面粗糙度隨之降低.圖8為砂輪線速度160m／s、工作臺(tái)速度3.6m／min時(shí)工件表面粗糙度隨磨削深度的變化，從圖可看出，在超高速磨削條件下，磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響不大.

工件磨削表面是由砂輪表面的微刃直接作用的結(jié)果，在一定的磨削條件下，磨削表面的形成主要取決于砂輪表面形貌、微刃與工件之間的接觸方式.砂輪速度低時(shí)，微刃的切削作用差，往往在工件表面滑擦，而隨著砂輪速度的提高，一方面，磨刃相對(duì)鋒利，切削能力加強(qiáng)，使工件材料的隆起和塑性堆積現(xiàn)象減小；另一方面，砂輪表面磨刃的動(dòng)態(tài)等高性變好，工件斷面的有效磨刃率變大，單顆磨粒最大未變形切削厚度變薄，從而使工件表面形成的紋路致密和光滑.因而表面粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[11].

圖8的結(jié)果表明，在保證單顆粒磨削厚度的基礎(chǔ)上大幅度提高砂輪速度就可以同時(shí)加大砂輪切深和加快工作臺(tái)速度，顯著提高磨削效率而對(duì)磨削表面粗糙度影響不大.

圖7 工件表面粗糙度隨砂輪線速度的變化Fig.7 The surface roughness change with wheel speed

圖8 工件表面粗糙度隨磨削深度的變化Fig.8 The surface roughness change with grinding depth

2.3 表面微觀形貌結(jié)果與討論

通過(guò)SEM對(duì)涂層已磨削表面進(jìn)行微觀觀察結(jié)果為圖9所示，高速超高速磨削表面質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)磨削.

觀察以上兩幅圖片發(fā)現(xiàn)，磨削表面由磨粒劃擦引起的溝槽磨痕和由于脆性斷裂破壞所形成的凹坑組成.由于金剛石磨粒的銳鈍狀態(tài)、高度分布有所區(qū)別，各個(gè)磨粒的實(shí)際磨削深度、切削載荷都不相同，因此劃擦溝槽有深淺、寬窄之別[12－13].

圖9（a）和圖9（b）是碳化鎢涂層在較低磨削速度條件下，磨削表面微觀形貌.從圖中可見(jiàn)，磨削條紋不連續(xù)，在金剛石磨粒的推擠下，部分劃痕溝槽兩側(cè)壁處形成不完整的破碎邊緣，而且在劃痕底部和側(cè)面有大量的碎化晶粒，此外，磨削表面還存在一些凹坑.以上特征說(shuō)明磨削加工時(shí)材料去除方式以脆性去除為主.

圖9（c）和圖9（d）是碳化鎢涂層在高速磨削條件下，磨削表面微觀形貌.從圖中可以看出，磨削表面呈現(xiàn)如下特征：磨削條紋基本連續(xù)，紋理均勻且平直光滑；局部位置存在凹坑.大量的磨削劃痕是磨粒的微切削形成的，而局部位置的凹坑可能是材料本身的氣孔.由此可見(jiàn)，在超高速磨削條件下，材料去除方式以塑性去除為主.

圖9 工件表面微觀形貌Fig.9 The surface microstructure of the workpiece

3 結(jié) 論

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果與討論，可以得到如下結(jié)論：

在工作臺(tái)速度和磨削深度等磨削參數(shù)不變條件下，提高砂輪線速度，即在高速超高速磨削條件下能有效降低超音速火焰噴涂涂層的磨削力，進(jìn)而提高砂輪的使用壽命.

在工作臺(tái)速度和磨削深度等磨削參數(shù)不變條件下，提高砂輪線速度能有效降低超音速火焰噴涂涂層表面粗糙度，提高加工表面質(zhì)量.在超高速磨削條件下，磨削深度對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響不大，這將有利于超高速磨削時(shí)通過(guò)加大磨削深度來(lái)提高加工效率.

通過(guò)對(duì)磨削表面的微觀形貌觀察，由于砂輪線速度的提高，大大降低了單顆磨粒的實(shí)際磨削深度，使材料的去除方式由低磨削速度時(shí)的脆性去除向高速超高速時(shí)的塑性去除方式轉(zhuǎn)化，因而也提高了磨削表面的質(zhì)量.

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