多顆粒金剛石小砂輪的耗損規律研究*

王望龍 王 龍 田欣利 唐修檢 王健全 王朋曉

(裝甲兵工程學院再制造技術重點實驗室，北京100072)

工程陶瓷材料抗剪應力很高而抗拉伸應力極低、彈性模量大、硬度高、脆性大，目前主要以磨削加工方法為主，但大都存在加工成本高、效率低等突出問題［1］。小砂輪軸向大切深緩進給磨削加工硬脆材料是一種高效、低成本的加工方法，其優點有小砂輪運動慣性小，無需考慮動平衡影響;磨削力矩小，振動小，其動剛度提高;其動進給方向與中位裂紋擴展一致等［2］。加工時，砂輪軸線與工件軸線相互平行，依靠砂輪的旋轉運動和軸向進給運動與工件旋轉運動的合成運動完成工程陶瓷等硬脆材料軸類或內孔表面加工。其端部和拐角處的磨粒起到主切削刃去除材料作用。

通過多顆粒金剛石小砂輪結構設計，能更好地研究端面邊緣金剛石對陶瓷加工過程的影響及金剛石的磨損規律，探討如何選擇合適的砂輪和合理的加工參數，有效利用大塊崩裂去除方式來提高加工效率，又能減少對工件和砂輪磨具的損傷。本文主要通過合理的實驗方案設計，并利用邊緣檢測和輪廓曲線擬合的方法追蹤檢測頂尖曲率半徑變化來研究金剛石顆粒的耗損規律。

1 多顆粒金剛石小砂輪軸向進給磨削實驗方案

1.1 多顆粒金剛石小砂輪結構

本次在小砂輪端面上焊接兩排較粗大的金剛石顆粒，其結構特點是砂輪磨具頭部位呈倒錐型，端面邊緣金剛石顆粒之間隙小于1 mm，基體材料45號鋼。本實驗利用金剛石磨粒頂錐角2θ及磨削刃圓弧半徑ρg來表征磨粒切削性能。本次在金剛石端部均勻對稱的部位所焊接的金剛石顆粒有設定角度2θ和尖端圓弧半徑。制備的單顆粒金剛石頂錐角2θ分別為60°、120°和150°。圖1為本次研究使用小砂輪結構設計圖及實物。

1.2 實驗系統

實驗采用FANUC BV75立式加工中心為試驗平臺，其主要技術參數為:主軸功率15 kW，轉速為60～7 000 r/min可無級調速;工作臺伺服電動機功率7 kW，工作臺進給速度3～15 000 mm/min。將小砂輪固定在加工中心主軸上，將加工中心第四軸固定在工作臺上用于裝夾陶瓷件。加工過程中對砂輪與工件結合部實施水基磨削液冷卻潤滑，小砂輪軸向大切深緩進給磨削加工實驗系統如圖2所示。

1.3 實驗材料和工藝參數

采用反應燒結Si3N4陶瓷進行磨削實驗研究，材料尺寸規格為直徑26 mm，高度60 mm。材料的主要性能參數:密度ρ=2.73 g/cm3，硬度85HRA，彈性模量E=160 GPa，斷裂強度KIC=2.85 MPa·m1/2。

當砂輪轉速為5 000 r/min，工件轉速150 r/min，分析小砂輪軸向進給磨削加工中金剛石頂錐角2θ、磨削深度ap和軸向進給速度V的磨粒耗損規律。按表1的加工參數進行3組實驗。

表1 實驗工藝參數

2 金剛石顆粒耗損規律的研究方法

2.1 多顆粒金剛石小砂輪的磨損現象

實際磨削加工過程中，由于金剛石磨粒會受到陶瓷工件的摩擦和擠壓作用，當其所受磨削力超過自身強度時就會發生破碎的形式從基體上脫落，金剛石磨粒尖端磨耗、破碎或崩落［3-4］，尖端圓弧半徑會按特定規律逐漸增大。此時，隨著金剛石的鈍化，磨削力顯著增大，工件表面質量變差和表面損傷增多。所以，可以利用實時追蹤檢測金剛石尖端圓弧半徑的耗損規律衡量砂輪磨粒磨削刃的耗損特性。

實驗完成后，用愛國者數碼觀測王GE-5放大倍數為180倍對其進行觀察。金剛石砂輪的端面焊接金剛石磨損情況如圖3所示。

通過對金剛石磨粒進行標號實時跟蹤SEM觀測，單顆粒金剛石表面掃描電鏡形貌及其耗損失效過程如圖4所示，金剛石顆粒尖端磨耗過程中同時存在解理剝落和擠壓破碎，磨粒破損脫落時會產生新磨刃的自礪作用，這些導致圓弧半徑的斷續增大。

2.2 尖端圓弧半徑研究方法

圖5為本次研究采用的金剛石尖端圓弧半徑檢測方法和步驟［5-6］。其中主要分為5步:(1)SEM觀測圖像。本次采用1 000倍率，金剛石尖端完全落入SEM視場內，圖形的邊緣輪廓清晰。(2)圖像預處理。用Matlab對采集的TIF格式SEM圖像質化處理，通過圖像增強、平滑、二值化處理后得到視覺效果較好、邊緣輪廓信息豐富的灰度圖像。(3)邊緣檢測。Canny算子運用雙閾值算法可生成光滑細膩的邊緣，使得結果更為準確。(4)輪廓點采樣與曲線擬合。按高階多項式函數的曲線來擬合SEM圖像的輪廓點集。本次采樣點數為40，曲線擬合階數8。其能如實反映金剛石顆粒尖端輪廓細節和曲率變化，曲線擬合有一個較佳狀態。(5)曲率半徑計算。經最小二乘曲線擬合得到物體邊緣輪廓的擬合函數y=f(x)后，計算函數上各點沿切線方向的曲率k，取其倒數得到擬合函數的最小曲率半徑Rf。

3 金剛石磨粒耗損規律研究結果和分析

將砂輪上的金剛石按頂錐角進行了分類標記，其中并重點對砂輪端面圓的節點部位金剛石顆粒進行了追蹤實時檢測其尖端圓弧變化規律，然后按分類所測的數據結果各取平均值作為試驗最終的測量結果。用Matlab對得到的結果進行了階數為8的多項式曲線擬合。分別取砂輪磨削行程作橫坐標、按錐角分類磨粒尖端圓弧半徑的平均值作縱坐標，繪出不同加工參數下對Si3N4陶瓷材料進行加工的磨粒耗損規律圖。

3.1 磨粒頂錐角對耗損規律的影響

如圖6所示，在磨削深度ap=1 mm，進給速度V=100 mm/min時，每次取100 mm做為一個行程。60°頂錐角顆粒更容易發生破碎式耗損，初始圓弧半徑ρg=4μm的金剛石顆粒經歷6個行程后被劇烈磨損，在第8行程時接近破壞極限;而150°頂錐角使金剛石顆粒抗耗損性能大為增強，在劃擦1 200 mm前磨粒的耗損都較穩定，在1 200 mm后劇烈破壞，其耗損壽命為小頂錐角磨粒耗損壽命的若干倍。在其他兩組不同的加工參數圖表里也可以看到相同的規律。可知，頂錐角2θ對金剛石顆粒耗損速率影響很大。

3.2 磨削深度對耗損規律的影響

如圖7所示，比較不同錐角的磨粒以進給速度V=100 mm/min，分別以ap=1 mm、1.5 mm兩種不同磨削深度下的實驗結果發現，磨削深度的增加會使各磨粒耗損加劇，其可磨削的行程減小，在較短時間內喪失切削能力。磨削深度加大會引起磨削力成倍加大，金剛石顆粒承受的載荷也就相應增大。可見，磨削深度是影響砂輪耗損的重要因素。

3.3 進給速度對耗損規律的影響

如圖8所示，砂輪以ap=1 mm，進給速度V分別為100 mm/min、200 mm/min時的實驗結果發現，采用較高的工件進給速度時，磨粒與工件的法向與切向摩擦力增加，磨粒承受較大的反作用力，磨粒與工件接觸區高溫致使磨粒局部軟化，因此磨削刃磨損加劇。

4 結語

(1)對小砂輪結構進行改造和實驗方案，更方便清晰地研究軸向大切深緩進給磨削加工的端部拐角處對邊緣破碎和加工質量影響，以及金剛石磨粒的耗損規律。

(2)利用金剛石磨粒的頂錐角2θ和圓弧半徑ρg來表征磨削刃的鋒利程度。闡述了磨粒在加工過程中承受摩擦和擠壓作用，發生解理剝落和擠壓破碎，同時磨粒因破碎而反復發生顆粒自礪行為，它的尖端圓弧半徑會按特定規律逐漸增大。并擬定邊緣檢測和輪廓曲線擬合的實驗方法追蹤檢測金剛石頂尖曲率半徑變化來研究金剛石顆粒的耗損規律。

(3)分析了磨粒頂錐角、磨削深度、進給速度對金剛石耗損規律的影響。結果表明，磨粒頂錐角對磨粒耗損速率影響起重要角色，頂錐角越大，金剛石磨粒磨削行程越長。材料磨削深度與進給速度兩加工參數越大，磨削力和磨削溫度越高，磨削條件變惡劣，金剛石顆粒磨削行程越短。

［1］金志浩，高積強，喬冠軍.工程陶瓷材料［M］.西安:西安交通大學出版社，2000.

［2］Tian X L，Guo F，Mao Y T，et al.Investigation on axial turninggrinding of engineering ceramics［J］.Advanced Materials Research，2010(154/155):1027-1032.

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