石墨粉末內噴潤滑砂輪研制及其實驗研究*

霍文國 丁元法 蔡蘭蓉 張翔宇 董慶運 邵 娟

(①天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222;②貴州省新材料研究開發基地貴州省先進金屬材料制備與加工工程研究中心，貴州貴陽 550002)

與車削銑削相比，磨削加工屬于多刃切削，接觸面積大，散熱困難，因此在磨削工件表面很容易積聚大量的熱量［1］。為了降低磨削溫度，避免磨削燒傷，在磨削過程中大量切削液的使用也就成為了磨削的一大弊端。為了減少資源浪費和避免環境污染，采用減少甚至不使用冷卻液的綠色磨削加工技術已變成切削加工中一個重要的研究方向［2-3］。

國內外的學者對綠色切削磨削加工技術開展了大量的研究。主要有干切削技術［4］、高速切削加工技術［5-6］、微量潤滑冷卻技術［7-8］、液氮冷卻技術［9］和固體潤滑冷卻技術［10-12］等并通過相應的理論和實驗研究，取得了較好的降溫效果，但也存在冷卻裝置復雜、加工成本高等問題。在磨削加工中一方面由于高速磨削時砂輪形成的氣流為屏障作用，使得外噴冷卻時冷卻介質能夠進入到磨削弧區的很少，另一方面大量使用冷卻液造成環境污染和資源浪費，因此本文提出固體潤滑和內噴冷卻相結合的一種固體潤滑劑內噴冷卻砂輪。

1 內噴潤滑砂輪結構設計

內噴潤滑砂輪是利用砂輪的高速旋轉帶動砂輪內腔的葉輪異步旋轉，產生驅動氣流，通過氣流驅動力和離心力的共同作用下將填充在砂輪內腔的固體潤滑劑通過砂輪表面析出微孔均勻析出到磨削弧區，進行磨削潤滑和冷卻。本文設計的內噴潤滑砂輪為外圓結構，主要由安裝連接軸、砂輪基體、底盤及內腔葉輪等組成。為保證整個磨削加工過程中持續提供潤滑劑粉末，外圓砂輪的端面上均布4 個孔。外圓砂輪整體裝配圖如圖1 所示，首先底盤6 安裝在砂輪軸1 上，然后將葉輪葉片安裝在底盤上部，最后通過固定螺母2 和墊片3 將砂輪基體安裝在底盤上。

2 內噴潤滑砂輪關鍵參數選擇

砂輪內腔的葉輪主要作用是使填充在砂輪內腔的固體潤滑劑粉末通過表面微孔均勻析出到砂輪表面。葉輪安裝在砂輪安裝軸上，并通過安裝軸與葉輪之間摩擦力驅動葉輪異步旋轉。葉輪設計時首先保證葉輪可以裝配到砂輪內腔里面，還需對葉輪的連接孔內表面進行處理，并能保證安裝軸與葉輪的異步轉動。葉輪的大小和形狀可以將砂輪內腔的固體潤滑劑粉末攪拌均勻并驅動潤滑粉末向四周移動。

通過砂輪葉輪內腔的流動性的分析［13-14］，葉輪式砂輪基體的砂輪基盤內腔直徑為116 mm、葉輪外徑為112 mm、葉片入口處平均直徑為60 mm、葉片入口寬度為20 mm、出口寬度為10 mm、葉片數為6 的葉輪結構能夠滿足內噴潤滑砂輪固體潤滑劑的流動需要。

固體潤滑劑選擇石墨粉末，粒度選擇為300 目，石墨固體潤滑劑形成的潤滑膜具有極低的熱與摩擦因數(0.04～0.09)，高的熔點(1185 ℃)。固體潤滑劑粉末析出微型孔均勻排布設計，析出微孔的排距為45 mm，行距為1.5 mm。

流道孔徑在確定時，根據葉輪式內噴潤滑砂輪葉片設計分析［14］，綜合考慮砂輪轉速、葉片葉輪轉速和潤滑劑粉末流動性，并為了保證磨削潤滑效果，必須保證進入磨削弧區的固體潤滑劑是連續的，基于砂輪表面積和磨削磨損分析，潤滑劑粉末的析出量控制在0.02～0.05 mm3/r，因此析出微孔孔徑一般取0.5～1.5 mm。

3 固體潤滑劑內噴潤滑砂輪的研制

砂輪軸直徑設計為25 mm，砂輪基體外徑為120 mm，析出微孔孔徑為1 mm，石墨粉末補充孔直徑為5 mm，葉輪采用125FSB -40L 氟工程塑料。加工之后的砂輪軸如圖2 所示，外圓內噴潤滑砂輪基體如圖3 所示，葉片葉輪如圖4 所示。

砂輪基體表面采用單層電鍍立方氮化硼(CBN)工藝，CBN 粒度選擇為80/100 目，砂輪磨粒濃度為75%。制作好的單層電鍍CBN 砂輪如圖5 所示，固體粉末析出微孔區域的微觀形貌如圖6 所示，砂輪表面磨粒區域的微觀形貌如圖7 所示。由圖可見，制作好的砂輪表面的磨粒分布較為均勻。磨粒三維視圖如圖8 所示，由圖可見，電鍍單層CBN 砂輪磨粒的等高性和出露性較好，通過微觀形貌顯微觀察未見磨粒破損和脫落。

4 磨削實驗及砂輪表面潤滑劑分析

4.1 實驗條件

采用筆者研制開發的恒力磨削實驗裝置，其原理為通過調節彈簧的壓縮長度來控制工件與砂輪之間的法向磨削力。實驗裝置安裝在臺灣首鉆精密機械公司生產的KBA8 -V 立式銑床工作臺上，固體粉末內噴潤滑砂輪安裝在銑床主軸上。砂輪線速度分別選擇3 m/s、5 m/s、9 m/s、12 m/s，進給速度為200 mm/min，恒力裝置加載壓力為50 N，整體實驗裝置如圖9所示。表面形貌觀察和磨粒磨損平臺面積測量借助于基恩士公司的VHX -1000C 三維體式顯微鏡，表面粗糙度由蘭泰SRT6210 型測試儀測得。同時進行石墨粉末內噴潤滑單層電鍍CBN 砂輪和干磨削單層電鍍CBN 砂輪對比磨削實驗研究。

4.2 砂輪表面石墨涂覆分析

砂輪在線速度9 m/s，連續磨削10 min 后砂輪表面如圖10 所示，磨粒表面微觀形貌如圖10 所示。經過磨削后的磨粒表面三維微觀形貌如圖12 所示。

由圖可見，通過磨粒磨削過后，石墨粉末能夠良好地粘附在砂輪表面，砂輪表面磨粒未見明顯磨損和劃痕，未發現磨粒脫落和破損現象。由此分析，粘附在砂輪磨粒表面的固體潤滑劑石墨粉末在砂輪與工件的磨削過程中，持續析出補充砂輪表面的石墨粉末能夠起到磨削潤滑的作用，一方面能夠抑制工件與砂輪之間的磨削摩擦，降低磨削溫度;另一方面，石墨粉末涂層對砂輪表面也起到了一層保護作用。

4.3 工件磨削表面粗糙度

工件磨削表面粗糙度與砂輪線速度的關系如圖13所示，由圖可見，砂輪線速度從3 m/s 提高到12 m/s的過程中，工件表面粗糙度值總體上呈減小趨勢。這是由于提高砂輪線速度使單位時間內磨削的次數增加，參加磨削的磨粒增多，使單顆磨粒未變形磨削厚度減小，導致磨削力減小，因而使表面粗糙度值減小。

石墨粉末內噴潤滑砂輪的磨削工件表面粗糙度值總體上小于干磨削單層電鍍CBN 砂輪的磨削表面粗糙度值，尤其是砂輪線速度較大時，內噴潤滑砂輪磨削工件表面粗糙度值更小，這是由于砂輪線速度提高后，內噴潤滑砂輪的石墨析出能力增強，內噴潤滑砂輪內部石墨粉末持續地析出使磨粒切削刃能長時間保持鋒銳，切削性能好，易于獲得較小的表面粗糙度值。

5 結語

本文針對砂輪高速磨削時產生的氣流屏障作用阻礙冷卻液進入磨削弧區以及環境污染的問題，設計出了一種新型的固體潤滑劑粉末由砂輪內部析出的新型砂輪結構，并通過控制砂輪轉速、葉片葉輪形狀、葉輪轉速、粉末析出微孔等參數，制作出了單層電鍍石墨粉末內噴潤滑CBN 砂輪，并完成了磨削性能實驗。結果表明，采用固體潤滑劑粉末潤滑技術和內部析出潤滑介質冷卻技術相結合的固體粉末內噴潤滑技術能夠在砂輪表面形成穩定潤滑涂層，在砂輪線速度大于9 m/s時，內噴潤滑砂輪的300 目石墨析出量能夠保證潤滑劑粉末對砂輪表面涂層持續地補充，使用這種軟涂層技術能夠獲得較好的砂輪磨削加工性能，表面粗糙度能夠得到改善。

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