小砂輪軸向大切深緩進給磨削的磨損特征

田欣利, 王　龍, 郭　昉, 王望龍, 雷　蕾

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

小砂輪軸向大切深緩進給磨削的磨損特征

田欣利, 王龍, 郭昉, 王望龍, 雷蕾

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

摘要：為了探討小砂輪軸向大切深緩進給磨削技術的磨損特征和加工機理，對砂輪磨損情況、已加工表面和斷面顯微形貌等方面開展了研究。結果表明：氮化硅(Si3N4)陶瓷的已加工表面顯微形貌存在塑性去除痕跡；斷面形貌除20～50 μm的變質層厚度存在裂紋缺陷外，基體部分未發現宏觀裂紋；金剛石小砂輪的主切削區、過渡切屑區和修磨區存在的摩擦磨損、磨粒破碎和結合劑破碎3種基本耗損特征不同；砂輪磨損隨著磨削深度、工件轉速、進給速度的增大而增大，但隨砂輪轉速的增大而減小，且磨削深度影響作用最顯著。

關鍵詞：工程陶瓷; 小砂輪; 軸向大切深進給磨削; 磨損特征

工程陶瓷為典型的高硬脆性材料，目前最成熟的加工方法是采用金剛石砂輪進行普通磨削加工。為了降低加工成本和提高加工效率，工程陶瓷的高效磨削技術趨向于高速度和大背吃刀量2個方向發展,進而相繼開發出高速/超高速磨削、深切緩進給磨削、高速深磨和ELID磨削等技術[1-2]。然而，工程陶瓷的高效強力磨削機床與配套設備價格昂貴，且采用高速主軸和較大直徑金剛石砂輪提高砂輪線速度，也需要配備砂輪的動平衡裝置和修整裝置。

針對研發新的高效、低成本的工程陶瓷加工技術，裝甲兵工程學院于2009年便提出了小砂輪軸向大切深緩進給磨削方法[3-5]，可直接在普通數控機床上以較小功率實現硬脆材料的高效、低成本加工。軸向大切深緩進給磨削技術采用小直徑的金剛石砂輪，以較大的磨削深度沿工件軸線方向緩慢進給加工工程陶瓷等硬脆材料的外圓或內孔。小砂輪慣性質量小，無需考慮動平衡操作；小砂輪半徑小，磨削力對砂輪產生的力矩很小，砂輪振動小；在采用電鍍金剛石小砂輪時，基體可以重復利用，降低成本。筆者研究了小砂輪軸向大切深緩進給磨削過程的砂輪表面、工件已加工表面和斷面形貌等狀況，分析了小砂輪磨損原因和材料去除機理；采用正交試驗分析了磨削深度、砂輪轉速、進給速度和工件轉速等因素對砂輪磨損量的影響程度和規律。

1試驗方法

采用小砂輪軸向緩進給磨削技術完成Si3N4陶瓷的外圓表面加工。機床采用FANUC BV75立式加工中心，其主要技術參數為：主軸功率為15 kW，最高轉速為7 000 r/min，定位精度≤0.016 mm,工作臺伺服電機功率為7 kW，最大進給速度為15 m/min。圖1為試驗用小砂輪結構，主要由砂輪柄、砂輪體和砂輪磨頭組成；砂輪體的外徑為20 mm，內徑為14 mm；基體材料為45號鋼，砂輪磨頭表面為燒結金剛石層；砂輪體上可開有通槽，提高排屑能力和冷卻效果。使用Si3N4陶瓷工件材料，規格60 mm×φ26 mm，密度ρ=3.21 g/cm3，硬度HRA=90，彈性模量E=295 GPa，斷裂韌性KIC=4.7 MPa·m1/2。

圖1　小砂輪結構

采用愛國者GE-5光學顯微鏡將砂輪磨損表面放大180倍，用于觀察砂輪表面的磨粒和結合劑的磨損、脫落情況；采用荷蘭FEI公司生產的Nova NanoSEM 450/650型環境掃描電子顯微鏡觀察Si3N4陶瓷已加工表面形貌和斷面形貌；選用百靈天平儀器有限公司生產的LA204型電子分析天平測量砂輪的磨損質量，其測量精度為0.1 mg。

2結果與分析

2.1形貌分析

砂輪磨損[6-7]起源于磨粒壓入工件表層后引起的彈/塑性變形，持續動態的劃擦、耕犁過程，以及結合劑與工件表面之間摩擦作用。圖2是砂輪轉速為4 000 r/min、工件轉速為200 r/min、磨削深度為2 mm時，Si3N4陶瓷工件在軸向大切深緩進給磨削加工后的表面顯微形貌。

圖2　已加工表面形貌

由圖2可以看出：Si3N4陶瓷加工表面存在顯著的脆斷區和玻璃相涂敷層，玻璃相熔融涂敷區存在塑性溝槽和塑性去除痕跡。脆性斷裂通常可能會存在晶粒微破碎、沿晶斷裂和解理斷裂等情況。玻璃相涂敷層的顯著存在說明了砂輪與陶瓷材料發生持續動態的機械劃擦、耕犁等機械磨損，以及高溫材質塑性流動使磨粒更容易發生粘結磨損和熱化學反應。砂輪磨粒之間存在的陶瓷細屑也會與磨粒進行相互摩擦，使磨粒更容易發生微破碎。圖3為相同條件下軸向大切深緩進給磨削的斷面形貌。

圖3　斷面形貌

由圖3可知：1)變質層存在部分非晶層、微晶層或碎晶層，表層碎晶在加工過程中被擠入晶界后使玻璃相析出到表面； 2)結構疏松的變質層和基體之間存在明顯的分界線，變質層的厚度大約在20～50 μm之間；3)變質層和分界線部位存在微裂紋等缺陷，然而基體卻沒有發現裂紋存在，因此基體材料的力學性能不會受到破壞。

2.2砂輪磨損分析

由于小砂輪磨粒與工件表面的摩擦作用、磨粒與磨削區的化學反應，磨粒磨削刃逐漸磨鈍、變平、碎裂，甚至直接從砂輪表面脫落[8]。小砂輪圓周面、端面和拐角處3個切削區域的磨損狀況如圖4所示。由圖4(a)可知：小砂輪圓周面存在少量的結合劑磨損和磨粒破碎。其原因為：小砂輪圓周面主要起到修磨已加工表面的作用，結合劑和磨粒主要在摩擦力的作用下發生摩擦磨損，導致較輕的結合劑脫落和磨粒磨鈍、碎裂。由圖4(b)可知：小砂輪端面的磨粒和結合劑都發生了相對嚴重的磨損。其原因為：小砂輪端面是導致材料去除的主磨削區，承受了主要的摩擦力和擠壓力作用，且與冷卻液不能充分接觸，容易引起熱量累積而產生嚴重磨損。由圖4(c)可知：砂輪拐角不僅存在磨粒磨損和結合劑磨損，且存在磨粒大面積脫落狀況。其原因為：小砂輪拐角處磨粒與結合劑的結合力相對較小，導致磨粒最容易脫落；此外，拐角處起到過渡磨削區作用，承受了復雜的磨削力與相對較高的磨削溫度，導致磨粒受到熱化學反應和機械磨損的綜合作用。

圖4　小砂輪圓周面、端面和拐角處等表面磨損形貌

小砂輪軸向緩進給磨削加工過程采用表1中16組正交試驗的磨削參數條件，在冷卻液的充分冷卻作用下，以軸向進給磨削行程30 mm后的砂輪磨損量為評價指標進行分析，且通過求每組磨削參數下的3次試驗結果的平均值作為最終砂輪磨損量。由表1可知：1)第3、4組試驗的砂輪磨損最嚴重，砂輪質量磨損量分別多達106、121.8 mg；2)在第1組試驗條件下，即砂輪速度為5 500 r/min、磨削深度為0.5 mm、工件轉速為150 r/min、工件進給速度為150 mm/min時，砂輪磨損最小，質量磨損量僅為51.4 mg；3)相對于其他各組參數下，在磨削深度為0.5 mm時砂輪磨損量最小，可知磨削深度對砂輪磨損量起到最顯著性作用。此外，可采用方差比F值表征砂輪轉速、磨削深度、工件轉速、進給速度分別對砂輪磨損量影響的顯著水平，通過求解得到這4個因素的方差比F值依次為3.672、9.288、1.339、7.263。工件轉速和砂輪轉速對砂輪磨損作用不顯著，進給速度的作用較為顯著，磨削深度的作用最為顯著。

依據表1中砂輪磨損量均值計算結果，可繪制平均砂輪磨損量隨磨削參數的變化關系，如圖5所示。由圖5(a)可知：隨著砂輪轉速的增大，砂輪磨損量逐漸減少。其原因為：砂輪轉速越大，單位時間參與磨削作用的磨粒數越多，導致單顆磨粒的未變形切屑厚度越小，單顆磨粒承受的磨削力作用將減少，磨粒和結合劑的磨損、脫落程度逐漸減弱。由圖5(b)可知：隨著磨削深度的增大，砂輪磨損量增大。其原因為：隨著磨削深度的增大，砂輪與工件的接觸弧長、單顆磨粒的未變形切屑厚度均增大，導致磨削溫度升高，磨粒遭受的熱化學耗損和機械摩擦耗損嚴重。由圖5(c)可知：隨著工件轉速的增大，砂輪磨損量增大。其原因為：工件轉速增大，導致砂輪磨粒的每轉磨削深度增大，砂輪與工件的接觸寬度增加，磨粒和結合劑的磨損次數增加。由圖5(d)可知：隨著工件進給速度的增大，砂輪磨損量增大。其原因為：工件進給速度增大，導致砂輪磨粒的每轉磨削深度增大，單位時間內材料去除量增多，進而磨削力和磨削能增大，磨粒和結合劑磨損嚴重。綜上所述，為減輕砂輪磨損，應該在減小磨削深度的基礎上，盡量減小進給速度和工件轉速，同時適當提升砂輪轉速。

表1　砂輪磨損的正交試驗分析

圖5　平均砂輪磨損量隨4個磨削參數的變化關系

3結論

1) 分析了Si3N4陶瓷工件的已加工表面形貌和斷面形貌。變質層與基體存在明顯的分界線，變質層存在非晶層和碎晶層現象，基體卻未發現加工缺陷。小砂輪軸向大切深緩進給磨削技術除了以脆性斷裂為主要方式去除外，還存在玻璃相熔融涂敷的塑性去除痕跡。通過表面微觀形貌觀察可發現，砂輪與工件之間存在機械磨損、粘結磨損、熱化學反應等磨損形式。

2) 分析了小砂輪的磨損形式和磨損規律。小砂輪3個切削區域在磨削過程中的主要作用不同，所以存在的結合劑磨損和磨粒磨損的狀況也不同。磨削深度、進給速度、砂輪轉速和工件轉速對砂輪磨損的影響依次減弱。通過在盡量選擇較小的磨削深度基礎上，減小進給速度和工件轉速，適當提升砂輪轉速，可減輕砂輪磨損。

參考文獻：

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[3]Guo F, Zhang B G, Lu H, et al. High Efficiency Axial Deep Creep-feed Grinding Machining Technology of Engineering Ceramics Materials [J]. Journal of Wuhan University of Technology Materials Science, 2012, 27(5): 902-906.

[4]Tian X L, Guo F, Wang J Q, et al. Investigation on Axial Turning-grinding of Engineering Ceramics[J]. Advanced Materials Research, 2011, 154/155: 1027-1032.

[5]田欣利,毛亞濤,郭昉,等.運用LS-DYNA的軸向緩進給磨削工程陶瓷的有限元仿真[J].現代制造工程, 2012, 4: 10-13.

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[7]田欣利,王龍,王望龍,等. 多顆粒金剛石小砂輪磨削仿真及實驗[J].中國機械工程, 2015, 26(3): 794-798.

[8]王健全,田欣利,唐修檢,等.面向工程陶瓷的單顆金剛石磨粒劃擦磨損規律[J].金剛石與磨料磨具工程， 2012, 32(3): 1-6.

(責任編輯: 尚菲菲)

Wear Characteristics Study of Axial Deep Creep-feed Grinding with Small Grinding Wheel

TIAN Xin-li, WANG Long, GUO Fang, WANG Wang-long, LEI Lei

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：To explore the unique wear characteristics and mechanism of axial deep creep-feed grinding with small grinding wheel, it studies the wear condition of grinding wheel, machined surface and section micro topography. It shows that there are some plastic removal traces on the machined surface of Si3N4 ceramics. In addition to the presence of crack defects in the surface layer thickness of 20-50 μm, there is no crack in the base material. Wear characteristics of the friction wear, grain chipping and bond broken in the main cutting area, transitional cutting chip area and the grinding zone of the small grinding wheel are different. With the increase of the grinding depth, workpiece speed and feed rate, the grinding wheel wear increases. With the increase of the grinding wheel speed,the grinding wheel wear decreases. The influence of grinding depth is the most significant.

Key words:engineering ceramics; small grinding wheel; axial deep creep-feed grinding; wear characte-ristics

文章編號：1672-1497(2016)01-0087-05

收稿日期：2015-11-16

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51475474)

作者簡介：田欣利(1956-)，男，教授，博士。

中圖分類號：TG580

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.017