微粉金剛石釬焊砂輪磨削氧化鋁陶瓷的磨削力和表面粗糙度特征*

李全城，沈劍云，黃國欽

(1.廈門理工學院，現代工程訓練中心，福建 廈門 361024)(2.華僑大學 制造工程研究院，福建 廈門 361021)

氧化鋁陶瓷因其優異的性能，在航空航天和電子等很多領域有著廣泛的應用[1-3]。氧化鋁陶瓷是以氧化鋁為原料，經燒結和成形制成的。但是，在燒結和成形后，其尺寸精度和表面粗糙度往往都比較差，無法滿足實際使用的具體要求，需要對其進行再加工。然而，氧化鋁陶瓷的高硬度(莫氏硬度為9)、高脆性、低斷裂韌性、高耐磨性等特點，給加工帶來了極大的困難。目前，采用金剛石磨粒砂輪進行磨削加工是氧化鋁陶瓷加工的最主要的方法。

燒結和電鍍是金剛石砂輪的主要制備方法。近些年，隨著釬焊技術的進步和發展，相較于燒結和電鍍等傳統方法制備的金剛石砂輪，釬焊方法制作的金剛石砂輪有著金剛石和基體化學冶金結合后強度大、磨粒出刃高度高等特點。因此，釬焊方法逐漸成為一種不可或缺的金剛石砂輪制造方法。在金剛石釬焊砂輪磨削加工氧化鋁陶瓷的磨削機理方面，學者們做了很多的研究。陳建毅等[4-6]開展了500～600 μm粒徑的金剛石釬焊砂輪高速磨削氧化鋁陶瓷的磨損特征、摩擦學特性和磨削比能特性研究；贠自明[7]研究了90～109 μm金剛石釬焊砂輪磨削氧化鋁陶瓷的磨削力和表面粗糙度的變化規律；賀鑫[8]通過對比磨削力、聲發射、SEM形貌、表面粗糙度和殘余應力等指標，研究了120～150 μm粒徑的金剛石釬焊砂輪高效深磨氧化鋁陶瓷的磨削特性；劉文鋒[9]從磨削力、磨削力比、磨削比能、工件的表面形貌和表面粗糙度等參量入手研究了90～160 μm粒徑的金剛石釬焊砂輪磨削氧化鋁陶瓷的磨削機理；XIANG等[10-12]研究了金剛石釬焊砂輪磨削氧化鋁陶瓷的溫度特性；WU等[13]研究830～880 μm的微織構金剛石釬焊端面砂輪磨削氧化鋁陶瓷的磨削力、工件表面粗糙度和自銳性特征。這些學者對金剛石釬焊砂輪磨削氧化鋁陶瓷的磨削機理的研究主要集中在大粒徑的金剛石釬焊砂輪上，對小粒徑、微粉級的金剛石釬焊砂輪的研究較少，特別是對40 μm及其以下粒徑的微粉金剛石釬焊砂輪磨削氧化鋁陶瓷的磨削機理的研究鮮見報道，無法為小粒徑、微粉級金剛石釬焊砂輪的磨削加工工藝參數選擇和加工機理分析提供足夠的借鑒，也無法為氧化鋁陶瓷的高效率自動化流水線的精密、半精密磨削加工提供足夠的工藝參考和理論支撐。

然且，小粒徑、微粉級的金剛石釬焊砂輪在精密和半精密加工中有著很好的應用前景。因此，試驗采用自制的微粉金剛石釬焊砂輪對氧化鋁陶瓷進行磨削試驗，探索磨削深度、砂輪的轉速和工件的進給速度對微粉金剛石砂輪受到的磨削力及磨削加工后氧化鋁陶瓷的表面粗糙度的影響。

1 試驗條件和方法

氧化鋁陶瓷的磨削加工試驗是在HAAS OM-2A數控機床上開展的。搭建的磨削試驗平臺如圖1所示，試驗在油冷卻液和油石在線修銳的條件下進行。

a 試驗裝置Experimentinstrument b 砂輪受力方向示意圖Diagramofgrindingwheelforcedirection圖1 磨削試驗平臺Fig.1Grindingexperimentalplatform

所用的工具為真空釬焊制作的金剛石砂輪，其加工表面均勻分布著出刃高度為10～15 μm的微粉金剛石磨粒(基本顆粒尺寸小于40 μm)，如圖2所示。所用試件為30.0 mm×2.5 mm×8.0 mm(磨削面為30.0 mm×2.5 mm)的99%氧化鋁陶瓷塊，其主要性能參數如表1所示。

圖2 微粉金剛石釬焊砂輪

表 1 氧化鋁陶瓷主要性能參數

磨削力和工件表面粗糙度試驗的試驗參數分別如表2、表3所示。磨削力試驗使用kistler 9272測力儀測量金剛石砂輪在切向X方向和軸向Z方向的磨削力(試驗時設定工件的進給方向與Y方向垂直，FX、FZ分別為進給方向的力與切深方向的力)。測量時，同一組磨削參數測量3次，取3次測量結果的平均值作為最后的磨削力數值。關于粗糙度試驗，同一組參數加工3次后，使用Mahr Perthometer PGK 120粗糙度儀對陶瓷試樣的被加工表面隨機測量10次，求其平均值作為最終的表面粗糙度值。

表 2 磨削力試驗的試驗參數

表 3 表面粗糙度試驗的試驗參數

2 試驗結果及分析

2.1 磨削力與磨削用量的關系

2.1.1 磨削力與磨削深度的關系

圖3和圖4分別為磨削深度對微粉金剛石砂輪X方向和Z方向磨削力的影響。參數分別為vw=12 mm/min,n=6 000 r/min；vw=120 mm/min ,n=12 000 r/min；vw=240 mm/min,n=18 000 r/min(分別命名為組1、組2、組3)。如圖3和圖4所示：隨著磨削深度的增大，微粉金剛石砂輪受到的FX和FZ都不斷增大。在X方向上，當磨削深度為2.0 μm時，組2和組3的金剛石砂輪受到的力大致相同，且大于組1的，3組力的大小順序為：組3>組2>組1，如圖3所示。砂輪在Z方向受到的力的大小順序與X方向的相同，且在磨削深度ap=1.0 μm時，組2和組3的力相當，如圖4。通過對比X和Z方向的力的大小可知：相同條件下，Z方向的力明顯大于X方向的。與此同時，組1的FX和FZ均為最小值，分別為0.21 N和1.62 N。

圖3 磨削深度對微粉金剛石砂輪X方向的磨削力的影響

圖4 磨削深度對微粉金剛石砂輪Z方向的磨削力的影響

2.1.2 磨削力與砂輪轉速的關系

圖5和圖6分別為砂輪轉速對微粉金剛石砂輪X方向和Z方向磨削力的影響。試驗參數分別為ap=1.0 μm，vw=12 mm/min；ap=2.0 μm，vw=60 mm/min；ap=3.0 μm，vw=120 mm/min(分別命名為組4、組5、組6)。

圖5 砂輪轉速對微粉金剛石砂輪X方向的磨削力的影響

如圖5和圖6所示：微粉金剛石砂輪在方向X和方向Z受到的力均隨著轉速的增大而減小，且除了組6在Z方向的力隨著轉速增大而急劇減小外，其他條件下的力的減小趨勢均比較緩慢。3組條件下的FZ和FX的大小順序均為：組6>組5>組4，且FZ明顯大于FX。同時，組4的FX和FZ均為最小值，分別為0.15 N和0.72 N。

圖6 砂輪轉速對微粉金剛石砂輪Z方向的磨削力的影響

2.1.3 磨削力與工件進給速度的關系

圖7和圖8分別為工件進給速度對微粉金剛石砂輪X方向和Z方向磨削力的影響，其中：vw=12、60、120、240 mm/min。試驗參數為：ap=1.0 μm，n=6 000 r/min；ap=2.0 μm，n=12 000 r/min；ap=4.0 μm，n=18 000 r/min(分別命名為組7、組8、組9)。

圖7 工件進給速度對微粉金剛石砂輪X方向的磨削力的影響

圖8 工件進給速度對微粉金剛石砂輪Z方向的磨削力的影響

如圖7和圖8所示：微粉金剛石砂輪在切向X方向和軸向Z方向受到的力都是隨著工件進給速度的增大而增大，且相同條件下，FX和FZ的大小順序均為組9>組8>組7，Z方向的力明顯大于X方向的。與此同時，組7的FX和FZ均為最小值，分別為0.21 N和1.52 N。

2.2 表面粗糙度與磨削用量的關系

2.2.1 表面粗糙度與磨削深度的關系

圖9為磨削深度對氧化鋁陶瓷表面粗糙度的影響。如圖9所示：固定n=5 000 r/min和vw=1 mm/min，隨著磨削深度的增加，氧化鋁陶瓷的表面粗糙度值Ra不斷增加。此時，Ra的最小值為0.864 μm，最大值為0.913 μm。

圖9 磨削深度對磨削后氧化鋁陶瓷的表面粗糙度的影響

2.2.2 表面粗糙度與砂輪轉速的關系

圖10為砂輪轉速對氧化鋁陶瓷表面粗糙度的影響。如圖10所示：固定ap=1.0 μm，vw=100 mm/min，隨著砂輪轉速的不斷變大，Ra不斷變小。此時，Ra的最小值為0.964 μm，最大值為1.007 μm。

圖10 砂輪轉速對磨削后氧化鋁陶瓷的表面粗糙度的影響

2.2.3 表面粗糙度與工件進給速度的關系

圖11為工件進給速度對氧化鋁陶瓷表面粗糙度的影響。如圖11所示：固定ap=1.0 μm，n=20 000 r/min，隨著進給速度的增大，Ra變大。此時，Ra的最小值為0.438 μm，最大值為0.964 μm。

圖11 工件進給速度對磨削后氧化鋁陶瓷的表面粗糙度的影響

2.3 磨削力和表面粗糙度分析

在磨削過程中，微粉金剛石釬焊砂輪主要受到來自氧化鋁陶瓷的切向磨削力FX、FY和軸向磨削力FZ(本試驗中FY為0)。金剛石砂輪磨削加工氧化鋁陶瓷時，假設金剛石砂輪單位面積上所受到的磨削力是相同的，即單顆微粉金剛石磨粒所受到的磨削力是一樣的，那么在進給速度和砂輪轉速固定的情況下，隨著磨削深度的增加，金剛石砂輪與氧化鋁陶瓷試件接觸面積增大，單顆微粉金剛石磨粒加工面積也變大。同時，單顆微粉金剛石磨粒在軸向方向的加工深度也增大，即單顆微粉金剛石磨粒的實際加工厚度變大了，如圖12所示，使得金剛石砂輪在切向X方向和軸向Z方向總的磨削力增大。

圖12 不同磨削深度時的磨削示意圖

在磨削深度與工件進給速度不變的情況下，單顆微粉金剛石磨粒雖然沒有明顯變化，但是隨著砂輪轉速的增加，單位時間內參與磨削加工的單顆微粉金剛石磨粒加工陶瓷試件的次數變多，導致單顆磨粒的實際加工厚度變薄，面積變小，進而使砂輪的切向X和軸向Z的磨削力都變小。相反，在磨削深度和砂輪轉速不變的條件下，隨著工件進給速度的變大，單位時間內單顆微粉金剛石磨粒的實際加工厚度增加，導致單位時間內氧化鋁試件的材料去除率增加，造成切向X和軸向Z的磨削力上升。此外，進給速度的增大也會加大金剛石砂輪和氧化鋁試件的摩擦力，最終造成磨削力的進一步變大。與此同時，由于磨粒加工是典型的負前角加工，所以微粉金剛石砂輪在Z方向上的受力明顯大于X方向上的，即FZ明顯大于FX。

工件的表面形貌和表面粗糙度是評價工件表面質量的重要指標。通過觀察微粉金剛石釬焊砂輪濕磨后的氧化鋁陶瓷的表面微觀形貌發現，氧化鋁陶瓷試樣的表面只出現破碎現象，而沒有出現明顯的耕犁痕跡，如圖13所示。且隨著加工時間的變長，油冷卻液逐漸變白，說明在微粉金剛石釬焊砂輪的磨削過程中，氧化鋁陶瓷主要通過脆性斷裂的方式去除。

圖13 磨削后氧化鋁陶瓷的表面微觀形貌圖

磨削后氧化鋁陶瓷的表面粗糙度的大小決定于單顆微粉金剛石磨粒未變形磨削厚度的大小[14]，而單顆微粉金剛石磨粒未變形磨削厚度又與磨削深度、砂輪轉速和進給速度有著重要的聯系。因此，探索氧化鋁陶瓷的表面粗糙度與磨削深度、砂輪轉速和進給速度的影響規律，有助于更好地控制磨削加工后氧化鋁陶瓷的表面質量。在固定砂輪轉速和工件進給速度的條件下，隨著磨削深度的增加，陶瓷試件材料去除率變大，單顆磨粒未變形磨削厚度增大，致使試件表面產生微碎裂、微裂紋，造成表面粗糙度變大。當磨削深度和進給速度固定的情況下，隨著砂輪轉速的增大，參與磨削加工的微粉金剛石磨粒增多，使得未變形磨削厚度減小，且金剛石砂輪和氧化鋁陶瓷試件之間的摩擦力變小，進而導致表面粗糙度變小。相反，在固定磨削深度和砂輪轉速的條件下，隨著氧化鋁陶瓷工件進給速度的增大，單位區域內的磨粒數減少，未變形磨削厚度變大，且金剛石砂輪和氧化鋁陶瓷試件之間的摩擦力升高，進而導致表面粗糙度變大。

2.4 低磨削力磨削和低工件表面粗糙度的工藝參數

結合磨削力試驗和表面粗糙度試驗，優選出了低磨削力和低工件表面粗糙度的加工工藝參數并進行試驗和分析得到：在磨削深度為1.0 μm，進給速度為12 mm/min，砂輪轉速為24 000 r/min的條件下，測得的釬焊微粉金剛石砂輪受到的X方向和Z方向的磨削力分別為0.15 N和0.72 N，減少了對微粉金剛石釬焊砂輪的磨損。在精密加工過程中，采用磨削深度為1.0 μm，進給速度為1 mm/min，砂輪轉速為20 000 r/min的工藝參數對氧化鋁陶瓷進行磨削加工，可使加工后的氧化鋁陶瓷的表面粗糙度值達到0.438 μm。

3 結論

(1)在磨削深度為1.0 μm，進給速度為12 mm/min，砂輪轉速為24 000 r/min的情況下，釬焊微粉金剛石砂輪受到的X方向和Z方向的磨削力分別為0.15 N和0.72 N，有效地降低了磨削力，減少了對金剛石砂輪的磨損。

(2)選用磨削深度為1.0 μm，進給速度為1 mm/min，砂輪轉速為20 000 r/min的工藝參數對氧化鋁陶瓷進行精磨，可使加工后的氧化鋁陶瓷的表面粗糙度值達到0.438 μm。

(3)微粉金剛石釬焊砂輪在磨削加工氧化鋁陶瓷過程中，氧化鋁陶瓷主要通過脆性斷裂的方式去除，砂輪受到的磨削力和工件的表面粗糙度值都受到了磨削參數的影響。適當提高砂輪轉速，減小磨削深度，降低進給速度均有利于降低磨削力和工件表面粗糙度。