小砂輪徑向緩進給磨槽的耗損規律和機理分析

田欣利， 王 龍， 王望龍， 唐修檢， 王朋曉

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

小砂輪軸向緩進給磨削是一種可以實現工程陶瓷等硬脆材料外圓表面加工的低成本、高效率的加工方法。小砂輪結構和制造工藝簡單，動平衡性好；磨削過程中砂輪振動小，切削抗力小[1-2]，可獲得較好的凹槽加工精度。筆者嘗試采用小砂輪徑向緩進給磨削來實現工程陶瓷等硬脆材料外圓或小內孔表面的凹槽加工。由于小砂輪在凹槽加工過程中受到的磨削力和磨削熱綜合作用會與常規表面磨削加工過程有所不同，砂輪的磨損狀況也會存在差異，因此，筆者設計了工程陶瓷的小砂輪徑向緩進給磨槽試驗系統方案，通過顯微放大鏡觀測小砂輪片工作表面的形貌來分析其磨損形式并研究其機理[3-5]，通過稱重法對小砂輪的磨損進行了跟蹤測量，從而揭示小砂輪在不同磨損階段的差異及其原因。

1 試驗研究方案

1.1 試驗條件

試驗采用專用的電鍍金屬結合劑金剛石小砂輪和薄片狀表面多槽型燒結金屬結合劑砂輪片。小砂輪的磨頭厚度2 mm,直徑12 mm;砂輪片厚度2 mm,直徑100 mm。其實物結構分別如圖1、2所示。

圖1 電鍍金剛石小砂輪圖2 薄片狀砂輪片

試驗采用北京機電研究院生產的BV-75立式銑削加工平臺，其主軸功率為15 kW，可無級調速范圍為60～7 000 r/min。

試驗采用反應燒結Si3N4陶瓷試件，材料尺寸規格為φ=26 mm,h=60 mm。材料的主要性能參數：密度ρ=2.73 g/cm3，硬度HRA=85，彈性模量E=160 GPa，斷裂強度KIC=2.85 MPa/m2。

1.2 試驗方法

工程陶瓷的小砂輪徑向緩進給磨槽及加工過程如圖3所示。工件裝夾在三爪卡盤上隨A軸低速旋轉，加工用小砂輪安裝在加工中心主軸上隨其高速旋轉，工作臺沿小砂輪徑向緩進給運動。BV-75機床能實現高主軸轉速和高精度，一次裝夾定位便可實現工件表面多道環形槽加工。

圖3 凹槽加工示意圖

試驗在有磨削液冷卻條件下進行，加工的環形槽的深度為2 mm, 凹槽寬度為2 mm，其加工效果如圖4、5所示。加工過程中工件轉速為100 r/min。

當使用電鍍金剛石小砂輪時，小砂輪轉速為5 000 r/min；當使用燒結砂輪片時，其轉速為3 000 r/min。磨槽的徑向進給速度分別為0.5、1、2 mm/min。

圖4 加工后凹槽實物圖5 加工后凹槽剖面圖

試驗選擇以小砂輪的質量變化來衡量砂輪的磨損程度，即考察砂輪的磨損質量隨加工槽數變化的關系。稱質量前,選用丙酮試劑清洗掉小砂輪表面的油漬和磨屑。試驗采用的測量工具為LA204型電子分析天平，其測量精度為0.1 mg。

試驗采用愛國者數碼觀測王GE-5對多槽型砂輪片各加工部位放大180倍觀察，便于分析砂輪工作面的磨損機理。

2 試驗結果及分析

2.1 小砂輪的磨損形式和機理分析

磨損后的砂輪片形貌如圖6所示，可以看出：砂輪片主要磨損有結合劑磨損和金剛石磨粒磨損。在磨削加工過程中，由于金剛石砂輪受到機械載荷、沖擊載荷和熱載荷等不同類型的載荷，因此金剛石磨粒會受到磨料磨損、熱應力破碎、化學磨損、粘附磨損、塑性磨損等摩擦學中的磨損機理作用[6-8]。砂輪磨損可分為輕微磨損和嚴重磨損。輕微磨損的表現形式為磨粒和結合劑的摩擦磨損，如金剛石磨粒表面常會出現犁溝磨損、剝層磨損和點蝕磨損等；嚴重磨損的表現形式為金剛石磨粒破碎、脫落和結合劑脫落，這是由于磨粒與工件的接觸區域在受到磨削力和磨削熱作用的應力循環時，會產生微裂紋，當應力大于金剛石的剪切強度時，裂紋會發生爆發性的擴展，導致磨粒內部發生斷裂而破碎。此外，結合劑的磨損會讓金剛石顆粒裸露出來，再加上磨粒表面的擠壓作用，會導致金剛石與結合劑的接觸部位發生彈塑性變形而存在離隙溝槽，使得結合劑對金剛石的把持力變弱。由此，不僅結合劑斷裂會直接使磨粒脫落，而且當應力超過金剛石與結合劑的結合強度時，金剛石顆粒也會脫落。

圖6 砂輪片磨損形式

圖7所示為小砂輪實物各工作面，其在陶瓷工件表面環形槽加工過程所受的磨削力的作用如圖8所示。可以看出：小砂輪圓周部位主要受到去除陶瓷材料時產生的徑向擠壓抗力Fnx和切向力Fty；小砂輪兩側的端面主要受到已加工的凹槽兩對稱壁面對端面的軸向擠壓力Fnz和徑向磨擦力Ftx；小砂輪的拐角邊緣也會受到復雜的徑向、軸向、切向3個方向磨削力的綜合作用。

圖7 小砂輪的工作面

圖8 磨槽砂輪受力示意圖

小砂輪圓周面和拐角的磨損情況如圖9所示，可見小砂輪的圓周面和拐角邊緣部位的磨粒磨損較為嚴重，說明這2個部位主要起到去除材料的作用。圓周面承擔主要的切削作用，它有砂輪周向旋轉和軸向進給兩運動，且承受主要的徑向擠壓力和切向力，其磨損較大，易發生磨粒和結合劑的破碎、脫落。拐角邊緣處作為過渡切削區，承受三向磨削力的綜合作用較大，再加上拐角處的磨粒與結合劑的結合力相對較小，導致其磨損情況最為嚴重，此處的金剛石磨粒迅速產生磨損和脫落，其結合劑磨損也相當大。小砂輪的上下端面主要和已加工的凹槽兩對稱壁面有摩擦接觸，擠壓摩擦力較小，結合劑和磨粒發生磨損損耗小。

圖9 小砂輪圓周面和拐角的磨損情況

由于磨粒自身品質存在差異，以及磨粒和結合劑結合狀況不同，金剛石砂輪將呈現出不同的耗損。雖然電鍍型小砂輪制造工藝簡單，成本低，使用方便，且無需修整,但電鍍金屬結合劑小砂輪在磨削力和磨削熱的作用下，其把持力顯得不夠大，導致磨粒出現了嚴重脫落，相比而言，燒結型砂輪片的結合強度高，使用壽命長，可承受較大的載荷。

2.2 小砂輪的磨損規律分析

試驗用的電鍍金剛石小砂輪的質量為12.543 5～13.205 7 g，以3組試驗結果的砂輪磨損量平均值為縱坐標，以磨削加工的環形槽數為橫坐標，繪出砂輪平均磨損量與加工環形槽數的關系曲線。筆者以每加工2條環形槽為一個單位測量砂輪總磨損量磨損增量隨加工環形槽數量的變化曲線，分別如圖10、11所示。可以看出：當小砂輪徑向磨槽的進給速度分別為0.5、1、2 mm/min時，小砂輪的總磨損量和磨損增量隨加工的環形槽數的變化趨勢基本一致；當ν=1 mm/min時，小砂輪磨損程度最小；當ν=0.5 mm/min時，此時加工效率相對較低，小砂輪與工件磨損接觸時間較長，其磨損程度次之;當ν=2 mm/min時，徑向進給量較大，磨削力和磨削溫度都會增大，磨削環境變得惡劣，砂輪磨損最嚴重。

圖10 小砂輪總磨損量隨加工槽數的變化

圖11 小砂輪磨損增量隨加工槽數的變化

如圖10所示，隨著磨削加工的環形槽數增加，小砂輪總磨損量增加是必然的趨勢，可以看出：其曲線形狀在加工第1-4條環形槽時，大致呈一條較短的直線且其斜率略大；當加工第4-18條環形槽時，大致呈現了另一條穩定直線趨勢且斜率較前者略小；在加工第18條環形槽之后就發生了急劇的磨損。同時結合對照圖11，可將小砂輪的磨損分為3個階段：加工前4條環形槽時為初期磨損階段，小砂輪單位磨損增量較大，這是因為電鍍金屬結合劑小砂輪的電鍍層較薄，金剛石濃度較致密而容屑空間小，許多表層金剛石微粒因不能充分鑲嵌在鍍層金屬中，造成把持力不夠承受負荷，導致脫落嚴重；加工第4-18條環形槽時為穩定磨損階段，小砂輪單位磨損增量較穩定，這是因為此時砂輪表面鑲嵌在鍍層金屬中把持不穩的金剛石微粒已脫落，進入到結合劑被輕微磨損，金剛石微粒被摩擦磨損，也有小部分金剛石受徑向擠壓力、切向力的作用發生破碎、脫落；在加工18條環形槽以后為急劇磨損階段，小砂輪單位磨損增量過大，這是由于砂輪磨削環境變差，磨削熱和磨削力變大，金剛石顆粒密度較稀疏，工件與結合劑的大面積接觸也造成了嚴重的磨損和脫落，甚至整體的電鍍層也有可能發生嚴重磨損。

3 結論

1) 設計了簡單經濟且符合試驗要求的工程陶瓷的小砂輪徑向緩進給磨槽試驗系統，能在陶瓷外圓或小內孔表面較好完成小寬度凹槽的加工。

2) 通過砂輪片各加工部位的表面形貌觀察，研究了砂輪表面存在的主要磨損形式和產生機理。

3) 通過稱重法，研究了小砂輪徑向進給速度分別為0.5、1、2 mm/min時小砂輪的磨損規律。結果表明：砂輪在徑向進給速度為1 mm/min時磨損程度最小；隨著加工環形凹槽數量的增加，小砂輪的磨損變化曲線會在初期磨損、穩定磨損、嚴重磨損3個階段存在不同的顯著表征。

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