不同因素對金剛石柔性磨輪磨損的影響研究

肖樂銀，林峰，謝德龍，潘曉毅

(1.廣西超硬材料重點實驗室，廣西桂林 541004;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心，廣西桂林 541004; 3.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西桂林 541004)

不同因素對金剛石柔性磨輪磨損的影響研究

肖樂銀，林峰，謝德龍，潘曉毅

(1.廣西超硬材料重點實驗室，廣西桂林 541004;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心，廣西桂林 541004; 3.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西桂林 541004)

金剛石柔性磨輪是金剛石砂帶的一個衍生產品，主要用于寶石和玻璃加工。通過對金剛石柔性磨輪進行磨削實驗，分析了法向壓力、磨輪轉速、磨料濃度、磨料粒度及加工方式對磨輪磨損的影響。結果表明:增加磨削過程中法向壓力，磨輪磨粒脫落數目和磨耗比都逐漸增大;磨輪轉速對磨粒脫落數目無明顯影響，磨耗比逐漸增加;當磨料濃度增加到13%時，磨粒脫落數目僅增加2顆，磨削玻璃磨耗比達到最大為90;磨料粒度越粗，單位面積脫落的金剛石越少，磨耗比越大;磨輪樹脂結合劑耐熱性差，在磨削過程中應加水進行冷卻。

金剛石柔性磨輪;砂帶;磨損

1 概 述

超硬材料涂附磨具是指以人造金剛石或立方氮化硼等為磨料，采用粘結劑將其粘結在基材上的一類可撓曲的柔性磨具，一般歸納為超硬材料制品的范疇。隨著現代機械加工工業的不斷發展及各種新型材料的不斷出現，對制品、零件的加工精度和表面粗糙度的要求越來越高，這就要求有相應的先進的磨削技術和磨具，尤其是涂附磨具向更高效、高壽命和超精密的方向發展。為此，超硬材料涂附磨具的研制和使用異軍突起，在涂附磨具中的占有率逐年增加，在汽車工業、電子工業、玻璃加工、寶石加工、不銹鋼、淬火鋼等難加工材料的特殊加工領域得到了廣泛的應用［1-6］。

金剛石柔性磨輪是金剛石樹脂砂帶的一個衍生產品，主要用于寶石和玻璃加工，對普通砂帶而言，磨損主要有以下幾種形式:磨粒磨平磨鈍、磨粒脫落、磨粒破碎等［7-10］。對金剛石柔性磨輪，因金剛石的硬度大、耐磨損，在現有技術條件下所用磨輪磨損形式主要為磨粒脫落，伴隨少量磨粒破碎及磨平磨鈍，如圖1所示。影響磨輪磨損主要有以下幾個因素:膠粘劑性能、工作時法向壓力、線速度、磨料濃度、磨料粒度以及加工方式等。

圖1 金剛石磨損形式Fig.1 the abrasion form of diamond

2 實驗過程

2.1 實驗方法

本實驗以兩種方法來表征砂帶的磨損情況，一種考察不同條件下砂帶磨損后單位面積上磨粒的脫落數量，此方法在體視顯微鏡上進行;另一種方法即計算工件材料與金剛石柔性磨輪工作層砂帶磨耗比，金剛石柔性磨輪表面工作層為可拆卸無接頭砂帶，砂帶磨削試驗前后分別在40℃下干燥4h后稱重，前后質量差記為砂帶磨損量，期間去除工件質量記為工件去除量，以此來表征砂帶磨損情況。

2.2 實驗設備及磨削條件

所用磨削設備為改進型CM6125車床，其主軸轉速范圍:63～3150 r/min。電子天平型號:TP-120，最小刻度為0.01g，磨削過程中采用恒進給的磨削方式。

2.3 實驗樣品及磨削材料

本次試驗所用磨輪規格為Φ152mm×W35mm，其實物及結構如圖2和圖3所示。試驗所用磨料為金剛石，型號:HHM－R，粒度:140～3000目。

磨削對象為玻璃和寶石，其中玻璃的主要成分為Na2O·CaO·6SiO2，莫氏硬度6.5，寶石的主要成分為大理石，莫氏硬度5.0，把它們做成40mm×15mm× 8mm的小方塊，以便用夾具進行夾持磨削。

圖2 金剛石柔性磨輪Fig.2 the diamond soft grinding wheel

圖3 柔性磨輪結構示意圖Fig.3 the structure diagram of the soft grinding wheel

3 實驗結果分析與討論

3.1 法向壓力Fn對磨輪磨損的影響

金剛石柔性磨輪磨削過程中工件受到的力可以分為垂直于工件表面的法向壓力Fn和沿砂帶速度方向的切向力Ft，而法向壓力Fn是影響標準材料切除率Zw和切向力Ft的重要因素。

試驗條件:濕磨8小時，磨輪轉速1800轉/分鐘，磨輪金剛石粒度600目，金剛石濃度13%，觀察范圍0.04mm2，實驗結果見表1。

表1 不同壓力下磨粒脫落數目統計Table 1 the quantity of abrasive particles that fall off the grinding wheel under different normal pressure

工件材料與磨輪磨耗比與Fn的關系如圖4所示。

圖4 磨輪磨耗比與Fn的關系Fig.4 the relationship between the abrasive ratio of grinding wheel and Fn

由表1可以看出在相同壓力條件下加工玻璃和寶石時，磨粒的脫落數目相差不明顯，但隨著法向壓力Fn的逐漸增大，磨輪磨粒脫落數目逐漸增多，當壓力從30N提高到40N時磨粒脫落數目最為明顯，原因在于Fn較小時單顆磨粒切入工件深度小，在磨削條件保持不變的情況下，其受力情況如圖5所示，Fn/ Ft為一定值，單顆粒金剛石力矩M=Ft×H較小［11-12］，故磨粒脫落較少。法向壓力增大時，單顆粒金剛石力矩增大，磨輪表面因受力過大擠壓變形，砂帶磨粒在與工件接觸點處反復被擠壓震動，最終磨粒松動脫落。

圖5 單顆磨粒力矩分析Fig.5 the torque analyze of single abrasive particle

由圖4可以看出隨著Fn的增加磨輪磨耗近似成水平直線增大，磨輪的磨耗主要包括兩部分，一部分為金剛石脫落量，另一部分為樹脂結合劑的磨損量，Fn的增大使磨粒脫落增加，原本包鑲金剛石顆粒的樹脂結合劑因磨粒的脫落而失去了微刃的保護，更容易磨耗磨損。法向壓力為30N時，金剛石磨料脫落數目較少，磨削玻璃磨耗比為80。

3.2 磨輪轉速Vs對磨輪磨損的影響

試驗條件:濕磨8小時，Fn=30N，磨輪金剛石粒度600目，金剛石濃度13%，觀察范圍0.04mm2，表2為磨輪磨粒脫落與線速度的對應結果。

表2 不同線速度下磨粒脫落數目統計Table 2 the quantity of abrasive particles that fall off the grinding wheel under different linear velocity

圖6為工件材料和磨輪的磨耗比與線速度的關系實驗結果。

由表2和圖6可以看出，金剛石柔性磨輪轉速僅僅對磨輪磨耗比有一定影響，增加轉速則增加了磨粒與加工工件的滑擦、耕犁頻率，從而使磨耗比提高，當磨輪轉速高于2200轉/分時轉速對磨耗比的提高已經沒有太大幫助。寶石加工過程中經常需要手工來控制，為安全考慮，建議此規格產品轉速不要高于2200轉/分，選取1800轉/分為宜。

圖6 磨輪磨耗比與磨輪轉速的關系Fig.6 the relationship between the abrasive ratio and rotate speed of the grinding wheel

3.3 磨料濃度對磨輪磨損的影響

試驗條件:濕磨8小時，Fn=30N，磨輪金剛石粒度280目，磨輪轉速1800轉/分，觀察范圍0.04mm2。實驗結果見表3。

表3 不同金剛石濃度下磨粒脫落數目統計Table 3 the quantity of abrasive particles that fall off the grinding wheel under different diamond concentration

圖7為不同磨粒濃度時工作層磨耗比的變化曲線圖，可以看出，當磨料濃度較低時工件材料與磨輪磨耗比很低，同時磨料濃度過高也不利于工件與磨輪磨耗比的提高。磨料濃度低，單位面積上磨粒數量少，則在整體Fn保持不變的情況下，單顆磨粒所受法向分力Fn大，磨粒更容易脫落，同時單位面積磨粒數量少，參與磨削磨粒數少，則工件材料去除率不高，磨耗比低。但磨輪磨粒濃度過高則單位面積內磨粒數量多，磨削初期因為有大量磨粒參與磨削加工，微切屑刃較多，磨粒與磨粒之間間距縮短，甚至發生磨粒堆積，因樹脂結合劑包裹力不足，后期磨粒容易大面積脫落，導致磨輪磨削效率急劇降低。因此，磨料濃度的選擇應該既考慮節約成本又能保持產品的加工效能，并保持產品使用過程中性能穩定。當磨料濃度由7%增加到13%時，磨粒脫落數目僅增加2顆左右，但此時磨削玻璃磨耗比達到最大為90。

圖7 磨輪磨耗比與磨料濃度的關系Fig.7 the relationship between the abrasive ratio of grinding wheel and the concentration of abrasive

3.4 磨料粒度對磨輪磨損的影響

試驗條件:濕磨8小時，Fn=30N，磨輪轉速: 1800轉/分，金剛石濃度13%，實驗結果如圖8。

圖8為磨料粒度與磨輪磨耗比的關系曲線，由圖可以看出，粗粒度磨輪磨耗比較大，粗粒度磨粒在其它條件相同的情況下切入工件較深，材料去除量大，盡管粗粒度磨輪工作層表面單位面積上磨粒數少，單顆粒金剛石所受力矩M較大，但由于粗粒度金剛石磨料粒徑大，埋入樹脂結合劑中較深，樹脂對其把持力強，金剛石脫落少，樹脂損耗也少，磨耗比要大于細粒度磨輪。

圖8 磨輪磨耗比與磨料粒度的關系Fig.8 the relationship between the abrasive ratio of grinding wheel and the particle size of abrasive

3.5 加工方式對磨輪磨損的影響

加工條件:分別干磨、濕磨8小時，Fn=30N，磨輪金剛石粒度600目，轉速為1800轉/分鐘，金剛石濃度13%，觀察范圍0.04mm2。實驗結果見表4。

表4 干濕磨加工時磨粒脫落數統計Table 4 the quantity of abrasive particles that fall off the grinding wheel under dry and wet grinding

表5 干濕磨對工件材料與磨輪磨耗比的影響Table 5 the influence of dry and wet grinding on the workpiece material and the abrasive ratio of grinding wheel

由表4可以看出干磨時磨輪磨粒脫落較濕磨多，而表5表明磨耗比方面濕磨略高于干磨。這是因為樹脂結合劑的最高耐熱溫度為400℃左右，干磨削時會導致磨削熱聚集，溫度升高會使樹脂軟化而導致金剛石脫落;同時，干磨時切削阻力較大，而加水可起潤滑作用從而減小摩擦力，進而減少砂帶磨損。

4 結 論

(1)增加金剛石柔性磨輪磨削過程中法向壓力Fn，磨輪磨粒脫落數目和磨耗比都逐漸增大。當法向壓力為30N時，與10N壓力相比，磨粒脫落數目增加不明顯，而磨耗比卻有較大增加，磨削玻璃磨耗比為80。

(2)磨輪轉速對磨粒脫落數目無明顯影響，而磨耗比逐漸增加，為安全考慮，建議使用時轉速為1800轉/分鐘。

(3)隨著磨料濃度的增加，金剛石脫落數目逐漸增加，磨耗比先增加后減小。當磨料濃度由7%增加到13%時，磨粒脫落數目僅增加2顆左右，磨削玻璃磨耗比達到最大為90。

(4)磨料粒度越粗，在磨削玻璃和寶石的過程中，單位面積脫落的金剛石越少，此時磨耗比越大。

(5)金剛石柔性磨輪采用樹脂作為結合劑，其耐熱性差，在磨削過程中應加水進行冷卻。

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Study of the Influences of Different Factors on Diamond Soft Grinding Wheel Abrasion

XIAO Le-yin，LIN Feng，XIE De-long，PAN Xiao-yi
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materiasl，Guilin，China 541004; 2.Chinese National Engineering Research Center for Special Materials，Guilin，China 541004; 3.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.Ltd.，Guilin，China 541004)

Diamond soft grinding wheel is a derivative product of diamond abrasive belt，mainly used for machining of gemstone and glass.The influence of normal pressure，rotate speed of grinding wheel，concentration and particle size of abrasive and processing method on the abrasion of the grinding wheel has been analyzed through grinding experiment to the diamond soft grinding wheel.Result shows that both of the quantity of abrasive particles that fall off the grinding wheel and the abrasive ratio increase as the normal pressure increases;rotate speed of grinding wheel has little influence on the quantity of abrasive particles that fall off the grinding wheel while the abrasive ratio increases gradually;the quantity of abrasive particles that fall off the grinding wheel is just added up by 2 when concentration of abrasive increases to 13%，and the abrasive ratio for glass gringding reach the maximum value of 90;the coarser the grain size of the abrasive particles，the greater the abrasive ratio，with less diamond falls off in unit area;the resin binder for the grinding wheel should be chilled by water in light of its poor heat resistance.

Diamond soft grinding wheel;abrasive belt;abrasion

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0001－05

2016－09－10

桂林市科學研究與技術開發計劃(合同編號:2016010701－1);廣西超硬材料重點實驗室專項經費

肖樂銀(1981－)，男，碩士，高級工程師，主要從事超硬材料磨具的研究與開發。E-mail:xiaoleyin2005@163.com。

肖樂銀，林峰，謝德龍，等.不同因素對金剛石柔性磨輪磨損的影響研究［J］.超硬材料工程，2016，28(6):1-5.