金剛石薄圓鋸片基體的磨削工藝參數(shù)優(yōu)化*

邱陸一, 王秋燕, 白碩瑋, 鞠軍偉, 林潤澤

(1.青島大學(xué) 機電工程學(xué)院, 山東 青島 266071)(2.日照海恩鋸業(yè)有限公司, 山東 日照 276800)

石材行業(yè)綠色制造體系的快速發(fā)展對石材切割工具性能提出了更高的要求。金剛石圓鋸片具有加工效率高、加工質(zhì)量好、損耗少等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于石材、玻璃、陶瓷等各種非金屬硬脆材料的切割加工上[1]。對名貴石材的切割加工，除要求金剛石鋸片盡量薄外，還要求保證石材表面精度以及減少切割中石材的損耗。目前，金剛石薄圓鋸片主要通過磨削方法控制其表面精度和質(zhì)量。但隨著圓鋸片基體直徑變大和厚度減薄，受機械、力、熱等多種耦合作用的影響，在切割時不可避免地出現(xiàn)因片體變形而引起的加工缺陷，從而對金剛石薄圓鋸片長期使用的穩(wěn)定性、壽命等造成嚴(yán)重影響。因此，迫切需要對影響并制約金剛石薄圓鋸片加工精度的工藝參數(shù)進行合理優(yōu)化及控制，盡可能減小基體變形等對鋸片機械性能的影響。

為了獲得金剛石圓鋸片較好的鋸切效果，同時提高其加工效率，降低生產(chǎn)成本，研究人員對金剛石圓鋸片的設(shè)計、加工、檢測等進行了諸多研究。張進生等[1]提出了一種切割幅面寬度達到直徑2/3的組合結(jié)構(gòu)的金剛石圓鋸片基體，并利用有限元分析給出該鋸片2種最優(yōu)參數(shù)組合。田永軍等[2]建立了多變量、多約束條件下的金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，基于該模型得到了滿足剛度要求的優(yōu)化圓鋸片，并用實驗驗證了該方法的有效性。吳雪松等[3]根據(jù)金剛石圓鋸片變形微機檢測系統(tǒng)測得金剛石圓鋸片的變形分布，建立了金剛石圓鋸片應(yīng)力分布計算模型，并實現(xiàn)了鋸片質(zhì)量控制的可視化分析。胡歡等[4]圍繞新型半圓形水槽和傳統(tǒng)U型水槽的2種齒形結(jié)構(gòu)，建立耐沖擊型金剛石鋸片鋸切受力的有限元分析模型，以數(shù)值模擬對比研究金剛石圓鋸片的鋸切受力。研究表明：新型齒形結(jié)構(gòu)鋸片較傳統(tǒng)齒形鋸片在同等條件下的應(yīng)力明顯改善，耐沖擊性能顯著提高。錢平等[5]針對異型石材銑磨效率低下的問題，利用金剛石圓鋸片大切割深度的優(yōu)勢，提出了一種異型石材高效鋸切精加工優(yōu)化策略。研究表明：與傳統(tǒng)磨削相比，該加工策略的材料去除率提高了近7倍。郭喜平等[6]針對金剛石鋸片鋸齒的徑向槽部分，在鋸切力作用下會出現(xiàn)變形及局部應(yīng)力集中的問題，利用有限元仿真研究了徑向槽各參數(shù)對鋸齒變形量以及等效應(yīng)力、徑向應(yīng)力、鋸向應(yīng)力的影響規(guī)律，并給出了最優(yōu)徑向槽參數(shù)組合。仇君等[7]采用有限元方法對金剛石圓鋸片基體的水槽結(jié)構(gòu)進行靜力分析及計算，得到最優(yōu)水槽的傾斜角度，水槽底孔半徑，水槽左、右側(cè)邊的角度等參數(shù)，此參數(shù)提高了鋸片的使用壽命。

以上研究主要是通過優(yōu)化鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)來討論鋸片的鋸切效果的，但對金剛石薄圓鋸片基體磨削加工的基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)研究尚有欠缺。因此，主要針對薄鋸片基體磨削過程中的磨削質(zhì)量控制問題，開展磨削工藝參數(shù)正交試驗，研究磨削工藝參數(shù)對鋸片基體的端跳、平面度、同片厚度差的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進行磨削工藝參數(shù)優(yōu)化，并使用優(yōu)化的工藝參數(shù)進行金剛石薄圓鋸片基體磨削試驗。

1 金剛石薄圓鋸片基體磨削試驗裝置及條件

1.1 試驗裝置

圓鋸片基體磨削試驗在數(shù)控臥軸圓臺平面磨床SKM7360上進行，試驗裝置如圖 1 所示。磨削試驗的工件為回火后的鋸片基體，其厚度為2.6 mm，直徑為φ400 mm，材料為75Cr1。采用黑碳化硅樹脂結(jié)合劑砂輪磨削圓鋸片基體，砂輪型號為400×100×127 C46L5B35，黑碳化硅磨料粒度代號為F46。采用磁性分離器加紙帶過濾機串聯(lián)過濾。試驗時，清理磨床上磁盤表面的磨屑，鋸片基體居中放置在磁盤上，開啟磁力，當(dāng)砂輪剛好接觸到鋸片基體出現(xiàn)輕微火花時，開啟冷卻液并開始磨削試驗。分別用百分表、刀口尺、螺旋測微器測量磨削后的圓鋸片基體的端跳、平面度、同片厚度差。為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，在鋸片基體不同磨削位置測量5次，取5次測量結(jié)果的平均值為其最終結(jié)果。

圖1 磨削試驗裝置

1.2 黑碳化硅砂輪磨削圓鋸片基體試驗條件

碳化硅砂輪磨削圓鋸片的試驗在水基MX-330精密磨削液冷卻潤滑條件下進行，建立4因素3水平正交試驗，正交試驗參數(shù)及水平設(shè)置如表1所示，設(shè)置的4個因素是磨床常用并可調(diào)的參數(shù)。其中，設(shè)置的砂輪轉(zhuǎn)速、進給速度、工作臺轉(zhuǎn)速與磨床參數(shù)調(diào)節(jié)范圍匹配；磁力大小反映磨床的磁場強弱，磁力越大磁場強度越大。將磁力設(shè)置為80%～100%，是為了保證磨削時鋸片基體不發(fā)生震顫，并減小基體的夾持變形。

表 1 正交試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 加工參數(shù)對金剛石圓鋸片基體表面質(zhì)量的影響

正交試驗結(jié)果是選取金剛石圓鋸片基體磨削后的端跳、平面度以及同片厚度差(鋸片磨前與磨后厚度的差值)為優(yōu)化目標(biāo)，其測量結(jié)果如表2所示。圖2～4分別給出了不同加工參數(shù)對鋸片基體端跳、平面度、同片厚度差的影響規(guī)律。

表2 金剛石圓鋸片基體磨削后的正交試驗結(jié)果

在表2的水平2條件下，輪流固定其中3個因素的值，只在表2范圍內(nèi)改變1個因素的值，圓鋸片基體表面端跳均值隨不同因素的變化如圖2所示。由圖2可知：端跳隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大；隨進給速度的增大先增大后減小；隨工作臺轉(zhuǎn)速的增大變化不明顯；隨磁力的增大先增大后減小。

a 砂輪轉(zhuǎn)速的影響 b 進給速度的影響InfluenceofgrindingwheelspeedInfluenceoffeedspeed c 工作臺轉(zhuǎn)速的影響 d 磁力的影響InfluenceofworktablerotationspeedInfluenceofmagneticforce圖2 4個因素對金剛石圓鋸片基體端跳的影響Fig.2Influencesoffourfactorsonendjumpofdiamondcircularsawbladesubstrate

在圖2同樣的條件下，平面度均值隨不同因素的變化如圖3所示。從圖3可以看出：平面度隨砂輪轉(zhuǎn)速、進給速度和的磁力的增大先減小后增大，隨工作臺轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小。

a 砂輪轉(zhuǎn)速的影響 b 進給速度的影響InfluenceofgrindingwheelspeedInfluenceoffeedspeed c 工作臺轉(zhuǎn)速的影響 d 磁力的影響InfluenceofworktablerotationspeedInfluenceofmagneticforce圖3 4個因素對金剛石圓鋸片基體平面度的影響Fig.3Influencesoffourfactorsonflatnessofdiamondcircularsawbladesubstrate

在圖2同樣的條件下，同片厚度差均值隨每個因素的變化如圖4所示。由圖4可知：同片厚度差隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大變化不明顯，隨進給速度的增大而減小，隨工作臺轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小，隨磁力的增大先減小后增大。

a 砂輪轉(zhuǎn)速的影響 b 進給速度的影響InfluenceofgrindingwheelspeedInfluenceoffeedspeed c 工作臺轉(zhuǎn)速的影響 d 磁力的影響InfluenceofworktablerotationspeedInfluenceofmagneticforce圖4 4個因素對金剛石圓鋸片基體同片厚度差的影響Fig.4Influencesoffourfactorsonthethicknessdifferenceofthesamediamondcircularsawbladesubstrate

2.2 金剛石圓鋸片基體的優(yōu)化試驗分析

對正交試驗結(jié)果進行極差分析，確定出各個工藝參數(shù)對端跳、平面度、同片厚度差影響的主次關(guān)系和試驗范圍內(nèi)各工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，其結(jié)果如表3所示。

表3 極差分析結(jié)果

利用表3的極差分析結(jié)果，得出磨削參數(shù)對各試驗指標(biāo)影響的顯著程度如圖 5所示。

圖5 磨削工藝因素對試驗指標(biāo)的影響極差圖

由圖 5 可知：對圓鋸片基體端跳影響的大小順序為砂輪轉(zhuǎn)速>進給速度>磁力>工作臺轉(zhuǎn)速，說明砂輪轉(zhuǎn)速對圓鋸片基體端跳的影響最大，工作臺轉(zhuǎn)速的影響最小；各因素對圓鋸片基體平面度影響的大小順序為工作臺轉(zhuǎn)速>砂輪轉(zhuǎn)速>進給速度和磁力，說明工作臺轉(zhuǎn)速對圓鋸片基體平面度的影響最大，進給速度和磁力對平面度的影響最小；各因素對圓鋸片基體同片厚度差影響的大小順序為工作臺轉(zhuǎn)速>進給速度>磁力>砂輪轉(zhuǎn)速，說明工作臺轉(zhuǎn)速對同片厚度差的影響最大，砂輪轉(zhuǎn)速的影響最小。

由于砂輪轉(zhuǎn)速和進給速度對端跳影響最顯著，可根據(jù)圖2得到使端跳最小的砂輪轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，進給速度為3 000 mm/min。由于工作臺轉(zhuǎn)速對平面度和同片厚度差影響最顯著，可根據(jù)圖3和圖4得到使平面度和同片厚度差最小的工作臺轉(zhuǎn)速為250 r/min。由于磁力對端跳和平面度影響顯著，可根據(jù)圖2和圖3得到使端跳和平面度較小的磁力為90%～100%，而磁力越小能耗越低，故磁力使用90%的值。因此，為獲得最小的端跳、平面度以及同片厚度差，綜合考慮經(jīng)濟性和磨削工藝參數(shù)對端跳、平面度和同片厚度差的影響，確定的金剛石圓鋸片基體磨削用最優(yōu)工藝參數(shù)組合是砂輪轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，進給速度為3 000 mm/min，工作臺轉(zhuǎn)速為250 r/min，磁力為90%。

選用此優(yōu)化的磨削工藝參數(shù)進行金剛石圓鋸片基體磨削試驗，圓鋸片基體磨削后的指標(biāo)測量結(jié)果如表4所示，圓鋸片基體磨后表面形貌如圖6 所示。由表4可知：圓鋸片基體磨后端跳為0.08 mm，平面度為0.02 mm，同片厚度差為0.004 mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.12、0.08和0.020 mm相應(yīng)值。從圖6中可以看出：圓鋸片基體磨削后表面質(zhì)量良好，氧化皮被全部去除，且磨削紋路為同心圓，無磨削振紋，無明顯磨削損傷缺陷。說明采用優(yōu)化的磨削工藝參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)圓鋸片基體的高質(zhì)量磨削。

表 4 驗證試驗結(jié)果

圖6 鋸片基體磨后的表面形貌

3 結(jié)論

(1)磨削工藝參數(shù)對圓鋸片基體端跳影響的順序為砂輪轉(zhuǎn)速>進給速度>磁力>工作臺轉(zhuǎn)速，其對圓鋸片基體平面度影響的順序為工作臺轉(zhuǎn)速>砂輪轉(zhuǎn)速>進給速度和磁力，其對圓鋸片基體平面度影響的順序為工作臺轉(zhuǎn)速>進給速度>磁力>砂輪轉(zhuǎn)速。

(2)綜合考慮磨削工藝參數(shù)對端跳、平面度、同片厚度差的影響，確定的圓鋸片基體磨削的最優(yōu)工藝參數(shù)組合是砂輪轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，進給速度為3 000 mm/min，工作臺轉(zhuǎn)速為250 r/min，磁力為90%。

(3)使用優(yōu)化后的磨削工藝參數(shù)對金剛石圓鋸片基體進行磨削試驗，圓鋸片基體磨后端跳為0.08 mm，平面度為0.02 mm，同片厚度差為0.004 mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.12、0.08和0.020 mm。且圓鋸片基體表面氧化皮去除均勻，無明顯加工損傷缺陷。