金剛石砂輪軸向進給磨削硬質合金時的磨削力實驗研究

任小柯，黃 輝，蘇珍發

（1.華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021）

（2.廈門創云精智機械設備股份有限公司，福建 廈門 361006）

硬質合金是由金屬碳化物（WC、TiC 等）和金屬黏結劑（Co、Mo、Ni 等）通過粉末冶金工藝燒結制備而成的一種合金材料[1-2]，不僅兼具良好的韌性和可塑性，同時具有高硬度、高抗壓強度、低沖擊韌性、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等一系列優越性能，被廣泛用于制造金屬成形刀具、塑性成形模具和耐磨零件等[3-4]。由于硬質合金本身具有強度高、硬度高、脆性大等特點，傳統機械加工無法實現其精度和質量要求[5]，采用金剛石砂輪磨削是其目前加工的主要工藝手段[6-7]。

目前對于硬質合金的磨削加工研究主要包括以下幾個方面：（1）磨削工藝對硬質合金磨削的影響。研究砂輪速度、進給速度、磨削深度對磨削力、磨削溫度、材料去除機理以及工件表面質量的影響規律[8-11]；（2）對工件材料的影響。對不同硬質合金工件的磨削進行研究，分析工件中結合劑含量、晶粒尺寸對磨削力、砂輪磨損的影響[12-15]。（3）對砂輪的影響。研究金屬金剛石砂輪、樹脂金剛石砂輪、釬焊金剛石砂輪等磨削硬質合金時的砂輪磨損情況以及工件加工質量的變化[16-19]。

隨著研究的深入，硬質合金的應用也越來越廣泛，許多軸類零件諸如伺服電機芯軸、汽車變速箱主軸逐漸使用硬質合金材料。常規軸類零件在采用外圓縱向磨削[20]加工時，砂輪與工件的運動關系如圖1所示，工件隨工作臺做軸向運動，其運動方向垂直于砂輪端面[21]，磨削過程中工件受到3 個方向磨削力的作用，分別是法向力Fn、切向力Ft和 軸向力Fa。現有硬質合金磨削實驗研究多以平面磨削為主，采用軸向進給磨削工藝的研究并不多見。因此，以GU20 硬質合金為磨削對象，采取軸向進給磨削工藝圖2，進行不同工藝參數（砂輪線速度、磨削深度和進給速度）下的磨削實驗，推導并建立磨削力理論模型。同時，建立磨削力經驗公式，定量表征磨削力與工藝參數的關系，揭示工藝參數對磨削力的影響規律。

圖1 外圓縱向磨削示意圖Fig.1 Cylindrical traverse grinding

1 實驗條件及方法

磨削實驗在德國BLOHM 公司的高速數控磨床HP-408 上進行，磨削過程中砂輪一方面做高速旋轉運動（砂輪線速度為vs），另一方面沿軸線方向實現進給運動（進給速度為vf）。切深相比于砂輪半徑較小，因此忽略切深造成的砂輪不同位置的線速度變化，均以砂輪邊緣速度vs作為砂輪與工件接觸時的砂輪速度。磨削實驗系統示意圖如圖2所示。磨削過程中使用水基乳化液進行冷卻。磨削工件選用廈門金鷺特種合金有限公司生產的GU20 硬質合金，化學成分是WC 和Co，質量分數分別為90%，10%，尺寸為30 mm×30 mm×20 mm，如圖3所示。其基本機械物理性能見表1所示。磨削所用砂輪為金屬（銅錫合金）結合劑金剛石砂輪，其型號400×18×127×5×5-D91，金剛石磨粒粒度代號為230/270，濃度為150%。實驗中磨削工藝參數見表2所示。

圖3 硬質合金試件Fig.3 Cemented carbide specimen

表1 GU20 機械物理性能Tab.1 Mechanical and physical properties of GU20

表2 硬質合金磨削工藝參數表Tab.2 Cemented carbide grinding process parameters

使用Kistler 9257B 精密動態壓電傳感測力儀對實驗過程中的磨削力信號進行采集，利用5080A 電荷放大器對信號進行放大，通過5697A1 信號采集系統進行A/D 轉換，最終將信號傳輸電腦。設置采樣頻率為5 kHz，實驗過程中實時跟蹤Fx（水平方向）、Fy（軸向）、Fz（垂直方向）這3 個方向上磨削力的變化。磨削力測量采集系統如圖4所示。

圖4 磨削力測量采集系統實物圖Fig.4 Grinding force measurement system

2 軸向磨削加工中的磨削力理論模型分析

圖5 是砂輪與工件磨削接觸弧區示意圖。在磨削切入過程中，測力儀分別測量的是Fx，Fy及Fz這3 個方向的力，但由于受到磨削方式的影響，所測量的Fz和Fx與砂輪與工件的法向磨削力Fn及切向磨削力Ft并不能直接等同，其相互關系如圖5所示。

圖5 磨削弧區受力分析Fig.5 Stress analysis of grinding arc area

3 實驗結果及分析

3.1 磨削力典型信號分析

圖6 和圖7 是所測得的典型的硬質合金原始磨削力信號以及利用5 Hz 進行低通濾波后得到的磨削力信號。從圖6～圖7 中可以看出：整個磨削過程可分為磨削切入、穩定磨削、磨削切出3 個階段。在磨削切入階段，砂輪開始接觸工件，磨削力曲線快速上升。砂輪完全切入工件并達到穩定后曲線趨于平穩，數值基本保持不變，此時進入穩定磨削階段。在磨削切出階段，砂輪逐漸離開工件，磨削力曲線快速下降。在后續分析時，選取穩定磨削階段的磨削力曲線平均值作為相應工藝參數下的磨削力。

圖6 磨削力原始信號Fig.6 Original signal of grinding force

圖7 磨削力濾波信號Fig.7 Filtered signal of grinding force

根據實驗所測量的各個方向的磨削力，結合式（18）、式（19），可以計算出不同加工工藝參數下的法向磨削力Fn，切向磨削力Ft； 軸向磨削力Fa則 可以等同于Fy。

3.2 砂輪線速度對磨削力的影響

圖8～圖10 顯示了砂輪線速度對法向力、切向力以及軸向力的影響。從磨削力大小來看，法向力的大小在138.27 ～328.99 N 范圍內，切向力的大小在41.60 ～156.65 N 范圍內，軸向力的大小在5.56 ～41.60 N 范圍內。其中最大的是法向力，其次是切向力，而軸向力最小。最大法向力約是最大切向力的2.1 倍，約是最大軸向力的7.9 倍。最大切向力約是最大軸向力的3.8 倍。

從圖8～圖10 中可以看出法向力、切向力和軸向力均隨砂輪線速度的增大而減小，且隨磨削深度增大，減小幅度增大（如表3所示）。這表明隨著磨削深度增大，對于法向力和切向力而言，磨削力隨砂輪線速度增大而減小的趨勢基本保持穩定；但是軸向力隨著磨削深度的增大，其減小趨勢隨之增強。

圖8 砂輪線速度對法向力的影響Fig.8 Effect of grinding wheel linear speed on normal force

圖9 砂輪線速度對切向力的影響Fig.9 Effect of grinding wheel linear speed on tangential force

圖10 砂輪線速度對軸向力的影響Fig.10 Effect of grinding wheel linear speed on axial force

表3 磨削深度對磨削力變化幅度的影響Tab.3 Effect of grinding depth on variation of grinding forces

在磨削深度和進給速度一定的條件下，砂輪線速度增大，法向力、切向力和軸向力均減小。這是因為磨削深度和進給速度一定時，磨削弧長不變，磨削接觸面積不變，材料去除率保持不變；增大砂輪線速度，單位時間內磨削區域參與磨削的總磨粒數增多，使得單顆磨粒最大未變形切屑厚度減小，單位時間磨削功耗減小，因此總體磨削力減小。

3.3 磨削深度對磨削力的影響

圖11～圖13 顯示了磨削深度對法向力、切向力以及軸向力的影響。從圖中可以看出，法向力、切向力和軸向力基本隨磨削深度的增加而增大。但在高線速度條件下，磨削深度對法向力的影響有所不同。

圖11 磨削深度對法向力的影響Fig.11 Effect of grinding depth on normal force

圖12 磨削深度對切向力的影響Fig.12 Effect of grinding depth on tangential force

圖13 磨削深度對軸向力的影響Fig.13 Effect of grinding depth on axial force

在砂輪線速度和進給速度一定的條件下，磨削深度增大，砂輪與工件的磨削接觸弧長變長，磨削面積增大。但是磨削面積的增大與磨削深度之間并不是線性關系，所以法向力隨磨削深度的增大而逐漸趨于平穩。但是隨著磨削深度的增大，材料去除率隨之增大，切向力與軸向力也隨之增大。

3.4 進給速度對磨削力的影響

圖14～圖16 顯示了進給速度對法向力、切向力以及軸向力的影響。從圖中可以看出：隨著進給速度增大，法向力、切向力和軸向力略有波動，但整體變化趨勢并不明顯。

圖14 進給速度對法向力的影響Fig.14 Effect of feed speed on normal force

圖15 進給速度對切向力的影響Fig.15 Effect of feed speed on tangential force

圖16 進給速度對軸向力的影響Fig.16 Effect of feed speed on axial force

在磨削深度和砂輪線速度一定的條件下，進給速度增大，法向力、切向力和軸向力整體變化趨勢并不明顯。這是因為在磨削深度和砂輪線速度一定時，砂輪與工件的磨削接觸弧長不變，磨削接觸面積不變，磨削弧區內的總磨粒數基本不變。增大進給速度，雖然導致材料去除率增大，但對于磨削力的影響并不顯著。

3.5 磨削力經驗公式建立

磨削力是研究磨削過程的重要物理參量，為了定量表征磨削力與工藝參數的對應關系，進一步分析砂輪線速度、磨削深度、軸向進給速度3 種工藝參數對磨削力的影響程度，從而對磨削過程做出定量分析和預測，采取建立基于磨削實驗的經驗公式方法。在傳統磨削力經驗公式中，磨削力與工藝參數之間呈冪函數關系，其表達式如下：

式中：K為系數，α、β、γ為指數。

針對GU20 硬質合金，在大量實驗數據的基礎上，利用概率統計法中的回歸分析法和方差分析法進行多因素實驗數據擬合，得到磨削力經驗公式如下：

式（21）～式（23）的置信度分別為0.95，0.92，0.91，可認為擬合結果具有較高的可靠性。根據經驗公式指數系數可以看出，磨削參數對法向力的影響程度為：砂輪線速度＞磨削深度＞進給速度。磨削參數對切向力的影響程度為：砂輪線速度＞磨削深度＞進給速度。但是對于軸向力而言，磨削參數的影響程度為：磨削深度＞砂輪線速度＞進給速度。總體而言，隨著線速度的增大，磨削力隨之減小，線速度對3 個方向的力的影響程度大致相同。隨著磨削深度的增大，磨削力隨之增大。磨削深度對軸向力的影響最大。進給速度對磨削力的影響并不十分顯著。

綜上，從磨削力的角度來說，在保證磨削效率的前提下，可適當增大砂輪線速度和減小磨削深度，可以減小磨削力的大小，從而減輕單顆磨粒負載，降低磨削能耗，提高砂輪使用壽命。

4 結論

（1）對于軸向磨削加工硬質合金，其最大的是法向力，其次是切向力，而軸向力最小。與平面磨削所不同的是其軸向磨削力較為顯著。

（2）軸向磨削加工中，增大砂輪線速度，磨削力隨之減小；增大磨削深度，磨削力會隨之增大；進給速度的變化對磨削力的影響并不明顯。

（3）軸向磨削加工中，線速度對3 個方向的磨削力影響程度大致相同；磨削深度對軸向磨削力的影響最大，對法向力的影響最小；進給速度對切向力和軸向力的影響相近，但對法向力的影響較弱。