微晶陶瓷剛玉砂輪對微電機轉子軸的磨削性能評價＊

張畢生，吳 耀，曲美娜

（1.博世汽車部件(長沙)有限公司，長沙 410100）

（2.湖南大學 機械與運載工程學院，長沙 410082）

（3.國家高效磨削工程技術研究中心，長沙 410082）

（4.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

隨著汽車對舒適性、輕量化、智能化的要求越來越高，微型電機在汽車中的使用范圍越來越廣，如其中的ABS 系統(tǒng)、電控懸掛系統(tǒng)、電控助力系統(tǒng)以及電子油門等已成為現代汽車中不可缺少的部件[1]。微電機轉子作為微電機的旋轉部件，是微電機最重要的組成部分，其加工質量是影響微電機振動、噪聲、使用壽命的關鍵[2-3]。

目前，中國汽車使用的微電機市場規(guī)模總體已達千萬臺，需求量巨大，所以微電機轉子軸必須成本低、制作方便，適宜大批量生產[4]。無心磨因具有工件中心不固定，工件自定位，易于實現生產過程的自動化等特點，可使工件獲得良好的表面質量、較高的加工精度及較高的加工效率，是滿足微電機轉子軸高質量、低成本、大批量生產的有效制備工藝[5]。在無心磨加工過程中，砂輪是影響加工品質的關鍵。隨著磨削加工的進行，砂輪在去除工件材料的同時，同樣會被不斷地磨損，磨損到一定程度后，砂輪的磨削性能下降，需要對其重新修整。砂輪修整的頻率越高，生產效率越低[6]。目前，微電機轉子軸無心磨生產線上采用的是傳統(tǒng)剛玉砂輪，砂輪修整頻繁，嚴重制約了生產加工效率，需優(yōu)化砂輪，降低砂輪修整頻次，提高生產效率。

微晶陶瓷剛玉砂輪采用溶膠-凝膠工藝合成，后經燒結制成，其磨粒是微晶結構，具有多晶界面。在外力作用下，磨粒僅微晶脫落，具有優(yōu)異的自銳性與耐磨性，且價格上遠遠低于金剛石和CBN 超硬磨料砂輪，易于工業(yè)推廣應用[7]。目前，國內外學者對微晶陶瓷剛玉砂輪在鎳基高溫合金[8]、鈦合金[9]等難加工材料，以及在汽車齒輪成形磨削等領域的應用已開展系列研究[10-12]。何堅等[8]對比分析了3 款微晶陶瓷剛玉砂輪對GH4169高溫合金的磨削性能，優(yōu)化了高溫合金渦輪軸花鍵的磨削加工工藝。曹克等[9]對比了微晶剛玉與白剛玉對TC17 鈦合金的磨削性能，并從磨削力角度分析了微晶陶瓷剛玉砂輪磨削鈦合金的合理工藝參數。劉謙等[10]研究了微晶陶瓷剛玉砂輪成形磨削20CrMnTi 齒輪的表面完整性。上述研究證明：微晶陶瓷剛玉砂輪能夠有效提高砂輪的磨削性能，但主要是針對微晶陶瓷剛玉砂輪對難加工材料、成形磨齒的磨削性能，缺乏在無心磨加工中的應用案例，以及陶瓷剛玉在無心磨加工過程中，對工件表面加工質量、過程磨削溫度和砂輪磨損的系統(tǒng)分析。

因此，針對目前微電機轉子軸無心磨生產線的砂輪修整頻率高、生產效率低的問題，提出采用微晶陶瓷剛玉砂輪替代傳統(tǒng)剛玉砂輪的工藝方案。首先，從磨削溫度、工件表面粗糙度、表面微觀形貌、砂輪磨削比等方面，對比分析微晶陶瓷剛玉砂輪（3NQS120LVH）與傳統(tǒng)剛玉砂輪（ASA120JV127）對微電機轉子軸磨削性能的差異。然后，基于砂輪磨削性能的對比研究結果，選用微晶陶瓷剛玉砂輪對微電機轉子軸進行無心磨生產線驗證，統(tǒng)計1 個砂輪修整周期內的工件加工數量，抽檢工件表面加工質量，分析微晶陶瓷剛玉砂輪替代傳統(tǒng)剛玉砂輪無心磨微電機轉子軸的可行性。

1 試驗條件及方法

1.1 工件材料

平面磨削試驗工件尺寸為40 mm（長）×10 mm（寬）×30 mm（高），工件材料為冷鐓鋼SWCH45K，其表面熱處理結果與微電機轉子軸零件的一致（熱處理后的表面硬度為45～55 HRA）。工件材料化學成分如表1所示。

表1 SWCH45K 的化學成分Tab.1 Chemical composition of SWCH45K

1.2 砂輪磨削性能評價試驗條件及方法

為研究微晶陶瓷剛玉砂輪磨削微電機轉子軸材料的磨削性能，選用目前微電機轉子軸生產線所用的傳統(tǒng)剛玉混合磨料砂輪（ASA120JV127，粒度F120）為對照砂輪，對比研究微晶陶瓷剛玉砂輪（3NQS120LVH，粒度F120）在相同磨削加工條件下的磨削溫度、工件表面粗糙度、表面微觀形貌以及砂輪磨削比，磨削加工平臺如圖1所示。在磨削過程中，采用夾式可磨熱電偶監(jiān)測磨削溫度；采用功率計監(jiān)測磨削功率。磨削后，采用粗糙度儀檢測工件表面垂直于磨痕方向的表面粗糙度；采用超景深光學顯微鏡（VHX-1 000，Keyence）觀察工件的表面微觀形貌。

圖1 磨削加工平臺Fig.1 Grinding platform

為保證試驗條件一致，磨削前參考微電機轉子軸無心磨削工藝，采用單點金剛石筆對砂輪進行修整，冷卻液為Quaker 2776，磨削工藝參數如表2所示。

表2 磨削工藝參數Tab.2 Grinding parameters

2 結果與討論

2.1 磨削溫度

圖2 為2 款砂輪在表2 條件下磨削溫度的對比結果。從圖2 可以看出：室溫條件下（即橫坐標為0 時，對應的溫度為室溫25 ℃），在時間為0.1～0.3 s 時，磨削溫度曲線達到最大值，此時采用傳統(tǒng)剛玉砂輪的磨削溫度約為130 ℃，而采用微晶陶瓷剛玉砂輪磨削微電機轉子軸的溫度約為80 ℃。與傳統(tǒng)剛玉砂輪相比，采用微晶陶瓷剛玉砂輪可降低磨削溫度約38.5%，緩解了因磨削高溫而引發(fā)的材料相變、微裂紋等磨削燒傷問 題。

圖2 磨削溫度Fig.2 Grinding temperature

2.2 表面粗糙度

圖3 為在表2 參數條件下，2 款砂輪磨削后工件的表面粗糙度的對比結果。從圖3 可以看出：采用傳統(tǒng)剛玉砂輪磨削加工后，工件表面粗糙度Ra約為1.4 μm；而采用微晶陶瓷剛玉砂輪磨削加工后，工件表面粗糙度Ra約為0.3 μm，較傳統(tǒng)剛玉砂輪的低約78.6%，顯著提高了工件的表面質量。

圖3 表面粗糙度Fig.3 Surface roughness

2.3 工件表面微觀形貌

圖4 為在表2 條件下，2 款砂輪加工后工件的表面微觀形貌對比結果。從圖4 可以看出：傳統(tǒng)剛玉砂輪加工后的表面存在垂直于磨痕的熱損傷微裂紋，裂紋長度約為50 μm；相較于傳統(tǒng)剛玉砂輪的加工表面，微晶陶瓷剛玉砂輪加工的工件表面磨痕更均勻，且表面無燒傷、無劃痕、無麻點等缺陷，表面完整性更好。

圖4 工件表面微觀形貌Fig.4 Surface morphology of workpiece

2.4 磨削比

磨削比G是工件磨除體積Vw與砂輪損耗體積Vs之比。磨削同一種材料時，若砂輪選擇合適，則會得到較大的磨削比G。磨削比G越大，表明去除同樣體積工件材料時損耗的砂輪體積越小，砂輪的耐磨性越好[13]。為對比分析傳統(tǒng)剛玉砂輪與微晶陶瓷剛玉砂輪對微電機轉子軸材料的磨削比G，在相同修整參數（砂輪線速度為32 m/s，單次磨削深度為0.05mm，軸向進給速度為2.5 mm/s）與磨削加工參數（砂輪線速度為32 m/s，工件進給速度為200 mm/s，磨削深度為0.01 mm）條件下，開展砂輪磨削比G試驗，通過石墨仿形的方法，測量去除720 mm3材料后的砂輪徑向磨損體積，計算砂輪的磨削比G。

圖5 為2 款砂輪在相同修整參數和磨削加工參數條件下，去除工件體積720 mm3后的磨削比G的對比結果。為保證試驗結果的可重復性，每款砂輪在相同的修整參數與磨削加工參數條件下，重復測量6 組磨削比。由圖5 的砂輪磨削比的檢測結果可知：相同砂輪修整參數與磨削加工條件下，采用微晶陶瓷剛玉砂輪磨削微電機轉子軸，其6 次磨削比的平均值是傳統(tǒng)剛玉砂輪的2.2 倍。

圖5 磨削比Fig.5 Grinding ratio

2.5 剛玉砂輪的磨損機制

圖6 為剛玉砂輪形貌。傳統(tǒng)剛玉砂輪所用的磨料多是通過電熔、冷卻結晶、破碎、高溫燒結等工藝制成，磨粒由一個或幾個晶粒組成，晶粒粗大。微晶陶瓷剛玉砂輪磨料則是采用溶膠-凝膠方法制備，與傳統(tǒng)剛玉磨料相比，陶瓷剛玉磨料主要由亞微米級（通常＜ 500 nm）的晶粒構成，其晶粒尺寸小、晶界比例高、結構致密。

圖6 剛玉砂輪形貌Fig.6 Topography of corundum grinding wheel

圖7 為剛玉砂輪的磨損形式對比。如圖7a所示：由于傳統(tǒng)剛玉磨料的晶粒粗大，當作用在磨粒上的磨削力增大到某一臨界值時，磨粒會發(fā)生穿晶斷裂，磨粒碎屑尺寸較大。如圖7b所示：因磨料的破碎機理不同，微晶陶瓷剛玉砂輪具有顯微結構均勻致密、硬度高、韌性高、自銳性好、使用壽命長、磨削效率高、磨削精度高、砂輪修整難度低等特點，在磨削過程中，磨粒表面磨鈍后，磨鈍的細小晶粒可從磨粒表面逐漸脫落，暴露出新的晶粒，從而保持磨粒鋒利狀態(tài)。同時，因晶界對裂紋擴展的偏析作用，磨粒的破壞機理通常為沿晶斷裂，磨粒碎屑尺寸細小。

圖7 剛玉砂輪的磨損形式對比Fig.7 Comparison of wear forms of corundum grinding wheel

2.6 磨損機制對砂輪磨削性能的影響

因微晶陶瓷剛玉磨料具有自銳性，砂輪能夠長期保持鋒利的狀態(tài)，相同的磨削工況下，其磨削功率低于傳統(tǒng)剛玉砂輪的。如式（1）所示，由JIN 等[14]建立的高效磨削溫度分析計算模型可知：磨削溫度與磨削功率呈線性遞增的關系。因而，采用微晶陶瓷剛玉砂輪的磨削溫度要優(yōu)于傳統(tǒng)剛玉砂輪的。

其中：tmax為 工件表面最大溫升，P為主軸功率，S為磨削區(qū)砂輪與工件的接觸面積，hw為傳入工件的熱量傳導因素，hf為磨削液的對流換熱系數，Rws為工件-砂輪子系統(tǒng)中傳入工件的熱比率，Rwch為工件-磨屑子系統(tǒng)中傳入工件的熱比率。

微晶陶瓷剛玉磨料微破碎后，磨粒表面形成了呈鋸齒狀的切削刃，因而其切削刃的立體平均間隔小于傳統(tǒng)剛玉磨料的。如式（2）所示，由文獻[13]可知：表面粗糙度與切削刃立體平均間隔呈線性關系，切削刃立體平均間隔越小，表面粗糙度越小。因而，采用微晶陶瓷剛玉砂輪，其表面粗糙度小于傳統(tǒng)剛玉砂輪的。

其中：Ra為 表面粗糙度，vˉs為切削刃立體平均間隔，K為磨削參數，θ為磨粒頂圓錐半角。

此外，采用含有微晶陶瓷剛玉磨料制備而成的砂輪磨削加工時，磨削過程中，微晶陶瓷剛玉磨料可提供支撐點，降低作用在磨料上的磨削力，從而降低磨料的磨損速度，增大磨削比，降低砂輪的修整頻次，提高砂輪的壽命與效率。

綜合上述分析可知，相對于傳統(tǒng)剛玉砂輪，微晶陶瓷剛玉砂輪可通過陶瓷剛玉磨料的微破碎機制[15-16]，在磨削加工過程中獲得更低的磨削溫度、加工表明粗糙度，并提高磨削比。

3 微電機轉子軸無心磨削生產線驗證

對微電機轉子軸進行無心外圓磨削，磨削前工件直徑公差為8.05～8.07 mm。根據上述研究結果，選用型號為3NQS120LVH+3NQS100LVH，尺寸為610.0 mm×400.0 mm×304.8 mm 的微晶陶瓷剛玉砂輪。微電機轉子軸在Wuxi KOYO KC-400 無心外圓磨床上進行。磨削前，采用金剛石筆對砂輪進行修整，修整參數為：砂輪轉速，1 000 r/min；金剛石筆走刀速度，2.5 mm/s；單次修整量，0.05 mm。微電機轉子軸的無心外圓磨削加工參數見表3。

表3 無心外圓磨削加工參數Tab.3 Parameters of centerless cylindrical grinding

圖8 為微電機轉子軸無心磨生產線驗證現場圖。加工后樣件的各項檢測指標及結果見表4。由檢測結果可知：采用3NQS120LVH+3NQS100LVH 微晶陶瓷剛玉砂輪無心磨削微電機轉子軸，其表面粗糙度、圓度、直徑公差等指標均滿足指標要求。同時，1 個砂輪修整周期內可保證生產2 600 件微電機轉子軸，較傳統(tǒng)剛玉砂輪（1個砂輪修整周期可完成1 000 件）提高了1.6倍。

圖8 微電機轉子軸無心磨削加工平臺Fig.8 Centerless grinding platform of micromotor rotor shaft

表4 無心外圓磨削加工檢測結果Tab.4 Results of centerless cylindrical grinding

4 結論

通過開展傳統(tǒng)剛玉砂輪與微晶陶瓷剛玉砂輪的磨削性能評價試驗及微電機轉子軸無心磨削生產線驗證，發(fā)現：

（1）在相同砂輪修整參數與磨削加工條件下，采用微晶陶瓷剛玉砂輪磨削微電機轉子軸，其磨削溫度較傳統(tǒng)剛玉低約38.5%；其表面粗糙度Ra約為0.3 μm，滿足加工要求，較傳統(tǒng)剛玉砂輪的低約78.6%。

（2）在相同砂輪修整參數與磨削加工條件下，采用微晶陶瓷剛玉砂輪磨削微電機轉子軸，其表面微觀形貌要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)剛玉砂輪的；且其磨削比是傳統(tǒng)剛玉砂輪的2.2 倍。

（3）采用微晶陶瓷剛玉砂輪無心磨微電機轉子軸，其表面粗糙度、圓度等指標均能滿足指標要求，且1 個砂輪修整周期內，可保證生產2 600 件微電機轉子軸，較傳統(tǒng)剛玉砂輪（1 個砂輪修整周期可完成1 000件）提高了1.6 倍。