鍍鎳cBN磨料對樹脂結合劑cBN砂輪磨削性能的影響

孫會冰, 焦思華, 謝 嘉

(廣東奔朗新材料股份有限公司,廣東 佛山 528000)

0 引言

立方氮化硼(cBN)是硬度僅次于金剛石的超硬磨料,與金剛石相比,cBN的特點是在高溫下不與鐵、鈷、鎳等鐵族元素反應,對于加工黑色金屬材料呈惰性,因此是各行業里對黑色金屬加工的首選材料,其被廣泛地應用于汽車、軸承、壓縮機和精密模具等行業中含鐵族元素零件的精密加工[1-3]。目前應用于零件加工的cBN磨料可以分為裸料和鍍覆料兩大類,其中裸料是cBN磨料表面無任何其他物質,鍍覆料則對cBN表面鍍覆一層銅、鎳、鈦、鉬等金屬材料或者碳化硅、剛玉、氮化鈦等化合物類的難熔硬質材料。鍍層具有減緩對結合劑的熱沖擊、提高磨料與結合劑的結合強度、提高磨料顆粒抗破碎強度、對磨粒起隔離保護等作用[4-5]。

樹脂結合劑cBN砂輪具有加工效率高、磨削力小、自銳性好等特點,被廣泛應用于磨削高速鋼、鑄鐵等工件,但是樹脂結合劑砂輪也常常存在磨削加工中cBN磨料磨削刃鈍化造成磨削不鋒利、結合劑對cBN磨料的把持力不足、磨料易脫落等缺點,從而影響砂輪的磨削性能。因此本文通過在樹脂結合劑cBN砂輪中引入不同量鍍鎳cBN磨料,研究其對樹脂結合劑cBN砂輪的磨削性能的影響。

1 試驗條件與方法

使用同一種類型的cBN裸料和鍍鎳料,其中鍍鎳料鎳層質量分數為60%(簡稱cBN-N60),按裸料與鍍鎳料質量比為1∶0、1∶1、1∶2、1∶3配比所需原料,并將在同一工藝下制備成端面砂輪,砂輪編號如表1所示,砂輪尺寸為Φ305 mm×50 mm×50 mm,如圖1所示,使用敏嘉復合磨床加工空調壓縮機氣缸的端面,加工工件尺寸為Φ150 mm×50 mm。

表1 不同含量鍍鎳cBN砂輪的編號

圖1 測試砂輪圖

使用80#白剛玉修整塊對砂輪進行修整,磨削時砂輪轉速800 r/min,磨削全過程使用吉蘭丁功率檢測儀實時監測不同砂輪磨削工件時的功率變化,修整磨削完成后使用基恩士3D顯微鏡和COXEN掃描電鏡對砂輪表面進行微觀結構的觀察,使用便攜式粗糙度檢測儀對工件表面進行粗糙度監測。

2 試驗結果和分析

2.1 不同種類的cBN磨料的表面形貌

圖2為裸料cBN磨料和cBN-N60磨料在掃描電鏡下的形貌圖,從圖2中可以看出,裸料cBN表面較為光滑,相應的顆粒棱角較多,有更多的磨削面和磨削刃,而cBN-N60由于表面鍍覆一層鎳金屬,有效的磨削面和磨削刃全被包裹起來,但是磨料表面有許多微小的凹凸面,這有利于增加磨料與結合劑之間的接觸面積,提高兩者之間的結合力,增加結合劑對磨料的把持力。

2.2 不同含量鍍鎳cBN磨料砂輪修整后表面形貌

砂輪使用80#白剛玉進行修整,修整時砂輪轉速200 r/min,修整進給速度為0.3 mm/min,圖3是四款砂輪修整后的表面形貌以及相應的3D視圖。

圖3 修整后MX01-MX04砂輪表面形貌及3D圖

圖3中對砂輪修整后的表面進行3D模擬,其中顏色發紅代表高點,發藍代表低點,從圖3中可以看出,在使用80#白剛玉塊對不同砂輪進行修整后,均可以將cBN磨料的磨削刃修整出來,但是圖3(a)與圖3(b)(c)(d)三張圖對比可以看出,由于MX01使用的全是裸料cBN,在修整后砂輪表面cBN磨料的脫落較為明顯,出現大面積的低點,而使用cBN-N60的在修整后磨料脫落較少,并且修整后的磨料的磨削刃高度也比較平均,這是因為裸料cBN磨料在修整過程中由于與結合劑之間的結合力較小,在修整過程出現脫落,而使用cBN-N60可以有效提高結合劑與磨料之間的結合力,這是因為鍍鎳后cBN磨料表面有一層凹凸不平的鎳層,增加了磨料與結合劑之間的結合力,防止磨料脫落。

2.3 不同含量鍍鎳cBN磨料砂輪對磨削效率的影響

使用吉蘭丁功率檢測儀對磨削全過程進行監測,功率大小反映了砂輪在磨削工件時電流的大小,可以直觀的反映出砂輪的鋒利性。

圖4是在不同進刀量下MX01-MX04的磨削功率,圖5是磨削后MX01-MX04砂輪表面掃描圖,從圖4中可以看出,在進刀量為0.2 mm/min條件下,MX01的功率為3800 W左右,MX02-MX04的功率在4480 W、4320 W和6000 W左右,在等進刀量的條件下,隨著cBN-N60含量的增加,磨削功率逐漸增加,這是因為砂輪剛進行修整后,兩種cBN磨料都具有較好的修銳效果,結合圖2和圖3可以看出,裸料cBN的磨削刃口相對較多,因此在磨削初期較為鋒利,而cBN-N60的磨削刃口較少,所以磨削功率隨著cBN-N60 的含量的增加而增加。

圖4 不同進刀量下MX01-MX04的磨削功率

圖5 磨削后MX01-MX04的表面掃描圖

從圖4中還可以看出隨著進刀量的增加,MX01的功率增長較快,而MX02-MX04增長較慢,從圖5(a)中可以看出這是因為MX01中裸料cBN在磨削時逐漸鈍化脫落,所以磨削功率增加較快,而cBN-N60與結合劑結合力較高,磨料鈍化慢,因此磨削功率增加較慢,其中MX03功率增長最為平緩,這是因為磨料中裸料cBN和cBN-N60到達一種最佳配比,當舊磨削刃鈍化后,新的磨削刃又產生,所以磨削功率增加比較緩慢。

2.4 不同含量鍍鎳cBN磨料砂輪對工件粗糙度的影響

圖6是不同進刀量下,MX01-MX04磨削工件后的粗糙度,從圖6中可以看出當在進刀量為0.2 mm/min時,MX01的粗糙度較低,在Ra 0.65 μm左右,而添加cBN-N60的MX02-MX04的粗糙度在Ra 0.75 μm左右,這是因為裸料cBN在修整后磨削刃較多且鋒利,而cBN-N60的較少,因此磨削后粗糙度MX01較好。結合圖5分析,隨著進刀量的增加,MX01的粗糙度先增加后降低,這是因為隨著進刀量的增加,磨粒的磨削深度增加,在工件表面產生“滑擦、耕犁、切削”的深度增加,因此工件表面的粗糙度變差,但是隨著磨削進行,磨料出現鈍化和脫落的現象,使得砂輪的磨削能力變差,只有進行“滑擦”磨削,因此工件表面的粗糙度又開始降低;而MX02和MX03粗糙度在穩定發生變化,這是由于cBN-N60不易脫落且不斷產生新的磨削刃,有部分裸料脫落后又重新露出新磨料,可以使砂輪一直保持鋒利性,而MX04跟MX01出現同樣的現象,這是由于MX04中cBN-N60含量增加,磨料不易脫落,這又造成砂輪的自銳性較差,從圖5(d)中可以看出,砂輪表面已經可以看出明顯的碎屑,因此造成砂輪的不鋒利,使得工件的粗糙度降低。

3 結論

使用同一種類型的cBN裸料和鍍鎳料,按不同比例制備成MX01-MX04四款端面砂輪進行磨削測試,其結果顯示:

(1)使用同樣的修整工藝對不同砂輪進行修整后,裸料cBN磨料的脫落較為明顯,而cBN-N60則能有效防止磨料脫落。

(2)當磨削進刀量較小時,裸料cBN的磨削功率低,磨削力小,而cBN-N60的磨削力相對較大,但是隨著進刀量增加,裸料cBN的磨削功率快速增加,而cBN-N60增加較慢,但兩者質量比為1∶2時,在進刀量為1.0 mm/min時,功率最低,磨削力最小。

(3)當進刀量較小時,裸料的cBN磨削后工件的粗糙度較低,但是隨著進刀量的增加,裸料cBN會較快脫落鈍化,而cBN-N60則能保持較為平穩的磨削狀態。

在加工空調壓縮機大氣缸時,若想要增加磨削效率,穩定產品質量,裸料cBN和cBN-N60引入質量比為1∶2時,能得到較好的磨削效果。