輔助磨料對樹脂結合劑金剛石砂輪性能的影響

熊華軍,張高亮,葉騰飛,錢灌文,丁玉龍,2,朱建輝,2,吳武山,李少杰,李怡瑱

(1 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南 鄭州 450001;2.高性能工具全國重點實驗室,河南 鄭州 450001)

0 引言

磨料作為磨具的三要素之一,其除了金剛石和立方氮化硼(cBN)超硬磨料外,還包括輔助磨料,常見的輔助磨料包括白剛玉、碳化硅和碳化硼等[1]。其中,白剛玉磨料硬度高、脆性大,適用于鋼鐵材料的加工,多用于制作cBN砂輪;碳化硅磨料分為綠碳化硅和黑碳化硅,綠碳化硅純度、硬度比黑碳化硅稍高,適用于加工硬而脆的材料,如硬質合金、玻璃、瑪瑙等,黑碳化硅強度低、脆性大,適用于加工抗拉強度較低的金屬材料及非金屬材料;碳化硼具有高熔點、高彈性模量、低膨脹系數和良好的氧氣吸收能力等優點[2],硬度比碳化硅高,脆性大,適用于精磨碳鎢合金、碳鈦合金、人造剛玉和寶石等材料[3]。

磨料和填充料作為樹脂磨具的重要組成部分,其性能直接影響著樹脂結合劑金剛石砂輪的性能[4]。目前,對樹脂結合劑金剛石砂輪性能的研究,大多集中于金剛石磨料的晶型、鍍覆方式和處理方法等方面[5-7];段文遠等[8]添加綠碳化硅微粉作為輔助磨料,體積分數在30%時可提高砂輪的壽命和鋒利度;碳化硼可用于制作耐磨損件,用作磨料可降低加工成本[9-10]。而對于黑碳化硅和碳化硼輔助磨料改善砂輪性能的試驗及研究鮮有報道,本試驗采用三種輔助磨料制作樹脂結合劑金剛石砂輪,研究輔助磨料對其性能的影響。

1 試驗

本文采用的試驗條件及方法如下：采用綠色碳化硅(220#,綠SiC)、黑色碳化硅(240#,黑SiC)和碳化硼(240#,B4C)三種不同的輔助磨料,其顯微形貌見圖1,在相同配方和生產工藝條件下制作試塊和樹脂結合劑金剛石砂輪,試塊用于檢測抗折強度和洛氏硬度,砂輪用于磨削試驗。試塊規格為50 mm×10 mm×10 mm,配方同試驗砂輪配方(金剛石磨料所占比例用對應輔助磨料替換),砂輪規格為3A1 Φ180mm×10 mm ×Φ31.7 mm×5 mm×5mm, D80/100 C100。磨削試驗設備為WTG數控萬能工具磨床,工件為YG8材質的硬質合金棒,尺寸為Φ20 mm×150 mm。試驗砂輪配方見表1,具體工藝參數見表2。

表1 試驗砂輪配方 (%,體積百分比)

表2 磨削試驗工藝參數

圖1 輔助磨料顯微形貌圖

試驗步驟：先裝配試驗砂輪、工件和修整工具,連接磨削比測試裝置,開啟冷卻水,在線修整試驗砂輪,完畢后關閉冷卻液,安裝工件,保證安裝后工件的外圓跳動小于0.005 mm。開始對刀,然后設定磨削工藝程序,開啟冷卻液,按設定工藝進行磨削試驗,設定的磨削工藝程序主要包括加工余量、進刀量、砂輪與工件轉速和進給速率等。程序執行完畢后關閉冷卻液,停止砂輪與工件旋轉,檢測砂輪和工件的尺寸,最后記錄并分析試驗結果,磨削比測量原理與測試結果示意圖見圖2。

圖2 測量原理及測試結果示意圖

2 結果分析與討論

2.1 輔助磨料對試塊抗折強度和洛氏硬度的影響

通過測試試塊的抗折強度和洛氏硬度,最終數據為測試6個試驗數據的平均值,測試數據見圖3。

圖3 測試數據

由圖3可以看出,對于測試的抗折強度數據,3#試塊的抗折強度最低,2#試塊最高,從高到低排序為2#>1#>3#,1#和2#試塊的抗折強度相比3#分別提高了31.5%和37.6%。因此,綠色碳化硅和黑色碳化硅在增加砂輪強度方面的作用高于碳化硼。在洛氏硬度方面,2#試塊數值最高,從高到低排序為2#>3#>1#,數值相差不超過4%,三種輔助磨料對試塊的洛氏硬度影響差異較小。

2.2 輔助磨料對砂輪磨削性能的影響

試驗砂輪的體積磨削比測試數據見表3。

表3 磨削比數據

表3的結果表明,3#砂輪的體積損耗量小,砂輪的耐磨性優于1#和2#,且其體積磨削比值最高,分別比1#砂輪、2#砂輪高75%和97%,2#砂輪的體積磨削比值最低,體積磨削比值從高到低依次排序為3#>1#>2#。

由于黑碳化硅磨料相對綠碳化硅磨料硬度較低,主要用于磨削鑄鐵和非金屬材料,不適合磨削硬質合金類高硬度材料,因此,2#砂輪的磨削比最低;而碳化硼磨料理論密度小,約為2.52 g/cm3,比碳化硅磨料(3.2 g/cm3)低21.25%,對于試驗砂輪而言,這意味著在單位體積內碳化硼磨料的濃度比碳化硅磨料高近20%,有利于增強砂輪整體的耐磨性和鋒利度,從而以較小的損耗可以去除工件較大的磨削量,因此,3#砂輪的耐磨性最好,砂輪的體積磨削比值最高。

3 結論

(1)1#和2#試塊的抗折強度相比3#分別提高了31.5%和37.6%,綠色碳化硅和黑色碳化硅輔助磨料在增加砂輪強度方面的作用高于碳化硼。

(2)1#、2#和3#試塊的洛氏硬度數值相差不超過4%,三種不同輔助磨料對試塊的洛氏硬度影響作用差異較小。

(3)添加碳化硼輔助磨料的3#試驗砂輪鋒利度和耐磨性好,其可以作為樹脂結合劑金剛石砂輪配方設計的參考輔助磨料。