精磨高硬脆材料表面形貌分析及工具濃度的選擇①

劉志環(huán),王進(jìn)保,肖樂銀

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

1 引言

對(duì)于莫氏硬度7級(jí)以上高硬脆性材料表面的磨削加工,往往除了要求達(dá)到一定的磨削效率外,還要求在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更好的表面光潔度,這對(duì)加工工具的設(shè)計(jì)和磨削工藝的優(yōu)化提出了更高的要求。本文分別采用W 40、W 14、W 7金剛石砂帶磨削瑪瑙石,通過觀測工件與工具表面形貌變化、測試分析表面粗糙度曲線,研究金剛石砂帶磨削加工瑪瑙石每種粒度能夠達(dá)到的最小表面粗糙度及所用時(shí)間,分析每種粒度金剛石最優(yōu)化濃度設(shè)計(jì)值。

2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)于W 40以細(xì)金剛石砂帶采用混膠法制作,金剛石濃度一般采用體積濃度表示。分別制作W 40、W 14、W 7體積濃度為11%、13.5%和16%的砂帶(按砂輪濃度分別為44%、54%和64%)。

選取相同材質(zhì)瑪瑙石塊,分別切割成3塊80×10×8mm的樣塊,編號(hào)分別為m n-1、m n-2、m n-3。首先用CM 6152試驗(yàn)機(jī)采用200/230砂帶將3塊樣塊磨出斜面,然后用W 40-1、W 40-2、W 40-3分別磨削m n-1、m n-2、m n-3,磨削至表面形貌或粗糙度穩(wěn)定為止,且每磨削5m in,對(duì)砂帶、工件表面進(jìn)行顯微觀察,并檢測工件表面粗糙度;然后用W 14-1、W 14-2、W 14-3分別磨削已經(jīng)W 40磨削后的m n-1、m n-2、m n-3,直至表面穩(wěn)定,同樣每磨削5m in觀測1次;最后在W 14磨削的基礎(chǔ)上分別用W 7-1、W 7-2、W 7-3磨削m n-1、m n-2、m n-3,直至表面穩(wěn)定,同樣每5m in檢測一次。

3 W 40砂帶不同濃度磨削表面

圖1為200/230砂帶磨削后的瑪瑙表面形貌及粗糙度曲線。在工件固定不動(dòng)的條件下,磨輪對(duì)其表面的加工主要為同方向的耕犁和切削,由圖表可測量200/230目磨削的基本參數(shù),見表1。

圖1 200/230目磨削后工件表面形貌和粗糙度曲線Fig.1 Su rfacem o rpho logy ofw o rkp iece and the cu rve of roughness after grindingwith 280#diam ond grain size

表1 220/230目磨削基本參數(shù)Tab le 1 The basic parameters for grinding with 280#d iamond grain sizeμm

由粗糙度曲線,曲線凹陷處即為金剛石切削的凹槽,凹陷深度大小與金剛石出露高度有關(guān),但是曲線整體走勢則與砂帶工作層表面不平度有關(guān)。由此可知,通過進(jìn)一步提高表面涂布平整度、并通過十字交錯(cuò)磨削能夠提高表面磨削質(zhì)量。

W 40-1、W 40-2、W 40-3磨削5m in和10m in后工件形貌如圖2所示。由粗糙度曲線測量W 40不同濃度和時(shí)間磨削的相關(guān)參數(shù)見表2。

圖2 600目磨削工件表面形貌Fig.2 Surface morphology of workpiece after grinding with 600#diamond grain size

表2 W 40磨削基本參數(shù)Table 2 The basic parameters for grinding with W 40 diam ond grain sizeμm

3種濃度砂帶磨削10m in后工作層表面形貌如圖3所示,3種濃度砂帶表面金剛石分布密度相差不大,金剛石出刃高度都較高且包鑲良好。但從表2可知,隨著濃度提高,切削厚度和粗糙度值有逐漸變小的趨勢,表面磨削質(zhì)量逐漸改善。從時(shí)間上來說,3種濃度砂帶磨削5m in和10m in表面磨削質(zhì)量基本無變化。我們對(duì)3種砂帶磨削4小時(shí)的損耗量進(jìn)行了對(duì)比,磨削對(duì)象為瑪瑙,磨削結(jié)果如表3所示,由表3可知隨著濃度提高,使用壽命逐漸提高,磨削效率逐漸降低,但相差不大。因此綜合考慮,W 40砂帶金剛石濃度選擇13.5%～16%(v l%),單個(gè)工件達(dá)到磨削質(zhì)量需要用時(shí)≤5m in。

圖3 W 40砂帶磨削后表面形貌Fig.3 Surface morphology of diamond belt with W 40 g rain size after g rinding

表3 W 40不同濃度砂帶性能的對(duì)比Table 3 Comparison of the performance of W 40 diamond belt with different concentration

4 W 14砂帶不同濃度磨削表面

W 14-1、W 14-2、W 14-3磨削5m in、10m in及20m in后工件形貌見圖4所示。由粗糙度曲線測量W 14不同濃度和時(shí)間磨削的相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 W 14磨削基本參數(shù)Table 4 The basic parameters for grinding with W 14 diamond grain sizeμm

圖4 W 14磨削工件表面形貌Fig.4 Surface morphology of workpiece after grinding with W 14 diamond grain size

圖5 W 14磨削后砂帶工作層表面形貌Fig.5 Surface morphology of working layer of diamond belt with W 14 grain size after grinding

圖5所示為3種濃度的砂帶磨削后的表面形貌。由圖表可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)由粗糙度儀所測粗糙度值較金剛石實(shí)際切削厚度大得多,這是因?yàn)榇植诙戎等娱L度由于受到測試儀器的限制最低只能達(dá)到0.25mm,反映的是0.25mm內(nèi)整體曲線的不平度。而整體曲線的不平度與工作層涂布不平度有關(guān),因此可以認(rèn)為,如果磨輪工作層涂布厚度均勻性足夠好,W 14磨削粗糙度值可以達(dá)到0.03μm左右;

(2)3種濃度的砂帶使用時(shí),隨著磨削時(shí)間的增加,磨削表面質(zhì)量有逐漸改善的趨勢,但是W 14-3達(dá)到穩(wěn)定的磨削質(zhì)量需要比其它濃度砂帶多磨削35m in。這是因?yàn)?W 14-3金剛石濃度高,金剛石平均間距Ld只有1～2μm,金剛石排布過于密集,使磨削效率降低;

(3)W 14-1磨削5～20m in內(nèi)表面質(zhì)量相差不大,W 14-2也是如此,但是W 14-2比W 14-1磨削質(zhì)量更好。這是由于W 14-2出露金剛石間距較W 14-1小,在對(duì)相同面積的工件表面加工時(shí),能夠產(chǎn)生更多的滑擦和耕犁作用,且兩者磨削效率相差不大;

因此,W 14砂帶金剛石濃度應(yīng)選擇11%～13.5%,磨削瑪瑙達(dá)到最佳質(zhì)量需10～20m in。

5 W 7砂帶不同濃度磨削表面

W 7-1、W 7-2、W 7-3磨削5m in、10m in及20m in后工件形貌見圖6所示。由粗糙度曲線測量W 7不同濃度和時(shí)間磨削的相關(guān)參數(shù)見表5。

圖6 W 7磨削工件表面形貌Fig.6 Surface morphology of workpiece after grinding with W 7 diamond grain size

表5 W 7目磨削基本參數(shù)Table 5 The basic parameters for grinding with 3000#diamond grain sizeμm

圖7所示為3種濃度的砂帶磨削后的表面形貌。由圖可知:

(1)如果工作層涂布均勻性足夠好,W 7磨削粗糙度值最低可以達(dá)到8nm;

(2)W 7磨削時(shí)更多的表現(xiàn)為金剛石尖刃對(duì)工件表面的擠壓和滑擦,如圖8所示為W 7-1磨削瑪瑙10m in后瑪瑙表面放大1000倍后的圖像,可知沒有產(chǎn)生晶粒的破碎和耕犁的痕跡。由表可知,3種濃度磨輪相同時(shí)間內(nèi)磨削工件表面質(zhì)量相差不大,但W 7-1相對(duì)更好一點(diǎn),這是因?yàn)閃 7-1工作層表面出露金剛石顆粒數(shù)相對(duì)較少,單個(gè)金剛石對(duì)工件表面的擠壓作用力更大一點(diǎn),且出露金剛石間距足夠小,能夠保證在更短的時(shí)間內(nèi)使工件表面的磨削質(zhì)量更好。而W 7-2和W 7-3出露金剛石顆粒數(shù)太多,出刃過于密集,單個(gè)金剛石對(duì)工件表面的擠壓作用力相對(duì)較小,需要更長時(shí)間的磨削才能達(dá)到最優(yōu)的磨削質(zhì)量,而且由于金剛石濃度太大,金剛石工作層整體柔性降低,在柔曲等砂帶制造過程中更容易出現(xiàn)開裂的問題;

因此,綜合考慮,W 7砂帶金剛石體積濃度應(yīng)選擇≤11%,磨削瑪瑙達(dá)到最佳表面質(zhì)量所需時(shí)間為5～10m in。

圖7 W 7磨削后砂帶工作層表面形貌Fig.7 Su rfacem o rpho logy ofw o rk ing layer of diam ond beltwithW 7 grain size after g rinding

圖8 W 7磨削后工件表面放大1000倍的形貌Fig.8 Surface morphology of workpiece after grinding with W 7 diamond grain size(×1000)

6 結(jié)論

通過幾種主要粒度不同濃度也不同的砂帶磨削高硬脆性材料的對(duì)比可知,金剛石砂帶濃度的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)粒度不同而區(qū)別對(duì)待,但是不管哪種粒度,濃度設(shè)計(jì)總的原則是綜合考慮砂帶磨削的效率、壽命、表面質(zhì)量以及達(dá)到最優(yōu)表面所需時(shí)間,同時(shí)還要考慮工作層柔性、制作工藝和成本等等諸多因素。通過本次實(shí)驗(yàn)研究,我們可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)W 40砂帶金剛石濃度選擇13.5%～16%(vo l%),單個(gè)工件達(dá)到磨削質(zhì)量需要用時(shí)≤5m in;

(2)W 14砂帶金剛石濃度應(yīng)選擇11%～13.5%,磨削瑪瑙達(dá)到最佳表面質(zhì)量所需時(shí)間為10～20m in;

(3)W 7砂帶金剛石濃度應(yīng)選擇≤11%,磨削瑪瑙達(dá)到最佳表面質(zhì)量所需時(shí)間為5～10m in。

[1] 賈曉鵬.金剛石合成的溶劑理論及當(dāng)今行業(yè)熱點(diǎn)問題的探討[C].中國超硬材料,2001,1(3):1-11.