陶瓷軸向磨削加工實(shí)驗(yàn)分析及砂輪磨損研究

郭 昉 張保國(guó) 田欣利 王健全 毛亞濤 于亞?wèn)|

1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100072 2.中國(guó)人民解放軍65521部隊(duì)，遼陽(yáng)，111000

0 引言

軸向磨削加工是一種針對(duì)工程陶瓷等硬脆性材料，使用特殊的金剛石小砂輪沿工件軸線對(duì)其進(jìn)行外圓或內(nèi)孔加工的方法［1］，其加工工藝具有高效、低成本的特點(diǎn)。加工時(shí)，小砂輪軸線與工件軸線相互平行，利用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石砂輪軸向進(jìn)給加工的方式，依靠金剛石砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以及工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)完成工程陶瓷等硬脆性材料軸類表面或內(nèi)孔表面的加工；用砂輪端部磨粒作為主切削刃來(lái)去除材料，圓周處外（內(nèi)）圓表面磨粒作為副切削刃對(duì)已加工圓柱面進(jìn)行修磨。進(jìn)行外圓加工時(shí)，可根據(jù)加工需求選擇砂輪的尺寸，其砂輪直徑可以大于工件直徑，也可以小于等于工件直徑；內(nèi)孔加工時(shí)，砂輪外徑要小于等于已加工孔的直徑。本文通過(guò)對(duì)比分析不同主軸轉(zhuǎn)速（或砂輪線速度）、工件轉(zhuǎn)速和背吃刀量下氮化硅陶瓷材料的加工表面狀況、磨削力、比去除率和材料去除方式，證實(shí)了陶瓷材料軸向磨削加工的可行性和高效性；結(jié)合不同參數(shù)組合下的砂輪磨損情況，得到了優(yōu)化的加工參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)分析

為了研究陶瓷材料軸向磨削加工技術(shù)的可行性和高效性，以應(yīng)用廣泛的氮化硅陶瓷材料為試驗(yàn)材料，材料規(guī)格為70mm×φ20mm。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與砂輪

試驗(yàn)設(shè)備選擇北京機(jī)電研究院高技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的BV75立式銑削加工中心，配裝在其工作臺(tái)上的電機(jī)為工件提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，其加工示意圖見圖1。該加工中心主軸功率為11kW，最高轉(zhuǎn)速為7000r/min，小砂輪刀頭直徑為20mm，主軸驅(qū)動(dòng)功率為4kW，工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為0.4kW。采用水基冷卻液，供液壓力為0.5MPa。

圖1 軸向磨削加工示意圖

選用一種特殊金屬結(jié)合劑金剛石小砂輪，其砂輪頭部的參數(shù)為：外徑20mm、內(nèi)徑14mm，磨粒為金剛石，結(jié)合劑為銅。如圖2所示［2］。

圖2 特殊小砂輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采用順時(shí)針－軸向磨削的方式，對(duì)直徑為20mm的氮化硅陶瓷圓柱形工件沿軸向進(jìn)行加工。在小砂輪高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，工件以一定的速度低速旋轉(zhuǎn)，兩者軸線在同一水平面（垂直面）內(nèi)偏心放置。考察了不同的主軸轉(zhuǎn)速（或砂輪線速度）和工件轉(zhuǎn)速，以及一定的吃刀量對(duì)氮化硅陶瓷材料加工性能的影響，所采用的加工參數(shù)如表1所示。

表1 軸向磨削加工參數(shù)

1.3 軸向力的測(cè)量與分析

軸向力測(cè)量系統(tǒng)主要由中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的BK－2B型傳感器和TS－2型放大器，以及北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的PCI－8326B型采集卡組成。采集數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)BK－2B型傳感器將加工時(shí)產(chǎn)生的力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)TS－2型放大器將信號(hào)放大，再由PCI－8326B型采集卡采集數(shù)據(jù)并傳輸至計(jì)算機(jī)，最后用Visual Basic語(yǔ)言編程將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸向力值。在軸向磨削加工中，由于機(jī)床和低速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和高壓冷卻液的供給都會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生較大的沖擊力，因此，用加工過(guò)程中測(cè)得的力值減去相同工況下空加工時(shí)所得力值，即為最終的軸向力值。

圖3a、圖3b和圖3c分別是主軸轉(zhuǎn)速為5000r/min、6000r/min 和 7000r/min 時(shí)的 進(jìn)給速度與軸向力的關(guān)系圖；圖4a、圖4b和圖4c分別 是 工 件 轉(zhuǎn) 速 為 200r/min、250r/min 和300r/min時(shí)的進(jìn)給速度與軸向力的關(guān)系圖。由圖3可知，在保證軸向力平穩(wěn)和加工質(zhì)量良好的情況下，主 軸 轉(zhuǎn) 速 為 5000r/min、6000r/min 和7000r/min時(shí)，最大進(jìn)給速度分別可達(dá)40mm/min、70mm/min和105mm/min，由此可見，提高主軸轉(zhuǎn)速，即提高砂輪的線速度可以很大程度地提高加工的效率；由圖4可知，在主軸轉(zhuǎn)速一定的條件下，工件轉(zhuǎn)速越高，相同工況條件下的軸向力越小，但工件轉(zhuǎn)速并不是越高越好，二者的比值必須控制在一定的范圍內(nèi)，才能達(dá)到最好的切削效果。

圖3 工件轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)不同主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)給速度與軸向力的關(guān)系

另外，研究了改變砂輪壁厚和機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工效果的影響，研究表明：當(dāng)砂輪壁厚為5～10mm、主軸轉(zhuǎn)速為13 500r/min時(shí)，最大進(jìn)給速度可以達(dá)到200mm/min以上。

圖4 砂輪轉(zhuǎn)速為7000r/min時(shí)不同的工件轉(zhuǎn)速下進(jìn)給速度與軸向力的關(guān)系

1.4 加工方法比較

雖然緩進(jìn)給深磨磨削和高速深磨磨削能夠提高工程陶瓷的加工效率，但其加工對(duì)機(jī)床的剛度和砂輪的質(zhì)量要求都比較高。與緩進(jìn)給深磨削和高速深磨削相比，軸向磨削加工方法對(duì)設(shè)備的要求不高，且砂輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，雖然不能達(dá)到高速深磨磨削的加工效率，但據(jù)表2數(shù)據(jù)的比較結(jié)果可知［3］，軸向磨削加工方法也實(shí)現(xiàn)了工程陶瓷的高效加工，且加工成本比較低廉。

表2 幾種加工方法比較

2 砂輪磨損分析

用軸向磨削的方法加工圓形工件時(shí)，金剛石小砂輪在切削工件的過(guò)程中，切削刃可以分為3個(gè)切削區(qū)域：主切削區(qū)、過(guò)渡切削區(qū)和修磨區(qū)。主切削區(qū)承受的切削力最大，該區(qū)域的材料發(fā)生大規(guī)模的破裂，形成較大顆粒狀磨屑，是材料的主要去除區(qū)；過(guò)渡區(qū)承受的磨削力較主切削區(qū)小，且逐漸減小，材料去除由大規(guī)模破裂向小規(guī)模破裂過(guò)渡，材料發(fā)生細(xì)微破碎，形成小顆粒狀或粉末狀磨屑；修磨區(qū)承受很小的磨削力，材料的去除量很小，主要對(duì)已加工表面進(jìn)行修形，以得到較光滑的表面。因此，研究砂輪磨損時(shí)，研究的重點(diǎn)主要集中在砂輪端部和邊角部分。

下面以發(fā)動(dòng)機(jī)精密部件出油閥柱塞偶件的陶瓷柱塞套的內(nèi)孔表面半精加工為例，進(jìn)行砂輪磨削磨損情況研究。由于上述試驗(yàn)主要追求軸向磨削加工的效率，定位為粗加工，據(jù)此選擇的柱塞偶件半精加工參數(shù)如表3所示，試驗(yàn)選擇的砂輪直徑為13.5mm，待加工內(nèi)孔直徑為13.8mm，進(jìn)給速度為40mm/min，切削長(zhǎng)度為70mm，通過(guò)稱重法進(jìn)行砂輪磨損的測(cè)量，結(jié)果如表4所示。

表3 陶瓷柱塞套加工參數(shù)

表4 不同參數(shù)組合下的砂輪磨損量

2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪磨損的影響

在工件轉(zhuǎn)速為200r/min、徑向磨削深度為0.2mm的條件下，分析了主軸轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪磨損的影響，如圖5所示。從圖5中可以看到，砂輪磨損程度隨著主軸轉(zhuǎn)速，即砂輪線速度的增大先減小后增大。這表明在工件轉(zhuǎn)速一定的情況下，從砂輪磨損的角度上分析，主軸轉(zhuǎn)速并不是越高越好，只有當(dāng)二者的比值控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，砂輪才能處于良好的工作狀態(tài)：既能夠提高加工的效率，又能夠改善砂輪的使用壽命。這與圖4的分析結(jié)果相符。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪磨損的影響

2.2 工件轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪磨損的影響

在主軸轉(zhuǎn)速為7000r/min，徑向磨削深度為0.2mm的條件下，分析了工件轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪磨損的影響，如圖6所示。從圖6中可以看到，砂輪磨損程度隨著工件轉(zhuǎn)速的增大，先減小、后增大。這同樣表明在主軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，工件轉(zhuǎn)速并不是越高越好，只有當(dāng)二者的比值控制在一定的范圍內(nèi)時(shí)，才能使砂輪的磨損降至最小。這與圖4和圖5的分析結(jié)果相符。圖6曲線的后半部分顯示，砂輪隨著工件轉(zhuǎn)速的增大而磨損加劇，表明工件轉(zhuǎn)速的增大對(duì)砂輪的反切削能力增強(qiáng)，從而加大了砂輪的磨損。

圖6 工件轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪磨損的影響

2.3 磨削深度對(duì)砂輪磨損的影響

在主軸轉(zhuǎn)速為7000r/min，工件轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下，分析了磨削深度對(duì)砂輪磨損的影響，如圖7所示。從圖7中可以看到，砂輪磨損的程度隨著磨削深度的增大而加劇，原因在于磨削深度的增大，導(dǎo)致了切削阻力的增大，從而加快了砂輪的磨損。

圖7 磨削深度對(duì)砂輪磨損的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

軸向磨削加工技術(shù)應(yīng)用于陶瓷材料的加工是一種切實(shí)可行的加工方法，能極大地提高陶瓷材料的加工效率、降低其加工成本。試驗(yàn)表明：主軸轉(zhuǎn)速由5000r/min提高至7000r/min時(shí)，可明顯地提高進(jìn)給速度和加工效率，因此，可以選擇高的主軸轉(zhuǎn)速（即高的砂輪線速度）進(jìn)行軸向磨削加工，但工件轉(zhuǎn)速要與其匹配才能達(dá)到好的切削效果。加工實(shí)例中的砂輪磨損情況也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

［1］Tian X L，Guo F，Mao Y T，et al.Investigation on Axial Turning－grinding of Engineering Ceramics［J］.Advanced Materials Research，2011，154/155：1027－1032.

［2］Tian X L，Guo F，Yang J F，et al.Study on Axial Turning of Engineering Ceramics［J］.Advanced Materials Research，2010，35：309－313.

［3］謝桂芝.工程陶瓷高速深磨機(jī)理及熱現(xiàn)象研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009.