軟固結(jié)氣壓砂輪磨粒磨損研究*

計(jì)時(shí)鳴，姜文雍，蔡?hào)|海，金明生，蔡姚杰，邱 毅

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014)

0 引言

對(duì)于自由曲面的光整加工，剛性研磨工具難以與工件曲面形成良好的面接觸，因此，難以形成高效的加工;也難以把握各局部的加工力度和加工時(shí)間，因此，加工精密表面不但質(zhì)量不穩(wěn)定且加工效率低，浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)時(shí)鳴等人［1-2］提出的軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪光整加工方法可以解決上述問題。

軟固結(jié)磨粒群在磨削時(shí)能受到彈性支撐，其磨削特性既不同于砂帶等固著磨粒，也不同于游離磨粒。軟固結(jié)磨粒在宏觀上不能自由移動(dòng)，但在微觀上由于受到鄰近磨粒和粘結(jié)劑的彈性支撐，可發(fā)生局部微動(dòng)，能與自由曲面形成較好的仿形接觸。

在加工中，磨粒的磨損情況與磨削效率、加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)成本等密切相關(guān)［3］。因此，研究軟固結(jié)氣壓砂輪磨粒的磨損有重要意義。本研究開展軟固結(jié)磨粒群磨粒的磨損過程及磨損機(jī)理分析。

1 氣壓砂輪磨粒磨損的基本形式

磨粒通過高聚物粘結(jié)劑，在氣壓砂輪橡膠基體上構(gòu)成粘結(jié)磨?；旌蠈?，以起到磨削加工作用。本研究通過控制橡膠基體內(nèi)部氣壓以及調(diào)整混合層厚度和磨粒顆粒來改變彈性模量，使氣壓砂輪既具備氣囊拋光中的柔性仿形能力，又具備剛性砂輪高強(qiáng)度的切削力，從而面對(duì)自由曲面和不同加工對(duì)象都能形成高效的加工，軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪示意圖如圖1所示。

圖1 軟固結(jié)磨粒氣壓砂輪示意圖

磨粒在正常情況下有3 種磨損形式［4］:

(1)堵塞粘附。堵塞粘附是氣壓砂輪在加工時(shí)，磨粒通過磨削區(qū)，由于磨削高溫和很大接觸壓力的作用，微細(xì)切屑粘附在磨粒上，嚴(yán)重削弱其磨削能力。

(2)脫落。磨粒群通過高聚物粘結(jié)劑粘結(jié)在氣壓砂輪上，粘結(jié)劑和磨粒結(jié)合處成為結(jié)合橋。磨削過程中，若磨粒與磨粒之間的結(jié)合橋發(fā)生斷裂，則磨粒將從砂輪上脫落下來，并在原位置留下空穴。磨粒的脫落主要取決于粘結(jié)劑的強(qiáng)度。

(3)磨鈍。磨削過程中，由于磨粒與被加工材料多次反復(fù)地滑擦作用，使磨粒逐漸變鈍，形成磨損小平面或磨粒尖頂部的破斷而無切刃。

在這3 種磨損形式中，堵塞粘附往往和被加工材料的性質(zhì)有關(guān)，而且在加工前期影響較小，在后期影響變大;脫落則受磨削力大小和高聚物粘結(jié)劑選擇的影響較大;而磨鈍磨損則貫穿于整個(gè)加工過程之中［5］。

磨粒鈍化又可以分為磨粒的磨耗磨損和破碎磨損。磨耗磨損是因?yàn)槟チＥc工件之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，以及磨粒之間相互擠壓產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)施加的外力撤除或消失后磨粒表面不能恢復(fù)原狀，進(jìn)而發(fā)生磨損，使磨粒逐漸變鈍，進(jìn)而在磨粒上形成磨損小平面。破碎磨損則是因?yàn)槟チＪ軟_擊作用，使作用在磨粒上的應(yīng)力超過磨粒本身的強(qiáng)度導(dǎo)致磨粒頂尖破碎。這種鈍化磨損是逐漸進(jìn)行的。

雖然磨粒的破碎和脫落將導(dǎo)致加工的精度下降，但是磨粒適當(dāng)?shù)仄扑楹兔撀鋮s可以更新鈍化的磨粒，從而在磨削的過程中不斷產(chǎn)生新的磨削刃，因此，一般把這種磨粒破碎脫落稱為砂輪的“自銳”作用［6］。

2 磨損期的劃分

磨削過程中隨著被磨材料磨除體積的增加，磨粒磨損逐漸增大［7］。為了尋找磨削過程中砂輪磨損的規(guī)律，首先需要了解磨粒高度變化情況。該試驗(yàn)采用間接測(cè)量方法［8］，通過測(cè)量每次進(jìn)給工件厚度的實(shí)際去除量來判斷砂輪磨粒高度的變化情況。

筆者設(shè)計(jì)的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，本研究針對(duì)激光強(qiáng)化模具表面(537HV)做了多組光整實(shí)驗(yàn)，在多次測(cè)量后取平均值，其結(jié)果如圖2所示。

表1 光整實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖2 90 s 時(shí)間內(nèi)材料去除量變化情況

從圖2 中可以看出，在加工前30 s，工件材料去除量很大，說明磨粒磨損嚴(yán)重。此時(shí)，磨粒磨損進(jìn)入初期磨損階段。該階段磨粒磨損的形式主要表現(xiàn)為表層磨粒的破碎和整體脫落。其原因是由于氣壓砂輪成半球狀曲面，表面的磨粒受到高聚物粘結(jié)劑的約束較小。加工初始，氣壓砂輪高速旋轉(zhuǎn)，在和工作表面接觸時(shí)，由于相對(duì)速度相差巨大，磨粒會(huì)受到較大的沖擊力而產(chǎn)生裂紋，或者由于粘結(jié)劑和磨粒之間的結(jié)合橋強(qiáng)度不足，磨粒受到的力大于結(jié)合橋所能承受的極限，從而造成磨粒破碎和整體脫落。不過，盡管此時(shí)表層磨粒磨損較快，但是由于在磨削初期，氣壓砂輪磨粒刃形鋒利，并且參加切削的磨粒數(shù)目也較多，雖然磨損率較大，但是該階段氣壓砂輪的切削能力和材料切除效率卻是最大。

而在30 s～90 s 期間，氣壓砂輪的材料去除率明顯降低，逐漸趨于一個(gè)范圍值。說明此時(shí)光整加工進(jìn)入第2 期磨損階段即正常磨損階段。在該階段，粘結(jié)劑磨粒混合層起切削作用，磨削在正常穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行，磨削力也趨向穩(wěn)定。盡管仍然有少量的磨粒會(huì)破碎，但主要是磨粒的切削鈍化。磨粒在經(jīng)過初期的頂尖破碎、折斷或部分脫落以后，其鋒利性降低，切削能力也相對(duì)減弱，導(dǎo)致材料切除效率變小，但減少不多。

在加工10 min 后，工件質(zhì)量不再變化，氣壓砂輪已無切削效果，磨粒磨損進(jìn)入第3 磨損階段即嚴(yán)重磨損階段。隨著磨削時(shí)間的增加，砂輪工作面上鈍化磨粒的比例不斷變大，而且由于工件切削產(chǎn)生的切屑不斷地粘附在磨粒切刃上，堵塞了磨粒間的孔隙，砂輪工作面的堵塞現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，用肉眼可以明顯看到砂輪加工表面上形成一層金屬薄層或連帶油泥的黑亮層，如圖3所示。加之作用在磨粒上的力急劇增大又加劇上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，導(dǎo)致磨粒產(chǎn)生大塊碎裂、結(jié)合劑破碎及整個(gè)磨粒脫落，砂輪磨損加快，砂輪振動(dòng)增加，磨削噪音加大，甚至導(dǎo)致工件表面粗糙度下降以及表面質(zhì)量惡化，此時(shí)氣壓砂輪已處于非正常工作狀態(tài)。因此，在實(shí)際光整加工中，一般在達(dá)到該階段之前就需要更換氣壓砂輪。

圖3 氣壓砂輪的黑亮層

經(jīng)上述分析可知，軟固結(jié)氣壓砂輪磨粒的磨損過程大致可分為3 個(gè)磨損期:初期磨損階段、正常磨損階段和嚴(yán)重磨損階段。

3 影響磨損的主要因素

因?yàn)檐浌探Y(jié)磨粒是隨機(jī)地分布在砂輪上，這使得磨粒的磨損機(jī)理非常復(fù)雜。影響軟固結(jié)氣壓砂輪磨粒群磨損的因素有很多，重點(diǎn)分析氣壓砂輪自轉(zhuǎn)速度ω、下壓量d 及磨粒種類等對(duì)氣壓砂輪磨損過程的影響規(guī)律。

3.1 氣壓砂輪自轉(zhuǎn)速度ω

在磨削深度恒定不變的情況下，磨粒與工件的接觸弧長為一定值，當(dāng)氣壓砂輪自轉(zhuǎn)速度ω 升高時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)磨粒參加切削的次數(shù)增大，導(dǎo)致軟固結(jié)磨粒的磨損加快。同時(shí)，氣壓砂輪的高速切削不可避免地引起對(duì)磨粒切削刃的沖擊作用，雖然柔性氣壓砂輪與工件表面接觸過程中產(chǎn)生的彈性非線性變形可緩和沖擊作用，但是隨著ω 的增加，會(huì)導(dǎo)致軟固結(jié)磨粒與工件接觸區(qū)的摩擦加劇，從而使磨損加劇。

為了研究氣壓砂輪自轉(zhuǎn)速度ω 對(duì)磨粒群磨損的影響，在如表2所示的試驗(yàn)參數(shù)下，筆者選取氣壓砂輪多組不同轉(zhuǎn)速，進(jìn)行光整加工實(shí)驗(yàn)，經(jīng)多次測(cè)量后取平均值，其結(jié)果繪制成圖，砂輪不同轉(zhuǎn)速的材料去除率如圖4所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖4 砂輪不同轉(zhuǎn)速的材料去除率

從圖4 中可以看出，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，材料去除率隨砂輪轉(zhuǎn)速的增加而增加，但砂輪的轉(zhuǎn)速超過2 000 r/min時(shí)，材料去除率卻減小。這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過磨削區(qū)的磨粒數(shù)目增加，即有效切削刃數(shù)增加;隨著轉(zhuǎn)速的增加，磨粒切刃在磨削區(qū)的駐留時(shí)間縮短，軟固結(jié)磨粒群由于橡膠基體的彈性支承，導(dǎo)致磨粒不足以切入工件表面，磨粒只能產(chǎn)生滑擦、耕犁等作用［9］，工件表面粗糙度變化很小。兩種劃痕如圖5所示，磨粒磨削產(chǎn)生的劃痕(呈同心圓分布)比原有的劃痕(隨機(jī)分布)還淺。因此，過高的轉(zhuǎn)速反而會(huì)導(dǎo)致材料去除率和磨粒群磨損率的下降。

3.2 下壓量d

有研究表明［10］，當(dāng)d 在一定范圍內(nèi)時(shí)，下壓量d基本與壓力p 成線性關(guān)系，即使超出這個(gè)范圍，下壓量d 也與壓力p 成正比關(guān)系，說明可以采用控制下壓量的方式來實(shí)現(xiàn)壓力控制。砂輪下壓量d 增加時(shí)，壓力p 也增加，導(dǎo)致工件切深增加，磨粒的磨削厚度和磨削力增大，引起高溫摩擦，磨鈍磨損趨于惡化。另外，p增大，磨粒切削工件時(shí)的接觸弧長和摩擦?xí)r間增長，磨粒熱量增加，使磨損加劇。

圖5 磨料磨削產(chǎn)生的劃痕與工件原有的劃痕

為了驗(yàn)證下壓量d 對(duì)磨粒群磨粒磨損的影響，本研究選取的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示，并對(duì)材料去除率Mrr即磨粒磨損情況進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖6 不同下壓量下的材料去除率

從圖6 中可以看出，隨著氣壓砂輪下壓量d 增加，工件材料去除率增大，磨粒群磨損趨于惡化。

3.3 不同磨粒種類

不同種類的磨粒，其在微觀結(jié)構(gòu)、抗破碎性和磨損機(jī)理方面有較大的差異。目前較為常見的磨粒材料有剛玉、碳化硅、金剛石和立方氮化硼等［11］。本研究取剛玉和碳化硅這兩類較為常用的磨粒為分析對(duì)象。

磨削后的剛玉磨粒頂尖部分形狀極不規(guī)則，并且殘留了大量細(xì)小的碎片。在磨削過程中，Al2O3剛玉磨粒的頂部會(huì)首先鈍化成小平面，并且隨著磨削過程的持續(xù)進(jìn)行，鈍化的小平面逐漸擴(kuò)展變大，剛玉磨粒群磨損前后的表面微觀對(duì)比圖如圖7所示。

圖7 剛玉磨粒群磨損前后的表面微觀對(duì)比圖

碳化硅磨料在磨削后，磨粒頂部幾乎都出現(xiàn)較大的磨損小平面，并且在磨損小平面周圍出現(xiàn)有少量的磨粒脫落和破碎現(xiàn)象，還可以發(fā)現(xiàn)小平面被黏附物覆蓋，碳化硅磨粒群磨損前后的表面微觀對(duì)比圖如圖8所示，表明碳化硅磨料在磨削過程中出現(xiàn)了較嚴(yán)重的堵塞粘附磨損。

圖8 碳化硅磨粒群磨損前后的表面微觀對(duì)比圖

4 結(jié)束語

(1)與砂帶磨損只有兩個(gè)磨損階段不同，軟固結(jié)氣壓砂輪磨粒群在磨削過程具有明顯的初期磨損階段、正常磨損階段和嚴(yán)重磨損階段等3 個(gè)磨損階段。

(2)軟固結(jié)磨粒群磨粒磨損受到氣壓砂輪自轉(zhuǎn)速度ω、下壓量d 及磨粒種類等的影響較大。其中，氣壓砂輪下壓量越大，磨粒磨損越嚴(yán)重;隨著砂輪自轉(zhuǎn)速度ω 增加，軟固結(jié)磨粒的磨損先增大后減小。同時(shí)，分析結(jié)果表明，不同種類磨粒磨損后的表面微觀結(jié)構(gòu)有所差異:剛玉磨粒以磨鈍磨損為主，而碳化硅磨粒的堵塞粘附現(xiàn)象比剛玉磨粒嚴(yán)重。

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