高純鎢磨削加工試驗研究

（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連116024）

鎢是一種性能優(yōu)異的金屬材料，熔點達3410℃[1]，具有高強度、高彈性模量、低膨脹系數(shù)以及常溫下不易腐蝕等特點[2]。因為上述諸多優(yōu)點，鎢在航空航天、集成電路、化學工業(yè)、礦山開采等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。由于高純鎢是一種硬脆材料，對其進行加工難度較大[5]，磨削加工后其表面粗糙度較差。在加工過程中，工件表面因溫度較高而出現(xiàn)磨削燒傷，某些條件下，加工面上會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[6]，損傷加工表面，降低高純鎢器件的壽命以及穩(wěn)定性。鎢磨削加工中存在的問題一定程度上限制了其應(yīng)用。因此，探究適用于高純鎢磨削加工的砂輪，開展磨削參數(shù)對加工效果影響的研究，對實現(xiàn)鎢的高質(zhì)量磨削加工具有重要價值。

在磨削加工中，對工件材料的去除是通過砂輪磨粒實現(xiàn)的，砂輪種類及特點會對加工效果產(chǎn)生較大影響。因此，砂輪種類是磨削加工重要的研究內(nèi)容[7]，陶瓷結(jié)合劑綠碳化硅砂輪和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪是兩種常用于硬脆金屬磨削加工的砂輪[8-10]。但目前對鎢的磨削加工研究相對有限，主要表現(xiàn)在砂輪種類對鎢磨削性能影響的研究較少，鎢磨削加工的方案與工藝參數(shù)研究不足。

本文使用陶瓷結(jié)合劑的綠碳化硅砂輪和樹脂結(jié)合劑的金剛石砂輪進行高純鎢對比磨削試驗，利用三維表面輪廓儀檢測加工表面粗糙度，評判兩種砂輪在高純鎢磨削加工表面粗糙度方面的效果，得出在80#粒度的前提下，陶瓷結(jié)合劑的綠碳化硅砂輪更適合用于磨削加工高純鎢。根據(jù)上述結(jié)論，使用綠碳化硅砂輪展開磨削工藝參數(shù)試驗，研究工件表面粗糙度與磨削加工主要參數(shù)之間的關(guān)系，優(yōu)化鎢磨削加工方案及工藝參數(shù)。

磨削試驗設(shè)備與方案

1 磨床系統(tǒng)與檢測設(shè)備

試驗中使用的磨削加工設(shè)備是杭州機床廠制造的MM7132A 型精密平面磨床，磨床主軸最大轉(zhuǎn)速1500r/min，垂直方向單次最小微動量為2μm。為及時將加工產(chǎn)生的熱量擴散，磨削試驗中采用水基乳化液作為冷卻液。

使用Zygo NewView 5022型3D表面輪廓儀檢測磨削加工后工件加工面的表面粗糙度值，為了減小測量誤差，排除偶然性，在同一加工面的不同位置選取3個測量點進行測量，記錄其表面粗糙度值并進行平均，認定被檢測樣品表面粗糙度值即為上述3個點得到數(shù)據(jù)的均值。本文試驗中表面粗糙度檢測時使用的視場范圍均為1.79mm×1.34mm。

2 砂輪參數(shù)與工件

本文使用的砂輪分別是代號為GC的綠碳化硅砂輪和牌號為RVD的金剛石砂輪，其參數(shù)見表1。在進行磨削加工前，需要保證砂輪工作面形貌與切削刃鋒利，使用線速度20m/s、深度 10μm、軸向速度 4mm/s的參數(shù)對兩種砂輪的加工區(qū)進行修整，兩種砂輪特性存在差異。因此，分別使用不同的修整工具，其中綠碳化硅砂輪采用單點金剛石筆，金剛石砂輪采用碳化硅修整器。

本文試驗所用的材料為高純鎢塊，純度為99.999%以上，工件尺寸為15mm×10mm×8mm。砂輪寬度大于工件寬度，保證砂輪可以磨削到整個加工面，實現(xiàn)切入式加工。

砂輪對比試驗與分析

1 對比磨削試驗方案

分別使用綠碳化硅砂輪和金剛石砂輪對高純鎢試件進行磨削，磨削方式為逆磨式。每種砂輪分別采用6μm和12μm的磨削深度進行兩組試驗，在不同加工條件下比較兩種砂輪對高純鎢的磨削效果。為保證對比結(jié)果的準確性，每組試驗使用的工藝參數(shù)均相同，具體磨削加工參數(shù)見表2。

2 對比磨削試驗檢測與分析

使用綠碳化硅砂輪和金剛石砂輪展開磨削試驗后，在6μm的磨削深度條件下得到的兩個表面上分別取一個測量點，圖1給出了該兩點處工件表面粗糙度測量結(jié)果。其中，經(jīng)過綠碳化硅砂輪磨削后的試件表面粗糙度如圖1（a）所示，其值為0.367μm，金剛石砂輪的如圖 1（b）所示，其值為2.112μm。就上述兩個測量點進行比較，經(jīng)過綠碳化硅砂輪磨削后的試件表面粗糙度值更低。圖2給出了兩種不同砂輪對比加工試驗得到的工件表面粗糙度均值，可見，在磨深為6μm和12μm的兩組試驗中，相同試驗參數(shù)下綠碳化硅砂輪得到的表面粗糙度均明顯優(yōu)于金剛石砂輪。

綜合分析兩種砂輪對比磨削試驗檢測結(jié)果可以得出，從表面粗糙度角度進行比較，相比于金剛石砂輪，綠碳化硅砂輪表現(xiàn)出更為理想的加工效果。在該磨削加工條件下，在降低金屬鎢磨削加工的表面粗糙度值方面，上述80#綠碳化硅砂輪比80#金剛石砂輪更具優(yōu)勢。

表1 試驗用砂輪參數(shù)

表2 砂輪對比磨削試驗參數(shù)

工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律研究

圖1 不同砂輪磨削試驗中單個測量點表面粗糙度Fig.1 Single point surface roughness of different wheel grinding tests

1 磨削工藝參數(shù)試驗方案

在磨削加工過程中，一些重要工藝參數(shù)會對工件表面粗糙度產(chǎn)生直接影響[11]。因此，研究磨削深度、砂輪線速度、工作臺進給速度等磨削工藝參數(shù)對金屬鎢磨削加工表面粗糙度的影響規(guī)律很有意義。使用上述80#的綠碳化硅砂輪進行磨削工藝參數(shù)試驗，將其分為3組進行，每組確定一個工藝參數(shù)作為變量，其余兩個參數(shù)維持恒定。在1～3組工藝參數(shù)試驗中探究的變量分別是砂輪線速度vs、磨削深度ap、工作臺進給速度vw，每組中變量選取3～5個值進行研究，表3給出了試驗采用的具體工藝參數(shù)。磨削方式為逆磨式，使用水基乳化液作為冷卻液。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 砂輪線速度對表面粗糙度的影響

圖3為砂輪線速度23m/s、磨削深度8μm、工作臺速度10m/min的表面粗糙度測量圖，可見在上述磨削參數(shù)條件下，該測量點的表面粗糙度值為0.328μm。工件表面粗糙度值隨砂輪線速度變化情況如圖4所示。可以看出，表面粗糙度值與砂輪線速度呈現(xiàn)出較為明顯的負相關(guān)關(guān)系，在砂輪線速度較低處，加工表面粗糙度值較大，隨著砂輪線速度的提高，表面粗糙度值減小，當砂輪線速度達到23m/s時，表面粗糙度均值減小至0.336μm。因此，在高純鎢的磨削加工過程中，適當增大主軸轉(zhuǎn)速，提高砂輪的線速度可以顯著改善表面粗糙度，得到更理想的加工效果。

2.2 磨削深度對表面粗糙度的影響

圖5為砂輪線速度23m/s、工作臺速度10m/min條件下工件表面粗糙度值隨磨削深度的變化情況，可見，磨削深度處于較低范圍的情況下，即當其不大于8μm時，增大磨深，加工表面粗糙度值僅以微小幅度增大?？梢娔ハ魃疃仍谠搮^(qū)間內(nèi)變化時，表面粗糙度值受其影響程度較小。但是使用10μm的磨削深度進行磨削加工后，相比于8μm及以下磨深，表面粗糙度值上升非常明顯，而磨削深度達到14μm時，工件表面粗糙度值已超過1μm。據(jù)此可以得出，磨深處于10μm以上的較大用量時，對工件表面粗糙度值影響顯著。分析其原因，磨削深度增至較大值之后，磨粒的切削厚度隨之增加。因此，加工面上形成了更深的去除痕跡，進而表面粗糙度值升高[12]。綜合考慮加工效率以及加工質(zhì)量，磨削深度采用8μm更適合于該砂輪對高純鎢的磨削加工。

圖2 不同砂輪磨削試驗中表面粗糙度均值Fig.2 Average surface roughness of different wheel grinding tests

表3 磨削工藝試驗參數(shù)

圖3 vs=23m/s、ap=8μ m、vw=10m/min條件下表面粗糙度Fig.3 Surface roughness when vs=23m/s，ap=8μ m，vw=10m/min

2.3 工作臺進給速度對表面粗糙度的影響

圖4 工件表面粗糙度值隨砂輪線速度變化Fig.4 Variations of workpiece surface roughness with wheel linear speed

圖6給出了砂輪線速度23m/s、磨削深度8μm時工件表面粗糙度隨工作臺進給速度變化關(guān)系。工作臺速度為5m/min和10m/min的試驗中得到表面粗糙度值非常接近，均約為0.35μm。而當工作臺速度提高至15m/min時，相比于該組內(nèi)vw值較低的試驗，在此參數(shù)下工件表面粗糙度值表現(xiàn)出較為明顯的增大?？梢?，在綠碳化硅砂輪對高純鎢的磨削加工中，較高的工作臺速度會在一定程度上對表面粗糙度造成不利影響，而當工作臺速度位于較低區(qū)間內(nèi)時，其對工件表面粗糙度值影響作用有限。工作臺進給速度是影響加工效率的重要因素，因此選擇其參數(shù)為10m/min可以在不大幅損失表面粗糙度的前提下提高磨削加工的效率。

圖5 工件表面粗糙度值隨磨削深度變化Fig.5 Variations of workpiece surface roughness whit grinding depth

圖6 工件表面粗糙度值隨進給速度變化Fig.6 Variations of workpiece surface roughnes with feed speed

結(jié)束語

使用80#陶瓷結(jié)合劑綠碳化硅砂輪和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪進行高純鎢的對比磨削試驗，研究了兩種砂輪對加工表面粗糙度的影響，開展鎢的磨削加工工藝參數(shù)試驗，探究砂輪線速度、磨削深度以及工作臺進給速度等工藝參數(shù)對加工表面粗糙度的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1）對比試驗結(jié)果表明，在80#砂輪粒度下，綠碳化硅砂輪對高純鎢的磨削加工效果更好，表面粗糙度值低于金剛石砂輪。

（2）表面粗糙度值與砂輪線速度之間呈負相關(guān)關(guān)系；磨削深度與工作臺進給速度對表面粗糙度的影響表現(xiàn)為兩個階段，當磨削深度小于8μm時，對表面粗糙度影響較??；大于8μm時，表面粗糙度隨磨削深度增大而顯著增大；當工作臺速度不高于10m/min時，對表面粗糙度影響有限，當其達到15m/min時，工件表面粗糙度值隨之增大。

依據(jù)上述結(jié)論，綜合考慮表面粗糙度與生產(chǎn)效率兩個因素，得出砂輪線速度vs=23m/s、磨削深度ap=8μm、工作臺進給速度vw=10m/min的參數(shù)適合于80#綠碳化硅砂輪對高純鎢的磨削加工，該參數(shù)下得到的平均表面粗糙度為0.336μm。

[1]李萍, 華睿, 薛克敏,等.鎢及其合金塑性加工的研究進展[J].稀有金屬材料與工程, 2016(2):529-536.

LI Ping, HUA Rui, XUE Kemin, et al.Research progress in tungsten and its alloys by plastic processing[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2016(2):529-536.

[2]馬東升.鎢的地球化學研究進展[J].高校地質(zhì)學報, 2009, 15(1):19-34.

MA Dongsheng.Progress in research on geochemistry of tungsten[J].Geological Journal of China Universities, 2009, 15(1):19-34.

[3]葉偉昌, 梁萍.鎢及其合金的切削加工[J].硬質(zhì)合金, 2004, 21(1):52-55.

YE Weichang, LIANG Ping.Machining of tungsten and its alloy[J].Cemented Carbide,2004, 21(1):52-55.

[4]張啟修, 趙秦生.鎢鉬冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 2005:1-10.

ZHANG Qixiu, ZHAO Qinsheng.Tungsten and molybdenum metallurgy[M].Beijing:Metallurgical Industry Press, 2005:1-10.

[5]劉艷紅, 張迎春, 葛昌純.金屬鎢涂層制備工藝的研究進展[J].粉末冶金材料科學與工程, 2011, 16(3): 315-322.

LIU Yanhong, ZHANG Yingchun, GE Changchun.Research progresses on preparation technologies of tungsten coating[J].Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy,2011, 16(3): 315-322.

[6]李廈, 鈔俊闖.基于熱力耦合的磨削殘余應(yīng)力仿真與試驗研究[J].機械工程與自動化, 2015(2):84-85.

LI Sha, CHAO Junchuang.Grinding residual stress simulation and experiment based on thermal mechanical coupling model[J].Mechanical Engineering & Automation,2015(2):84-85.

[7]MAYER J, ENGELHORN R, BOT R, et al.Wear characteristics of second-phasereinforced sol–gel corundum abrasives[J].Acta Materialia, 2006, 54(13): 3605-3615.

[8]華勇.碳化硅微粉表面改性及其在磨具中的應(yīng)用[D].鄭州：鄭州大學, 2006.

HUA Yong.Surface modification of SiC ultrafine powder and its application in abrasive product[D].Zhengzhou: Zhengzhou University, 2006.

[9]薛武智.采用樹脂金剛石砂輪磨削氣缸體硬鉻鍍層[J].組合機床與自動化加工技術(shù), 2007(12):89-90.

XUE Wuzhi.The method study on grinding the hard chromium plating of cylinder block with resin bond RVD wheels[J].Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique,2007(12):89-90.

[10]程敏, 余劍武, 謝桂芝,等.硬質(zhì)合金YG8高速磨削工藝試驗研究[J].制造技術(shù)與機床, 2011(1):25-29.

CHENG Min, YU Jianwu, XIE Guizhi, et al.Experimental investigation on high speed grinding characteristics of the cemented carbides-YG8[J].Manufacturing Technology & Machine Tool,2011(1):25-29.

[11]黃新春, 張定華, 姚倡鋒,等.鎳基高溫合金GH4169磨削參數(shù)對表面完整性影響[J].航空動力學報, 2013, 28(3):621-628.

HUANG Xinchun, ZHANG Dinghua, YAO Changfeng, et al.Effects of grinding parameters on surface integrity of GH4169 nickel-based superalloy[J].Journal of Aerospace Power, 2013,28(3):621-628.

[12]易軍.超音速火焰噴涂碳化鎢涂層磨削試驗研究[D].長沙：湖南大學, 2012.

YI Jun.Experimental research on HVOF tungsten carbide coating by grinding[D].Changsha: Hunan University, 2012.