硬質(zhì)合金磨削加工中樹脂和金剛石的影響研究*

師超鈺，朱建輝，馮兵強(qiáng)，錢灌文，郭泫洋

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450000)

硬質(zhì)合金磨削加工中樹脂和金剛石的影響研究*

師超鈺，朱建輝，馮兵強(qiáng)，錢灌文，郭泫洋

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450000)

為探究金剛石磨料和酚醛樹脂性能對砂輪磨削硬質(zhì)合金的影響，首先選擇三種不同金剛石磨料制作砂輪，通過磨削試驗(yàn)對金剛石進(jìn)行優(yōu)選，其次再通過磨削試驗(yàn)探究四種不同酚醛樹脂與金剛石磨料的匹配性，以達(dá)到最佳的磨削效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，金剛石3#強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好、自銳性強(qiáng)，可以獲得較好磨削效果，選擇與之匹配的酚醛樹脂結(jié)合劑A，砂輪的磨削比大、持續(xù)鋒利性好，對大切深有較強(qiáng)適應(yīng)性，在磨削硬質(zhì)合金方面可以獲得較好的效果和應(yīng)用。

金剛石磨料；酚醛樹脂；硬質(zhì)合金；磨削性能

0 引言

在科技提升和制造業(yè)快速發(fā)展的帶動下，新型加工方法和設(shè)備得到了更為廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量和性能隨之提高，同時(shí)也對加工材料提出高強(qiáng)度、熱硬性、耐磨性、化學(xué)惰性等各種要求[1]，具有這些特征的材料多為難加工材質(zhì)。硬質(zhì)合金就是典型的一種，它是由高硬度、難溶的WC、TiC等金屬碳化物和Co、Ni等金屬粘接劑經(jīng)粉末冶金工藝制成[2-4]，具有強(qiáng)度高、硬度大、耐熱、耐磨、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于刀具制造、航空航天、機(jī)械裝備、化學(xué)、工程等領(lǐng)域[5-6]。

由于硬質(zhì)合金的高硬度等特性，采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工成為加工硬質(zhì)合金刀具的主要方式[7-9]。硬質(zhì)合金磨削具有磨削力大、磨削溫度高、砂輪磨損快、效率低等特點(diǎn)[10]，而樹脂結(jié)合劑與金剛石的結(jié)合強(qiáng)度不高，磨削熱易使樹脂老化降解，甚至改變磨粒特性，造成磨粒不能充分發(fā)揮切削作用，產(chǎn)生加工精度差、材料破損、熱損傷等問題，降低砂輪磨削性能[11-12]。鑒于硬質(zhì)合金磨削環(huán)境特點(diǎn)，需要優(yōu)選金剛石磨料和與之匹配的樹脂結(jié)合劑，達(dá)到較好的磨削效果。

本文擬通過選取三種不同的金剛石磨料，探究其物理特性和磨削性能，并選擇四種不同的樹脂結(jié)合劑，開展磨削試驗(yàn)研究磨料和不同結(jié)合劑的匹配性，對磨料和結(jié)合劑進(jìn)行優(yōu)選，闡述不同樹脂和金剛石對硬質(zhì)合金磨削加工的影響規(guī)律。

1 金剛石磨料特性檢測

1.1 不同金剛石的物理特性

根據(jù)硬質(zhì)合金的特性，選擇的三種不同金剛石磨料1#、2#、3#，其物理性能檢測結(jié)果如表1所示。靜壓破碎強(qiáng)度是評價(jià)金剛石強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是單顆金剛石被壓碎時(shí)其單位面積上所受的靜壓力。沖擊韌性(TI)和熱沖擊韌性(TTI)是衡量金剛石在動態(tài)條件下的質(zhì)量指標(biāo)，采用固定沖擊次數(shù)考察金剛石的未破碎率。

表1 磨料性能檢測結(jié)果

金剛石1#的強(qiáng)度較大，TI和TTI較大，磨粒不易破碎；金剛石2#的強(qiáng)度低，TI和TTI差值大，磨料品質(zhì)不高；金剛石3#的強(qiáng)度大，TI和TTI的差值小，熱穩(wěn)定性好。

1.2 不同金剛石的形貌和條件

三種金剛石磨料的微觀形貌如圖1所示，結(jié)合磨料物理性能分析，金剛石1#晶型好，外形似規(guī)則多面體，表面較光滑，結(jié)合劑包覆磨粒的面積小，強(qiáng)度和TI、TTI較高，磨粒不易破碎，因此磨削中磨粒形態(tài)主要為脫落，磨料的有效利用率可能很低；金剛石2#表面極其粗糙，并且有較多微晶顆粒，結(jié)合劑對磨料的包覆面積大，但強(qiáng)度較低，有可能造成磨削中磨粒鈍化速度過快，而且TI和TTI相差大，磨削過程適應(yīng)性差，可能引起磨削狀態(tài)不穩(wěn)定的現(xiàn)象；金剛石3#形狀不規(guī)則，棱角分明，有較多鋒利的切削微刃，并且強(qiáng)度高，磨?？沙志帽３州^強(qiáng)切削能力，有可能獲得好的磨削性能。

(a) 金剛石1# (b) 金剛石2# (c) 金剛石3#圖1 不同金剛石的表面形貌

2 試驗(yàn)條件及方法

選擇三種不同的金剛石磨料在相同的配方和制造工藝下制作砂輪，開展磨削試驗(yàn)，評價(jià)磨削性能。再針對磨削性能最佳的金剛石磨料，選取四種不同的酚醛樹脂粉，在相同條件下制作砂輪，通過磨削性能探究磨料和結(jié)合劑的匹配性。

在MM7120A平面磨床開展磨削試驗(yàn)，磨削參數(shù)如表2所示。

表2 磨削工藝參數(shù)

如圖2所示，利用功率儀AN87500全程監(jiān)測磨削功率，利用激光位移傳感器LK-G5001V精密測量砂輪磨料層損耗厚度，采用千分尺測量工件去除厚度，采用粗糙度儀TIME3230測試工件磨削表面粗糙度Ra，采用超景深顯微鏡VHX2000觀測砂輪地貌，針對砂輪的磨削比、磨削功率、磨削表面質(zhì)量進(jìn)行對比分析，評價(jià)砂輪磨削性能。

圖2 磨削試驗(yàn)平臺示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金剛石對砂輪磨削性能的影響

金剛石1#、2#、3#在同一種通用結(jié)合劑下制作砂輪，在相同修整工藝下整形和開刃，在表2中磨削參數(shù)下開展磨削試驗(yàn)，評價(jià)不同金剛石對砂輪磨削性能影響差異。

磨削比測量數(shù)據(jù)如圖3所示，可以看出三片砂輪磨削比3#>2#>1#，3#的磨削比比1#高出39%，比2#高出14%。

圖3 不同金剛石砂輪磨削比測量數(shù)據(jù)

經(jīng)過處理后的磨削功率變化趨勢如圖4所示，可以看出三片砂輪的磨削功率1#>2#>3#，并且3#的磨削功率最穩(wěn)定，1#磨削功率波動較大；1#砂輪磨削功率上升斜率比2#高出54%，2#比3#高出17%。

圖4 不同金剛石砂輪磨削功率處理數(shù)據(jù)

比較1#、2#、3#砂輪的磨削表面粗糙度Ra如圖5所示。三片砂輪磨削表面粗糙度差異不大，均在同一粗糙度等級上。

圖5 不同金剛石砂輪磨削表面Ra值

圖6為三片砂輪磨削后的表面形貌照片。綜合磨削試驗(yàn)結(jié)果分析，1#砂輪磨粒平面多，切削力不強(qiáng)、易脫落，造成砂輪鈍化，以致砂輪磨耗快、磨削功率大、磨削后期功率不穩(wěn)定，同時(shí)，砂輪磨削力不強(qiáng)，則砂輪和工件的擠壓作用加劇，其粗糙度相對小一些；2#砂輪磨粒磨削中大量破碎，未充分發(fā)揮切削作用，所以磨削比不是很大，但磨粒表面粗糙，自銳性好，磨削功率小，同時(shí)磨粒破碎比例高引起磨削表面粗糙度稍大；3#砂輪磨粒切削微刃多，強(qiáng)度大，自銳性好，雖有脫落但砂輪磨削比仍最大，磨削功率最小。

(a)金剛石1#砂輪 (b) 金剛石2#砂輪 (c) 金剛石3#砂輪圖6 不同金剛石砂輪磨削后的表面形貌

3.2 酚醛樹脂對砂輪磨削性能的影響

選擇磨削性能較好的金剛石3#在A、B、C、D四種酚醛樹脂結(jié)合劑下制作砂輪，在相同修整工藝下整形和開刃，在表2中磨削參數(shù)下開展磨削試驗(yàn)，評價(jià)砂輪磨削性能差異。

磨削比測量數(shù)據(jù)如圖7所示，可以看出酚醛樹脂砂輪A和D的磨削比明顯高于B和C。

圖7 不同樹脂砂輪磨削比測量數(shù)據(jù)

處理后的磨削功率數(shù)據(jù)如圖8所示。B樹脂砂輪在磨削進(jìn)刀30次時(shí)，磨削功率突然迅速增大，砂輪嚴(yán)重鈍化，工件表面燒傷；C樹脂砂輪磨削中功率偏大且很不穩(wěn)定，可能存在砂輪內(nèi)部組織不均勻的問題；A和D樹脂砂輪的磨削功率小、上升趨勢小，磨削狀態(tài)穩(wěn)定，但D砂輪磨削功率上升斜率比A高出28%。

圖8 不同樹脂砂輪磨削功率處理數(shù)據(jù)

比較A、B、C、D砂輪的磨削表面粗糙度Ra如圖9所示。不同樹脂結(jié)合劑砂輪的磨削表面粗糙度仍無較大差異。雖然B砂輪磨削表面燒傷，但并未引起表面粗糙度的明顯增大。

圖9 不同樹脂砂輪磨削表面Ra值

綜合比較A、B、C、D砂輪的磨削性能，A和D砂輪的持續(xù)鋒利性強(qiáng)，磨削狀態(tài)穩(wěn)定，可以獲得理想的表面加工質(zhì)量和使用壽命。

3.3 酚醛樹脂與磨粒匹配性的優(yōu)選

為更好地比較A和D砂輪的磨削性能，采用磨削過程中增大單刀進(jìn)刀量，即依次0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm的磨削方式，磨削后對比分析砂輪磨削性能。

磨削試驗(yàn)結(jié)束后，A和D砂輪的磨削比分別為139.47和38.66，A比D高出260%，在大切深下D砂輪的磨耗速率明顯高于A砂輪。磨削功率數(shù)據(jù)對比如圖10所示，可見A砂輪的磨削功率小于D砂輪，其功率上升斜率更小，并且隨著切深的加大，這種差異也增大，整個(gè)磨削過程中A砂輪的功率穩(wěn)定性也更好。檢測A和D砂輪磨削表面粗糙度Ra值，分別為0.962μm和0.785μm。

圖10 A和D砂輪磨削功率處理數(shù)據(jù)

圖11為A砂輪和D砂輪磨削后的表面形貌照片，可以看出D砂輪表面樹脂與磨粒結(jié)合力不強(qiáng)，大切深磨削后磨粒出現(xiàn)明顯松動和脫落，而A砂輪磨粒脫落則很少。

(a) 酚醛樹脂A砂輪 (b) 酚醛樹脂D砂輪圖11 不同酚醛樹脂砂輪磨削后的表面形貌

綜上所述，磨削深度增大會造成砂輪損耗加劇、磨削比減小、磨削功率增大、表面粗糙度惡化等現(xiàn)象；相較D砂輪，A砂輪對大切深磨削表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性，酚醛樹脂A與金剛石3#磨料在磨削硬質(zhì)合金方面具有更強(qiáng)的匹配性，可以獲得較佳的磨削性能和適應(yīng)性。

4 結(jié)論

針對三種金剛石磨料和四種酚醛樹脂結(jié)合劑開展磨削對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)金剛石3#的強(qiáng)度大、沖擊韌性適宜、熱穩(wěn)定性好，在磨削中磨粒的自銳性強(qiáng)，砂輪在使用壽命和持續(xù)鋒利性方面性能更佳，磨削狀態(tài)更穩(wěn)定；

(2)酚醛樹脂A與金剛石3#的匹配性最好，在磨削硬質(zhì)合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且對大切深磨削有較強(qiáng)的適應(yīng)性；

(3)磨料和樹脂結(jié)合劑的匹配性不好，即使磨料性能優(yōu)良，同樣無法獲得較好的磨削效果；

(4)在磨料粒度、磨削參數(shù)相同的情況下，因金剛石磨料、樹脂結(jié)合劑的不同引起的工件表面粗糙度差異并不大。

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ExperimentalResearchonResinsandDiamondsInfluencingGrindingPerformancesforCementedCarbide

SHI Chao-yu,ZHU Jian-hui,FENG Bing-qiang,QIAN Guan-wen,GUO Xuan-yang

(Zhengzhou Research Institute for Abrasive & Grinding Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China)

To study the influence of diamond abrasives and phenolic resins in grinding performances for cemented carbide, a series of grinding experiments for three wheels made with three different types of diamond abrasives were carried out, which lead to a preferred type for diamond abrasives. And then, the matching of the preferred diamond abrasive with four kinds of phenolic resins were researched through grinding experiments, in order to achieve great grinding effects. The results demonstrated that the grinding effects of diamond 3# were best, because of its high strength, excellent thermostability, and good self-sharpening. Besides, phenolic resin bond code-named A had a good matching with diamond 3#, and the wheel had great grinding performances in abrasion resistance, persistent sharpness, and deep grinding adaptation, which could be well applied to grinding cemented carbide materials.

diamond abrasives; phenolic resin; cemented carbide; grinding performance

1001-2265(2017)11-0138-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.036

2017-01-13

國家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015BAF31B00)

師超鈺(1988—)，男，鄭州人，鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司助理工程師，碩士，研究方向?yàn)橹悄苣ハ鞅O(jiān)控與測試， (E-mail)scy@zzsm.com。

TH140.7;TG58

A

(編輯李秀敏)