高速磨削工藝參數(shù)對(duì)K9玻璃表面 粗糙度的影響規(guī)律研究*

張 貝

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

K9玻璃是一種優(yōu)良的光學(xué)材料，廣泛用于航空航天領(lǐng)域，然而K9玻璃屬于脆性材料，是典型的難加工材料。為了保證其光學(xué)性能，加工后的表面質(zhì)量要求非常高，因此加工成本非常高。一般加工玻璃這種脆性材料容易出現(xiàn)各種表面亞表面損傷，ST Chen[1]設(shè)計(jì)了一臺(tái)智能反饋的磨銑微型機(jī)床可以加工出無(wú)損傷的石英玻璃表面，采用這種微型機(jī)床加工且刀具切深1μm磨削速度50～70m/min時(shí)可獲得粗糙度為Ra0.056μm的石英玻璃表面。HN Li[2]認(rèn)為光學(xué)玻璃的表面粗糙度Rz小于1.5μm時(shí)光學(xué)玻璃即達(dá)到延性域磨削的水平，光學(xué)玻璃的亞表面損傷可以通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)控制。B Guo[3]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)激光修整粗粒度金剛石砂輪，使得金剛石磨粒表面出現(xiàn)微溝槽，這樣可以大大降低光學(xué)玻璃的表面粗糙度和亞表面損傷深度，微溝槽間距越小改善效果越明顯。QL Zhao[4]采用單層粗粒度砂輪可以獲得延性域的光學(xué)玻璃表面，研究表明表面粗糙度主要受切深影響較大，粒度越粗表面粗糙度越低，粗粒度砂輪因?yàn)槟p小加工質(zhì)量高在脆性材料的加工領(lǐng)域中反而更有優(yōu)勢(shì)。

高速磨削可以降低砂輪磨損，提高加工表面質(zhì)量，減小磨削力，所以高速磨削有可能是解決陶瓷或者玻璃材料加工問(wèn)題的一種方法。J Kaiomchaiyakul[5]研究發(fā)現(xiàn)高速磨削可以在不減小材料去除率的同時(shí)降低陶瓷材料的損傷。在低速磨削的情況下陶瓷材料表面會(huì)留下由于脆性斷裂而形成的斷續(xù)劃痕，而在高速磨削時(shí)其磨痕紋理相對(duì)連續(xù)光滑且有明顯塑性流動(dòng)的痕跡。QL Zhang[6]研究發(fā)現(xiàn)高速磨削情況下不同的復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的去除特征，當(dāng)切深由淺入深時(shí)硬質(zhì)合金會(huì)出現(xiàn)延性去除、晶粒剝落和晶粒壓碎等現(xiàn)象，而SiC/Si復(fù)合材料則表現(xiàn)出延性去除、相界斷裂和破碎等現(xiàn)象，由此可知脆性材料的去除模式與其組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

通過(guò)以上的研究可知，K9光學(xué)玻璃可以在改進(jìn)磨削工藝的情況下降低加工成本，提高表面質(zhì)量，減輕深加工的壓力，尤其是高速磨削有可能解決K9光學(xué)玻璃加工的問(wèn)題。本文擬采用高速磨削的加工方法試圖改進(jìn)K9光學(xué)玻璃表面質(zhì)量，并研究K9光學(xué)玻璃的磨削性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

磨削實(shí)驗(yàn)在BLOHM MT408高速磨床上進(jìn)行，釬焊金剛石砂輪采用高溫釬焊工藝[7]制作，砂輪基體尺寸φ260×127×18mm，金剛石牌號(hào)YK-7，磨粒粒徑150μm，磨粒為有序排布，磨粒間距1mm。磨削方式為切入磨，磨削液為5%水基乳化液， K9玻璃工件尺寸30×12×8mm，工件材料性能如表1所示。

表1 K9玻璃的材料性能

首先將砂輪安裝到磨床主軸上，調(diào)整圓跳動(dòng)小于10μm，采用原位杯形修整的方法[8]。修整工藝參數(shù)如表2所示。修整后將修整裝置移走并安裝磨削工件。磨削工藝參數(shù)如表3所示。

表2 修整工藝參數(shù)

表3 磨削工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 砂輪表面形貌

圖1為單層釬焊金剛石砂輪修整前后的形貌，從圖1a可以發(fā)現(xiàn)單層釬焊金剛石砂輪制作完成后其表面由均勻整齊的磨粒排列組成，磨粒列有明顯的釬料堆積，形成山脈形狀。通過(guò)仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)修整前磨粒的出露情況較差，幾乎大部分磨粒被釬料包埋。從圖1b砂輪修整后的形貌可以清楚辨別多數(shù)的磨粒晶形，包埋的釬料基本被去除，在磨粒的周圍或根部仍有堆積的釬料。用于修整的杯形砂輪是粒度相對(duì)于釬焊砂輪更小的樹(shù)脂金剛石砂輪，在修整過(guò)程中被修整的工作砂輪轉(zhuǎn)速較慢，而杯形砂輪轉(zhuǎn)速相對(duì)要高得多，也就是說(shuō)工作砂輪基本上處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。杯形砂輪則相對(duì)處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。這樣杯形砂輪通過(guò)磨粒的高速切削作用將工作砂輪磨粒表面的包埋釬料去除，改善了工作砂輪的磨粒出露性，形成了工作砂輪的穩(wěn)定磨削能力。

(a)修整前 (b)修整后圖1 單層釬焊金剛石砂輪修整前后的形貌

2.2 K9玻璃表面微觀形貌

圖2為磨削K9光學(xué)玻璃的表面微觀形貌，圖2a為切深5μm、工件速度30mm/min、磨削速度20m/s時(shí)的磨削表面，圖2b為切深5μm、工件速度30mm/min、磨削速度100m/s時(shí)的磨削表面。從圖2可以看出磨削表面主要由不光滑的坑點(diǎn)組成，因此形成了斑點(diǎn)狀的表面色澤，從圖2的對(duì)比可以看出磨削速度較低時(shí)K9玻璃的斑點(diǎn)形狀較大，而磨削速度較高時(shí)其斑點(diǎn)形狀較小。從圖2可以發(fā)現(xiàn)在磨削表面有一些平行的磨粒劃痕，從圖2a中可以發(fā)現(xiàn)磨削表面有較大的表面缺陷，其尺寸約25μm左右且主要分布在較深劃痕的中間或附近，而圖2b則很少有較大的表面缺陷。劃痕主要是由一些較為突出的磨粒在磨削時(shí)形成的，這些突出的磨粒在磨削的過(guò)程中對(duì)工件表面干涉深度較大，造成了某些材料表面有原始缺陷的地方會(huì)次生一些較大的加工表面缺陷，而當(dāng)磨削速度提高時(shí)磨粒的運(yùn)動(dòng)干涉深度會(huì)減少，所以較大的表面缺陷有所減小?？傮w上看K9玻璃磨削處于脆性斷裂的去除模式，且表面缺陷隨磨削速度的增加而減小。脆性斷裂說(shuō)明磨削時(shí)的磨粒切厚處于延性域臨界切厚以上，切屑是以脆性斷裂的方式從工件表面上分離出來(lái)的，對(duì)工件表面造成較大的損傷。脆性斷裂因切屑的尺度差異也會(huì)對(duì)工件表面形成不同程度的損傷破壞，較小的切屑形成較小的斷裂面或較淺表面破碎層，較大的切屑形成較大的斷裂面或較深的表面破碎層。因此磨粒切厚的大小決定了脆性斷裂的嚴(yán)重程度，即使在脆性域也會(huì)因脆性斷裂的嚴(yán)重程度不同形成較大差異的表面形態(tài)。高速磨削會(huì)使磨粒切厚減小，從而降低了脆性斷裂的嚴(yán)重程度，使磨削表面的延性增強(qiáng)，缺陷減小。

(a) vs=20m/s (b)vs=100m/s ap=5μm, vw=30mm/min圖2 K9玻璃的磨削表面微觀形貌

2.3 K9玻璃的表面粗糙度

K9玻璃表面粗糙度Ra隨磨削工藝參數(shù)變化如圖3所示，Ra在1.23～1.85μm之間變化。從圖3可以發(fā)現(xiàn)表面粗糙度Ra隨砂輪速度的增加而減小，隨工件速度的增大而增大。從K9玻璃的磨削表面可以判斷無(wú)論工藝參數(shù)如何變化磨削都處于脆性斷裂的去除模式，然而相同的脆性去除模式下其去除特征仍然有細(xì)微差別。從磨粒切厚的公式(1)可以看出工件速度的減小以及磨削速度的增加都可以減小磨粒切厚，也就是說(shuō)磨粒切厚趨向于延性域臨界切厚的方向變化，如圖4所示[7-9]。雖然去除模式仍是脆性斷裂，但其斷裂的尺度變小，成屑的尺度減小，表面損傷的程度減小且越來(lái)越接近延性域，因此表面粗糙度有所改善。

(1)

式中，hm為磨粒切厚，C為單位面積內(nèi)的磨粒數(shù)，此處C取值2.5mm-2，θ為磨粒半頂錐角取600，vw為工件速度，vs為磨削速度，ap為切深，ds為砂輪直徑。

表面粗糙度的絕對(duì)值與砂輪粒度和機(jī)床精度有關(guān)，而相對(duì)值的變化與選擇的工藝參數(shù)關(guān)系更大。根據(jù)圖3所示數(shù)據(jù)可知工件速度低于1m/min以下時(shí)表面粗糙度的減小將非常可觀，繼續(xù)降低工件速度表面粗糙度的改善程度將減小。磨削速度增大至70m/s以上時(shí)，表面粗糙度的降低會(huì)非常明顯，繼續(xù)增大磨削速度表面粗糙度會(huì)略微減小。因此粗粒度砂輪磨削K9玻璃時(shí)欲獲得較好的表面質(zhì)量，工藝參數(shù)選擇應(yīng)取工件速度小于1m/min，磨削速度大于70m/s，切深5μm左右。

圖3 Ra隨磨削工藝參數(shù)的變化

圖4 K9磨粒切厚與K9玻璃的臨界切厚計(jì)算值

圖隨磨削工藝參數(shù)的變化

圖6 垂直方向與平行方向粗粗度比值

3 結(jié)論

本文采用單層釬焊金剛石砂輪對(duì)K9光學(xué)玻璃進(jìn)行了高速磨削的實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1)K9玻璃磨削主要屬于脆性斷裂的去除模式，磨削表面由不光滑的坑點(diǎn)組成，形成了斑點(diǎn)狀的表面色澤。磨削表面有少量的平行劃痕，在低速磨削時(shí)劃痕的中間或者附近出現(xiàn)少量25μm大小的表面缺陷，而高速磨削時(shí)很少出現(xiàn)較大的表面缺陷。

(3)粗粒度砂輪磨削K9玻璃時(shí)欲獲得較好的表面質(zhì)量，工藝參數(shù)選擇應(yīng)取工件速度小于1m/min，磨削速度大于70m/s，切深5μm左右。

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