高強(qiáng)度鑄鐵基cBN砂輪修整實(shí)驗(yàn)研究

田詩(shī)意，戴秋蓮，駱燦彬

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021)

高速鋼、耐熱鋼、鈦合金等材料廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域.由于這類材料具有較高的強(qiáng)度和硬度，采用傳統(tǒng)的加工方式對(duì)其加工不僅效率較低，而且刀具磨損嚴(yán)重，因此采用砂輪對(duì)其進(jìn)行磨削是此類材料主要的加工手段[1].cBN磨料與普通磨料相比，具有更高的耐磨性、導(dǎo)熱性及抗壓強(qiáng)度[2]，因此相比于普通磨料砂輪，cBN砂輪在高效磨削中具有更大的優(yōu)勢(shì).統(tǒng)熱壓燒結(jié)法制備的青銅結(jié)合劑cBN砂輪，其磨粒只是被機(jī)械地包埋鑲嵌在胎體中，而且青銅基胎體的強(qiáng)度較低[3]，不適合用于高效磨削和高速磨削.華僑大學(xué)戴秋蓮教授所在的課題組采用消失模鑄造制備的鑄鐵基cBN砂輪，胎體和磨粒之間能產(chǎn)生較強(qiáng)的冶金結(jié)合，使胎體對(duì)磨粒有較大的把持力，同時(shí)鑄鐵基胎體本身具有高強(qiáng)度和高硬度[4-5]，能夠用于難加工材料的高效磨削和高速磨削.然而，鑄造法制備的砂輪毛坯尺寸精度較燒結(jié)法制備的砂輪低，砂輪需要修整的余量較大，并且由于大粒度cBN磨粒和鑄鐵胎體的高強(qiáng)度高硬度，使其修整較為困難.如何實(shí)現(xiàn)對(duì)消失模鑄造制備的高強(qiáng)度鑄鐵基cBN砂輪的高效高質(zhì)量修整，將是這種新型砂輪能否得到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵.

機(jī)械修整法一般是采用金剛石筆或SiC修整輪對(duì)砂輪進(jìn)行修整.研究發(fā)現(xiàn)，采用金剛石筆對(duì)鑄鐵基cBN砂輪進(jìn)行修整，不僅效率較低，而且金剛石會(huì)與鑄鐵基胎體發(fā)生石墨化反應(yīng)[6].其他的修整法主要有電火花修整[7]和電解修整[8-9]等.但是，電火花修整主要針對(duì)微細(xì)粒度砂輪，這是由于電火花修整時(shí)陰陽(yáng)兩極間隙需要保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)，當(dāng)磨粒粒度較大時(shí)，則可能導(dǎo)致陰陽(yáng)兩極的間隙超出這個(gè)范圍而停止放電[10].電解修整法具有無(wú)修整力存在、磨粒出刃良好等優(yōu)點(diǎn)，但主要應(yīng)用在細(xì)粒度超硬磨料砂輪的修銳.

本文針對(duì)鑄鐵基大粒度cBN砂輪毛坯，分別進(jìn)行SiC修整輪機(jī)械修整、電解修整和電解—機(jī)械—電解復(fù)合修整實(shí)驗(yàn)，探究不同修整方式下的最優(yōu)工藝參數(shù)和修整效率，以及修整后磨粒的破碎和出刃情況.

1 SiC修整輪機(jī)械修整試驗(yàn)

1.1 修整工藝參數(shù)的探索

采用SiC修整輪對(duì)鑄鐵基cBN砂輪毛坯進(jìn)行修整時(shí)，修整輪在修整器的帶動(dòng)下以一定的速度差與砂輪一起旋轉(zhuǎn)，依靠它們的速度差使兩者產(chǎn)生摩擦和滾壓效應(yīng)，修整輪對(duì)砂輪表面進(jìn)行研磨，使砂輪表面結(jié)合劑橋斷裂，對(duì)砂輪產(chǎn)生修整作用[11].

SiC修整輪修整工藝參數(shù)主要包括修整輪的切深ap和修整速比q.本實(shí)驗(yàn)砂輪的胎體為奧氏體一貝氏體型球墨鑄鐵[12]，硬度高達(dá)50.9 HRC，而SiC修整輪相對(duì)松軟，過(guò)大的修整切深易導(dǎo)致修整輪嚴(yán)重?fù)p耗而影響修整精度.綜合考慮修整效率和精度，修整切深選擇5 μm較為合適.修整速比q指的是SiC修整輪與待修整砂輪的圓周速度之比，即q=vr/vs，數(shù)值的正負(fù)代表旋轉(zhuǎn)方向的正反，調(diào)整q可以改變修整輪對(duì)待修整砂輪的磨削作用和擠壓作用的比例，對(duì)修整過(guò)程的影響較大，因此有必要探究合適的q值.

當(dāng)SiC修整輪與砂輪同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，其修整力大于正常的磨削力，可以修整去除更多的金屬結(jié)合劑和部分磨粒，增加修整效率.對(duì)于超硬磨料砂輪修整，修整速比q的取值在+0.2～+0.5較為合適[13].本實(shí)驗(yàn)所用砂輪直徑Φ120 mm，cBN粒度為60/70#，濃度為100%，結(jié)合劑為奧-貝球墨鑄鐵；SiC修整輪直徑Φ75 mm，粒度為50/60#，每次修整30 min，通過(guò)不同q值下砂輪圓度誤差的變化量，探究SiC修整輪修整時(shí)的最佳修整速比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，可見(jiàn)，隨著q值的增加，砂輪的圓度誤差的減小量先增大再逐漸減小，當(dāng)q=+0.3時(shí)圓度誤差的減小量最大，即其修整效率最高.

圖1 不同修整速比下砂輪圓度誤差減少量

Fig.1 Reduction of wheel roundness error under different dressing speed ratios

當(dāng)q值過(guò)大時(shí)，由于SiC修整輪和cBN砂輪之間的磨粒以擠壓破碎為主，SiC修整輪對(duì)cBN砂輪的修磨效果不顯著，修整效率較低；當(dāng)q值過(guò)小時(shí)，修整力較大，由于SiC修整輪硬度相對(duì)于鑄鐵基cBN砂輪小很多，此時(shí)SiC修整輪表面碳化硅脫落嚴(yán)重，修整效率也將受到影響.

1.2 機(jī)械修整效果

在進(jìn)給切深ap=5 μm、修整速比q=+0.3的條件下，采SiC修整輪對(duì)砂輪進(jìn)行修整，得到砂輪的圓度誤差隨修整時(shí)間的變化曲線如圖2所示.由圖2可知：砂輪的圓度誤差隨著修整時(shí)間的增加逐漸減小，從修整開始到修整45 min內(nèi)，砂輪圓度誤差隨修整時(shí)間的增加而快速下降，表明砂輪的修整效率較高；但砂輪經(jīng)過(guò)45 min修整之后，其修整效率出現(xiàn)明顯降低，修整進(jìn)行至第120 min時(shí)，砂輪的圓度誤差才降低至目標(biāo)精度范圍15～20 μm.

圖2 圓度誤差隨SiC修整輪修整時(shí)間的變化

Fig.2 Variation of roundness error with the dressing time of SiC roller

出現(xiàn)上述結(jié)果的原因如下：一方面,隨著修整時(shí)間的增加，cBN砂輪表面出露的磨粒數(shù)量逐漸增多，修整時(shí)參與接觸弧區(qū)對(duì)磨的磨粒數(shù)增多，修整力增大；另一方面，隨著累計(jì)修整切深的增加，cBN頂部參與磨削的面積增大，cBN砂輪與SiC修整輪對(duì)滾時(shí)將使SiC磨粒嚴(yán)重破損而鈍化，使得修整力增大，進(jìn)而使SiC修整輪表面的SiC磨粒脫落數(shù)量增多，從而降低其修整效率.

砂輪經(jīng)過(guò)SiC修整輪修整120 min后，其表面的SEM形貌如圖3所示.從圖3可以看出，有些磨粒出現(xiàn)磨平和破碎，破碎的磨粒仍然保留在胎體中，只有個(gè)別磨粒脫落，這進(jìn)一步證實(shí)消失模鑄造的砂輪其胎體對(duì)磨粒具有很強(qiáng)的把持力.

圖3 砂輪經(jīng)過(guò)SiC修整輪修整120 min后的表面形貌

2 電解修整實(shí)驗(yàn)

為了探索電解修整時(shí)具有最高修整效率的工藝參數(shù)，首先搭建單因素電解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別研究電解間隙、電流、占空比、脈沖周期對(duì)鑄鐵基cBN復(fù)合試樣塊修整效率的影響.在此基礎(chǔ)上搭建正交試驗(yàn)電解修整實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探究電解修整砂輪的最優(yōu)工藝參數(shù)組合.

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

采用SMD-30高頻脈沖直流電源、質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaNO3鈍化性電解液，電解時(shí)間15 min.陰極材料為純銅，其形狀依據(jù)砂輪的輪廓形狀設(shè)計(jì)，如圖4所示，陰極圓弧長(zhǎng)度為砂輪圓周長(zhǎng)度的1/6，圓弧面上開有小孔使得電解液能夠從陰極內(nèi)順利流出.砂輪通過(guò)電刷與電源正極連接，作為電解回路的陽(yáng)極.實(shí)驗(yàn)采用的鑄鐵基cBN復(fù)合試樣塊的成分配方和組織組成與上述用于機(jī)械修整實(shí)驗(yàn)的砂輪相同，試樣尺寸50 mm×10 mm×10 mm.

圖4 陰極實(shí)物

2.1.1 電解間隙對(duì)修整效率的影響

當(dāng)電流I=2 A、占空比Y=50%、脈沖周期T=1 000 μs時(shí)，試樣塊的質(zhì)量蝕除量隨電解間隙的變化如圖5所示.由圖5可見(jiàn)：當(dāng)S=0.5 mm時(shí)，鑄鐵基cBN復(fù)合試樣塊的電解效率很低；當(dāng)S從0.5 mm增加到1.0 mm時(shí)，試樣塊的電解效率顯著提高；S進(jìn)一步提高時(shí)，試樣塊的電解效率則有所降低.

圖5 電解間隙對(duì)試樣塊蝕除量影響

Fig.5 The effect of electrolytic clearance on the corrosion of the samples

當(dāng)電解間隙過(guò)小時(shí)，電解液具有較大的流速，容易在間隙內(nèi)造成空穴現(xiàn)象，使得流液呈不連續(xù)狀態(tài).此外，間隙過(guò)小使得電解產(chǎn)物排泄不暢，影響電解蝕除速度，因此S=0.5 mm時(shí)的電解修整速度較低；當(dāng)S增大到一定值時(shí)，電解液能夠逐漸均勻充滿在兩極之間，回路的導(dǎo)電性得以提高，電解修整效率上升；S進(jìn)一步增大后，在其他條件不變的情況下，由溶解速度v與電解間隙S的關(guān)系式[14]v=C/S(其中C為常數(shù))可知，電解修整效率隨著電解間隙S的增大而逐漸減小.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，電解間隙S為1 mm左右較為合適.

2.1.2 電流對(duì)修整效率的影響

當(dāng)電解間隙S=1 mm、占空比Y=50%、脈沖周期T=1 000 μs時(shí)，試樣塊的蝕除量隨電流強(qiáng)度I的變化如圖6所示.由圖6可知，當(dāng)電流I小于2A時(shí)，試樣塊的修整效率隨著I的增加而增大，當(dāng)電流I繼續(xù)增加時(shí)，其修整效率則隨著I的增加而降低.

由法拉第電解定律Δm=kIt知，當(dāng)電化學(xué)當(dāng)量k和電解時(shí)間t保持一定時(shí)，隨著電流I的增加，試樣塊電解蝕除的質(zhì)量Δm將逐漸增加，即修整效率逐漸增加.然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)電流I大于2 A后，試樣塊電解蝕除的質(zhì)量則是隨著電流的進(jìn)一步增大而減小.這是因?yàn)楫?dāng)電流大于一定值后，隨著電流I的增加，電化學(xué)反應(yīng)逐漸加劇，試樣塊表面鈍性氧化膜厚度將迅速增大.鈍性氧化膜的存在使回路的電阻增加，從而額外地消耗了一些電能，減小了回路中用于陽(yáng)極溶解的電流，使得被電解掉的金屬質(zhì)量小于理論計(jì)算值，從而電解效率降低.由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可知，電流I=2 A時(shí)具有最高的電解修整效率.

圖6 電流I對(duì)試樣塊蝕除量影響

Fig.6 The effect of electric current on the corrosion of the samples

2.1.3 占空比對(duì)修整效率的影響

當(dāng)電解間隙S=1 mm、電流I=2 A、脈沖周期T=1 000 μs時(shí),試樣塊的蝕除量隨占空比Y的變化如圖7所示.由圖7可知，當(dāng)占空比從0增加至40%時(shí)，試樣塊質(zhì)量蝕除量隨著占空比Y的增加而迅速增加，當(dāng)占空比超過(guò)40%后，試樣塊蝕除量隨著占空比Y的增加而逐漸減少.

圖7 占空比對(duì)試樣塊蝕除量影響

當(dāng)其他因素一定時(shí)，電流的導(dǎo)通時(shí)間隨著占空比的增大而增大，電流對(duì)于試樣塊的有效作用時(shí)間也就越長(zhǎng)，試樣塊的蝕除量也就越大.然而當(dāng)占空比設(shè)置過(guò)大時(shí)，陰極上產(chǎn)生的氣體較多，這些氣體在電解液中形成氣泡無(wú)法及時(shí)排除，造成電解間隙內(nèi)的電解液分布不均勻，使電解效率有所降低.此結(jié)果表明,占空比Y=40%左右較為合適.

2.1.4 脈沖周期對(duì)修整效率的影響

當(dāng)電解間隙S=1 mm、電流I=2 A、占空比Y=40%時(shí)，試樣塊的蝕除量隨脈沖周期T的變化如圖8所示.由圖8可知，當(dāng)T小于1 000 μs時(shí)，隨著T的增加，試樣塊蝕除量逐漸增加，當(dāng)T超過(guò)1 000 μs后，隨著T的增加，試樣塊蝕除量逐漸減少.可見(jiàn)，在脈沖周期T=1 000 μs，電解修整效率最高.

圖8 脈沖周期對(duì)試樣塊蝕除量影響

Fig.8 The effect of pulse period on the corrosion of the samples

脈沖周期和占空比一樣，都是通過(guò)影響電流導(dǎo)通時(shí)間來(lái)影響電解修整效率，兩者對(duì)于電解修整效率的作用機(jī)理也相同，所以,試樣塊蝕除量隨脈沖周期的變化與隨占空比的變化具有相類似的規(guī)律，此處不再累述.

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)安排和條件

正交試驗(yàn)臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為n=60 r/min，電解間隙為S=1 mm，電解時(shí)間30 min.針對(duì)電源所能調(diào)節(jié)的3個(gè)參數(shù)，即電流I、占空比Y以及脈沖周期T設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，將砂輪的圓度誤差的減少量Δr作為評(píng)價(jià)其電解效果指標(biāo).砂輪圓度誤差采用基恩士CCD激光位移傳感器進(jìn)行測(cè)量.

通過(guò)單因素試驗(yàn)結(jié)果可知合適的電流，占空比，脈沖周期值分別在2 A、40%、1 000 μs附近，因此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)水平時(shí)3個(gè)參數(shù)的水平設(shè)置如表1所示，即I的3個(gè)水平為(1.5 A、2 A、2.5 A)，Y的3個(gè)水平為(20%、40%、60%)，T的3個(gè)水平為(500、1 000、1 500 μs).

2.2.2 結(jié)果與討論

正交試驗(yàn)表中的K1、K2、K3表示各因素3個(gè)不同水平情況下指標(biāo)的總和，由K的大小可得出電解參數(shù)的最優(yōu)組合是：電流1.5 A、占空比20%、脈沖周期1 000 μs.

方差分析見(jiàn)表2，由F值可以得出，影響鑄鐵基cBN砂輪電解修整效率各因素的顯著性依次為脈沖周期>占空比>電流.

表1 正交試驗(yàn)表

表2 方差分析表

2.3 電解修整效果

在正交試驗(yàn)確定的最優(yōu)電解參數(shù)組合下，對(duì)砂輪進(jìn)行電解修整實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示.從電解修整開始到進(jìn)行至15 min，砂輪圓度誤差下降了21 μm，而從第15 min到30 min，砂輪的圓度誤差僅下降了5 μm，修整效率急劇下降，30 min以后繼續(xù)增加修整時(shí)間，砂輪圓度誤差基本不會(huì)發(fā)生變化.

這是因?yàn)?，隨著電解修整的進(jìn)行，電流除了一部分用于陽(yáng)極溶解之外，另一部分還用于生成氧化膜，氧化膜將會(huì)抑制砂輪表面鐵離子的溢出，金屬的陽(yáng)極溶解反應(yīng)受到明顯抑制，修整效率逐漸降低.當(dāng)胎體的陽(yáng)極溶解去除和氧化膜的生成達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，砂輪出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，圓度誤差值將無(wú)法繼續(xù)下降.

砂輪經(jīng)電解修整30 min后其表面形貌如圖10所示.從圖10可見(jiàn)，砂輪表面的鑄鐵胎體逐漸溶解消失，不導(dǎo)電的較為完整的cBN磨粒出露出來(lái)，有助于提高砂輪在磨削加工中的鋒利性.

圖9 圓度誤差隨電解時(shí)間的變化

Fig.9 The variation of roundness error with the electrolysis time

圖10 電解修整30 min后砂輪磨粒形貌

Fig.10 Morphology of abrasive grains after electrolytic dressing for 30 min

3 電解—機(jī)械—電解復(fù)合修整實(shí)驗(yàn)

3.1 修整效率

由于砂輪在電解修整30 min后會(huì)發(fā)生鈍化現(xiàn)象，圓度誤差不再隨電解時(shí)間的增加而下降，因此對(duì)砂輪進(jìn)行電解—機(jī)械復(fù)合修整實(shí)驗(yàn)，即先對(duì)砂輪電解修整30 min，然后用SiC修整輪對(duì)其機(jī)械修整，當(dāng)砂輪圓度誤差接近目標(biāo)精度時(shí)，再進(jìn)行電解修整，這樣可防止砂輪因機(jī)械修整過(guò)度造成磨粒大面積破碎.

圖11是砂輪采用電解—機(jī)械—電解復(fù)合修整時(shí)其圓度誤差隨修整時(shí)間的變化曲線，對(duì)比圖2和圖11可以發(fā)現(xiàn)，后者在進(jìn)行至第75 min時(shí)便達(dá)到目標(biāo)精度范圍，相比于前者需要修整120 min，其修整效率提高了38%.

電解—機(jī)械—電解復(fù)合修整的修整效率能保持在較高水平，這是因?yàn)樽铋_始電解修整中產(chǎn)生的一部分氧化膜在機(jī)械修整中被刮除，砂輪的電解溶解與氧化膜的生成之間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，鈍化現(xiàn)象消失，再進(jìn)行電解修整能夠恢復(fù)較高的修整效率.

圖11 復(fù)合修整砂輪圓度誤差隨時(shí)間的變化

Fig.11 Variation of roundness error of grinding wheels with the dressing time of compound dressing mothed

3.2 磨粒出刃情況

圖12(a)是砂輪經(jīng)用電解—機(jī)械—電解復(fù)合修整表面形貌，可以看出砂輪表面cBN磨粒的數(shù)量較多，完整性較好.圖12(b)是砂輪經(jīng)機(jī)械修整后的表面形貌，與圖12(a)相比，可見(jiàn)砂輪表面cBN磨粒破碎較嚴(yán)重，磨刃較鈍.這是因?yàn)闄C(jī)械修整的修整力較大，修整中容易造成磨粒破碎和脫落.電解修整中無(wú)修整力存在，修整過(guò)程中不會(huì)對(duì)磨粒造成損傷，因此電解修整時(shí)間在整個(gè)復(fù)合修整工藝中所占的比例越高，磨粒的完整性越好.

圖12 不同修整方式修整后砂輪表面形貌

Fig.12 Surface topography of grinding wheels after being dressing with different methods： (a) electrolytic-mechanical-electrolytic dressing method； (b) SiC roller dressing method

在砂輪表面對(duì)稱4個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)區(qū)域隨機(jī)選擇4顆磨粒，共16顆cBN，采用超景深顯微鏡檢測(cè)cBN磨粒經(jīng)過(guò)不同方式修整后的出刃高度.磨粒出刃對(duì)比情況見(jiàn)圖13，出刃高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖14.

圖13 不同方式修整后的砂輪磨粒出刃情況

Fig.13 The protrusion of abrasive grains after being dressed by different methods： (a) electrolytic-mechanical-electrolytic dressing method； (b) SiC roller dressing method

圖14 不同方式修整后的砂輪磨粒出刃高度

Fig.14 The protrusion height of abrasive grains after being dressed by different methods： (a) electrolytic-mechanical-electrolytic dressing method； (b) SiC roller dressing method

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，經(jīng)電解—機(jī)械—電解復(fù)合修整后,cBN磨粒的平均出刃高度在70～80 μm，達(dá)磨粒直徑1/3，磨粒具有較好的切削性能；而砂輪經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的SiC修整輪機(jī)械修整之后,大部分磨粒出刃高度僅為20～30 μm，必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步修銳才能進(jìn)行工作.

4 結(jié) 論

1)采用SiC修整輪對(duì)高強(qiáng)度鑄鐵基cBN砂輪進(jìn)行機(jī)械修整，當(dāng)轉(zhuǎn)速比q=+0.3時(shí)其修整效率最高，修整效率隨著時(shí)間的增加逐漸減小.修整后砂輪表面磨粒破碎較多，大部分磨粒出刃高度為20～30 μm.

2)電解修整的最優(yōu)工藝參數(shù)為電解間隙S=1 mm，電流I=1.5 A、占空比D=20%、脈沖周期T=1 000 μs.電解參數(shù)對(duì)修整效率影響的顯著程度依次為脈沖周期>占空比>電流.電解修整30 min后將產(chǎn)生鈍化，使電解修整難以繼續(xù)進(jìn)行.

3)電解—機(jī)械—電解復(fù)合修整比單一的SiC修整輪機(jī)械修整效率提高了38%，磨粒破碎情況減少，磨粒平均出刃高度在70～80 μm，可達(dá)磨粒尺寸的1/3.

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