剛玉磨料顯微試樣的磨削工藝研究*

邢 波, 趙金墜, 陳學(xué)偉, 李丙文, 馮克明,3, 王小光

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 鄭州 450001)

(2. 國(guó)家磨料磨具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 鄭州450001)

(3. 超硬材料磨具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌), 鄭州 450001)

剛玉磨料以高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用來制造各種磨具[1-2]。剛玉類磨料的硬度是評(píng)價(jià)磨料性能的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)其可加工性和耐磨性的關(guān)鍵指標(biāo)，一般用努式或維氏硬度表示。在剛玉類磨料顯微硬度測(cè)試時(shí)，試樣的表面質(zhì)量不佳易導(dǎo)致壓痕輪廓不清晰，繼而影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。根據(jù)ASTM內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證，顯微硬度測(cè)試的準(zhǔn)確性主要由施加的試驗(yàn)力、金剛石壓頭的幾何形狀及完整性和壓痕尺寸的測(cè)量誤差等因素來決定，而試驗(yàn)力和金剛石壓頭由設(shè)備本身的制造工藝決定，壓痕測(cè)量誤差則主要取決于試樣表面的粗糙度：剛玉類磨料顯微試樣表面越粗糙，壓痕輪廓越不清晰，測(cè)量對(duì)角線時(shí)就不準(zhǔn)確，從而影響到硬度的測(cè)試結(jié)果[3-4]。

剛玉類磨料顯微試樣的制樣常采用一定濃度的金剛石研磨液在玻璃平板上直接研磨，研磨液中的金剛石由粗粒度逐漸過渡到超細(xì)粒度，直至試樣表面的粗糙度達(dá)到《ASTM E384-2017材料微壓痕硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鏡面要求。然而，由于剛玉磨粒自身硬度較高，即使選用硬度最高的金剛石磨粒對(duì)試樣進(jìn)行研磨，仍然存在制備周期長(zhǎng)、效率低的問題。此外，剛玉磨料試樣的制樣質(zhì)量評(píng)價(jià)主要依靠人工目測(cè)和經(jīng)驗(yàn)來判斷，很難保證試樣質(zhì)量的一致性和再現(xiàn)性，繼而影響到顯微硬度測(cè)試的準(zhǔn)確性。這方面的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究中，學(xué)者們主要集中于金屬材料的金相制樣[5]和建筑材料的巖相制樣上[6]，對(duì)于硬度更高的剛玉磨料的制樣效率提升與質(zhì)量表征方面報(bào)道甚少。

近年來，隨著超精密磨削加工技術(shù)的快速發(fā)展，脆性材料的加工效率和加工精度得到提高，在脆性材料鏡面加工方面超精密磨削表現(xiàn)出手工研磨難以比擬的加工效率和面形精度[7-8]。本研究針對(duì)目前剛玉磨料顯微制樣工藝中存在的問題與不足，采用超細(xì)樹脂金剛石砂輪對(duì)鋯剛玉(ZA)、微晶剛玉(SG)、棕剛玉(A)和黑剛玉磨料(BA)試樣進(jìn)行直接磨削制樣，對(duì)比了直接磨削制樣和手工研磨制樣的表面質(zhì)量和效率，且優(yōu)化了直接磨削4種剛玉磨料試樣的制樣工藝參數(shù)。

1 直接磨削制樣機(jī)理

對(duì)于剛玉磨料等硬脆性材料的磨削加工來說，要提高其表面加工質(zhì)量，只有當(dāng)硬脆性材料處于塑性域去除時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)BIFANO等[9]的硬脆材料延性域去除機(jī)理，當(dāng)磨削切深小于某個(gè)臨界值時(shí)塑性變形成為材料的主要去除方式，從而避免材料的脆性破壞；一旦切深超過某臨界值，材料就可能產(chǎn)生宏觀裂紋等問題。脆性/延性磨削的臨界切削厚度為：

(1)

式中：hcu,krit為臨界切削厚度，E為硬脆材料的彈性模量，Kc為硬脆材料的斷裂韌性，H為硬脆材料的硬度。

此外，剛玉類磨料的直接磨削與手工研磨工藝相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[10-11]：(1)磨粒固結(jié)在磨具上，結(jié)合劑對(duì)磨粒的結(jié)合強(qiáng)度高，且磨粒的切削速度快，加工效率高；(2)磨削系統(tǒng)剛性遠(yuǎn)好于研磨的柔性系統(tǒng)，能夠精確控制磨粒切削厚度；(3)磨削過程中，同時(shí)參與切削的磨粒數(shù)量多，磨粒所受到的切削力較為均勻，降低了對(duì)磨粒均勻性的要求；(4)在適當(dāng)?shù)膮?shù)條件下，脆性材料仍能以延性去除的方式進(jìn)行磨削加工，從而降低了剛玉磨料試樣表面的損傷程度，獲得高質(zhì)量的磨削表面。剛玉類磨料試樣直接磨削與手工研磨制樣示意圖如圖1所示。

2 試驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)條件

選擇鋯剛玉、微晶剛玉、棕剛玉和黑剛玉4種磨料，鋯剛玉粒度為F16，后三者粒度均為F60，經(jīng)過樹脂粉熱壓鑲嵌后，制作成試驗(yàn)塊，手工研磨與直接磨削參數(shù)如表1所示。

表1 手工研磨與直接磨削參數(shù)

其中，手工研磨是將表1中的金剛石微粉從粗粒度到細(xì)粒度依次與水配比成研磨液，鋪在玻璃平板上對(duì)磨料試樣進(jìn)行手工研磨制樣；直接磨削是采用型號(hào)為1A1 400×25×75 B100 D5/10的超細(xì)樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，在超精密平面磨床MM7120A上對(duì)磨料試樣進(jìn)行直接磨削制樣，其粗磨、精磨和光磨都采用同一超細(xì)金剛石樹脂砂輪，只是粗磨的進(jìn)給深度大于精磨的，而光磨的進(jìn)給深度為0。

2.2 試樣表面參數(shù)測(cè)量

采用日本基恩士VHX-3000觀察試樣表面形貌；采用美國(guó)Leco LM-700AT顯微硬度儀測(cè)量試樣的維氏硬度，其壓頭為金剛石正四棱錐體，壓頭相對(duì)兩面之間的頂角為136°±30′。測(cè)試時(shí)保持時(shí)間設(shè)置為15 s，連續(xù)對(duì)每種試樣的10個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)量，最終硬度值取其算術(shù)平均值，再對(duì)10組數(shù)據(jù)進(jìn)行離散度分析，判斷數(shù)據(jù)偏離平均值的程度。

采用美國(guó)Nanovea JR25白光干涉三維輪廓儀對(duì)磨料試樣表面進(jìn)行線性掃描，設(shè)置的掃描長(zhǎng)度為3 mm，步長(zhǎng)為2 μm，掃描速度為1 mm/s，光斑直徑為1.7 μm；將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中，依據(jù)磨粒直徑大小進(jìn)行拘束有效區(qū)間截取、較平和濾波處理；根據(jù)粗糙度計(jì)算公式對(duì)處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得被掃描的磨粒表面粗糙度。每種試樣隨機(jī)測(cè)量4顆磨粒，取其平均表面粗糙度值作為該試樣表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 剛玉類磨料試樣的表面粗糙度

圖2是在表1參數(shù)下經(jīng)過粗磨、精磨、光磨6次后的4種剛玉磨料試樣與手工研磨試樣的粗糙度值對(duì)比。由圖2可見：經(jīng)過直接磨削制樣的4種剛玉磨料試樣表面粗糙度Ra和Rz與手工研磨制樣的基本接近。其中，ZA、SG和BA磨料直接磨削后的Ra、Rz分別小于0.1和1.0 μm；而A磨料的粗糙度較大，主要是該磨料內(nèi)部缺陷較多，增大了其表面粗糙度值，但測(cè)定的A非缺陷區(qū)域表面粗糙度值Ra≤0.1 μm，接近于鏡面。直接磨削時(shí)的所有磨粒均固結(jié)到樹脂結(jié)合劑中，磨粒不能自由移動(dòng)，且磨粒切削的最大切削厚度容易控制，在微小切削深度下，使最大切削厚度接近剛玉類磨料的臨界切削厚度，從而實(shí)現(xiàn)磨料的半延性域或延性域除去，達(dá)到手工研磨的效果。

3.2 剛玉試樣的顯微硬度

圖3是在表1的條件下經(jīng)過粗磨、精磨、光磨6次后的4種剛玉磨料試樣與手工研磨試樣的顯微硬度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比。由圖3可見：4種磨料直接磨削制樣的平均硬度值與手工研磨后的基本一致(圖3a)；而在標(biāo)準(zhǔn)差方面，除了ZA磨料接近外，其他3種磨料直接磨削后的都比手工研磨后的低(圖3b)。這表明直接磨削的試樣表面損傷層厚度可控，其表面粗糙度較均勻。

3.3 直接磨削試樣的表面形貌

圖4是在表1的條件下經(jīng)過粗磨、精磨、光磨6次后的4種剛玉類磨料試樣表面形貌圖。由圖4可見： 4種磨料表面均未出現(xiàn)微觀裂紋和脆性崩碎產(chǎn)生的凹坑，且由金剛石磨粒耕犁切削造成的切削紋路清晰可見，磨痕深度較淺，并微微向兩側(cè)隆起(耕犁現(xiàn)象)，呈現(xiàn)明顯的塑性去除特征。即在表1給定的參數(shù)下，剛玉磨料試樣的表面能夠?qū)崿F(xiàn)延性域去除，從而獲得較低的表面粗糙度。

3.4 試樣的制樣效率

表2是在表1的條件下經(jīng)過粗磨、精磨、光磨6次后的制樣效率與手工研磨制樣效率的對(duì)比。從表2可看出：剛玉類磨料試樣手工研磨制樣共需約2～3 h；而在超精磨平面磨床上，采用超細(xì)粒度金剛石樹脂砂輪對(duì)磨料試樣進(jìn)行直接磨削制樣，整個(gè)制樣時(shí)間僅需34～55 min，直接磨削的制樣效率比手工制樣的至少高2倍。這是因?yàn)閯傆耦惸チ嫌捕容^高，手工研磨時(shí)金剛石磨粒在自由狀態(tài)下，很難侵入剛玉類磨料內(nèi)形成切削作用，而機(jī)械磨削則是在較高的剛性系統(tǒng)中，強(qiáng)力驅(qū)使被固結(jié)的金剛石磨粒對(duì)剛玉類磨料表面進(jìn)行定量切削，并且金剛石磨粒切削速度快(40 m/s)，參與切削的磨粒數(shù)多，所以單位時(shí)間內(nèi)的材料去除效率高。

表2 直接磨削與手工研磨效率對(duì)比

3.5 直接磨削工藝參數(shù)優(yōu)化

圖5是在表1的條件下4種剛玉類磨料試樣經(jīng)過粗磨、精磨、光磨2次、光磨6次4個(gè)階段的磨粒試樣表面粗糙度和顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)試結(jié)果。

由圖5可見：4種磨料的顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)差隨著粗磨、精磨、光磨的進(jìn)行呈先降低后穩(wěn)定的趨勢(shì)。其中，ZA、SG、A等3種磨料試樣粗磨后的顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.57、2.12和4.57 GPa，再進(jìn)行精磨后其顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)差大幅度降低至0.99、1.04和3.01 GPa。繼續(xù)增加光磨次數(shù)后，ZA、SG的顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)差基本不變，而A呈現(xiàn)先降低后上升的現(xiàn)象，但最后的標(biāo)準(zhǔn)差與精磨后的基本持平；BA磨料試樣的顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)差由精磨后的3.17 GPa大幅度降低至光磨2次后的2.11 GPa，當(dāng)繼續(xù)增加光磨次數(shù)時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)微降低的現(xiàn)象。因此，從ZA、SG、A 的顯微硬度標(biāo)準(zhǔn)差來說，3種磨料試樣的制樣到精磨即可，無需光磨工序。

由圖5還可以看出：ZA、SG、BA等3種磨料試樣的Ra和Rz都隨粗磨、精磨、光磨的進(jìn)行呈降低后穩(wěn)定的趨勢(shì)；其中，無缺陷脆性磨料ZA和SG的Ra和Rz在精磨后穩(wěn)定在0.09、0.91 μm和0.10、0.98 μm，有缺陷磨料棕剛玉A的Ra和Rz在精磨后穩(wěn)定在0.33和2.86 μm，因此從提高制樣效率的角度考慮，無需后兩道的光磨工序。同理，由于BA磨料在精磨后的Ra和Rz值與后兩道工序相差較大，且光磨2次后的Ra和Rz值基本穩(wěn)定在0.06和0.49 μm，故從制樣效率及制樣成本角度考慮，光磨2次為其最后工序較合適。黑剛玉BA的這種特性是由于其脆性比其他種類磨料高，使脆性/延性磨削的臨界切削厚度減小，在精磨時(shí)黑剛玉還處于脆性或半延性域除去階段，因此需要增加光磨次數(shù)，以增大其延性域去除速率占比，提高試樣表面質(zhì)量。

總之，ZA、SG和A磨料試樣用超細(xì)樹脂金剛石砂輪精磨后，其試樣表面滿足顯微硬度測(cè)試要求，而BA磨料試樣則需再增加光磨2次工序才能滿足測(cè)試要求。

4 結(jié)論

基于脆性材料延性域去除機(jī)理，對(duì)比分析了剛玉類磨料試樣的直接磨削制樣與手工研磨制樣特點(diǎn)，并通過磨粒粗糙度輪廓截取、較平、濾波、計(jì)算等處理，獲得了真實(shí)的剛玉磨粒表面粗糙度，得出如下結(jié)論：

(1)4種剛玉磨料試樣直接磨削和手工研磨制樣的表面粗糙度、顯微硬度、表面形貌非常接近，但直接磨削制樣的效率比手工研磨的效率至少高2倍。

(2)ZA、SG和A等3種磨料試樣直接采用粒度號(hào)M5/10的樹脂金剛石砂輪，經(jīng)粗磨、精磨工序可滿足顯微硬度測(cè)試要求，而BA磨料需要在粗磨、精磨基礎(chǔ)上，再增加光磨2次工序，也可達(dá)到顯微硬度測(cè)試要求。

(3)采用直接磨削方法對(duì)剛玉類磨料試樣制樣，既滿足剛玉類磨料顯微試樣表面質(zhì)量要求，又大幅度提高了制樣效率。