棕剛玉磨料砂帶磨削木材的磨損機制及其壽命

楊雅琦, 汪生瑩, 張亦鳴, 張健, 羅斌

(北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

磨削是一種特殊的切削加工工藝，它是通過砂帶、砂紙或砂輪等磨具去除工件上多余的材料，是木材加工過程中一道必不可少的工序，常用于工件尺寸定厚、表面拋光和漆膜的精磨等。砂帶磨削是一種有“萬能磨削”之稱的彈性磨削工藝，具有效率高、精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)勢。在磨削過程中砂帶必然會發(fā)生磨損，主要體現(xiàn)在作為切削主體的磨粒的磨損。砂帶磨損一般分為初期快速磨損和穩(wěn)定磨損兩個階段，在這兩個階段內(nèi)磨粒的磨損形式主要有脫落、破碎和磨鈍。破碎和磨鈍貫穿于整個磨削過程，脫落可能是由于砂帶的選擇不當(dāng)引起的[1]。在不同的磨削階段，磨粒的磨損形式和程度都有著較大的差異。張國軍等[2]通過磨削Ti Al基合金，觀察并研究了砂帶的磨損形貌，并分析了砂帶磨損對磨削表面的影響?；粑膰萚3]通過對砂帶形貌電鏡分析，發(fā)現(xiàn)新砂帶的磨粒是參差不齊的尖峰垂直“聳立”，隨著磨削的進(jìn)行，頂部出現(xiàn)小平臺，且小平臺的數(shù)量和面積逐漸增加，同時，一些鋒刃較低的磨粒逐步從砂帶底部顯露出來參與磨削工作。Torrance[4]建立了磨料磨損模型，并將該方法應(yīng)用于磨削過程中磨削力和金屬材料去除率之間關(guān)系的預(yù)測以及磨料劣化的預(yù)測中。但是木質(zhì)材料與金屬材料性質(zhì)相差較大，該模型并不完全適用于木質(zhì)材料，針對木質(zhì)材料磨削過程中的砂帶磨損機制和磨粒磨損模型需進(jìn)一步研究。

目前對于砂帶磨削的研究多是以金屬、合金等均質(zhì)材料為對象，針對木材磨削方面的研究較少，國內(nèi)外建立的磨削理論和模型多是針對金屬材料，并不適用于木材。對于磨削過程中的磨削效率、被加工表面質(zhì)量以及磨粒磨損的研究則是少之又少，基礎(chǔ)理論知識的缺乏嚴(yán)重阻礙了木質(zhì)材料磨削技術(shù)向智能化、精密化方向的發(fā)展。為了提高材料去除率并有效判別砂帶使用壽命，以便及時更換砂帶，提高生產(chǎn)效率，有必要從微觀角度研究磨粒磨損形式，分析砂帶磨損變化規(guī)律，優(yōu)化磨削參數(shù)，以增加有效切削在磨削過程中的占比。本研究以紅松為研究對象，分析磨削過程中砂帶的磨損形式以及其對材料去除率和表面粗糙度的影響，探究砂帶磨損機制及其對磨削效率和砂帶使用壽命的影響，為研發(fā)木質(zhì)材料專用砂帶提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紅松材質(zhì)輕軟、紋理通直、結(jié)構(gòu)細(xì)膩、易于加工，是建筑、橋梁、家具等方面的優(yōu)良用材。本試驗選用紅松(Pinuskoraiensis)制備試件，其含水率為9.36%，氣干密度為0.38 g/cm3，尺寸為50 mm(L)×40 mm(W)×40 mm(H)。所有試件表面平整，無明顯缺陷。本研究所用砂帶為60目(250 μm)普通布基疏植砂型砂帶，磨料類型為棕剛玉。

1.2 試驗設(shè)備

本研究使用的試驗裝置為木質(zhì)材料砂帶磨削試驗機(圖1)，該設(shè)備由驅(qū)動系統(tǒng)和氣動裝置組成。將砂帶展平固定在裝置上，調(diào)節(jié)兩端張緊輪以確保砂帶張緊固定；將木制試件放置于夾具內(nèi)，調(diào)節(jié)夾緊螺母完成試件的裝夾；通過立式布置的帶直線導(dǎo)軌的氣缸(ADNGF-50-40-A，F(xiàn)ESTO，德國)，為試件提供恒定的磨削壓力(約為100 N)；隨著試件材料不斷去除，其厚度也逐漸減小，試件夾具可沿立式滑軌在氣缸導(dǎo)桿行程內(nèi)下移，使試件與砂帶表面始終相接觸；驅(qū)動裝置為電動機帶動曲柄滑塊機構(gòu)，在電動機轉(zhuǎn)動下，帶動連桿轉(zhuǎn)動，帶動工作臺(砂帶)移動，砂帶往返的頻率為3次/s，往返運動范圍為120 mm。驅(qū)動系統(tǒng)帶動工作臺(砂帶)在水平滑軌上做往復(fù)運動(平均速度約為0.3 m/s)。試件由氣缸沿豎直滑軌壓緊在砂帶(工作臺)上，同時由智能計數(shù)裝置完成磨削次數(shù)。

1.氣缸; 2.機架; 3.砂帶; 4.張緊輪; 5.水平滑軌; 6.驅(qū)動系統(tǒng);7.豎直滑軌; 8.夾緊裝置; 9.試件; 10.夾具。圖1 砂帶磨削試驗裝置示意圖Fig. 1 The schematic of abrasive belt sanding apparatus

1.3 試驗方法

將每磨削1 000次的試件質(zhì)量進(jìn)行稱量，計算質(zhì)量變化率。質(zhì)量變化率為每次試件質(zhì)量的減少值與上一次試件質(zhì)量之比的百分值，定義為砂帶的材料去除率。試驗過程中，采用60目砂帶對試件進(jìn)行磨削，借助光電傳感數(shù)顯計數(shù)器進(jìn)行磨削次數(shù)的測定。在每磨削1 000次后使用精密分析天平(BSA4235，Sartorious，德國)測定試件和砂帶的質(zhì)量，得到相應(yīng)的材料去除量，進(jìn)而計算出相應(yīng)的磨削效率，且每次稱質(zhì)量前使用高壓氣槍(額定壓力為3.0 MPa)除去試件和砂帶表面的磨屑。每磨削2 000次后，采用三維輪廓儀(VR5000，KEYENCE，日本)對磨削過程中試件磨削表面和砂帶表面同一位置進(jìn)行掃描，再借助專業(yè)分析軟件(VR Series version 3.2.0.277)測定試件以及砂帶磨削表面粗糙度，并使用掃描電鏡儀(日立S-3400N Ⅱ)獲取試件及砂帶的磨削表面形貌，分析磨削過程中磨粒的作用形式以及磨損形態(tài)。當(dāng)材料去除率降至最低值且基本不再變化時，認(rèn)為砂帶壽命已達(dá)極限，砂帶上的磨粒已無法完成對試件材料的有效切除。

試驗中對紅松進(jìn)行了順紋(磨削方向平行于木材紋理方向)和橫紋(磨削方向垂直于木材紋理方向)兩個方向的磨削。對于砂帶表面粗糙度的考察參數(shù)，有常見的砂帶表面算術(shù)平均高度Sa，即當(dāng)砂帶上各點高度分布及頻次趨于一致時，砂帶的算數(shù)平均高度將發(fā)生下降，當(dāng)高度分布及頻次一致性弱時，砂帶算數(shù)平均高度發(fā)生上升[5]。還有砂帶表面的磨粒峰度Sku，其數(shù)值可判斷磨粒形狀的尖銳度，Sku值越高分布越尖銳，Sku值越低分布相對平緩。砂帶磨削的工作質(zhì)量將直觀表現(xiàn)在試件的表面質(zhì)量，本研究考察試件表面算術(shù)平均高度Sa和試件界面的展開面積比Sdr。Sdr是指木材磨削表面的面積比所在平面面積多出的部分占平面面積的比值，當(dāng)表面隆起程度越大或下陷越多時，界面的展開面積比值越大，反之則越小[6]。

圖2 不同磨削方向的材料去除率及砂帶質(zhì)量損失率Fig. 2 Material removal rate and mass variation of belt in different sanding directions

2 結(jié)果與分析

砂帶磨削過程中，不同磨削方向?qū)ι皫У哪チＤp及其對試件的加工質(zhì)量有著不同的影響[7]。不同磨削方向的材料去除率及砂帶質(zhì)量損失率見圖2。對比圖2a、b可以發(fā)現(xiàn)：橫紋磨削時，磨削次數(shù)為10 000～30 000次(磨削前期)時材料去除率從較高值逐漸下降，這是因為新砂帶初次進(jìn)行磨削時磨粒較為尖銳，同等壓力下能夠更好地壓入木材，較好地磨削試件，使得質(zhì)量大幅度降低[8]，材料去除率也較高，逐漸下降則是因為磨粒開始發(fā)生破碎和脫落，去除力度不如之前；在30 000～70 000次(磨削中期)時材料去除率再次上升，且相對于前期增高并保持在一穩(wěn)定值，說明磨粒持續(xù)發(fā)生破碎，產(chǎn)生新的磨削刃對材料進(jìn)行有效磨削；在 70 000 次后(磨削后期)去除率開始下降且波動減小是由于在砂帶磨粒磨損中脫落、磨損的占比大于破碎，砂帶壽命趨于極限，去除率下降，有效去除能力不斷降低。順紋磨削時，同樣是以磨削30 000和70 000次為界，在磨削前期材料去除率較大且下降速率較快，與橫紋類似，砂帶磨粒主要發(fā)生的是破碎，并且伴隨著磨粒頂端的磨損。不同的是在順紋磨削中期，材料去除率仍逐漸下降但下降速率減慢，且有著一定幅度的波動，此時主要發(fā)生的是磨粒磨損，即磨粒頂端角變大，曲率半徑增大，磨削刃變鈍，從而造成去除率相對穩(wěn)定下降。磨削后期整體去除率相較于中期有小幅提高，主要是砂帶磨粒的自銳重新占據(jù)主導(dǎo)地位，并且伴隨著相對多的脫落，容屑空間增大，使材料去除率產(chǎn)生了較大的波動[9]。

觀察圖2c、d發(fā)現(xiàn)，橫紋與順紋磨削時砂帶質(zhì)量變化均呈線性下降趨勢且擬合較好。在磨削前期都有較大幅度地下降，表明新砂帶初次進(jìn)行磨削時確實存在磨粒粘貼不牢或者質(zhì)量較差而導(dǎo)致的脫落現(xiàn)象發(fā)生，并伴隨著小部分的破碎[10]；砂帶在磨削中期，橫紋磨削時磨粒破碎自銳占比較大，順紋磨削時磨粒磨鈍更為嚴(yán)重。在磨削后期，不同紋理方向磨削使砂帶的失效方式不同：橫紋磨削時砂帶質(zhì)量保持穩(wěn)定即磨粒變鈍，無法繼續(xù)接觸試件進(jìn)行切削，最終砂帶使用壽命達(dá)到極限；而順紋磨削時砂帶質(zhì)量仍持續(xù)下降，這說明此時磨粒再次發(fā)生自銳以及脫落，直至砂帶失效。所以針對木材磨削過程中砂帶磨損的形式與階段劃分，試件和砂帶表面粗糙度的變化需要從不同磨削方向分別進(jìn)行探究。

2.1 砂帶表面粗糙度

不同方向磨削時砂帶表面粗糙度與三維形貌見圖3。橫紋磨削時，由圖3a可知，在磨削前期表面粗糙度Sa上升,觀察形貌圖可知是由于前期砂帶磨粒脫落導(dǎo)致，且同時存在破碎和磨損共同作用使得Sa下降；從圖3c可見，對應(yīng)的磨削峰度Sku開始大幅度上升，說明磨粒在磨削過程中不斷發(fā)生破碎產(chǎn)生新的切削刃[11]，同時伴隨著脫落和小部分磨損使得Sku偶有下降。在磨削中期Sa開始波動，這是因為破碎和磨損同時進(jìn)行，磨粒破碎形成新磨粒，經(jīng)過一段時間磨削后再次破碎，周而復(fù)始，使得表面粗糙度升高；此時峰度Sku普遍較高，則是因為磨粒破碎的比例逐漸提高從而使得峰度穩(wěn)定在一定值。在磨削后期Sa達(dá)到峰值，這是由于前期的脫落不斷累計最終達(dá)到最大值，而出現(xiàn)下降是因為磨粒逐漸磨鈍使得磨粒高度趨于一致，同時可見磨削后期由于磨粒磨損的比例上升且破碎形式減少，可以明顯看出峰度Sku逐漸降低。

圖3 磨削時砂帶的表面粗糙度與三維形貌Fig. 3 Surface roughness and three-dimensional topography of abrasive belt during sanding

順紋磨削時，在磨削前期Sa波動幅度較小，略有下降趨勢(圖3b)；而磨削前期磨粒峰度Sku起較大，并不斷下降，且有著較為強烈的波動變化(圖3d)。這是由于前期發(fā)生的自銳現(xiàn)象導(dǎo)致峰度增加，同時發(fā)生磨損使峰度也會有所下降，最終砂帶上原本高低分布不均的磨粒逐漸趨于統(tǒng)一。而到了磨削中期，Sa趨勢保持穩(wěn)定，這是由于中期磨粒磨損占主導(dǎo)地位對其影響較小，因此基本保持不變。此時砂帶峰度波動變小，并且下降趨勢較為平穩(wěn)，符合砂帶磨粒主要發(fā)生磨損，從而導(dǎo)致峰度下降的情況。后期砂帶的Sa上升，并且有一定的波動，這是隨著磨粒進(jìn)一步的破碎使得砂帶磨粒高度分布重新變得混亂，也可以發(fā)現(xiàn)砂帶的Sku有所上升，并且波動相對較小。觀察三維形貌圖也可發(fā)現(xiàn)磨粒的自銳所占比例再次增大，同時伴隨有脫落和磨損，使其體現(xiàn)出峰度的總體上升且趨于穩(wěn)定，并且由于磨粒脫落的大量發(fā)生和累積，使得高度分布范圍增大[12]，進(jìn)一步加大了Sa值。

2.2 試件表面質(zhì)量

橫紋磨削時試件的表面粗糙度與表面形貌見圖4。從圖4a可以看出，磨削前期試件粗糙度Sa略有增大后逐漸降低。從圖4掃描電鏡圖中明顯看出，這是由于磨削過程中尖銳的磨粒在試件表面先發(fā)生耕犁使其出現(xiàn)較深的凹槽，隨著砂帶磨粒開始破碎自銳逐漸開始進(jìn)行有效磨削[13]，產(chǎn)生細(xì)密的磨痕。觀察圖4b可以發(fā)現(xiàn)，磨削初期表面粗糙度Sdr較高，也說明砂帶的磨削方式初期為滑擦和耕犁，這樣會在試件表面磨削出很多痕跡，造成試件的比表面積增大。磨削中期Sa有所降低并在一定范圍內(nèi)波動，這是因為磨粒的破碎與磨鈍，破碎的比例開始逐漸增大，磨粒有效去除材料產(chǎn)生新的加工表面，使表面粗糙度Sa略有波動。

從圖4電鏡圖中可以看到，試件表面較前期更為平整，此時磨粒不斷更新，產(chǎn)生新的磨削表面。到了磨削后期Sa再次降低是因為磨粒破碎過程結(jié)束，磨鈍比例和脫落大大增加，磨鈍的磨粒進(jìn)行磨削時粗糙度降低。此時Sdr再次升高是因為磨粒的脫落導(dǎo)致部分試件沒有磨到，從電鏡圖明顯看到磨粒的磨損對試件進(jìn)行滑擦?xí)r產(chǎn)生了較寬的劃痕和溝壑。

圖4 橫紋磨削時試件的表面粗糙度與表面形貌Fig. 4 Surface roughness and surface topography of workpiece during transverse sanding

從上文中得知順紋磨削前期磨粒的不平度相對較高，試件表面多為滑擦，這就導(dǎo)致了木材磨削痕跡的深淺粗細(xì)不一，高度分布不均。順紋磨削時試件的表面粗糙度與表面形貌見圖5。從圖5a可以看出，磨削前期表面粗糙度Sa較高，砂帶主要發(fā)生自銳現(xiàn)象，因此從電鏡圖看到試件表面產(chǎn)生較多的磨削痕跡。從圖5b也可以發(fā)現(xiàn)，磨削前期表面粗糙度Sdr較大，由于自銳現(xiàn)象的發(fā)生充滿隨機性[14]，其值并不穩(wěn)定，故一直在較高值內(nèi)波動。磨削中期磨粒逐漸磨鈍，并且高度趨于相同，對于木材的磨削產(chǎn)生了新的磨削表面，碾過原來細(xì)小痕跡留下更多寬且深的磨痕。如電鏡圖所示，此時Sa略有降低且保持穩(wěn)定，試件表面Sdr逐漸變小。磨削后期磨粒的脫落和自銳使得能夠發(fā)生有效磨削的磨粒高度統(tǒng)一性更強[15]，可從電鏡圖看出，此時同等壓力下磨粒難以壓入木材進(jìn)行有效切削，只得拉扯木纖維翹起，木材的磨削表面高度更為平均，Sa再次下降，輕微的滑擦也使其界面的展開面積Sdr進(jìn)一步下降并且趨于穩(wěn)定。

圖5 順紋磨削時試件的表面粗糙度與表面形貌Fig. 5 Surface roughness and surface topography of workpiece during longitudinal sanding

砂帶磨削常用于工件尺寸定厚、表面拋光和漆膜的精磨。在磨削過程中砂帶需要保持較高的材料去除率以達(dá)到消除厚度差的目的，通過以上試驗表明當(dāng)材料去除率達(dá)到5%左右時，可判定砂帶壽命已達(dá)到使用極限。在精磨加工中多以表面粗糙度為判定指標(biāo)，本研究中在不同的磨削方向，砂帶各階段的磨損機制及其對工件表面粗糙度的影響不同，不適用于判定砂帶使用壽命。綜上，在實際木材磨削加工中判定砂帶壽命時需綜合考察砂帶的材料去除率及試件的表面質(zhì)量。

3 結(jié) 論

木材磨削過程中砂帶的磨損機理、表面粗糙度變化及試件表面加工質(zhì)量，均會受到木材材性如紋理、密度、含水率以及加工工藝的影響。筆者主要研究了紅松在不同磨削方向時的材料去除率和試件、砂帶表面粗糙度變化情況，探究了砂帶磨損機理及其與表面粗糙度之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1)同等工藝參數(shù)下，材料去除率橫紋磨削整體大于順紋磨削，對砂帶的磨損消耗橫紋磨削整體小于順紋磨削；

2)紅松橫紋磨削，砂帶磨粒前期較多的發(fā)生破碎與脫落，中期磨粒不斷更新自銳以保持砂帶的有效切削，后期磨粒脫落，磨損的占比大于破碎，最終砂帶壽命趨于極限；

3)紅松順紋磨削，砂帶磨粒在前期破碎和磨鈍占比更大，磨削中期磨粒頂端逐漸磨鈍，沿前期磨痕推除材料實現(xiàn)有效切削，磨削后期的磨粒除脫落外，再次發(fā)生破碎勾起木纖維，最終失效；

4)砂帶壽命在材料去除率達(dá)到5%左右時已達(dá)到使用極限，而不同的磨削方向砂帶在各階段的磨損形式及其對工件表面粗糙度的影響不同，不適用于判定砂帶使用壽命，因此在實際木材磨削加工中判定砂帶壽命時需綜合考察砂帶的材料去除率及試件的表面質(zhì)量。