納米晶粒硬質(zhì)合金平面磨削表面粗糙度研究

詹友基，江宋然，許永超，左振，周家騏

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 先進(jìn)制造生產(chǎn)力促進(jìn)中心，福建 福州 350118)

納米晶粒硬質(zhì)合金(WC晶粒度≤0.2 μm)是具有高硬度、高耐磨性的新型材料，這種材料可以廣泛應(yīng)用于高硬材料(HRC58以上)的精加工及不銹鋼、鋁合金等材料的加工。現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)硬質(zhì)合金的切削性能和使用壽命提出了更高要求[1-2]，而表面粗糙度等加工質(zhì)量是評(píng)價(jià)納米晶粒硬質(zhì)合金切削性能和使用壽命的重要指標(biāo)[3]。

通常硬質(zhì)合金采用磨削的方式加工[4]。宋鵬濤等人[5]研究了磨削3要素不同陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金YT15的表面粗糙度變化規(guī)律，對(duì)影響硬質(zhì)合金表面加工質(zhì)量的原因進(jìn)行了分析并提出改善方法。原一高等人[6]研究分析了磨削參數(shù)對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石磨削HIP技術(shù)燒結(jié)的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的表面粗糙度影響。鄶吉才等人[7]采用ELID磨削加工方法磨削普通硬質(zhì)合金和納米晶粒硬質(zhì)合金，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明普通硬質(zhì)合金的磨削力小于納米晶粒硬質(zhì)合金，表面質(zhì)量也比納米硬質(zhì)合金差。

目前對(duì)硬質(zhì)合金的磨削加工研究主要集中在普通和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，對(duì)納米晶粒硬質(zhì)合金的磨削工藝還需進(jìn)一步完善。本文以納米晶粒硬質(zhì)合金GU092為研究對(duì)象，通過(guò)單因素和正交實(shí)驗(yàn)，研究分析了磨削3要素即砂輪線速度vs、工件進(jìn)給速度vw和磨削深度ap對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，并找出最優(yōu)磨削方案，以期為納米晶粒硬質(zhì)合金的磨削加工提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)。

1 磨削試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用WC-CO類納米晶粒硬質(zhì)合金(GU092)，工件尺寸為6 mm ×9 mm ×9 mm，力學(xué)性能如表1所示。

表1 GU092的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of GU092

試驗(yàn)采用精密平面磨床(ORBIT25)。選用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪(ZZSM-1022519010304001)，直徑ds為200 mm，金剛石磨料粒度為230/270。磨削加工方式為順磨和逆磨，在加工過(guò)程中使用水基乳化液(嘉實(shí)多9930)作為切削液。磨削后工件用丙酮在超聲波清洗機(jī)中清洗20 min。清洗后的工件采用粗糙度測(cè)量?jī)x(Marsurf XR 20)測(cè)量水平和垂直方向表面粗糙度，每個(gè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)做5次并求取平均值。對(duì)表面粗糙度的評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇常用的輪廓算數(shù)平均偏差Ra。具體磨削參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 磨削試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Grinding test parameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響

從Malkin[8]對(duì)單顆磨粒最大未變形切屑厚度的研究中可以知道，單顆磨粒最大未變形切屑厚度與磨削3要素的關(guān)系式：

(1)

式(1)中，L和de分別表示相鄰兩切屑點(diǎn)之間距離和砂輪的當(dāng)量直徑，可表示為：

(2)

式(2)中，“+”和“-”分別表示為逆磨和順磨，dw為砂輪實(shí)際半徑。相鄰切屑點(diǎn)之間的距離L表示為：

(3)

在vs=20 m/s、vw=32 mm/s時(shí)，磨削深度對(duì)工件表面粗糙度的影響如圖1所示。當(dāng)磨削深度從5 μm增加到25 μm時(shí)，順磨加工方式下平行方向和垂直方向的表面粗糙度增幅分別是10.35%和6.35%，逆磨加工方式下平行方向和垂直方向的表面粗糙度增幅分別是6.65%和8.07%。由公式(1)和公式(2)可知，當(dāng)磨削深度增加時(shí)，單顆磨粒最大未變形切屑厚度增加，材料斷裂去除的比例增大，脆性斷裂形成凹坑，工件表面粗糙度增大。

圖1 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.1 Effects of grinding depth on surface roughness

2.2 工件進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

在ap=15 μm，vs=30 m/s時(shí)，工件進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響如圖2所示。當(dāng)工件進(jìn)給速度從16 mm/s增加到48 mm/s時(shí)，順磨平行方向和垂直方向的表面粗糙度的增幅分別是30.47%和19.79%，逆磨平行方向和垂直方向的表面粗糙度的增幅分別是30.65%和14.02%。由公式(1)可知，工件進(jìn)給速度增加時(shí)，單顆磨粒最大未變形切屑厚度增加；由公式(2)可知，工件進(jìn)給速度增加時(shí)，當(dāng)量直徑減小，反映到公式(1)上是單顆磨粒最大未變形切屑厚度增加。材料脆性去除比例增大，工件表面的劃痕變深、變寬，所以工件表面粗糙度增大。

2.3 砂輪線速度對(duì)表面粗糙度影響

在ap=10 μm，vw=24 mm/s時(shí)，砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響如圖3所示。當(dāng)砂輪線速度由15 m/s增加至35 m/s時(shí)，順磨平行方向和垂直方向表面粗糙度的增幅分別是29.36%和15.77%，逆磨平行方向和垂直方向的表面粗糙度的降幅分別是24.44%和15.14%。由公式(1)可知，砂輪線速度增加，單顆磨粒最大未變形切屑厚度減小；由公式(2)可知，砂輪線速度增加，當(dāng)量直徑增加，反映到公式(1)上是單顆磨粒最大未變形切屑厚度減小。材料塑性去除增加而脆性去除減少，摩擦耕犁作用減弱，工件表面溝槽較淺，兩側(cè)隆起較低，故工件表面粗糙度減小。

圖3 砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.3 Effects of grinding wheel linear speed on surface roughness

2.4 磨削用量對(duì)表面粗糙度的影響

2.4.1 建立表面粗糙度數(shù)學(xué)模型

通常表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)為[9-11]：

Ra=ε·vsr1·apr2·vwr3

(4)

對(duì)公式(4)兩邊取對(duì)數(shù)，得：

lgRa=lgε+r1lgvs+r2lgap+r3lgvw

(5)

令lgRa=y，lgε=ε，lgvs=x1，lgvw=x2，lgap=x3，則公式(5)可轉(zhuǎn)化成線性方程：y=ε+r1x1+r2x2+r3x3，滿足回歸分析中自變量和因變量之間存在的關(guān)系，可進(jìn)行非線性回歸分析，回歸分析的結(jié)果如表3所示。

表3 回歸分析表Tab.3 Regression analysis table

表3中，估計(jì)值為經(jīng)驗(yàn)公式中回歸常數(shù)項(xiàng)數(shù)值；標(biāo)準(zhǔn)誤差為實(shí)際值與估計(jì)值之間相對(duì)偏離程度，主要用來(lái)衡量回歸方程的代表性，標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，則估計(jì)值與實(shí)際值的近似誤差越小。由表3可得順磨加工和逆磨加工方式下平行方向和垂直方向的表面粗糙度公式為：

順磨平行方向粗糙度

Ra=0.082ap0.020vw0.206vs-0.133

(6)

順磨垂直方向粗糙度

Ra=0.382ap0.006vw0.183vs-0.093

(7)

逆磨水平方向粗糙度

Ra=0.102ap0.020vw0.171vs-0.124

(8)

逆磨垂直方向粗糙度

Ra=0.374ap0.021vw0.154vs-0.119

(9)

由式(6)～式(9)可知，對(duì)表面粗糙度的影響由大到小分別是工件進(jìn)給速度、砂輪線速度、磨削深度。無(wú)論是順磨加工還是逆磨加工，表面粗糙度都隨著磨削深度和工件進(jìn)給速度的增加而增加，隨著砂輪線速度的增加而減小。因此在本試驗(yàn)范圍內(nèi)要達(dá)到表面粗糙度最小的最優(yōu)方案，其參數(shù)是ap=10 μm，vw=16 mm/s，vs=30 m/s。實(shí)驗(yàn)得到順磨加工條件下工件表面粗糙度平行方向和垂直方向分別為0.073 6 μm和0.390 2 μm，逆磨加工條件下工件表面粗糙度平行方向和垂直方向分別是0.093 5 μm和0.403 1 μm。

2.4.2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證粗糙度模型的精度，將順磨加工和逆磨加工方式所得實(shí)際值和模型預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，所得誤差值結(jié)果如表4和表5所示。

表4 順磨加工粗糙度實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比表Tab.4 Comparison of actual values and model predictions of the roughness by down-grinding

表5 逆磨加工粗糙度實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比表Tab.5 Comparison of actual values and model predictions of the roughness by up-grinding

圖4 平行方向表面粗糙度三元回歸圖(順磨)Fig.4 Three-dimensional regression graph of surface roughness in parallel direction(down-grinding)

圖5 垂直方向表面粗糙度三元回歸圖(順磨)Fig.5 Three-dimensional regression graph of surface roughness in vertical direction(down-grinding)

圖6 平行方向表面粗糙度三元回歸圖(逆磨)Fig.6 Three-dimensional regression graph of surface roughness in parallel direction(up-grinding)

圖7 垂直方向表面粗糙度三元回歸圖(逆磨)Fig.7 Three-dimensional regression graph of surface roughness in vertical direction(up-grinding)

由非線性回歸分析得到順磨加工平行方向與垂直方向粗糙度模型的F檢驗(yàn)值分別是2 094.82、3 956.61，逆磨加工平行方向與垂直方向粗糙度模型的F檢驗(yàn)值分別是6 975.07、5 339.11，查F分布表得F0.01(3,11)=6.22，可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果F檢驗(yàn)值均大于6.22，說(shuō)明建立的非線性回歸模型非常顯著。由表4可知，順磨水平方向誤差在0.54%～13.19%，垂直方向誤差在0.13%～4.16%；逆磨水平方向誤差在0.22%～5.84%，垂直方向誤差在0.28%～5.16%，說(shuō)明回歸數(shù)學(xué)模型具有較高的精度，可以對(duì)磨削納米晶粒硬質(zhì)合金的表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削納米晶粒硬質(zhì)合金的垂直方向的表面粗糙度在0.460 1～0.601 9 μm，文獻(xiàn)[14]中磨削普通硬質(zhì)合金YG8垂直方向的粗糙度范圍在0.6～0.9 μm；文獻(xiàn)[15]中磨削超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金GU10UF、GU15UF、GU25UF垂直方向的粗糙度范圍分別在0.492 3～0.662 09 μm、0.521 8～0.641 4 μm、0.521 0～0.668 3 μm，說(shuō)明磨削納米晶粒硬質(zhì)合金更容易獲得較好的表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

1)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削納米晶粒硬質(zhì)合金的表面粗糙度隨磨削深度和工件進(jìn)給速度的增加而增加，隨砂輪線速度的增加而減小。對(duì)表面粗糙度影響程度的大小依次是工件進(jìn)給速度、砂輪線速度、磨削深度。因此在生產(chǎn)中以小進(jìn)給、小切深、高砂輪線速度的組合方式進(jìn)行磨削有利于提高工件表面質(zhì)量。

2)對(duì)比普通硬質(zhì)合金和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金磨削，納米晶粒硬質(zhì)合金磨削更容易獲得較好的表面質(zhì)量。

3)對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了三元非線性回歸分析，建立了樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削納米晶粒硬質(zhì)合金GU092的表面粗糙度回歸數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所建立的模型是可行的。