涂層微磨具的制備及磨削表面質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究

溫雪龍, 王承寶, 鞏亞東, 孫付強(qiáng)

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

涂層是一種物質(zhì)形態(tài),涂層制備技術(shù)及相關(guān)研究起源于20世紀(jì)30年代,屬于真空技術(shù)領(lǐng)域.由于涂層微磨具的應(yīng)用可以降低表面摩擦系數(shù)和減緩磨損從而提高使用壽命,其物質(zhì)為晶態(tài)結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)穩(wěn)定,因此隨著功能材料涂層迅速發(fā)展,在未來工業(yè)元器件領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用空間.

金魁[1]用準(zhǔn)分子脈沖激光制備涂層技術(shù)成功制備了該體系的超導(dǎo)涂層.Sun等[2]利用優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)制備了一種直徑約700 μm的微磨具排屑槽,同時(shí)建立了基于材料微磨削尺寸效應(yīng)和未變形切削厚度模型,利用新型結(jié)構(gòu)微磨具針對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行微磨削力的實(shí)驗(yàn)研究.Shen等[3]采用超高壓脈沖電源在不同潤滑條件下對(duì)制備涂層進(jìn)行組織沖蝕和摩擦學(xué)行為相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)DLC涂層在低濃度液體潤滑的條件下摩擦性能優(yōu)異.Xie等[4]發(fā)現(xiàn)工件表面形貌與金剛石砂輪微磨削過程中微裂紋萌生、延伸擴(kuò)展及材料去除機(jī)制有關(guān),通過優(yōu)化磨削參數(shù)可以提高工件加工質(zhì)量.Lionel等[5]研究發(fā)現(xiàn)在真空條件下進(jìn)行氣體放電和物理氣相沉積技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形貌和優(yōu)化粒子性質(zhì),同時(shí)對(duì)等離子體處理?xiàng)l件進(jìn)行控制,使得離子轟擊靶材的時(shí)間更利于制備細(xì)致的涂層結(jié)構(gòu).Fang等[6]解釋了沉積態(tài)超薄銅涂層的吸收光譜及其隨退火溫度和時(shí)間的變化.Kuleshov等[7]針對(duì)鎢鈷類硬質(zhì)合金利用高頻交流電壓進(jìn)行表面制備涂層,并進(jìn)一步分析涂層組織性能.Park等[8]制備了直徑為0.5～10 μm的金剛石磨粒微磨具,在不同電鍍參數(shù)下對(duì)單晶硅材料進(jìn)行微磨削實(shí)驗(yàn),研究不同尺寸的刀具壽命和加工質(zhì)量.Aurich等[9]制備了最小磨粒直徑為1 μm的微磨具基體,磨削工件溝槽部分表面粗糙度為20 nm左右.Ren等[10]利用電鍍金剛石微磨具磨削單晶硅試驗(yàn),分析不同工藝參數(shù)下微磨具的磨損情況及加工表面質(zhì)量.Priyabrata等[11]利用等離子體物理氣相沉積的方法制備0.5～3 μm厚度的TiAlN涂層,利用不同厚度涂層刀具針對(duì)P-20號(hào)鋼進(jìn)行微銑削加工,并分析其可加工性和摩擦學(xué)性能.研究結(jié)果表明,涂層微磨具在磨削硬脆材料方面具備一定的加工優(yōu)勢,微磨削是當(dāng)前機(jī)械加工的最后一步精密與超精密加工方法,其磨具主要失效形式為磨粒的磨損、破碎與脫落.盡管對(duì)涂層刀具的加工方法及組織分析相關(guān)研究已經(jīng)展開并取得一些進(jìn)展,但涂層微磨具的相關(guān)研究甚少.黃銅具有耐磨性能好和強(qiáng)度高的機(jī)械性能,一般可用于加工熱交換器和低溫管路等零部件,用途廣泛,在工業(yè)領(lǐng)域具有代表性,因此對(duì)于黃銅材料的磨削研究具有實(shí)際工程意義.

本文通過不同涂層微磨具進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)研究,分析不同磨削工藝參數(shù)對(duì)黃銅材料表面粗糙度和表面形貌的影響規(guī)律,研究不同涂層微磨具在相同磨削工藝參數(shù)條件下黃銅的磨削表面質(zhì)量,探討不同涂層微磨具制備機(jī)理及磨削性能規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果為高表面質(zhì)量磨削加工黃銅提供參考,對(duì)涂層微磨具的磨削加工及應(yīng)用具有重要意義.

1 涂層制備及檢測分析

1.1 涂層制備

圖1為真空射頻濺射系統(tǒng)的組成部分.在真空條件下ECWR射頻濺射系統(tǒng)通過加載高頻脈沖電壓產(chǎn)生的電磁波與等離子體進(jìn)行相互作用,等離子體的密度使用電磁波頻率進(jìn)行控制.原子經(jīng)歷吸附、擴(kuò)散和成核三個(gè)階段,最終形成連續(xù)涂層.濺射系統(tǒng)主要由分子泵驅(qū)動(dòng)控制器、真空系統(tǒng)、射頻源匹配器、射頻功率源、復(fù)合真空計(jì)與流量顯示儀等部分組成.

圖1 ECWR射頻濺射系統(tǒng)

圖2為掃描電鏡下TiC涂層微磨具其磨頭表面形貌圖.

圖2 TiC涂層微磨具形貌

在高壓環(huán)境中,氣體分子經(jīng)碰撞運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生電離作用而產(chǎn)生物質(zhì)的第四種形態(tài),即等離子態(tài).射頻電源在高頻交流電條件下產(chǎn)生能量來控制等離子體的密度,真空室內(nèi)低密度的等離子體由直流電源產(chǎn)生的恒定電磁場進(jìn)行控制,射頻電壓產(chǎn)生電磁波的分量形式進(jìn)入室內(nèi),射頻電磁波可以在真空條件下與等離子體進(jìn)行能量傳遞,提高氣相沉積等離子體的數(shù)量.等離子體經(jīng)靶材基體發(fā)生擴(kuò)散和遷移運(yùn)動(dòng),使得連續(xù)涂層制備成功.該項(xiàng)技術(shù)能夠克服涂層生長速度慢、等離子體濃度不高的缺點(diǎn).研究表明該項(xiàng)涂層制備技術(shù)對(duì)不同類型真空室適應(yīng)力強(qiáng),能夠保證等離子體純度高,因此利用該項(xiàng)濺射涂層技術(shù)成功制備H-DLC,Si-DLC,Ti,TiC四種涂層微磨具如圖3所示,其磨頭直徑均為0.9 mm,磨粒粒度為200#.

圖3 涂層微磨具

1.2 XRD檢測分析

圖4為XRD能譜圖,檢測技術(shù)利用涂層含有的特定元素衍射峰進(jìn)行比較分析,從而確保H-DLC,Si-DLC,Ti,TiC四種涂層成功制備.由圖4a中元素峰值高度可以確定H-DLC涂層成功制備.在分析圖譜中,鈦含量在純鈦與碳化鈦涂層中相差較大,Ti和TiC涂層中的Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.44%,0.18%,這是因?yàn)門i與C結(jié)合成為了TiC.經(jīng)過XRD檢測分析,能譜圖衍射峰中看到涂層含有所需元素,表明涂層制備成功.

圖4 XRD檢測分析圖譜

1.3 SEM表面形貌分析

圖5為掃描電鏡下放大倍數(shù)為1 000和400的磨粒圖.針對(duì)不同涂層微磨具,磨粒SEM表面圖片出現(xiàn)模糊化,在磨削時(shí)單顆磨粒微小切刃都會(huì)變大,這是因?yàn)檫B續(xù)的涂層覆蓋在磨粒的表面,在磨削工件時(shí)首先是表面涂層與溝槽接觸,在加工時(shí)由于涂層先經(jīng)歷劇烈磨損和穩(wěn)定磨損兩個(gè)階段,在一定程度上增加了涂層微磨具的使用壽命.

圖5 不同涂層微磨具SEM磨粒照片

2 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

磨削實(shí)驗(yàn)在JX-1A磨床上進(jìn)行,其磨削最大速度為2.827 4 m/s,如圖6所示.利用超景深顯微鏡觀察磨削黃銅表面形貌,如圖7所示.表1為涂層CBN微磨具磨削黃銅材料的參數(shù).

圖6 JX-1A精密加工磨床

圖7 超景深顯微鏡

表1 材料參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)三因素五水平磨削正交試驗(yàn),采用不同涂層微磨具進(jìn)行黃銅的磨削實(shí)驗(yàn).利用測力儀與輪廓儀分別測量磨削力、黃銅表面粗糙度,進(jìn)一步分析微磨削工藝參數(shù)對(duì)于表面粗糙度和磨削力的影響規(guī)律,并比較涂層和未涂層微磨具的溝槽形貌,探究不同涂層微磨具磨削加工機(jī)理,微磨削實(shí)驗(yàn)方案如表2所示.

表2 磨削正交試驗(yàn)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律

圖8為不同涂層微磨具的磨削速度對(duì)于磨削力的影響曲線.可以看到,增大磨削速度使得涂層與未涂層微磨具的磨削力均呈現(xiàn)減小的趨勢,在磨削黃銅材料的過程中,隨著磨削速度的提高,在單位時(shí)間內(nèi)不同涂層微磨粒磨削其表面的有效次數(shù)增加,從而導(dǎo)致磨削力降低.

圖8 磨削速度對(duì)磨削力的影響

對(duì)于不同涂層微磨具而言,可以看到未涂層較涂層微磨具的磨削力相對(duì)較大,磨削速度vs為0.565 m/s時(shí),涂層與未涂層微磨具之間的差別影響最大,磨削力差值為0.29 N,但涂層微磨具之間的磨削力差值在0.2 N以內(nèi).這是因?yàn)橥繉影チ?涂層微磨具微細(xì)切刃變大鈍化,因此較未涂層微磨具的磨粒表面具有較低的摩擦系數(shù),因此在磨削工件時(shí)磨削力降低.但摩擦力在不同涂層微磨具之間有相對(duì)差異,這是各種涂層材料的物理屬性值的不同和磨削時(shí)接觸力的大小差異所導(dǎo)致的.

圖9為不同涂層微磨具的進(jìn)給速度對(duì)于磨削力的影響曲線.增大進(jìn)給速度使得涂層與未涂層微磨具磨削力均呈現(xiàn)增大的趨勢,走向逐漸平緩.但磨削力在涂層微磨具之間差值不大.這是因?yàn)樵谝欢ǖ奈⒛ハ骷庸し秶鷥?nèi),隨著進(jìn)給速度的增大,磨粒的磨削厚度增大,單顆磨粒的磨削力增大,磨削是大量磨粒共同作用的結(jié)果,因此總的磨削力增大.

圖9 進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響

對(duì)于不同涂層微磨具而言,涂層微磨具的磨削力較小,在進(jìn)給速度fm為40 μm/s時(shí),不同涂層微磨具之間的差別影響最大,磨削力差值為0.412 N;進(jìn)給速度為300 μm/s時(shí)差別最小,磨削力差值為0.12 N.這是由于制備連續(xù)涂層的存在會(huì)使微小切刃半徑變大,同時(shí)增大磨粒與表面的接觸面積,能夠減小微磨具與材料之間的相互磨擦作用，使得涂層較未涂層微磨具的磨削力在一定程度上有所減小.

圖10為不同涂層微磨具的磨削深度對(duì)于磨削力的影響曲線.可以看到,磨削深度的增大在一定加工范圍內(nèi)使得不同涂層微磨具磨削力呈現(xiàn)增大的趨勢,但逐漸趨于平緩.這是因?yàn)槲⒛ゾ吲c黃銅表面接觸面積隨著磨削深度增加而增大,因此總磨削力增大.

圖10 磨削深度對(duì)磨削力的影響

對(duì)于不同涂層微磨具而言,隨著磨削深度增加,磨削力值在各種涂層微磨具之間沒有顯著差別,在磨削深度為8 μm時(shí)影響相對(duì)較大,最大差值為0.164 2 N,此時(shí)涂層與未涂層微磨具之間的最大差值為0.226 N.涂層相對(duì)于未涂層微磨具的磨削力有所減小,這是因?yàn)樵谖⒛ゾ呱现苽溥B續(xù)涂層以后,涂層相對(duì)于未涂層微磨具摩擦系數(shù)減小,連續(xù)涂層的包裹作用使得微磨具對(duì)于黃銅表面的磨削力降低.

3.2 磨削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

圖11為不同涂層微磨具表面粗糙度關(guān)于磨削速度的影響曲線.可以看出,磨削速度的增大使得涂層與未涂層微磨具表面粗糙度均呈現(xiàn)減小的趨勢,表面質(zhì)量更好.這是因?yàn)樵谙嗤墓に噮?shù)下,磨削速度的提高使得單位時(shí)間內(nèi)微磨具磨削黃銅表面的次數(shù)增加,導(dǎo)致磨削表面更加平整.

對(duì)于不同涂層微磨具而言,圖中可以明顯地看到未涂層微磨具表面粗糙度較小,磨削速度vs為0.565 m/s時(shí),不同涂層微磨具之間的最大表面粗糙度差值為0.524 μm,但是粗糙度數(shù)值在其他vs下的各種已制備連續(xù)涂層的微磨具之間幾乎沒有區(qū)別.這是因?yàn)樵谖⒛ゾ呱现苽渫繉右院?通過掃描電鏡觀測發(fā)現(xiàn)形貌圖變得模糊化,因?yàn)橥繉游⒛ゾ吣チＮ⑿∏腥邪霃阶兇蟮慕Y(jié)果.

圖11 磨削速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖12為不同涂層微磨具的進(jìn)給速度對(duì)于表面粗糙度的影響曲線.可以看出,進(jìn)給速度的增大使得涂層與未涂層微磨具表面粗糙度均呈現(xiàn)增大的趨勢,這是因?yàn)閱晤w磨粒的切削厚度增大,導(dǎo)致磨削黃銅表面平整度降低.

圖12 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

但對(duì)于不同涂層微磨具而言,四種涂層微磨具磨削黃銅表面粗糙度在一定程度上有所增大,在進(jìn)給速度fm為40 μm/s時(shí),不同涂層微磨具之間的最大表面粗糙度差值為0.629 μm,但是粗糙度數(shù)值差別在其余涂層微磨具之間不明顯.這是因?yàn)槲⒛ゾ弑砻嬷苽溥B續(xù)不同的涂層在磨削時(shí)加劇滑擦作用、表面彈塑性變形和溝槽,因此工件表面粗糙度增加.

圖13為不同涂層微磨具的磨削深度對(duì)于表面粗糙度的影響曲線.磨削深度的增大使得不同涂層微磨具磨削黃銅表面粗糙度均呈現(xiàn)增大的趨勢.這是因?yàn)楫?dāng)磨削深度逐漸增加時(shí),切屑厚度增大,磨削表面的磨痕加重,導(dǎo)致加工表面溝槽深淺不一,故表面粗糙度增大.

圖13 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響

但對(duì)于不同涂層微磨具而言,可以發(fā)現(xiàn)涂層較未涂層微磨具表面粗糙度明顯增大,磨削深度為12 μm時(shí),不同涂層微磨具之間的最大表面粗糙度差值為0.49 μm,但各種涂層之間的粗糙度沒有顯著差別.這是由于在微磨具上制備連續(xù)涂層減小了微磨具切刃的影響,使得表面粗糙度增大.

3.3 未涂層與涂層微磨具加工表面形貌對(duì)比分析

圖14～圖18為采用不同涂層微磨具進(jìn)行黃銅的磨削實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鞅砻嫘蚊矆D,在磨削速度vs為1.696 5 m/s,進(jìn)給速度fm為100 μm/s,磨削深度ap為8 μm下對(duì)鍍有H-DLC涂層、Si-DLC涂層、Ti涂層、TiC涂層及未涂層微磨具進(jìn)行微磨削實(shí)驗(yàn).

圖14 未涂層微磨具磨削表面形貌

圖15 H-DLC涂層微磨具磨削表面形貌

圖16 Si-DLC涂層微磨具磨削表面形貌

圖17 Ti涂層微磨具磨削表面形貌

圖18 TiC涂層微磨具磨削表面形貌

利用不同涂層微磨具進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)后表面形貌圖可以發(fā)現(xiàn)表面有不同深度的溝槽,溝槽形式多種多樣,且涂層較未涂層微磨具磨削表面溝槽深度大.這是因?yàn)槲⒛ゾ弑砻嬷苽溥B續(xù)的涂層后,由于涂層的包裹作用,微磨具切削刃半徑變大鈍化,導(dǎo)致磨粒參與切削的作用減少,但是相應(yīng)地參與滑擦和耕犁的階段會(huì)增加,然后塑性隆起和彈塑性變形加劇、溝槽和凹坑深淺不一.因此最終導(dǎo)致工件表面粗糙度有所增加,表面形貌更粗糙,這與本文前部分分析結(jié)論是一致的.

圖19表示在磨削加工黃銅的條件下,涂層與未涂層微磨具粘結(jié)磨屑的形貌對(duì)比.粘結(jié)磨屑會(huì)產(chǎn)生堵塞,堵塞進(jìn)一步導(dǎo)致微磨具的失效.

圖19 粘結(jié)磨屑的形貌對(duì)比

通過粘結(jié)磨屑的形貌對(duì)比發(fā)現(xiàn),未涂層微磨具磨削黃銅材料之后產(chǎn)生了磨屑的粘結(jié)現(xiàn)象，甚至形成了大面積的塊狀磨屑,而涂層微磨具表面粘結(jié)磨屑的現(xiàn)象有所改善.這是因?yàn)槲赐繉游⒛ゾ叩哪ヮ^粒度大,磨粒較小,從而磨削深度較小,在磨削黃銅進(jìn)行材料去除時(shí)磨屑不易及時(shí)排除,在磨粒細(xì)小空隙之間發(fā)生了堆積現(xiàn)象.在微磨削過程中,磨屑與磨粒、結(jié)合劑發(fā)生劇烈摩擦,使得堆積的磨屑粘結(jié)在磨粒上,磨削熱加劇,進(jìn)一步造成表面燒傷,從而導(dǎo)致微磨具失效.而涂層微磨具磨削時(shí)首先是涂層與黃銅材料進(jìn)行接觸,涂層微磨具由于涂層的包裹作用,磨粒與磨屑的摩擦系數(shù)降低,表面粘屑現(xiàn)象得到很好的改善,因此在一定程度上增加了涂層微磨具的使用壽命.

4 結(jié) 論

1) 利用真空濺射涂層技術(shù)成功制備H-DLC,Si-DLC,Ti,TiC四種涂層微磨具,通過XRD和SEM分析其表面形貌,可以看到制備涂層包裹微磨具磨頭效果良好.

2) 涂層與未涂層微磨具磨削力均隨磨削速度的增大、進(jìn)給速度和磨削深度的降低而呈現(xiàn)減小的趨勢.在相同的磨削加工工藝參數(shù)下,涂層微磨具磨削力小于未涂層微磨具磨削力.

3) 涂層與未涂層微磨具磨削表面粗糙度在一定范圍內(nèi)均隨著微磨具磨削速度的增大、進(jìn)給速度和磨削深度的降低而呈現(xiàn)減小的趨勢,涂層微磨具表面粘屑現(xiàn)象得到很好的改善,可提高其使用壽命.