精磨高硬脆材料表面形貌分析及工具浓度的选择①

刘志环,王进保,肖乐银

(桂林矿产地质研究院,广西桂林541004)

1 引言

对于莫氏硬度7级以上高硬脆性材料表面的磨削加工,往往除了要求达到一定的磨削效率外,还要求在最短的时间内达到更好的表面光洁度,这对加工工具的设计和磨削工艺的优化提出了更高的要求。本文分别采用W 40、W 14、W 7金刚石砂带磨削玛瑙石,通过观测工件与工具表面形貌变化、测试分析表面粗糙度曲线,研究金刚石砂带磨削加工玛瑙石每种粒度能够达到的最小表面粗糙度及所用时间,分析每种粒度金刚石最优化浓度设计值。

2 实验方法

对于W 40以细金刚石砂带采用混胶法制作,金刚石浓度一般采用体积浓度表示。分别制作W 40、W 14、W 7体积浓度为11%、13.5%和16%的砂带(按砂轮浓度分别为44%、54%和64%)。

选取相同材质玛瑙石块,分别切割成3块80×10×8mm的样块,编号分别为m n-1、m n-2、m n-3。首先用CM 6152试验机采用200/230砂带将3块样块磨出斜面,然后用W 40-1、W 40-2、W 40-3分别磨削m n-1、m n-2、m n-3,磨削至表面形貌或粗糙度稳定为止,且每磨削5m in,对砂带、工件表面进行显微观察,并检测工件表面粗糙度;然后用W 14-1、W 14-2、W 14-3分别磨削已经W 40磨削后的m n-1、m n-2、m n-3,直至表面稳定,同样每磨削5m in观测1次;最后在W 14磨削的基础上分别用W 7-1、W 7-2、W 7-3磨削m n-1、m n-2、m n-3,直至表面稳定,同样每5m in检测一次。

3 W 40砂带不同浓度磨削表面

图1为200/230砂带磨削后的玛瑙表面形貌及粗糙度曲线。在工件固定不动的条件下,磨轮对其表面的加工主要为同方向的耕犁和切削,由图表可测量200/230目磨削的基本参数,见表1。

图1 200/230目磨削后工件表面形貌和粗糙度曲线Fig.1 Su rfacem o rpho logy ofw o rkp iece and the cu rve of roughness after grindingwith 280#diam ond grain size

表1 220/230目磨削基本参数Tab le 1 The basic parameters for grinding with 280#d iamond grain sizeμm

由粗糙度曲线,曲线凹陷处即为金刚石切削的凹槽,凹陷深度大小与金刚石出露高度有关,但是曲线整体走势则与砂带工作层表面不平度有关。由此可知,通过进一步提高表面涂布平整度、并通过十字交错磨削能够提高表面磨削质量。

W 40-1、W 40-2、W 40-3磨削5m in和10m in后工件形貌如图2所示。由粗糙度曲线测量W 40不同浓度和时间磨削的相关参数见表2。

图2 600目磨削工件表面形貌Fig.2 Surface morphology of workpiece after grinding with 600#diamond grain size

表2 W 40磨削基本参数Table 2 The basic parameters for grinding with W 40 diam ond grain sizeμm

3种浓度砂带磨削10m in后工作层表面形貌如图3所示,3种浓度砂带表面金刚石分布密度相差不大,金刚石出刃高度都较高且包镶良好。但从表2可知,随着浓度提高,切削厚度和粗糙度值有逐渐变小的趋势,表面磨削质量逐渐改善。从时间上来说,3种浓度砂带磨削5m in和10m in表面磨削质量基本无变化。我们对3种砂带磨削4小时的损耗量进行了对比,磨削对象为玛瑙,磨削结果如表3所示,由表3可知随着浓度提高,使用寿命逐渐提高,磨削效率逐渐降低,但相差不大。因此综合考虑,W 40砂带金刚石浓度选择13.5%～16%(v l%),单个工件达到磨削质量需要用时≤5m in。

图3 W 40砂带磨削后表面形貌Fig.3 Surface morphology of diamond belt with W 40 g rain size after g rinding

表3 W 40不同浓度砂带性能的对比Table 3 Comparison of the performance of W 40 diamond belt with different concentration

4 W 14砂带不同浓度磨削表面

W 14-1、W 14-2、W 14-3磨削5m in、10m in及20m in后工件形貌见图4所示。由粗糙度曲线测量W 14不同浓度和时间磨削的相关参数见表4。

表4 W 14磨削基本参数Table 4 The basic parameters for grinding with W 14 diamond grain sizeμm

图4 W 14磨削工件表面形貌Fig.4 Surface morphology of workpiece after grinding with W 14 diamond grain size

图5 W 14磨削后砂带工作层表面形貌Fig.5 Surface morphology of working layer of diamond belt with W 14 grain size after grinding

图5所示为3种浓度的砂带磨削后的表面形貌。由图表可得到以下几点结论:

(1)由粗糙度仪所测粗糙度值较金刚石实际切削厚度大得多,这是因为粗糙度值取样长度由于受到测试仪器的限制最低只能达到0.25mm,反映的是0.25mm内整体曲线的不平度。而整体曲线的不平度与工作层涂布不平度有关,因此可以认为,如果磨轮工作层涂布厚度均匀性足够好,W 14磨削粗糙度值可以达到0.03μm左右;

(2)3种浓度的砂带使用时,随着磨削时间的增加,磨削表面质量有逐渐改善的趋势,但是W 14-3达到稳定的磨削质量需要比其它浓度砂带多磨削35m in。这是因为,W 14-3金刚石浓度高,金刚石平均间距Ld只有1～2μm,金刚石排布过于密集,使磨削效率降低;

(3)W 14-1磨削5～20m in内表面质量相差不大,W 14-2也是如此,但是W 14-2比W 14-1磨削质量更好。这是由于W 14-2出露金刚石间距较W 14-1小,在对相同面积的工件表面加工时,能够产生更多的滑擦和耕犁作用,且两者磨削效率相差不大;

因此,W 14砂带金刚石浓度应选择11%～13.5%,磨削玛瑙达到最佳质量需10～20m in。

5 W 7砂带不同浓度磨削表面

W 7-1、W 7-2、W 7-3磨削5m in、10m in及20m in后工件形貌见图6所示。由粗糙度曲线测量W 7不同浓度和时间磨削的相关参数见表5。

图6 W 7磨削工件表面形貌Fig.6 Surface morphology of workpiece after grinding with W 7 diamond grain size

表5 W 7目磨削基本参数Table 5 The basic parameters for grinding with 3000#diamond grain sizeμm

图7所示为3种浓度的砂带磨削后的表面形貌。由图可知:

(1)如果工作层涂布均匀性足够好,W 7磨削粗糙度值最低可以达到8nm;

(2)W 7磨削时更多的表现为金刚石尖刃对工件表面的挤压和滑擦,如图8所示为W 7-1磨削玛瑙10m in后玛瑙表面放大1000倍后的图像,可知没有产生晶粒的破碎和耕犁的痕迹。由表可知,3种浓度磨轮相同时间内磨削工件表面质量相差不大,但W 7-1相对更好一点,这是因为W 7-1工作层表面出露金刚石颗粒数相对较少,单个金刚石对工件表面的挤压作用力更大一点,且出露金刚石间距足够小,能够保证在更短的时间内使工件表面的磨削质量更好。而W 7-2和W 7-3出露金刚石颗粒数太多,出刃过于密集,单个金刚石对工件表面的挤压作用力相对较小,需要更长时间的磨削才能达到最优的磨削质量,而且由于金刚石浓度太大,金刚石工作层整体柔性降低,在柔曲等砂带制造过程中更容易出现开裂的问题;

因此,综合考虑,W 7砂带金刚石体积浓度应选择≤11%,磨削玛瑙达到最佳表面质量所需时间为5～10m in。

图7 W 7磨削后砂带工作层表面形貌Fig.7 Su rfacem o rpho logy ofw o rk ing layer of diam ond beltwithW 7 grain size after g rinding

图8 W 7磨削后工件表面放大1000倍的形貌Fig.8 Surface morphology of workpiece after grinding with W 7 diamond grain size(×1000)

6 结论

通过几种主要粒度不同浓度也不同的砂带磨削高硬脆性材料的对比可知,金刚石砂带浓度的设计应当根据粒度不同而区别对待,但是不管哪种粒度,浓度设计总的原则是综合考虑砂带磨削的效率、寿命、表面质量以及达到最优表面所需时间,同时还要考虑工作层柔性、制作工艺和成本等等诸多因素。通过本次实验研究,我们可以得到以下几点结论:

(1)W 40砂带金刚石浓度选择13.5%～16%(vo l%),单个工件达到磨削质量需要用时≤5m in;

(2)W 14砂带金刚石浓度应选择11%～13.5%,磨削玛瑙达到最佳表面质量所需时间为10～20m in;

(3)W 7砂带金刚石浓度应选择≤11%,磨削玛瑙达到最佳表面质量所需时间为5～10m in。

[1] 贾晓鹏.金刚石合成的溶剂理论及当今行业热点问题的探讨[C].中国超硬材料,2001,1(3):1-11.