钎焊金刚石砂轮磨削硬质合金的磨削力研究

詹友基 李 远 黄 辉 徐西鹏

1.华侨大学,泉州,362021 2.福建工程学院,福州,350108

0 引言

硬质合金具有高硬度、高抗压强度、耐高温、耐磨损等优越性能,在刀具、模具、量具、耐磨结构件和采掘工具制造领域的应用日益广泛[1]。利用金刚石砂轮进行磨削是加工硬质合金最主要的工艺方法。传统的金刚石磨削砂轮,如树脂结合剂和电镀砂轮广泛应用于各种硬质合金的磨削加工。但无论是树脂结合剂砂轮,还是电镀金刚石砂轮,都存在把持力小,磨粒裸露高度和容屑空间小、金刚石利用率低、易造成环境污染的明显缺陷[2-3]。因此,硬质合金的广泛应用迫切需要新的高效高质量的先进磨削加工工艺。国外20世纪90年代初开始以高温钎焊替代电镀开发单层超硬磨料砂轮,目的是利用钎焊的化学冶金结合,改善结合强度,可使磨料裸露高度达到磨料高度的70%～80%,容屑空间大,不易堵塞,有效磨料切刃更多、更锋利,在高效磨削中更能显示出其优势[3-4]。

磨削力是研究磨削过程的重要加工过程参量,其大小将直接影响到硬质合金的磨削质量和加工成本。在磨削加工中,材料磨削的难易程度可以用F t/F n来说明,它表示了磨粒切入工件的难易程度,与被磨材料的物理和机械性能以及砂轮的锐利程度等有关。因此,磨削力及磨削力比的研究有着重要的理论价值和实际意义。目前,对钎焊金刚石磨削硬质合金过程中磨削力及力比还少有研究。本文采用真空炉中钎焊技术来制作钎焊金刚石砂轮,通过磨削硬质合金进行实验研究。

1 实验条件与方法

制作金刚石砂轮的基体为 45钢,直径d s=155mm,宽度 b=6mm。选用高品质金刚石(ISD1650),粒度为30/35,钎焊后的金刚石颗粒间隔为1mm(图1)。采用真空炉中钎焊技术来制作钎焊金刚石砂轮,钎焊温度为 1050℃,保温15min,真空度为0.49Pa,所用钎料为镍基合金粉末。

磨削加工实验在精密平面磨床(型号MSG-250HMO)上进行。工件选择两种典型的硬质合金(YG8和YT30),其性能如表1所示。工件尺寸长度 20mm。改变砂轮速度vs(14.6～23.5 m/s)、切深 ap(0.01～0.03mm)和进给量 v w(100～300mm/s)进行顺磨加工。磨削中不加冷却液。采用Kistler 9257BA型压电晶体测力仪测量不同磨削参数下工件承受的垂直方向的磨削力Fv和水平方向的磨削力Fh。图2所示为采集的典型的垂直方向的磨削力F v信号。实验装置示意图见图1。数据采集后传输并存储到PC机,通过虚拟数字滤波器进行滤波处理。每次实验重复三次求平均值以提高数据的准确性。

图1 实验装置示意图

表1 硬质合金材料性能表

图2 磨削力典型信号

2 实验结果与讨论

以往的研究表明,在切深较小的平面磨削条件下,F t与F n以及F h与F v在数值上基本相等[5],因此法向力Fn和切向力Ft分别用实验所测得的垂直力F v和水平力F h替代。

单位宽度砂轮实际承受的平均法向载荷F′n和切向载荷F′t的大小可以计算如下：

单颗磨粒最大切屑厚度hmax是研究加工过程中很重要的一个物理量(图3),它直接影响到单颗磨粒的受力情况,磨削加工参数的影响可由hmax来反映,hmax可表达为[6]

式中,C为平均单位面积内实际参与切削的有效磨粒数(本实验中C为0.685);θ为磨粒顶锥角的一半,这里取θ=60°。

图3 单颗磨粒未变形切屑示意图

单颗磨粒实际承受的平均法向载荷P n和切向载荷Pt的大小可以表示为

2.1 单颗磨粒磨削力模型及分析

磨削中大部分的能量是消耗在砂轮与工件的滑擦作用上。而滑擦作用很大程度上受下面引入的另外一个参量A g,即单颗金刚石磨粒耕犁的两侧面面积(图3)的影响,它综合考虑了单颗金刚石磨粒最大切削厚度h max与切削长度l c的影响。由图3可得[6]

假设单位宽度磨削切向力和单颗金刚石耕犁的两侧面面积A g及切屑体积由于钎焊金刚石砂轮的有序单层排布及假设磨粒等高,对于制作好的工具,C可认为是常数。)有如下的关系：

式中,k1、k2为系数;x、y为待求的数。

然后通过实验数据的拟合情况来验证假设的合理性。据文献[7],在磨削弧区的平均法向接触应力σn和平均切入角ε之间存在一个对应的关系：

故有

式中,k3、k4为系数;z为待求的数。

对于单颗磨粒承受的载荷,假设磨削力都加载在金刚石上,从而有

式中,k5、k6为系数。

结合式(11)和式(12),力比 F′t/F′n可表达为

利用以上各式对单位宽度砂轮和单颗磨粒所承受的切向力、法向力进行回归分析,分别求出各系数,从而确定磨削深度、进给速度、砂轮线速度对单位宽度砂轮、单颗磨粒磨削力及力比的影响程度。回归的效果可以从图4、图5所示的回归曲线中直观地看出来。这说明实验数据推算出来的单位宽度砂轮和单颗金刚石磨粒承受的载荷和前面的理论推导模型有着较好的一致性,也就是切向力与单颗金刚石耕犁的两侧面面积 Ag及切屑体积,法向力与弧区内法向接触应力σn有着较好的对应关系。

从图4求得的回归方程可以看出,增大磨削深度ap和进给速度v w都会导致单位宽度法向力F′n和单位宽度切向力F′t的增大,但磨削深度对磨削力的影响要比进给速度明显。这主要是因为增大磨削深度除了引起切削厚度增大外,还会使金刚石磨粒与硬质合金接触弧长随之增大,导致磨削弧区内参与切削的磨粒数增多(增大进给速度磨削弧区内的磨粒数基本不变),而磨削力近似等于单颗磨粒载荷乘以磨削弧区内的有效磨粒数;另外,磨削弧区增大使排屑困难,砂轮由于摩擦作用而磨损加剧,也会导致磨削力增大。因此从这两方面看,ap对磨削力的影响要比v w对磨削力的影响大。随着砂轮线速度的增大,单位时间参与切削的总磨粒数增多,使每颗磨粒切削厚度减小,单颗金刚石磨粒承受的载荷减小,机械磨损也相应减弱,单位时间内功耗减小,导致磨削力减小。这可减小磨削过程中的变形,提高工件的加工精度。在相同的磨削条件下,YG8合金所受的磨削力要比YT30合金所受的磨削力大,主要是由于YG8合金具有较好的韧性,塑性变形大所致。对比文献[8]中用树脂结合剂金刚石砂轮磨削硬质合金的磨削力,在相同的条件下,树脂结合剂金刚石砂轮磨削硬质合金的法向力约为钎焊金刚石砂轮磨削硬质合金的法向力的2倍,而切向力约为3～4倍。这说明钎焊金刚石砂轮能有效减小磨削力,提高加工精度。

图4 单位宽度磨削力回归方程及图示

从图5求得的回归方程可以看出,增大磨削深度和进给速度都会导致单颗金刚石磨粒平均承受的载荷增大,而进给速度对其影响程度要比磨削深度明显。这是因为增大进给速度时,单颗金刚石磨粒最大切削厚度和法向接触应力增大的幅度要比增加磨削深度明显,磨削深度的增大虽然造成了总磨削力的增大,但是由于磨削弧区的增长也使同时参与切削的金刚石磨粒的个数增加,从而使单颗磨粒平均承受的载荷增加的幅度有所下降。

图5 单颗金刚石磨削载荷回归方程及图示

2.2 单颗金刚石磨粒平均承受载荷与最大切屑厚度关系

图6 所示为在不同的材料去除率Q′w下单颗金刚石磨粒平均承受的法向力和切向力与单颗金刚石磨粒最大切削厚度的关系。由图6可见,在某一固定材料去除率Q′w下,Pn和Pt基本上随着hmax的增大而增大。在固定Q′w的情况下,h max增大的过程实际上就是磨屑由细长型变为粗短型的过程,如图7所示,即大切深和小进给的组合变到小切深和大进给组合。再结合式(3)可知,在生产效率一定的情况下,采用大切深小进给的磨削参数组合有利于降低单颗金刚石磨粒所承受的磨削力。

图 6 不同 Q′w下磨削硬质合金时P n和P t随h max的变化曲线

图7 固定Q′w时不同h max下未变形切屑的形态变化

2.3 磨削力比分析

同样,利用式(13)对力比进行回归分析,从图8所求的回归方程可以看出,随切深、工件进给速度的增大及砂轮速度的下降,力比 F′t/F′n上升。增大切深、增大工件进给速度及减小砂轮速度,硬质合金以脆性断裂方式去除增多,而脆性断裂所需的使裂纹扩展的法向磨削力较小,因此力比上升。但进给速度对力比影响程度要比磨削深度明显。这是由于增大进给速度时,单颗金刚石磨粒最大切削厚度和法向接触应力σn增大的幅度要比增加磨削深度明显。

图8 力比回归方程及图示

图9 所示为F′t与 F′n的关系曲线,图中直线为最小二乘法拟合曲线。文献[7]指出F′t与F′n的关系为一条直线,斜率为μ,所以拟合曲线斜率实际上反映了摩擦因数的大小。由图9可见,在所有的加工条件下,摩擦因数基本为常数在0.2左右,比文献[9]所介绍的常规砂轮磨削难加工材料的力比(0.31～0.83)要小得多,与文献[10]中树脂结合剂金刚石砂轮磨削不同陶瓷的力比(0.05～0.42)中的磨削烧结氮化硅和热压氮化硅相当,比文献[5]中磨削花岗石的力比(0.06～0.15)大,比文献[11]中树脂结合剂金刚石砂轮磨削硬质合金的力比(0.45～0.51)要小得多。力比小说明砂轮与工件的摩擦较小,这可能与钎焊金刚石砂轮表面上磨粒有序分布有很大关系。摩擦因数基本为常数,说明金刚石与硬质合金之间的运动符合Coulomb定律描述的滑动摩擦方式。另外YT30的摩擦因数与YG8的基本相等。

图9 单位宽度切向力对单位宽度法向力

3 结论

(1)根据实验数据计算出的单颗金刚石磨粒承受的载荷和理论模型推导载荷基本一致。

(2)磨削用量三要素对单位宽度磨削力的影响程度：磨削深度最大,进给速度次之,转速产生负影响。在固定材料去除率Q′w下,单颗金刚石所承受的法向力和切向力随h max的增大而增大。进给速度对单颗金刚石所受磨削力及力比的影响程度比磨削深度大。因此实际磨削过程中,采用大切深小进给和高速度的组合有利于降低金刚石所承受的磨削力,有利于延长工具寿命,并可降低摩擦能耗。

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