金刚石砂轮磨削Si3N4陶瓷产生堵塞的影响因素

田欣利， 纪凯文， 吴志远, 蕾 雷， 何祥炎

(装甲兵工程学院装备维修与再制造工程系， 北京 100072)

金刚石砂轮磨削Si3N4陶瓷产生堵塞的影响因素

田欣利， 纪凯文， 吴志远, 蕾 雷， 何祥炎

(装甲兵工程学院装备维修与再制造工程系， 北京 100072)

为解决金刚石砂轮磨削Si3N4陶瓷容易产生堵塞的问题，采用容差检测方法，探究了乳化液的浓度、流速，磨件移动速度，磨削进给量以及砂轮转速对砂轮堵塞的影响作用。结果表明：乳化液浓度越高、流速越快，砂轮越不容易堵塞；机床速度越快、进给量越大，砂轮越容易堵塞；砂轮转速越快，堵塞越严重。

Si3N4陶瓷； 金刚石砂轮； 堵塞； 磨削加工； 容差法

工程陶瓷属于典型的硬脆性材料，具有加工难度大、成本高、效率低等特点。通常采用的磨削加工容易堵塞砂轮，从而影响工程陶瓷加工的精度、成本以及效率[1]。目前，解决砂轮堵塞的方法有多种，如改变砂轮的结构、改变砂轮表面的成分、改变浇注方式、采用陶瓷专用磨削液等，但这些方法存在操作复杂、工作繁琐和成本高等问题，而合理选择工艺参数是解决此问题的可选手段之一。因此，笔者采用容差检测方法，分别研究了乳化液浓度、流速，磨件移动速度，磨削进给量以及砂轮转速对砂轮堵塞的影响作用，以期为减少砂轮堵塞和提高陶瓷的加工质量提供指导[2-3]。

1 容差法的确定

砂轮检测方法有多种，如X射线荧光法、扫描电子显微镜法、电涡流法以及红外传感器法等，但是这些方法存在一定的限制性，且需要的设备数量多，装夹要求有限定，不适合一般的机床[3-5]。因此，本实验采用一种新的测量方式——容差法。该方法无需繁琐的检测设备，也不需要改造砂轮机构，操作简捷，实用性强，检测程序简化，具有较高的时效性。

容差法利用图像的色差来区别堵塞区域与非堵塞区域。选中堵塞区域后，图像软件会显示出堵塞区域的像素，该像素数值即为堵塞面积。图1(a)为金刚石砂轮堵塞照片，通过容差法选中的堵塞区域如图1(b)所示。堵塞像素与图片像素的比值即为砂轮堵塞的评价标准。

图1 容差检测堵塞区域照片

2 乳化液浓度和流速对堵塞的影响

2.1 乳化液的选择

有关学者[4-8]研究表明：利用有机物的润滑功能和其官能团的化学活性可以有效地辅助工程陶瓷的加工。磨削工件Si3N4属于非极性物质，由于烷烃油膜表面的非极性对非极性的磨屑吸引附能力很强，因此本实验选用石蜡-OP10-Span80作为乳化液。

2.2 实验设计

将砂轮转速定为3 000 r/min，通过电子输液泵将乳化液流速定为500 mL/h，每组实验的磨削时间定为3 min，分别进行乳化液浓度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%时的磨削实验。

选用乳化液浓度为10%，其他参数保持不变，分别进行乳化液流速为100、200、300、400、500、600、700、800 mL/h时的磨削实验。

实验结果处理和评价过程为：磨削实验完成后，用摄像头沿砂轮圆周对其进行完整拍摄，每组实验均匀取7个位置，然后通过容差法计算出各位置的堵塞比例，得出每组的平均堵塞比例。

2.3 实验结果及分析

利用Origin Pro9.0得出砂轮堵塞比例随乳化液浓度和流速的变化曲线,分别如图2、3所示。

图2 砂轮堵塞比例随乳化液浓度变化曲线

由图2可知：随着乳化液浓度的升高，砂轮堵塞比例越来越低，最终达到0，其呈单调递减趋势，且逐渐趋于平缓。这是因为随着乳化液浓度的升高，乳化液非极性的属性得到不断增强，对非极性Si3N4陶瓷磨屑的吸附能力也越来越强，乳化液流动过程中可带走的磨屑量也逐渐增大，从而降低了砂轮的堵塞率。因此，选择高浓度的乳化液，有利于提高砂轮的磨削效能、减缓堵塞。

图3 砂轮堵塞比例随乳化液流速变化曲线

由图3可知：随着乳化液流速的加大，砂轮堵塞比例不断减小，最终在800 mL/h时达到0，其呈单调递减趋势，且减小的速率由慢到快。其原因为：乳化液具有清洗作用，并随着乳化液流速的加大而显著增强，对磨削的冲击力也会变大，可在磨削过程中带走更多的磨屑。

3 磨件移动速度和磨削进给量对堵塞的影响

3.1 实验设计

在乳化液浓度为10%、乳化液流速为500 mL/h、砂轮转速为3 000 r/min、磨削时间为3 min的工艺条件下，分别考察了在走刀次数不变和磨削总进给量不变的情况下,磨件移动速度与磨削进给量对砂轮堵塞的影响。实验分为2组，其实验结果处理和评价过程同2.2节。

1) 工作台的行程(往复行程)为26 cm，往复时间分别为5、4、3、2、1 s，则磨件移动速度分别为V1=0.052 m/s，V2=0.065 m/s，V3=0.087 m/s，V4=0.13 m/s，V5=0.26 m/s。磨削进给量(每刀的进给量)设为M1=0.01 mm，M2=0.02 mm，M3=0.03 mm，M4=0.04 mm，M5=0.05 mm。磨削走刀均为12次，分别考察上述某一变量不变时，另一变量对砂轮堵塞的影响作用。

2) 保持磨削总进给量Ma=0.6 mm不变，则磨削进给量mi(i=1，2，…,5)对应的走刀次数相应改变。考察磨件移动速度和走刀次数(图中用相应的磨削进给量表示)分别发生变化时对砂轮堵塞的影响情况。

3.2 磨削走刀次数不变

图4为磨削走刀次数不变时，不同磨削进给量下砂轮堵塞比例随磨件移动速度的变化曲线，可以看出：1)第1组实验中，曲线呈平缓趋势，且基本稳定在“0”附近，说明此时基本堵塞发生，其原因可能为磨削进给量小；2)除第1组实验外，曲线呈单调递增的趋势，砂轮堵塞程度随磨件移动速度的增大而增大。在实验过程中，由于实验的浇注模式为小流量浇注，因此乳化液的冷却作用不会明显体现出来，而随着磨件移动速度的增大所出现的明显烧焦味，也可说明磨削力随磨件移动速度增大而增大，堵塞也会越严重。

图4 磨削起刀次数不变时，不同磨削进给量下砂轮堵塞比例随磨件移动速度变化曲线

图5为磨削走刀次数不变时，不同磨件移动速度下砂轮堵塞比例随磨削进给量的变化曲线，可以看出：每条曲线呈单调递增的趋势，说明随着进给量的增加，堵塞程度也越严重。这是因为：随着进给量的增加，砂轮的磨削力也会增大，对工件的切削能力也会随之增强，导致其堵塞比例增大。

图5 磨削起刀次数不变时，不同磨件移动速度下砂轮堵塞比例随砂轮进给量变化曲线

3.3 磨削总进给量不变

图6为磨削总进给量不变时，不同走刀次数下砂轮堵塞比例随磨件移动速度的变化曲线，可以看出：1)每条曲线呈单调递增的趋势，随着磨削进给量的增加，堵塞程度也越严重；2)进给速度为0.13 m/s时砂轮开始堵塞，此点为堵塞的一个临界点，也是起始点。其原因同3.2节的叙述。

图6 磨削总进给量不变时，不同起刀次数下砂轮堵塞比例随磨件移动速度变化曲线

图7为磨件移动速度不变时，砂轮堵塞比例随磨削进给量的变化曲线，可以看出：1)每条曲线呈单调递增的趋势，表明随着磨削进给量的增加，堵塞程度也会严重；2)在V2、V3、V5时，对应3条曲线的斜率都比较小，且Va所对应的曲线斜率最小。该组实验是在保证总进给量一致的情况下进行的，不同于上述实验中进给量的改变就会导致总进给量的变化，由此可以看出:1)进给量的增加对堵塞的影响并不是很明显;2)磨削总进给量的影响要大于进给量的影响，也就是与走刀次数有关;3)相同磨削进给量时，走刀次数越多，堵塞越严重[9-10]。

图7 磨件移动速度不变时，砂轮堵塞比例随砂轮进给量变化曲线

4 砂轮转速对堵塞的影响

4.1 实验设计

根据上述实验，选定乳化液浓度为10%，乳化液流速500 mL/h，工件移动速度为0.179 m/s，进给量为0.03 mm,走刀次数为12刀。由于砂轮磨削的最低线速度为1 300 m/min ，砂轮直径R=20 cm，计算出周长C=0.628 m，并计算出最低转速为2 070 r/min。因此，实验的转速设计为2 200、 2 400、2 600、2 800、3 000、3 200、3 400、3 600 r/min。后续实验结果处理同2.2节。

4.2 实验结果及分析

图8为砂轮堵塞比例随砂轮转速的变化曲线，可以看出：当转速增加时，砂轮的堵塞也会随着转速的增加而加剧，堵塞比例趋于平缓。其原因是：砂轮磨削过程中，转速的增加使得磨粒的最大切深减小，切削截面积减小，同时切削次数与磨削热增加，使得砂轮的堵塞量不断增加。

图8 砂轮堵塞比例随砂轮转速变化曲线

[1] 岳中波. 磨料水射流径向模式车削工程陶瓷材料工艺优化研究[D]. 济南：山东大学, 2014.

[2] Li W Y, Zhu H T, Wang J, et al. An Investigation into the Radial-mode Abrasive Waterjet Turning Process on High Tensile Steels[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2013, 51(2): 61-63.

[3] 曹甜东，盛永华.磨削工艺技术[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2009:27-46.

[4] 纪凯文. 砂轮磨削氮化硅陶瓷防堵塞中的有机磨削液应用[J]. 中国科技博览, 2015, 34(29):360.

[5] 吴志远, 梁克高, 田欣利,等.烷烃磨削液应用于Si3N4陶瓷磨削时的砂轮堵塞机理及改性研究[J]. 装甲兵工程学院学报, 2010,24(6):86-88.

[6] 刘海渔，磨削加工中磨削液对砂轮堵塞影响的试验分析[J].徐州工程学院学报，2005,20(1):99-101.

[7] 杨立志，赵琳，罗根祥.浊度比法测定乳化蜡稳定性研究[D].沈阳:辽宁石油化工大学,2011.

[8] 刘海渔. 砂轮磨损机理分析及砂轮堵塞的实验研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2006.

[9] Tian X L, Wu Z Y, Hu Z X. Mechanism of Organic Grinding Fluid of Ceramics Based on Long Carbon Chain Alcohol and Halogenated Hydrocarbons[J].Materials Science Forum，2006,52(53):404-407．

[10] 郭昉,张保国,田欣利,等. 陶瓷轴向磨削加工实验分析及砂轮磨损研究[J].中国机械工程,2012,23(11):1276-1279.

(责任编辑: 尚菲菲)

Analysis of Factors Affecting Clogging in Diamond Wheel Grinding of Si3N4Ceramic

TIAN Xin-li, JI Kai-wen, WU Zhi-yuan, LEI Lei, HE Xiang-yan

(Department of Equipment Remanufacture Engineering, Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072, China)

To solve the clogging problem which is easily caused by diamond wheel grinding of Si3N4ceramic, tolerance detection method is adopted to explore the influence of emulsion concentration, emulsion flow rate, wheel speed, moving speed of machine and feed amount of grinding on wheel clogging. The results show that: the higher the emulsion concentration is, the less the wheel is prone to clogging; the faster the emulsion flows, the less the wheel is prone to clogging; the faster the machine runs, the more the wheel is prone to clogging; the more the feed amount of grinding is, the more the wheel is prone to clo-gging; and the higher the wheel speed is, the more serious the clogging is.

Si3N4ceramic; diamond wheel; clogging; grinding; tolerance method

1672-1497(2015)06-0089-04

2015-06-16

国家自然科学基金资助项目(51275527)

田欣利(1956-)，男，教授，博士。

TB321; TG580.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.017