關鍵詞　工程陶瓷；單顆金剛石；磨損規律；正交試驗

 

氮化硅、碳化硅等工程陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等優異性能，目前已研發出多種先進技術對其進行加工。受到自身硬脆特性的制約，采用金剛石砂輪進行磨削加工仍是工程陶瓷材料主要的加工方法。砂輪表面鑲嵌的金剛石磨粒的空間分布、輪廓外形、機械性能等因素關系到磨粒的切削性能與磨削質量。其中，磨粒輪廓決定參與加工的動態有效磨削刃數量和形態，對實際磨削機制及效率有至關重要的影響。

磨粒對工程陶瓷的塑性去除過程包括滑擦、耕犁和切削三個階段^[1]，同時磨粒本身也會出現磨損、脫落、破碎或刃尖自礪等行為。由于制造工藝方面的原因，金剛石磨粒在砂輪工作表面上分布是不均勻的，不僅高低參差不齊，外面形貌也各有差異。一些學者將磨粒抽象為簡單的幾何形狀，用規則的金剛石顆粒代替實際磨粒進行磨損破碎、切屑成形和磨削應力方面實驗研究^[2－4]。王成勇研究了單顆粒金剛石磨削花崗巖表面時的聲發射信號與磨削過程的關系，并以正交試驗結果分析單顆粒磨削工藝對玻璃等硬脆材料的磨削力和表面形貌的影響^[5－6]；張桂全按照運動學中的點速度合成定理，求解單顆金剛石磨粒切削面積^[7]；林思煌等人用人造金剛石顆粒劃擦玻璃試件，根據劃痕形貌分析劃擦過程中的磨削力^[8]；王君明等人進行了單顆磨粒的平面磨削三維動態有限無仿真的研究^[9]。關于磨粒磨損規律方面的研究近年來鮮有見到。筆者利用自行研制的單顆粒金剛石工具劃擦幾種典型工程陶瓷材料，研究加工工藝參數、金剛石形狀對平面磨削中磨粒磨損規律的影響，為加工陶瓷時磨粒生產、選取及砂輪制備提供實驗與理論基礎。

 

砂輪工作表面的金剛石磨粒呈不規則的幾何形狀，刃尖切削性能主要受到加工方向垂直面內頂錐角2θ影(ying)響。從(cong)砂(sha)輪(lun)工作表(biao)面(mian)形(xing)貌(mao)圖(tu)(tu)來看(kan)（圖(tu)(tu)1），分(fen)布(bu)在(zai)砂(sha)輪(lun)表(biao)面(mian)的(de)(de)單顆金剛石(shi)磨粒(li)(li)(li)通常(chang)含有(you)多個有(you)效刃尖，因(yin)而具有(you)不同的(de)(de)頂錐角。圓錐形(xing)金剛石(shi)顆粒(li)(li)(li)在(zai)實驗中不受切(qie)入方向影(ying)響，其尖端部分(fen)能充(chong)分(fen)模擬平(ping)面(mian)磨削(xue)中磨粒(li)(li)(li)多種切(qie)削(xue)刃的(de)(de)加工狀(zhuang)態(tai)，從(cong)而簡(jian)化對各(ge)類形(xing)態(tai)金剛石(shi)磨粒(li)(li)(li)的(de)(de)磨損規律分(fen)析。

 

圖1　金剛(gang)石(shi)砂(sha)輪工作(zuo)表層磨(mo)粒(li)分布(bu)圖

 

金剛石是具有飽和性與方向性的共價鍵晶體，分為天然和人造兩類^[10].在普通加工條件下(xia)，宜首(shou)先磨(mo)(mo)削性(xing)能適(shi)中、價格低廉的(de)人造金(jin)(jin)剛石(shi)為磨(mo)(mo)粒(li)毛坯材料(liao)。毛坯料(liao)與(yu)另一特型金(jin)(jin)剛石(shi)磨(mo)(mo)頭對研(yan)(yan)后(hou)(hou)，使其初步刮研(yan)(yan)成Φ0.8mm的(de)細棒料(liao)。在準備的(de)Φ1.5mm黃銅(tong)(tong)上鉆盲孔(kong)，孔(kong)徑(jing)Φ0.9mm，孔(kong)深(shen)1mm。將研(yan)(yan)磨(mo)(mo)好的(de)金(jin)(jin)剛石(shi)棒料(liao)嵌入銅(tong)(tong)孔(kong)中，加入適(shi)量專用(yong)焊藥進(jin)(jin)行釬焊，使金(jin)(jin)剛石(shi)棒料(liao)與(yu)黃銅(tong)(tong)基(ji)(ji)體(ti)間(jian)緊密聯結。使用(yong)CJK0635精(jing)密儀表(biao)車(che)床精(jing)車(che)焊接(jie)好的(de)銅(tong)(tong)基(ji)(ji)金(jin)(jin)剛石(shi)棒料(liao)，再經專用(yong)研(yan)(yan)磨(mo)(mo)機(ji)加工金(jin)(jin)剛石(shi)磨(mo)(mo)粒(li)頂錐(zhui)角(jiao)2θ至設(she)定角(jiao)度。在專用(yong)磨(mo)(mo)弧機(ji)上對金(jin)(jin)剛石(shi)磨(mo)(mo)粒(li)頂端圓弧半徑(jing)進(jin)(jin)行精(jing)密研(yan)(yan)磨(mo)(mo)，使其尖端圓弧半徑(jing)達到(dao)指定數值(zhi)，最后(hou)(hou)將精(jing)加工好的(de)銅(tong)(tong)基(ji)(ji)金(jin)(jin)剛石(shi)磨(mo)(mo)粒(li)釬焊到(dao)Φ4mm高性(xing)能Cr鋼圓棒上，完(wan)成單顆粒(li)金(jin)(jin)剛石(shi)磨(mo)(mo)具(ju)的(de)制作。圖(tu)2為該磨(mo)(mo)具(ju)的(de)基(ji)(ji)本結構及尺寸示意圖(tu)。

 

圖2　單顆粒金剛石磨具結構(gou)與(yu)尺寸

 

實際磨削過程中機械、物理、化學等綜合作用將造成砂輪磨損和切削能力下降，磨粒磨損是造成這一現象的重要原因。由于砂輪表面磨粒與工件表面的滑擦作用、磨粒與磨削區的化學反應以及磨粒的塑性變形，使磨粒切削刃逐漸磨鈍變平，甚至直接從砂輪表面脫落，從而推動原有的切削作用，磨削力也因磨粒的鈍化效應顯著增大，工件加工精度下降，表面呈現出各種微觀損傷。通過研究單個磨粒劃擦過程中的磨損規律，能夠逐步掌握和分析砂輪磨削中的磨損情況與使用壽命，并控制磨粒切削刃保持為良好的切削狀態。

以單顆金剛石模擬磨粒進行劃擦時，保持金剛石磨粒頂錐角2θ不變(bian)，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)尖(jian)端(duan)(duan)的(de)(de)圓弧(hu)半(ban)(ban)徑代表(biao)(biao)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)刃鋒利程度(du)和切(qie)削(xue)能力。砂輪工作(zuo)表(biao)(biao)面上不同磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)的(de)(de)尖(jian)利特性(xing)，可由垂直磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)平面內磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)輪廓投影(ying)的(de)(de)頂錐(zhui)角和圓弧(hu)半(ban)(ban)徑表(biao)(biao)片(pian)。在(zai)理(li)想的(de)(de)單顆(ke)粒(li)金(jin)剛石(shi)(shi)劃(hua)(hua)擦(ca)實驗(yan)中，作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)上的(de)(de)應力超過磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)自身強度(du)時，部分磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)將以解理(li)或破碎的(de)(de)形式從(cong)基體上脫落，造成磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)頂錐(zhui)角發生改(gai)變(bian)；正常劃(hua)(hua)擦(ca)時，受到陶瓷材(cai)料與磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)間(jian)的(de)(de)頻繁摩擦(ca)和擠壓作(zuo)用(yong)(yong)，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)尖(jian)端(duan)(duan)的(de)(de)圓弧(hu)半(ban)(ban)徑會按特定(ding)規律逐(zhu)漸增大，從(cong)而使磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)喪(sang)失原有的(de)(de)切(qie)削(xue)性(xing)能。因此，在(zai)固定(ding)頂錐(zhui)角的(de)(de)劃(hua)(hua)擦(ca)實驗(yan)下，利用(yong)(yong)單顆(ke)粒(li)金(jin)剛石(shi)(shi)尖(jian)端(duan)(duan)圓弧(hu)半(ban)(ban)徑的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損規律來衡量砂輪磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)實際(ji)切(qie)削(xue)尺的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損特性(xing)是有效可行(xing)的(de)(de)。

　　采用基于掃描電子顯微鏡與數據擬合的方法測量單顆粒金剛石尖端圓弧半徑。將制備的單顆粒金剛石磨具平躺置于掃描電鏡樣品室中，使試樣中心軸線與載物臺保持平行。調整電鏡使其放大倍率為1200時，采集金剛石顆粒邊緣輪廓清晰完整的圖像，如圖3所示。運用圖像處理程序，進行表面灰質化、圖像增強和平滑等預處理后，使用閾值分割算法將圖形分為顆粒及其背景2塊區域，按Canny邊緣檢測算法設置雙閾值T₁=80和T₂=130，提取連續、細膩的試樣輪廓線條。而后以圖形左上方為直角坐標原點，在輪廓線條上逐點進行坐標采樣，應用20階多項式函數擬合采樣坐標點（x_i,y_i），并按式（1）計算金剛石顆粒尖端圓弧半徑。

 

　　　（1）

式中，R₀為金剛石尖端圓弧半徑，Ｒ_f為擬合曲線方程y=f(x)的最小曲率半徑，l_r為掃描電鏡圖像中度量標尺代表的實際尺寸，n_p為標尺占據的橫向像素數目，N為一個像素點在擬合方程中對應的實際大小。

　　選用反應燒結SiC和氣氛燒結Si₃N₄材料，工件尺寸均為45mm×4mm×3mm，單顆粒金剛石劃擦實驗在45mm×4mm表面進行。兩種材料主要性能如表1所示。

 

表1　試驗用(yong)工程陶瓷材料(liao)性能表

 

采用北京機電院生產的FANUC BV75立(li)式加(jia)工中(zhong)心為(wei)(wei)試驗(yan)平臺(tai)。該設備主要技術參數為(wei)(wei)：主軸功(gong)率(lv)15KW，最高(gao)轉速7000r/min，定位精度(du)≤0.016mm；工作臺(tai)伺服(fu)電(dian)機功(gong)率(lv)7KW，最大進(jin)(jin)給(gei)速度(du)15m/min；冷卻泵流量60L/min，劃擦(ca)實驗(yan)中(zhong)采(cai)用水基磨(mo)削液進(jin)(jin)行適(shi)度(du)冷卻。實驗(yan)前依次(ci)將試件粘(zhan)在金屬面(mian)(mian)板上，使用XD－250ＡＨ平面(mian)(mian)磨(mo)床對劃擦(ca)表(biao)面(mian)(mian)進(jin)(jin)行精密修整加(jia)工。利(li)用FEI公司生產的Nova NanoSEM450場發(fa)射掃描電(dian)鏡觀察(cha)磨(mo)具表(biao)面(mian)(mian)形貌(mao)和測(ce)量金剛石顆(ke)粒尖商圓弧半徑。

通過改變劃擦實驗中材料種類、磨粒尖端頂錐角2θ、磨削深度a_p和工作臺速度v_w，觀察統計規律已知砂輪磨粒下金剛石磨粒磨損規律。按照統計規律已知砂輪磨粒頂錐角在80°~145°間變動[1]，2θ大于90°的磨粒所占比例增多，表明以負前角切削的磨刃概率加大，對提高砂輪磨削效率和改善陶瓷表面質量有顯著意義。為此試驗中制備了60°、90°和120°三種頂錐角的單顆粒金剛石磨具，磨具初始圓弧半徑均研磨為R₀=2μm。以粒度100^#、金剛石濃度100%的樹脂結合劑金剛石為參照，試驗中主軸固定、磨削深度取值0.01mm和0.03mm、工作臺速度取值8m/min和12m/min。沿試樣長度方向劃擦行程為l=60mm，每次劃擦后，在掃描電子顯微鏡下記錄磨具表面形貌并測量尖端圓弧半徑，直至金剛石顆粒完全破損失效。據此擬定單因素試驗和正交試驗，具體試驗方案及參數如表2所示，其中第1~5組實驗為面向Si₃N₄的單因素試驗，第6~9組試驗為以SiC為對象的正交試驗。

 

表2　單顆粒金剛石(shi)劃(hua)擦(ca)磨損(sun)試驗方(fang)案

 

　　以相同磨削深度和工作臺速度在Si₃N₄陶瓷材料表面進行劃擦實驗，得到不同頂錐角時劃擦行程與單顆粒金剛石尖端圓弧半徑的變化規律，如圖3所示。從圖3中可看出，頂錐角2θ對金剛石顆粒磨損速率影響很大，60°頂錐角使顆粒磨損速度加劇，尖端圓弧半徑僅經歷7個劃擦行程共420mm即達到極限值，而120°頂錐角使金剛石顆粒抗磨損性能大為增強，在劃擦1140mm后才達到完全破損狀態，其磨損壽命為小頂錐角磨粒磨損壽命的若干倍。

 

　　金剛石磨粒劃擦過程中因尖端破碎或崩落導致圓弧半徑的不規則增大，這與實際磨削中磨粒破碎脫落而產生新磨刃的“自礪”作用相符。采用掃描電鏡進行觀測，發現劃擦后金剛石磨粒尖端同時存在解理剝落和擠壓破碎現象，如圖4所示。

 

 

　　按第6組試驗方案進行劃擦實驗，與第2組試驗方案結果進行對比，發現陶瓷材料性能對單顆粒金剛石磨損規律的影響較為顯著。圖5為相同頂錐角、磨削深度及工作臺速度的劃擦條件下，單顆粒金剛石尖端磨損變化情況示意圖。SiC陶瓷材料以不足700mm的劃擦總行程，率先導致單顆粒金剛石發生不可逆的破損。對Si₃N₄陶瓷的劃擦實驗在初始階段磨粒磨損較為嚴重，但最終破壞的時間略微超過SiC陶瓷。這可能與SiC陶瓷更高的材料硬度和彈性模量等性能參數相關，單顆粒金剛石劃擦高硬脆材料時，反饋于磨粒的摩擦和擠壓應力更大，金剛石材料易于破碎或崩裂。此外，Si₃N₄陶瓷本身具有較好的韌性和自潤滑性能，能在部分程度上減小劃擦過程的摩擦阻力，從而降低金剛石磨粒承受的全力并延長磨損時間。

  

　　磨削深度a_p對磨削比、磨削應力、表面粗糙度和殘余應力有重要影響。比較不同磨削深度條件下單顆粒金剛石對Si₃N₄陶瓷的劃擦磨損情況（第2、4組實驗），發現大切深的磨削用量使頂錐角為90°的金剛石磨粒在較短時間內喪失切削能力，表明磨削深度增大雖能提高磨削效率，但同時降低磨削比，使磨粒尖端磨損破壞加劇。從以往的研究結論參數，磨削深度增加，磨削力將成倍增大，單顆粒金剛石承受的載荷更接近自身最大強度，進而使尖端部分在較短的劃擦周期內達到失效極限。圖6為不同磨削深度時的金剛石磨粒磨損規律。

  

　　從圖6中可看出，大切深用量的劃擦過程中，單顆粒金剛石存在與小切深情況相似的顆粒“自礪”行為，表明加大磨削深度時，砂輪磨粒仍可以不斷產生新的磨削刃，使磨削過程得以持續進行。圖7為掃描電鏡觀察的大切深劃擦Si₃N₄表面形成的金剛石顆粒新磨削刃。

  

在單粒金剛石頂錐角2θ＝120°、磨削深度a_p＝0.01mm時，分別以工作臺速度v_w=8m/min和vw=12m/min進行劃擦實驗。結果顯示工作臺進給速度不相等并未明顯影響單顆粒金剛石磨損速率，兩組實驗在經歷較為接近的劃擦總行程后終止，顆粒尖端被磨平，金剛石顆粒不再具備材料切削能力，如圖8所示。分析認為不同工作臺速度對陶瓷試樣法向磨削力的影響不大，因此施加在單顆粒金剛石上的反作用力大小基本一致，磨粒尖端圓弧半徑表現為相近的磨損鈍化規律。

 

　　從上述分析可知，單顆粒金剛石劃擦實驗中磨粒尖端圓弧半徑逐漸鈍化磨平、最后失去切削作用的過程，在采用相同試驗材料時還受金剛石磨粒輪廓外形及工藝參數的影響。為評估以上因素對金剛石磨損速率的影響程度，不考慮各因素間交互作用，依照表2中第6~9組方案進行了L₄(2³)正交實驗。研究不同因素水平組合下單顆粒金剛石磨損速率，就是分析磨粒尖端的劃擦壽命，因此可將金剛石破損失效前的劃擦總行程作為衡量實驗方案優劣的指標。表3列舉出各次實驗參數及其結果。

 

　　對表3的正交試驗數據作極差分析，得到頂錐角2θ、磨削深度ap和工作臺速度v_w的極差值R_i分別為330、270、90，由此確定上述各因素對劃擦磨損速率的影響主次順序為：頂錐角＞磨削深度＞工作臺速度。該結果表明，在工程陶瓷材料劃擦實驗中，呈鈍角狀的磨粒切削刃對延長金剛石顆粒使用壽命具有至關重要的作用；小的切削用量降低磨粒磨損速率的貢獻大于較高的工作臺進給速度。從而證實磨削加工陶瓷材料時，砂輪的有效工作磨粒頂錐角2θ＞90°在砂輪表面所占比例越多，選用的切削用量越小。砂輪以磨料磨損形式耗損速度越慢，相應的使用壽命越長。

 

（1）       根據金剛石砂輪磨粒切削刃形狀和輪廓特征，設計并制備圓錐形單顆粒金剛石磨具，金剛石磨粒尖端曲率半徑均研磨至2μm，頂錐角分(fen)60°、90°和120°三種型號，以其(qi)尖端模擬工程陶(tao)瓷(ci)平面磨削中的多種磨粒磨削刃。

（2）       以金剛石磨粒尖端圓弧半徑的磨損規律表征砂輪磨粒切削刃的磨損特性，采用基于掃描電鏡觀測、計算機圖像預處理、邊緣檢測與采樣坐標擬合的復合技術測量劃擦過程中單顆粒金剛石尖端圓弧半徑，實驗表明該方法具備較強實用性。

（3）       分析了試驗材料、磨粒頂錐角、磨削深度、工作臺進給速度對劃擦中金剛石磨粒圓弧半徑鈍化的作用規律。材料性能對金剛石磨粒劃擦總行程有顯著影響；當頂錐角為120°、切深為(wei)0.01mm時，磨粒可獲得(de)最大使(shi)用壽命。按(an)照正并試驗結(jie)果(guo)確定磨粒頂錐角(jiao)為(wei)劃擦磨損速率的主要(yao)影響因素，該研(yan)究為(wei)陶瓷(ci)等硬脆材料加工中合理制備與(yu)選擇砂輪和磨削用量提(ti)供(gong)理論依據。

 

[1]任敬心，華定安.磨(mo)削原理[Ｍ].北京(jing)：電(dian)子(zi)工業(ye)出版社(she)，2011.

[2]Malkin S.Grinding technology theory and application of machining with abrasive [M].New York:John Wiley &Sons,1989.

[3] 張柱，楊云川，晉艷娟.單顆粒破(po)碎(sui)機理(li)分析[Ｊ].太原科技(ji)大學學報，2005，26（4）：306－308.

[4]　馮寶富，趙恒華，蔡光起，等.高速單(dan)顆磨粒磨削機理研(yan)究[Ｊ].東北大學(xue)學(xue)報（自然科學(xue)版），2002，23（5）：470－473.

[5]　王成勇.單顆粒金剛石磨削花崗巖的聲發射信號特征[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，1996（3）：2－7.

[6]　胡珊珊，王成勇，盧錫泉，等.單顆(ke)粒金剛石劃擦硬脆材料的表面(mian)形(xing)貌影響(xiang)因素研(yan)究[Ｊ].金剛石與磨(mo)料磨(mo)具(ju)工(gong)程，2010（1）：1－4.

[7]張桂全.單顆金剛石(shi)磨粒切削(xue)面積的推(tui)導[Ｊ].華僑(qiao)大學(xue)學(xue)報（自然科學(xue)報），2002，23（4）：399－401.

[8]　林思煌，黃輝，徐西鵬.單顆金剛石劃(hua)擦玻璃(li)的(de)實驗研(yan)究[Ｊ].金剛石與(yu)磨(mo)料磨(mo)具工程(cheng)，2008（5）：21－24.

[9]　王君明，葉人珍，湯漾平，等.單(dan)顆(ke)磨(mo)(mo)粒的平面磨(mo)(mo)削三維動態有(you)限(xian)元(yuan)仿真[Ｊ].金剛(gang)石與磨(mo)(mo)料磨(mo)(mo)具工程，2009（5）：41－45.

[10]　李伯民，趙波.現代磨削技術[Ｍ].北京：機(ji)械工業出(chu)版社，2003.

 

王健全（1985－），男，四川省(sheng)樂山市人，博士研(yan)(yan)究(jiu)生，主要從(cong)事硬(ying)脆材料加工理論(lun)研(yan)(yan)究(jiu)。

通信作者：田欣利（1956－），男，北京市人，教授，博士生(sheng)導(dao)師，主要從(cong)事硬脆難(nan)加工(gong)材(cai)料(liao)特種加工(gong)技術(shu)及高效加工(gong)技術(shu)研究。