摘要　小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削以較大切深實現(xiàn)了較高的材料去除率，且使用的砂輪直徑比常規(guī)磨削用砂輪小很多，我們針對這一特點開展了研究。實驗通過改變砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等加工參數(shù)，對軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工后的砂輪表面進(jìn)行了形貌觀測和磨損分析。分析表明，砂輪各部分的磨損形式與其在磨削過程中所起的作用有關(guān)：砂輪端面是磨削加工的主磨削區(qū)，磨粒和結(jié)合劑主要發(fā)生較大程度的磨損；砂輪圓周面主要對已加工表面進(jìn)行修磨，因而結(jié)合劑和磨粒磨損為主要磨損形式；砂輪拐角作為過渡磨削區(qū)，承受的磨削力也比較大，而且由于磨粒與結(jié)合劑的結(jié)合力相對較小，因此易發(fā)生磨粒和結(jié)合劑的脫落。

關(guān)鍵詞　軸向大切深緩進(jìn)給磨削；工程陶瓷；砂輪磨損；形貌觀測

　　小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工是一種使用特殊金剛石小砂輪沿工程陶瓷等硬脆材料工件軸線對其進(jìn)行外圓或內(nèi)孔加工的高效、低成本的加工方法^[1，2]。加工時，砂輪軸線與工件軸線相互平行，利用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪以軸向進(jìn)給的方式，依靠砂輪的旋轉(zhuǎn)運動、軸向進(jìn)給運動和工件旋轉(zhuǎn)運動的合成運動完成工程陶瓷等硬脆材料軸類或內(nèi)孔表面加工；砂輪端部磨粒和部分區(qū)段的圓周（外圓周或內(nèi)圓周）磨粒作為主切削刃來去除材料，其余區(qū)段外（內(nèi)）圓周表面磨粒作為副切削刃對已加工圓柱面進(jìn)行修磨，從而實現(xiàn)對軸類或內(nèi)孔表面的加工。其加工原理圖如圖1所示。

工程陶瓷小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工的砂輪磨損分析 style="BORDER-RIGHT: medium none; BORDER-TOP: medium none; BORDER-LEFT: medium none; WIDTH: 202px; BORDER-BOTTOM: medium none; HEIGHT: 219px" height=336 alt=軸向大切深緩進(jìn)給磨削原理示意圖 src="http://m.027whjdwx.com/attachments/images/201202/20120518.jpg" width=339 longDesc="" /> 

圖1　軸向大切深緩進(jìn)給磨削原理示意圖

由于小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削的磨削深度比較大，磨除率也得到了很大提高，在主軸轉(zhuǎn)速 7000r/min，工件轉(zhuǎn)速  200 r/min時，進(jìn)給速度可以達(dá)到190mm/min，實現(xiàn)了高達(dá)179.1mm3/mm·s去除率^[3]。由于使用的是直徑比常規(guī)陶瓷磨削用砂輪直徑小很多的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，為此研究砂輪磨損機(jī)理很有必要。利用數(shù)字顯微技術(shù)觀測砂輪表面形貌的方法，對加工用小砂輪各工作面的磨損情況進(jìn)行了詳細(xì)的觀測，對軸向大切深緩進(jìn)給磨削的內(nèi)在本質(zhì)和砂輪磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。

1       實驗

實驗設(shè)備選擇北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的BV75立式銑削加工中心。該加工中心主軸功率11KW，最高轉(zhuǎn)速為7000r/min，金屬結(jié)合劑金剛石砂輪直徑為Φ20mm，主軸驅(qū)動功率為4KW，工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)功率為0.4KW，水基冷卻液供液壓力為0.5Mpa。

實驗主要研究了砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等磨削參數(shù)對磨削結(jié)果的影響。按照表1所列工況對Φ20mm氮化硅圓柱形陶瓷試件沿工件軸向進(jìn)行磨削，觀測了砂輪的表面形貌。

表1　軸向大切深緩進(jìn)給磨削的單因素實驗工況

　　實驗用金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的端面、圓周面以及拐角的位置如圖2所示。

圖2　小砂輪磨頭部位結(jié)構(gòu)圖

　　利用表1中數(shù)據(jù)作為加工參數(shù)，進(jìn)給速度 v_t=120mm/min，行程Ｌ＝60mm，對反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷進(jìn)行軸向大切深緩進(jìn)給磨削實驗。實驗完成后，選用丙酮作為清洗介質(zhì)，用KQ3200DE型醫(yī)用數(shù)控超聲波清洗器對小砂輪清洗3min，清除掉砂輪表面殘留的冷卻液和磨屑。用圖3所示的愛國者數(shù)碼觀測五ＧＥ－5對砂輪圓周面、端面和拐角處磨粒為研究對象進(jìn)行觀測，分析三種磨損機(jī)理——摩擦磨損、磨粒破碎和結(jié)合劑破碎所占的相對比重，放大倍數(shù)為180倍。由于砂輪表面磨粒分布不均勻，所以對3個研究對象各取幾個位置進(jìn)行了觀測。

圖3　愛國者數(shù)碼觀測五ＧＥ－5

2       砂輪表面形貌觀測與磨損分析

　　在磨削加工過程中，由于金剛石砂輪上磨粒自身品質(zhì)存在差異，且受到機(jī)械、沖擊和熱等不同類型的載荷的影響，以及磨粒和結(jié)合劑合狀況的不同，使之呈現(xiàn)出不同的磨損過程。對于金剛石砂輪的磨損，一般認(rèn)為存在三種基本磨損形式：摩擦磨損，磨粒破碎和結(jié)合劑破碎。摩擦磨損主要是指磨粒與工件的摩擦所造成的磨粒鈍化和頂平面磨鈍；磨粒破碎指磨粒內(nèi)部破碎使磨粒破碎脫落；結(jié)合劑的破碎使金剛石顆粒裸露出來，嚴(yán)重的斷裂將直接導(dǎo)致磨粒從結(jié)合劑上脫落。有關(guān)研究表明，金剛石砂輪的磨損形式中，磨粒破碎和結(jié)合劑破碎起著主要作用，摩擦磨損僅占砂輪總磨損量的百分這平面圖的比例^[4]。

2.1       圓周面形貌觀測與磨損分析

　　圖4至圖6是不同參數(shù)組合下進(jìn)行軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工后砂輪的圓周面形貌圖。就圖中砂輪的形貌來看，砂輪圓周面的磨損情況受砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等加工參數(shù)變化的影響不太明顯，如表2所示，對隨機(jī)選擇的12個位置的觀測結(jié)果綜合分析發(fā)現(xiàn)，12個位置均發(fā)現(xiàn)有結(jié)合劑磨損和磨粒磨損發(fā)生，8個位置發(fā)現(xiàn)有結(jié)合劑較大面積的脫落，而磨粒破碎和磨粒脫落均僅有1處發(fā)生，如表2所示。總體看來，砂輪周面的主要磨損形式有結(jié)合劑磨損、磨粒磨損和結(jié)合劑脫落等，也有少量的磨粒脫落和極個別的磨粒破碎。

　　結(jié)合劑磨損是砂輪圓周面最主要的磨損形式，幾乎在任一處砂輪形貌中都可以看到，這主要是由于加工選用的金剛石砂輪沒有經(jīng)過修整而直接用于加工，加工時金剛石砂輪與工件產(chǎn)生劇烈的摩擦，在摩擦力和摩擦熱的綜合作用下，結(jié)合劑很容易被磨掉。而由于金屬結(jié)合劑本身硬度低于陶瓷材料且燒結(jié)后結(jié)合劑與磨粒之間成分結(jié)合并不十分緊密，在強(qiáng)有力的摩擦力和摩擦熱的綜合作用下，造成了結(jié)合劑的大面稅脫落，嚴(yán)重時將導(dǎo)致金剛石顆粒的脫落，也有少部分金剛石顆粒由于埋入結(jié)合劑較深，受到的把持力很強(qiáng)，在外加強(qiáng)力作用下裸露的邊角位置可能會破碎。但就整體看來觀察到的小砂輪圓周面處的金剛石在加工過程中磨損或破碎程度都很小，這說明小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工氮化硅陶瓷時，砂輪圓周面處的金剛石磨粒很少參與切削，這主要是由于小砂輪軸向大切深緩進(jìn)給磨削是以砂輪端部磨粒為主，起主要去除材料的作用，而砂輪圓周面磨粒起輔助“磨光”的作用，因而磨損程度較小。

2.2       端面形貌觀測與磨損分析

　　圖7至圖9是不同參數(shù)組合下軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工后砂輪的端面形貌圖。就圖中放大后砂輪的形貌來年地，與砂輪圓周面的磨損情況相似，砂輪端面的磨損情況受砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等加工參數(shù)的影響也不太明顯，如表3所示，對隨機(jī)選擇的12個位置的觀測結(jié)果綜合分析發(fā)現(xiàn)，12個位置均發(fā)現(xiàn)有結(jié)合劑磨損和磨粒磨損發(fā)生，6個位置發(fā)現(xiàn)有結(jié)合劑較大面積的脫落，而磨粒脫落僅有1處發(fā)生，沒有發(fā)現(xiàn)有磨粒破碎發(fā)生。

　　總體看來，砂輪端面的主要磨損形式是結(jié)合劑磨損和磨粒磨損，也有少數(shù)位置發(fā)生結(jié)合劑脫落現(xiàn)象，但幾乎沒有磨粒脫落和磨粒破碎發(fā)生，這應(yīng)與軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工過程中砂輪端面所起的作用有關(guān)。由于軸向緩進(jìn)給磨削加工過程中，砂輪端部的磨粒與陶瓷材料接觸時，主要產(chǎn)生軸向力和切向力，法向力很小可以忽略不計，砂輪端部的磨粒在軸向反力的作用下，被擠壓在結(jié)合劑中，因而僅僅發(fā)生了磨粒的磨損，磨粒脫落和破碎發(fā)生的幾率大大降低，而加工過程中結(jié)合劑始終與陶瓷材料發(fā)生摩擦，勢必發(fā)生結(jié)合劑磨損，嚴(yán)重時可產(chǎn)生結(jié)合劑的脫落。

2.3       拐角形貌觀測與磨損分析

　　圖10至圖12是不同參數(shù)組合下進(jìn)行軸向大切深緩進(jìn)給磨削加工后砂輪的拐角形貌圖。就圖中放大后砂輪的形貌來看，也未能發(fā)現(xiàn)砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等加工參數(shù)對砂輪拐角的磨損情況有比較明顯的影響，如表4所示，對隨機(jī)選擇的12個位置的觀測結(jié)果綜合分析發(fā)現(xiàn)，12個位置均發(fā)現(xiàn)結(jié)合劑磨損和磨粒磨損發(fā)生。11個位置發(fā)現(xiàn)有結(jié)合劑較大面積的脫落，磨粒脫落有8處發(fā)生，而沒有發(fā)現(xiàn)有磨粒破碎發(fā)生。總體看來，砂輪拐角部分的磨損比較嚴(yán)重，其主要磨損形式是結(jié)合劑大量磨損或脫落、磨粒脫落和磨粒磨損，沒有發(fā)現(xiàn)磨粒破碎發(fā)生。由于砂輪的拐角處于砂輪端面和圓周面的結(jié)合位置，它同時參與軸向大切深緩進(jìn)給磨削的兩個主要運動，即周向旋轉(zhuǎn)運動和軸向進(jìn)給運動對陶瓷材料的磨削去除作用，因而對法向力、切向力和軸向力均有貢獻(xiàn)，其磨損程度自然較大。在三向磨削力的作用下，結(jié)合劑快速磨損、脫落、裸露出來的金剛石磨粒迅速產(chǎn)生磨損，進(jìn)而發(fā)生脫落，同時也不斷有磨粒因結(jié)合劑磨損或脫落而裸露出來，繼續(xù)承擔(dān)切削作用。 

3   小結(jié)

通過對磨削過程中砂輪各部分的耗損形式分析可知，砂輪圓周的主要磨損形式有結(jié)合劑磨損、結(jié)合劑脫落和磨粒磨損等，也有少量的磨粒脫落和極個別的磨粒破碎；砂輪端面的主要磨損形式是結(jié)合劑磨損和磨粒磨損，也有少數(shù)位置發(fā)生結(jié)合劑脫落的現(xiàn)象，但幾乎沒有磨粒脫落和磨粒破碎發(fā)生；而砂輪拐角部分的磨損最為顯著，其主要磨損形式是結(jié)合劑大量磨損或脫落、磨粒脫落和磨粒磨損，沒有發(fā)現(xiàn)磨粒破碎發(fā)生。這與砂輪各部分在磨削過程中所起的作用有關(guān)：砂輪圓周面主要作用是對工件的已加工表面進(jìn)行修磨，因而在摩擦力的作用下結(jié)合劑和磨粒主要發(fā)生磨損損耗；而砂輪端面是軸向在切深緩進(jìn)給磨削加工的主切削區(qū)，承受的磨削力最大，因而在大摩擦力和擠壓力作用下砂輪端面的磨粒和結(jié)合劑主要發(fā)生較大程度的磨損；砂輪拐角作為過渡切削區(qū)，承受的磨削力也比較大，再加上拐角處的磨粒與結(jié)合劑結(jié)合力相對較小，因此磨削力的作用下發(fā)生磨粒磨損和結(jié)合劑磨損或大面稅脫落，進(jìn)而導(dǎo)致磨粒的脫落。

參考文獻(xiàn)：

[1] TIANG X L,GUO F,MAO Y T,et al.Investigation on axial turning-grinding of engineering ceramics[J].Advanced Materials Research.2010,154-155:1027-1032.

[2] TIAN X L,GUO F,MAO Y T,et al.Mechanism analysis of high ef-ficiency axial turn-grinding of engineering ceramics[J].Key Engi-neering Materials.2011,487:376-380.

[3]　郭昉，田欣利，毛亞濤，等.工程陶瓷小砂輪軸向緩進(jìn)給磨削加工的實驗研究[Ｃ].2011全國博士生學(xué)術(shù)會議（現(xiàn)代測試制造技術(shù)）.

[4]　曾偉民.旋轉(zhuǎn)超聲鉆削先進(jìn)陶瓷的基礎(chǔ)研究[Ｄ].華僑大學(xué)博士學(xué)位論文，2006：79－80.

作者簡介

郭昉（1979－），男，在讀博士，主要研究難加工材料的高效加工技術(shù)