金剛石砂輪磨削Si3N4陶瓷產生堵塞的影響因素

田欣利， 紀凱文， 吳志遠, 蕾 雷， 何祥炎

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

金剛石砂輪磨削Si3N4陶瓷產生堵塞的影響因素

田欣利， 紀凱文， 吳志遠, 蕾 雷， 何祥炎

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

為解決金剛石砂輪磨削Si3N4陶瓷容易產生堵塞的問題，采用容差檢測方法，探究了乳化液的濃度、流速，磨件移動速度，磨削進給量以及砂輪轉速對砂輪堵塞的影響作用。結果表明：乳化液濃度越高、流速越快，砂輪越不容易堵塞；機床速度越快、進給量越大，砂輪越容易堵塞；砂輪轉速越快，堵塞越嚴重。

Si3N4陶瓷； 金剛石砂輪； 堵塞； 磨削加工； 容差法

工程陶瓷屬于典型的硬脆性材料，具有加工難度大、成本高、效率低等特點。通常采用的磨削加工容易堵塞砂輪，從而影響工程陶瓷加工的精度、成本以及效率[1]。目前，解決砂輪堵塞的方法有多種，如改變砂輪的結構、改變砂輪表面的成分、改變澆注方式、采用陶瓷專用磨削液等，但這些方法存在操作復雜、工作繁瑣和成本高等問題，而合理選擇工藝參數(shù)是解決此問題的可選手段之一。因此，筆者采用容差檢測方法，分別研究了乳化液濃度、流速，磨件移動速度，磨削進給量以及砂輪轉速對砂輪堵塞的影響作用，以期為減少砂輪堵塞和提高陶瓷的加工質量提供指導[2-3]。

1 容差法的確定

砂輪檢測方法有多種，如X射線熒光法、掃描電子顯微鏡法、電渦流法以及紅外傳感器法等，但是這些方法存在一定的限制性，且需要的設備數(shù)量多，裝夾要求有限定，不適合一般的機床[3-5]。因此，本實驗采用一種新的測量方式——容差法。該方法無需繁瑣的檢測設備，也不需要改造砂輪機構，操作簡捷，實用性強，檢測程序簡化，具有較高的時效性。

容差法利用圖像的色差來區(qū)別堵塞區(qū)域與非堵塞區(qū)域。選中堵塞區(qū)域后，圖像軟件會顯示出堵塞區(qū)域的像素，該像素數(shù)值即為堵塞面積。圖1(a)為金剛石砂輪堵塞照片，通過容差法選中的堵塞區(qū)域如圖1(b)所示。堵塞像素與圖片像素的比值即為砂輪堵塞的評價標準。

圖1 容差檢測堵塞區(qū)域照片

2 乳化液濃度和流速對堵塞的影響

2.1 乳化液的選擇

有關學者[4-8]研究表明：利用有機物的潤滑功能和其官能團的化學活性可以有效地輔助工程陶瓷的加工。磨削工件Si3N4屬于非極性物質，由于烷烴油膜表面的非極性對非極性的磨屑吸引附能力很強，因此本實驗選用石蠟-OP10-Span80作為乳化液。

2.2 實驗設計

將砂輪轉速定為3 000 r/min，通過電子輸液泵將乳化液流速定為500 mL/h，每組實驗的磨削時間定為3 min，分別進行乳化液濃度為5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%時的磨削實驗。

選用乳化液濃度為10%，其他參數(shù)保持不變，分別進行乳化液流速為100、200、300、400、500、600、700、800 mL/h時的磨削實驗。

實驗結果處理和評價過程為：磨削實驗完成后，用攝像頭沿砂輪圓周對其進行完整拍攝，每組實驗均勻取7個位置，然后通過容差法計算出各位置的堵塞比例，得出每組的平均堵塞比例。

2.3 實驗結果及分析

利用Origin Pro9.0得出砂輪堵塞比例隨乳化液濃度和流速的變化曲線,分別如圖2、3所示。

圖2 砂輪堵塞比例隨乳化液濃度變化曲線

由圖2可知：隨著乳化液濃度的升高，砂輪堵塞比例越來越低，最終達到0，其呈單調遞減趨勢，且逐漸趨于平緩。這是因為隨著乳化液濃度的升高，乳化液非極性的屬性得到不斷增強，對非極性Si3N4陶瓷磨屑的吸附能力也越來越強，乳化液流動過程中可帶走的磨屑量也逐漸增大，從而降低了砂輪的堵塞率。因此，選擇高濃度的乳化液，有利于提高砂輪的磨削效能、減緩堵塞。

圖3 砂輪堵塞比例隨乳化液流速變化曲線

由圖3可知：隨著乳化液流速的加大，砂輪堵塞比例不斷減小，最終在800 mL/h時達到0，其呈單調遞減趨勢，且減小的速率由慢到快。其原因為：乳化液具有清洗作用，并隨著乳化液流速的加大而顯著增強，對磨削的沖擊力也會變大，可在磨削過程中帶走更多的磨屑。

3 磨件移動速度和磨削進給量對堵塞的影響

3.1 實驗設計

在乳化液濃度為10%、乳化液流速為500 mL/h、砂輪轉速為3 000 r/min、磨削時間為3 min的工藝條件下，分別考察了在走刀次數(shù)不變和磨削總進給量不變的情況下,磨件移動速度與磨削進給量對砂輪堵塞的影響。實驗分為2組，其實驗結果處理和評價過程同2.2節(jié)。

1) 工作臺的行程(往復行程)為26 cm，往復時間分別為5、4、3、2、1 s，則磨件移動速度分別為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。磨削進給量(每刀的進給量)設為M1=0.01 mm，M2=0.02 mm，M3=0.03 mm，M4=0.04 mm，M5=0.05 mm。磨削走刀均為12次，分別考察上述某一變量不變時，另一變量對砂輪堵塞的影響作用。

2) 保持磨削總進給量Ma=0.6 mm不變，則磨削進給量mi(i=1，2，…,5)對應的走刀次數(shù)相應改變?？疾炷ゼ苿铀俣群妥叩洞螖?shù)(圖中用相應的磨削進給量表示)分別發(fā)生變化時對砂輪堵塞的影響情況。

3.2 磨削走刀次數(shù)不變

圖4為磨削走刀次數(shù)不變時，不同磨削進給量下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度的變化曲線，可以看出：1)第1組實驗中，曲線呈平緩趨勢，且基本穩(wěn)定在“0”附近，說明此時基本堵塞發(fā)生，其原因可能為磨削進給量??；2)除第1組實驗外，曲線呈單調遞增的趨勢，砂輪堵塞程度隨磨件移動速度的增大而增大。在實驗過程中，由于實驗的澆注模式為小流量澆注，因此乳化液的冷卻作用不會明顯體現(xiàn)出來，而隨著磨件移動速度的增大所出現(xiàn)的明顯燒焦味，也可說明磨削力隨磨件移動速度增大而增大，堵塞也會越嚴重。

圖4 磨削起刀次數(shù)不變時，不同磨削進給量下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度變化曲線

圖5為磨削走刀次數(shù)不變時，不同磨件移動速度下砂輪堵塞比例隨磨削進給量的變化曲線，可以看出：每條曲線呈單調遞增的趨勢，說明隨著進給量的增加，堵塞程度也越嚴重。這是因為：隨著進給量的增加，砂輪的磨削力也會增大，對工件的切削能力也會隨之增強，導致其堵塞比例增大。

圖5 磨削起刀次數(shù)不變時，不同磨件移動速度下砂輪堵塞比例隨砂輪進給量變化曲線

3.3 磨削總進給量不變

圖6為磨削總進給量不變時，不同走刀次數(shù)下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度的變化曲線，可以看出：1)每條曲線呈單調遞增的趨勢，隨著磨削進給量的增加，堵塞程度也越嚴重；2)進給速度為0.13 m/s時砂輪開始堵塞，此點為堵塞的一個臨界點，也是起始點。其原因同3.2節(jié)的敘述。

圖6 磨削總進給量不變時，不同起刀次數(shù)下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度變化曲線

圖7為磨件移動速度不變時，砂輪堵塞比例隨磨削進給量的變化曲線，可以看出：1)每條曲線呈單調遞增的趨勢，表明隨著磨削進給量的增加，堵塞程度也會嚴重；2)在V2、V3、V5時，對應3條曲線的斜率都比較小，且Va所對應的曲線斜率最小。該組實驗是在保證總進給量一致的情況下進行的，不同于上述實驗中進給量的改變就會導致總進給量的變化，由此可以看出:1)進給量的增加對堵塞的影響并不是很明顯;2)磨削總進給量的影響要大于進給量的影響，也就是與走刀次數(shù)有關;3)相同磨削進給量時，走刀次數(shù)越多，堵塞越嚴重[9-10]。

圖7 磨件移動速度不變時，砂輪堵塞比例隨砂輪進給量變化曲線

4 砂輪轉速對堵塞的影響

4.1 實驗設計

根據(jù)上述實驗，選定乳化液濃度為10%，乳化液流速500 mL/h，工件移動速度為0.179 m/s，進給量為0.03 mm,走刀次數(shù)為12刀。由于砂輪磨削的最低線速度為1 300 m/min ，砂輪直徑R=20 cm，計算出周長C=0.628 m，并計算出最低轉速為2 070 r/min。因此，實驗的轉速設計為2 200、 2 400、2 600、2 800、3 000、3 200、3 400、3 600 r/min。后續(xù)實驗結果處理同2.2節(jié)。

4.2 實驗結果及分析

圖8為砂輪堵塞比例隨砂輪轉速的變化曲線，可以看出：當轉速增加時，砂輪的堵塞也會隨著轉速的增加而加劇，堵塞比例趨于平緩。其原因是：砂輪磨削過程中，轉速的增加使得磨粒的最大切深減小，切削截面積減小，同時切削次數(shù)與磨削熱增加，使得砂輪的堵塞量不斷增加。

圖8 砂輪堵塞比例隨砂輪轉速變化曲線

[1] 岳中波. 磨料水射流徑向模式車削工程陶瓷材料工藝優(yōu)化研究[D]. 濟南：山東大學, 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] 曹甜東，盛永華.磨削工藝技術[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2009:27-46.

[4] 紀凱文. 砂輪磨削氮化硅陶瓷防堵塞中的有機磨削液應用[J]. 中國科技博覽, 2015, 34(29):360.

[5] 吳志遠, 梁克高, 田欣利,等.烷烴磨削液應用于Si3N4陶瓷磨削時的砂輪堵塞機理及改性研究[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2010,24(6):86-88.

[6] 劉海漁，磨削加工中磨削液對砂輪堵塞影響的試驗分析[J].徐州工程學院學報，2005,20(1):99-101.

[7] 楊立志，趙琳，羅根祥.濁度比法測定乳化蠟穩(wěn)定性研究[D].沈陽:遼寧石油化工大學,2011.

[8] 劉海漁. 砂輪磨損機理分析及砂輪堵塞的實驗研究[D]. 長沙: 湖南大學, 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,張保國,田欣利,等. 陶瓷軸向磨削加工實驗分析及砂輪磨損研究[J].中國機械工程,2012,23(11):1276-1279.

(責任編輯: 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

國家自然科學基金資助項目(51275527)

田欣利(1956-)，男，教授，博士。

TB321; TG580.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.017