樹脂結合劑超硬磨料砂輪磨削穩(wěn)定性試驗研究

馮克明， 邢波， 師超鈺， 朱建輝， 趙金墜

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司 超硬材料磨具國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

硬質合金具有高硬度、高強度、高彈性模量、耐熱、耐腐蝕、耐磨損等一系列優(yōu)良性能[1-3]，常用來制造工具(如切削刀具、鉆探工具、噴射工具)、耐磨材料(如檢測量具、拉絲模芯)、兵器材料(如穿甲彈芯、配重塊)等[4-6]，應用范圍非常廣泛。同時也正是由于硬質合金的高硬度、高耐磨損、脆性大，使其機械加工非常困難，磨削加工時經常出現(xiàn)燒傷、裂紋、崩口，加工效率低、成本高等[7]。目前，硬質合金精密加工主要依靠金剛石磨具，其中樹脂結合劑磨具因原料來源豐富、成型簡單、自銳性好、效率高、質量好、成本低等優(yōu)點，在金屬、陶瓷、樹脂3大超硬磨具結合劑中占60%～70%份額[8]。

但是，樹脂超硬磨具也存在明顯的不足，其主要表現(xiàn)在耐熱溫度低以及易氧化、分解、碳化，易吸潮、結團、混料難，粘接強度低等，致使樹脂超硬磨具磨削性能(如磨削力、磨削功率、磨削溫度、磨削噪音、磨削質量、粗糙度、砂輪磨損、磨削比、砂輪使用壽命等)波動較大[9-10]，嚴重影響到樹脂超硬磨具的進一步拓展。為了改善和提高樹脂超硬砂輪磨削性能，國內外學者專家開展了許多研究，主要集中在超硬磨料處理[10-11]、樹脂改性[12-16]、性能對比[17-19]、磨削機理[20-22]、高速磨削[23-24]等學術研究領域，而其工程應用研究相對較少。

關于超硬磨料磨具制造工程，近年來我國取得了高速發(fā)展和長足進步，但是目前只能稱作磨料磨具制造大國，還不是制造強國，其主要特征之一就是精細化不夠[9]。為此，本文以硬質合金加工最常用的酚醛樹脂金剛石砂輪[25]作為試驗研究對象，重點分析3種樹脂原材料、樹脂置空時間、砂輪層徑向位置3個關鍵因素對硬質合金磨削性能的影響規(guī)律，以期為樹脂超硬砂輪工程應用提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗條件與方法

磨削試驗在杭州機床廠制造的精密臥軸矩臺平面磨床MM7120A上進行；試驗砂輪3A1-250×30×75×5×20，磨料層環(huán)寬5 mm，金剛石粒度140/170；磨削試件YG8硬質合金，尺寸150 mm×100 mm×30 mm；砂輪修整采用綠色碳化硅油石；磨削液為鄭州四海生產的水基21-2冷卻液。

磨削試驗采用縱向往復、橫向間歇進給平面磨削方式，工作臺縱向往復速度vw為16 m/min，橫向進給量2 mm，垂直進給量0.01 mm、0.02 mm，每輪試驗總進給量實行定量控制(1.6 mm或2.0 mm)，無光磨工藝。試驗砂輪初始狀態(tài)主要通過多次平衡、修整來控制。先用60號SiC油石高效整形，再用360號SiC油石精密修銳，確保磨削前砂輪表面外圓周向、軸向跳動均不大于0.01 mm. 具體砂輪修整及磨削參數(shù)如表1所示。

表1 磨削試驗參數(shù)

磨削過程中，采用“砂輪檢測→定量磨削→試件檢測→砂輪檢測……”循環(huán)試驗方案。磨削試驗測試系統(tǒng)如圖1所示，磨削負荷利用青島艾諾智能儀器有限公司產AN87500三相功率儀全程跟蹤監(jiān)測，砂輪外圓跳動、徑向消耗利用日本基恩士公司產LK-G5001激光位移傳感器定點測試，砂輪表面微觀形貌采用日本基恩士公司產VHX-2000超景深顯微鏡定點獲取，工件去除厚度采用數(shù)顯千分尺定點測量。圖1中vs為砂輪速度。

2 試驗與分析

2.1 樹脂原材料影響

表2是國內超硬磨具行業(yè)常用的3種樹脂原材料試條測試強度，圖2是功率儀持續(xù)跟蹤的磨削功率信號，表3是磨削試驗數(shù)據(jù)，圖3是磨削比(工件磨除體積/砂輪損耗體積)對比圖。

表2 樹脂原材料

表3 樹脂金剛石砂輪磨削試驗數(shù)據(jù)

由圖2看出：1)在磨削起始階段，3種樹脂砂輪均呈現(xiàn)磨削功率從零快速增加過程，這主要是砂輪表面剛修整，磨粒鋒利，其次是機械系統(tǒng)響應慢且工藝系統(tǒng)彈性變形，屬于正常情況；2)隨后，磨削功率由小到大緩慢增加，這是砂輪表面不斷有磨粒鈍化、磨粒破碎、磨粒脫落、磨粒出露、砂輪堵塞等現(xiàn)象發(fā)生，多種現(xiàn)象融合使砂輪表面處于動態(tài)且相對穩(wěn)定的磨削狀態(tài)；3)3種樹脂砂輪磨削功率相差不大，但與B1、B2樹脂砂輪相比，B3樹脂砂輪磨削功率波動較大，說明磨削穩(wěn)定性較弱。產生此現(xiàn)象的原因主要是普通樹脂耐熱、耐沖擊性(見表2)相對較差，致使砂輪表面出現(xiàn)了非正常、不穩(wěn)定、高比例磨粒脫落現(xiàn)象。

由表3和圖3可知，3種樹脂金剛石砂輪磨損及磨削比相差較大。在小切深0.01 mm磨削條件下，磨削比大小順序為B2樹脂砂輪>B3樹脂砂輪>B1樹脂砂輪，最高相差45.7%；在大切深0.02 mm磨削條件下，磨削比大小依次為B1樹脂砂輪>B2樹脂砂輪>B3樹脂砂輪，最高相差38%. 可見，在不同磨削條件下，樹脂原材料不同對砂輪的磨削性能有較大影響。這主要是因為硬質合金是難磨材料，磨削力大、磨削溫度高，B1樹脂砂輪材料是耐熱型樹脂，增加了砂輪結合劑抗氧化、抗分解、抗碳化溫度，適于大切深、大負荷、磨削溫度高的磨削場合；B2樹脂砂輪是增韌型樹脂，增加了結合劑抗沖擊強度，更適于小切深、摩擦占比高的精密磨削場合。進一步，定點跟蹤砂輪表面的超景深形貌照片如圖4和圖5所示。在小切深0.01 mm，累計磨除量近30 000 mm3，3種樹脂砂輪半徑消耗9.6 μm、6.6 μm、8.9 μm情況下，發(fā)現(xiàn)B2樹脂砂輪表面磨粒脫落數(shù)量最少，B1、B3樹脂砂輪表面磨粒脫落數(shù)量相近；在大切深0.02 mm，累計磨除量近24 0003，3種樹脂砂輪半徑消耗6.5 μm、8.1 μm、8.9 μm情況下，B1樹脂砂輪表面磨粒脫落數(shù)量最少，B2和B3樹脂砂輪表面磨粒脫落數(shù)量相差不大；B3樹脂砂輪在磨削后其表面相對較黑。這主要是因為普通酚醛樹脂耐熱性差，易氧化、分解、碳化，韌性差，結合劑把持磨料能力相對較弱，進而增加了B3砂輪磨削應用的不穩(wěn)定性。

2.2 樹脂置空時間影響

樹脂超硬磨具通常采用粉狀熱塑性樹脂作結合劑，普遍存在易吸潮、結團、混料困難、不能長期存放等不足[26]。為了全面了解環(huán)境的影響，分別將4份B3樹脂在空氣中敞開暴露0 h、1 h、2 h、3 h(簡稱置空時間，用H表示)，進而在相同條件下測試樹脂含水率、制做金剛石砂輪。表4是砂輪磨削試驗數(shù)據(jù)，圖6是砂輪磨削試驗曲線。

表4 不同置空時間的磨削比試驗數(shù)據(jù)

由表4和圖6看出，樹脂置空時間對單片砂輪磨削比影響不大，但綜合3輪次砂輪總損耗和工件總磨削量，其總磨削比如圖6中紅色線，影響系數(shù)-8.75，相關系數(shù)0.998，磨削比和置空時間之間呈現(xiàn)出明顯的線性關系，即隨著樹脂置空時間的延長，砂輪磨削比緩慢下降。進一步分析可知，在小切深0.01 mm條件下，磨削比大小順序為H=0 h>H=3 h>H=2 h>H=1 h；在大切深0.02 mm條件下，磨削比大小依次為H=1 h>H=2 h>H=0 h>H=3 h. 第3輪是小切深0.01 mm試驗的重復試驗，盡管試驗數(shù)據(jù)略有變化，但磨削比大小依然為H=0 h>H=3 h>H=2 h>H=1 h. 因此，可以認為樹脂置空時間對砂輪磨削性能有一定影響，置空時間延長，樹脂含水率增加，致使結合劑強度下降，不利于磨削性能的提高；同時說明不同置空時間制作的樹脂砂輪需由不同的磨削用量來匹配，如精密磨削，磨削余量小應首選置空時間H=0 h的樹脂原材料。

圖7所示為置空時間分別為0 h、1 h的B3樹脂砂輪在大切深0.02 mm條件下進行定點跟蹤磨削前后的砂輪表面超景深形貌照片。由圖7可見，在砂輪半徑消耗15.0 μm、12.6 μm的圖視范圍內，樹脂砂輪表面磨削前后變化較大，原有磨粒均難覓蹤影，且磨粒周圍多有縫隙，這再次說明樹脂金剛石砂輪在磨削硬質合金過程中其主要磨損形式為磨粒脫落；其次，發(fā)現(xiàn)砂輪表面存在磨粒聚集現(xiàn)象，說明磨粒缺乏樹脂結合劑的有效支撐和保護，使磨粒更容易脫落，增加了砂輪磨削應用的不穩(wěn)定。

2.3 磨料層徑向位置影響

超硬砂輪主要由磨料層和砂輪基體組成，磨料層設計厚度一般只有3～5 mm左右，在其制作過程中磨料層多采用軸向壓制成型工藝。為了詳細分析超硬砂輪磨料層不同位置(指砂輪外圓磨削位置到基體外圓的距離，見圖8)內在質量，在大切深0.02 mm條件下對5 mm磨料層樹脂金剛石砂輪進行了9輪次磨削試驗跟蹤，表5是前面試驗最優(yōu)的H=0 h B3樹脂砂輪、B2樹脂砂輪、B1樹脂砂輪3種砂輪進一步的試驗數(shù)據(jù)。圖9是磨削比對比圖。

表5 不同徑向位置的樹脂砂輪磨削比試驗數(shù)據(jù)

由表5可看出：1)B1樹脂砂輪磨削比最優(yōu)，充分驗證了前面的試驗結果；2)3種砂輪在其磨料層1.0 mm以上的不同徑向位置具有大致相同的耐磨特性，磨削比相差不大，均在10%以內(分別為5.7%、8.3%、8.9%)，說明砂輪內在質量相對穩(wěn)定；3)對于1.0 mm及以下的磨料層，磨削比均出現(xiàn)明顯的下降，與磨料層1.5～4.5 mm平均磨削比相比，在磨料層1.0 mm時，磨削比下降了10%～20%左右(H=0 h B3樹脂砂輪、B2樹脂砂輪分別為9.9%、21.8%)；在磨料層0.5 mm時，磨削比下降了約30% (29.1%、30.8%、33.2%)。說明砂輪磨料層越小，磨削比下降幅度越大，磨削應用穩(wěn)定性越差。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因分析認為主要與砂輪成型工藝有關。目前，國內樹脂超硬砂輪成型主要采用預成型料粉體模壓成型工藝(見圖10)。當預成型料在模具中受到上下壓頭壓制時，由于壓頭與外套、壓頭與芯型的相對移動，預成型料內徑、外徑處的摩擦力Fi、Fo與壓制力F的方向始終相反；由于預成型料表現(xiàn)出應變推遲、壓制蠕變、粉末內耗、彈塑變形、應力松弛、滑動重排等一系列流變體特性[27]，以及預成型料之間的拱橋現(xiàn)象，致使預成型料摩擦力始終處于動態(tài)變化狀態(tài)[28]，內部凈壓力不均；由于預成型料內徑與砂輪基體接觸，為了提高超硬砂輪基體與磨料層的界面結合強度，通常對基體表面進行了粗化處理(如噴砂、滾花、涂膠等)，使砂輪基體摩擦力Fi加大，預成型料內部所受到的凈壓力進一步減小。因此，越靠近砂輪基體，磨料層組織密度越低，耐磨性越差，磨削比亦越小?？梢?，在磨料層與基體間增加過渡壓制層很有必要，不僅有利于改善超硬砂輪磨料層徑向密度均勻性，而且有利于提高砂輪工程應用的穩(wěn)定性。

3 結論

樹脂結合劑是超硬磨具中應用最廣泛的磨具結合劑，在磨削應用方面普遍存在磨削性能穩(wěn)定性差等工程技術問題。為了揭示其內在規(guī)律，本文選取不同樹脂原材料、樹脂置空時間、磨料層徑向位置3個關鍵因素作為對象，開展了樹脂金剛石砂輪磨削硬質合金試驗研究。取得的主要結論如下。

1)普通型樹脂金剛石砂輪不適于硬質合金磨削，耐熱型樹脂適于大切深磨削加工，增韌型樹脂更適于小切深精密磨削加工。

2)隨著樹脂原材料置空時間的延長，砂輪磨削比出現(xiàn)緩慢下降趨勢。

3)磨料層徑向位置在1.5～4.5 mm時，磨削比相差不大，砂輪工程應用較穩(wěn)定；當磨料層在1.0 mm及其以下時，越靠近砂輪基體磨削比下降幅度越大。

4)對于樹脂超硬砂輪工程應用，嚴控砂輪制成工藝、細化磨削應用技術，均有利于改善或提高超硬砂輪磨削性能的穩(wěn)定性。