陶瓷金剛石砂輪在YG10X頂錘磨削加工中的應(yīng)用

劉 偉， 劉一波， 黃 霞， 尹 翔

(1. 安泰科技股份有限公司, 北京 100081) (2. 北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司, 北京 102200)

由高硬度的WC顆粒和相對(duì)韌性較好的結(jié)合劑組成的復(fù)合硬質(zhì)合金材料，具有高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)良性能[1>-2]，廣泛應(yīng)用于切削、采掘工具、耐磨零件和高壓合成等領(lǐng)域[3>-6]。

硬質(zhì)合金頂錘的深加工，尤其是大尺寸頂錘的加工，一直是行業(yè)生產(chǎn)的瓶頸。以往硬質(zhì)合金材料的加工，一般采用樹脂金剛石砂輪和電鍍金剛石砂輪。劉立生等[7]進(jìn)行了硬質(zhì)合金頂錘加工試驗(yàn)的研究，探討了加工工藝和精度對(duì)產(chǎn)品體積效應(yīng)和質(zhì)量的影響。項(xiàng)品生等[8]研究了影響硬質(zhì)合金頂錘使用壽命的若干因素，除頂錘本身的性質(zhì)以外，磨削加工對(duì)頂錘質(zhì)量的影響至關(guān)重要。

為此，從硬質(zhì)合金頂錘磨削工藝出發(fā)，對(duì)比研究樹脂金剛石砂輪和陶瓷金剛石砂輪在硬質(zhì)合金頂錘磨削加工中的應(yīng)用，分析金剛石粒度、濃度以及磨削工藝對(duì)硬質(zhì)合金頂錘質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

磨削對(duì)象是安泰科技生產(chǎn)的硬質(zhì)合金頂錘,型號(hào)YG10X，直徑φ160 mm，其待加工毛坯及金相組織照片如圖1所示。

圖1 頂錘待加工毛坯及其金相組織照片

該頂錘具備更好的抗疲勞性能以及同步提高的硬度、強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)4000 MPa以上。

用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪和陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削加工硬質(zhì)合金頂錘的8個(gè)斜平面、頂面、底面、外圓面，獲得形狀及尺寸符合要求的硬質(zhì)合金頂錘。圖2是成品頂錘形狀示意圖。

圖2 成品頂錘形狀示意圖

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

(1)使用市售樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪以及安泰超硬自產(chǎn)的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，具體規(guī)格參數(shù)見表1。

(2)頂錘外圓磨削加工用北京二機(jī)床廠生產(chǎn)的M1420A/H型外圓磨床，其主軸轉(zhuǎn)速為1440 r/min；頂錘平面磨削加工用杭州磨床廠生產(chǎn)的M7130型磨床。使用的樹脂及陶瓷金剛石砂輪用市售硬度為M、粒度代號(hào)為F46的陶瓷結(jié)合劑碳化硅砂輪進(jìn)行修整、開刃；磨削冷卻液用硼酸鈉與自來水質(zhì)量比1∶20稀釋的水溶液。

(3)頂錘表面粗糙度用JB-4C精密粗糙度儀測(cè)量。

表1 實(shí)驗(yàn)砂輪參數(shù)

1.2 磨削工藝過程及方法

合金頂錘平面加工分別使用樹脂金剛石砂輪和陶瓷金剛石砂輪，并對(duì)比不同金剛石砂輪的磨削質(zhì)量。合金頂錘外圓采用不同粒度和濃度的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪加工，分析加工后硬質(zhì)合金頂錘的表面質(zhì)量。整個(gè)磨削過程通過調(diào)整進(jìn)給速度和工作臺(tái)擺動(dòng)速度等磨削工藝參數(shù)，使磨削狀態(tài)達(dá)到最佳。

頂錘加工磨削工藝過程為： 頂錘毛坯→粗精磨頂錘錐度外圓→粗精磨頂錘頂面→粗精磨頂錘4個(gè)大斜面→粗精磨頂錘4個(gè)小斜面→粗精磨頂錘底圓面。磨削加工參數(shù)見表2。

表 2 磨削工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 YG10X頂錘平面加工

一般采用樹脂金剛石砂輪進(jìn)行頂錘的平面磨削加工。采用市售粒度代號(hào)為140/170的樹脂金剛石砂輪磨削YG10X頂錘平面，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。表3中的表面粗糙度數(shù)據(jù)是每個(gè)面對(duì)稱取4個(gè)點(diǎn)測(cè)量的最低和最高值。

表3的磨削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：樹脂砂輪磨削的表面粗糙度Ra集中分布在0.700～0.800 μm之間，可滿足頂錘表面加工要求，切深和進(jìn)給量加大后，其粗糙度值變化不大。在實(shí)際的磨削加工中發(fā)現(xiàn)：樹脂砂輪進(jìn)給速度達(dá)到2.0 mm/min時(shí)，磨床的振動(dòng)加劇，磨削噪音明顯變大；且實(shí)驗(yàn)中采用1.4 mm/min的進(jìn)給速度磨削頂錘圓平面后，用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)頂錘表面溫度為40～45 ℃，高于室溫20 ℃，表明磨削中頂錘表面發(fā)熱。

表 3 樹脂金剛石砂輪平面磨削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

由于安泰YG10X系列頂錘有比YG8更高的致密度和強(qiáng)度，同時(shí)YG10X頂錘主要是直徑φ160 mm以上的大頂錘，采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削時(shí)效率相對(duì)較低；進(jìn)給量加大后頂錘表面發(fā)熱明顯，容易產(chǎn)生加工熱應(yīng)力和表面微裂紋，從而導(dǎo)致頂錘質(zhì)量下降。

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪由于有氣孔，加工時(shí)散熱效果明顯要好于樹脂金剛石砂輪。加工時(shí)溫度低，不僅能避免頂錘加工產(chǎn)生的熱應(yīng)力和微裂紋，而且還能提高加工效率。但陶瓷金剛石砂輪沒有拋光效果，加工的頂錘表面光亮度不及樹脂砂輪。我們用140/170和270/325 2種粒度代號(hào)的金剛石制備1A1-350型陶瓷結(jié)合劑砂輪，來磨削頂錘平面，磨削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。表4中的表面粗糙度數(shù)據(jù)，是每個(gè)面對(duì)稱取4個(gè)點(diǎn)測(cè)量的最低和最高值。

從表4數(shù)據(jù)可以看出：陶瓷金剛石砂輪中的金剛石粒度直接影響頂錘平面磨削的表面粗糙度；同時(shí)，調(diào)整磨削參數(shù)也能夠適當(dāng)改善頂錘平面磨削的表面粗糙度。對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到不同金剛石粒度下進(jìn)給速度、切深對(duì)表面粗糙度的影響曲線，如圖3和圖4所示。

表4 陶瓷金剛石砂輪平面磨削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

圖3 不同金剛石粒度下進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

由圖3可以看出：粗細(xì)粒度金剛石陶瓷砂輪加工的硬質(zhì)合金表面粗糙度隨進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)一致，即都隨進(jìn)給速度增加，表面粗糙度從小到大然后再變小，但粗粒度金剛石砂輪的表面粗糙度值始終遠(yuǎn)高于細(xì)粒度砂輪的。對(duì)于粒度代號(hào)140/170的粗粒度砂輪，表面粗糙度Ra在進(jìn)給速度為0.4 mm/min時(shí)為0.599 μm，進(jìn)給速度上升為1.4 mm/min時(shí)達(dá)最高值0.818 μm，進(jìn)給速度繼續(xù)上升為2.0 mm/min時(shí)下降為0.747 μm。用其加工頂錘平面，為了使表面粗糙度Ra控制在0.8 μm以下，就必須通過控制砂輪的進(jìn)給速度來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于粒度代號(hào)270/325的細(xì)粒度砂輪，表面粗糙度Ra在進(jìn)給速度為0.4 mm/min時(shí)為0.200 μm，進(jìn)給速度上升為0.8 mm/min時(shí)達(dá)最大值0.276 μm，然后繼續(xù)增加進(jìn)給速度，表面粗糙度下降到0.200 μm，但最大表面粗糙度值始終在0.300 μm以下。而且金剛石粒度變細(xì)后，進(jìn)給速度的變化對(duì)表面粗糙度的影響較小。因此，陶瓷金剛石砂輪加工硬質(zhì)合金頂錘獲得相對(duì)較小的表面粗糙度的方法有2種：一是粗粒度金剛石砂輪加工時(shí)降低其進(jìn)給速度，二是使用細(xì)粒度金剛石砂輪。

圖4 不同金剛石粒度下切深對(duì)表面粗糙度的影響

由圖4可以看出：粗細(xì)粒度的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪加工硬質(zhì)合金，其表面粗糙度隨切深的變化規(guī)律比較一致，都隨砂輪切深的增加，合金表面粗糙度逐漸趨于穩(wěn)定。說明陶瓷砂輪在一定的切深下達(dá)到最佳狀態(tài)，

此時(shí)合金表面質(zhì)量趨于穩(wěn)定狀態(tài)。目前大部分頂錘的加工都要求其表面粗糙度Ra在0.8 μm以下，考慮效率等因素直接選擇140/170的金剛石陶瓷砂輪，并適當(dāng)減低進(jìn)給速度就可滿足使用要求。

2.2 YG10X頂錘外圓磨削加工

采用樹脂砂輪磨削頂錘外圓時(shí)磨削效率低，且磨削后頂錘外圓表面溫度偏高，容易對(duì)頂錘表面造成燒傷。為了提高加工效率，借鑒陶瓷砂輪在復(fù)合片中的應(yīng)用[9]，采用不同粒度代號(hào)的陶瓷金剛石砂輪磨削頂錘外圓表面。頂錘的外圓直徑加工余量約1.0～1.5 mm，根據(jù)車間已有的磨削經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)之前已經(jīng)優(yōu)選了樹脂砂輪和陶瓷砂輪的磨削工藝。樹脂金剛石砂輪最優(yōu)進(jìn)給速度為0.6 mm/min，進(jìn)給速度繼續(xù)增大，聲音變大，明顯出現(xiàn)振動(dòng)和撞擊的聲音。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪理想的進(jìn)給速度為0.9～1.5 mm/min，當(dāng)進(jìn)給速度增大到3.0 mm/min時(shí)，磨床的響聲變大；繼續(xù)加大進(jìn)給速度，磨床聲音更大且磨床震動(dòng)加大，表面質(zhì)量變差，因此陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)給速度選擇1.2 mm/min。

頂錘外圓磨削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。表5中樹脂、陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪規(guī)格為1A1-400×25×10×203H，表面粗糙度和表面溫度取最大和最小測(cè)量值范圍區(qū)間，其他數(shù)據(jù)為磨削5個(gè)φ160 mm頂錘后的平均值；砂輪平均補(bǔ)償量定義為砂輪開始接觸所磨頂錘時(shí)進(jìn)給轉(zhuǎn)盤的刻度值和磨完頂錘后進(jìn)給轉(zhuǎn)盤的刻度值之差的平均值。

從表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：采用樹脂金剛石砂輪磨削頂錘外圓效率極低，平均60 min才能加工完一個(gè)頂錘外圓，而陶瓷砂輪只用時(shí)約40 min，加工效率提高了約50%；且樹脂砂輪加工后頂錘的表面溫度明顯高于陶瓷砂輪加工后的。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，采用陶瓷金剛石砂輪磨頂錘外圓的過程中聲音清脆。由于客戶一般要求頂錘外圓表面粗糙度Ra不高于0.6 μm，因此選擇粒度代號(hào)170/200的金剛石陶瓷砂輪能夠兼顧質(zhì)量和效率。從表5中的砂輪平均補(bǔ)償量可知：隨著金剛石濃度的提升，砂輪平均補(bǔ)償量變小，壽命也相應(yīng)地提升，因此金剛石砂輪濃度選擇200%時(shí)，陶瓷金剛石砂輪的性價(jià)比最高。

表 5 頂錘外圓磨削加工數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

用陶瓷金剛石砂輪和樹脂金剛石砂輪磨削YG10X硬質(zhì)合金頂錘，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：

(1)平面磨削過程中，采用陶瓷金剛石砂輪加工硬質(zhì)合金頂錘，獲得相對(duì)較小的表面粗糙度的方法有2種：一是粗粒度金剛石砂輪加工時(shí)降低其進(jìn)給速度；二是使用細(xì)粒度金剛石砂輪。

(2)外圓磨削中，選擇粒度代號(hào)170/200金剛石砂輪能夠兼顧質(zhì)量和效率；金剛石濃度為200%時(shí)，陶瓷金剛石砂輪的性價(jià)比最高。

(3)采用陶瓷金剛石砂輪加工YG10X頂錘，加工效率大幅提升，加工中表面發(fā)熱量較少，能最大程度的減少頂錘表面產(chǎn)生的微裂紋并降低其應(yīng)力。