金屬陶瓷材料高速超高速磨削性能試驗研究*

尚振濤 郭宗福 謝桂芝 盛曉敏

（湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心，湖南長沙 410082）

金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導熱性，又具有陶瓷的高硬度、高強度、高紅硬性、高耐腐蝕和耐磨損等特性，在軍工、航空航天、交通運輸、工具等行業(yè)得到日益廣泛的應用。但該類材料的這些特性也給傳統(tǒng)的磨削工藝帶來了巨大的挑戰(zhàn):磨削力大，砂輪磨損嚴重，加工效率極低，尤其是極易出現(xiàn)崩邊和裂紋現(xiàn)象［1］，這使金屬陶瓷的加工成本極高，限制了其進一步擴展應用。高速超高速磨削技術是通過提高砂輪線速度來達到高的材料磨除率和良好的表面質量，被認為是實現(xiàn)硬脆難加工材料高效低損傷磨削的有效手段之一［2－5］。本文采用工藝試驗的方式，結合材料最大未變形切屑厚度的理論，對金屬陶瓷的高速超高速磨削性能及材料去除機理進行了系統(tǒng)研究，以期解決金屬陶瓷的崩邊和裂紋問題，并實現(xiàn)其高效加工。

表1 金屬陶瓷材料成分及性能

1 試驗方案

本文采用平面磨削的方式對金屬陶瓷的磨削性能進行試驗，對磨削中的磨削力和表面質量進行測量。

1.1 試件

本文所采用的試件材料是由成都工具研究所提供的金屬陶瓷GN20，其材料成分及性能如表1所示。表1表明該材料硬度高，密度低。材料微觀SEM照片如圖1所示，由致密的微細晶體顆粒（TiCN）及結合劑WC和Co組成。試件尺寸為16 mm×16 mm×5 mm的立方體，加工面為16 mm×5 mm的平面。

1.2 試驗條件

（1）磨床:湖南大學自主研制的314 m/s超高速平面磨削試驗臺，主軸最高轉速為24 000 r/min，主軸額定功率為40 kW，額定扭矩為71.1 N·m。

（2）砂輪:試驗使用樹脂結合劑金剛石砂輪，砂輪具體參數(shù)如表2所示。

（3）磨削液:試驗中使用高速水基磨削液SY－1，供液噴嘴采用封閉式Y型噴嘴供液，供液壓力8 MPa，流量40 L/min。

表2 試驗用砂輪規(guī)格

1.3 試驗工藝參數(shù)

磨削試驗參數(shù)如表3所示。

表3 試驗工藝參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 磨削力

2.1.1 砂輪線速度的影響

圖2為砂輪線速度與磨削力的關系。由圖2可以看出:①當vw=10 000 mm/min時，垂直磨削力Fz與水平磨削力Fx均隨著砂輪線速度的提高而減小;這是因為當工作臺速度和磨削深度一定時，砂輪線速度的提高意味著單位時間內(nèi)通過磨削區(qū)的有效磨刃數(shù)增多，這將導致單顆磨粒未變形切屑厚度減小，每顆有效磨粒所承受的磨削力隨之減小，因此磨削力減小。②當vw=600 mm/min時，F(xiàn)z與Fx均在vs=120 m/s時達到最小，而在此之前則單調(diào)減小，之后有所增大;這是由于隨著砂輪線速度的提高，機床的振動逐漸加劇，進而影響到磨削過程。③當vw=25 mm/min時，隨砂輪線速度的提高，F(xiàn)x的變化并不明顯，而Fz則單調(diào)遞增，但幅度不大;這是由于此時Fx較小，與磨削液所引起的水平力相當，無法準確辨別;而磨削液所引起的垂直方向力，由于液體動壓效應的存在，隨著砂輪線速度的提高而大幅增加，它與垂直方向磨削力疊加而造成了垂直磨削力隨砂輪線速度的提高而增大。④隨著工作臺速度由vw=25 mm/min增加到vw=10 000 mm/min，磨削力會大幅增大。這是由于當工作臺速度由25 mm/min提高到10 000 mm/min，材料去除率大幅增加，這將導致單顆磨粒未變形切屑厚度大幅增大，進而使磨削力增加。

2.1.2 工作臺速度的影響

圖3為工作臺速度與磨削力的關系。由圖3可以看出，在工作臺速度低于6 000 mm/min時，磨削力均隨著工作臺速度的提高而增大;而在其后，磨削力則隨著工作臺速度的增加而減小。此外，在工作臺速度超過6 000 mm/min后，金屬陶瓷工件出現(xiàn)了崩裂現(xiàn)象。

2.1.3 磨削深度的影響

如圖4所示，在不同的砂輪線速度時，F(xiàn)x和Fz均隨ap的增大單調(diào)增大。Fx比Fz隨工作臺速度上升而增大的趨勢要緩慢得多。這是因為磨削深度的增加使材料去除率呈比例增長，同時還會增加有效磨刃數(shù)，單顆磨粒的磨削軌跡更長，最大未變形切屑厚度也有所增加，這使磨削力也有所增大。

2.2 表面粗糙度

2.2.1 砂輪線速度的影響

圖5為砂輪線速度與表面粗糙度的關系。由圖5可知，①當vw=25 mm/min和600 mm/min時，工件表面粗糙度值隨著砂輪線速度的提高先減小后增大，并在120 m/s時達到最小值;這是因為在工作臺速度為25 mm/min和600 mm/min時，砂輪線速度低于120 m/s時，砂輪處于正常的切削狀態(tài)，隨著砂輪線速度的增加，單位時間通過磨削區(qū)的有效磨刃數(shù)增加，單顆磨粒未變形切屑厚度減小，工件表面上磨痕深度變小，表面上殘留凸峰變小，表面粗糙度得到改善;而當砂輪線速度超過120 m/s后，由于主軸振動的增大，影響到了工件加工質量。②當vw=10 000 mm/min時，隨著砂輪線速度的增大，工件表面粗糙度出現(xiàn)了較大幅度的波動;這是因為在工作臺速度為10 000 mm/min時，由于材料比磨除率大幅增加，單顆磨粒未變形切屑厚度超過了脆塑轉變限［5－8］，材料去除以脆性去除為主，因此工件表面粗糙度呈波動狀態(tài)。

2.2.2 磨削深度的影響

圖6為磨削深度對表面粗糙度的影響。由圖6可知，在砂輪線速度為120 m/s和160 m/s時，隨著磨削深度的增加，工件表面粗糙度值均有增大的趨勢。這是因為隨著磨削深度的增加，材料去除率成比例增大，單顆磨粒未變形切屑厚度增大，工件表面上磨痕深度變大，表面上殘留凸峰變大，表面粗糙度值亦隨之增大。并且在砂輪線速度為160 m/s時，機床主軸的振動加大，動不平衡量由120 m/s的0.127 μm上升到160 m/s的0.8 μm，從而使工件表面粗糙度值增大。

2.2.3 工作臺速度的影響

由圖7可以看出，工件表面粗糙度值隨著工作臺速度的提高呈現(xiàn)先增大后減小并逐漸平穩(wěn)的狀態(tài)，并且在工作臺速度為6 000 mm/min時達到最大值。這是因為在工作臺速度6 000 mm/min以下時，由于工作臺速度的增加，工件材料去除率成比例增加，單顆磨粒未變形切屑厚度相應增加，工件表面上磨痕深度變大，表面上殘留凸峰變大，并且切屑增多，切屑與工件表面摩擦擠壓力變大，從而使表面粗糙度值逐漸增大。而在工作臺速度超過6 000 mm/min后，由于工件材料去除率的進一步增加，使單顆磨粒未變形切屑厚度超過了脆塑轉變限，材料的去除方式逐漸轉變?yōu)橐源嘈匀コ秊橹?，進而使工件表面粗糙度值先減小進而平穩(wěn)。

2.3 表面形貌

2.3.1 砂輪線速度的影響

由圖8可知，砂輪線速度為60 m/s時，工件表面有一些較大的崩碎凹坑，與砂輪線速度為120 m/s時的相比較而言，表現(xiàn)出了更顯著的脆性斷裂去除的趨勢。這表明砂輪線速度的提高使最大未變形切屑厚度減小，進而使脆性材料的去除由以“脆性”為主向以“塑性”為主轉換。然而，當砂輪線速度繼續(xù)增加至160 m/s時，工件表面的崩碎凹坑又有增多的跡象，這表明隨時砂輪線速度的增加機床的振動也會大幅增強，并對工件表面的去除方式產(chǎn)生重要影響。

2.3.2 磨削深度的影響

圖9給出了以不同磨削深度磨削時的工件表面微觀形貌。由圖可知，隨著磨削深度的增加，工件表面的溝槽加深，崩碎凹坑增加。這表明了磨削深度的增加使最大未變形切屑厚度增加，進而使材料脆性去除趨勢增強，工件表面質量下降。

2.3.3 工作臺速度的影響

圖10給出了以不同工作臺速度磨削時的工件表面微觀形貌。由圖可知，隨著工作臺速度的增加，工件表面的溝槽加深，崩碎凹坑增加。這表明了工作臺速度的增加使最大未變形切屑厚度增加，進而使材料脆性去除趨勢增強。

3 比磨削能Ee與最大未變形切屑厚度hmax的關系

比磨削能是表征磨削過程能量消耗的一個重要指標。單顆磨粒最大未變形切屑厚度hmax是磨粒磨削工件模型中重要的物理量，不僅影響到作用在磨粒上力的大小，同時還影響到比磨削能的大小、表面粗糙度及磨削區(qū)的溫度，從而造成對砂輪的磨損以及對加工表面完整性的影響。

由圖11可知，比磨削能隨最大未變形切屑厚度的減小而增加，且近似為反比關系。這是由于在金屬陶瓷等硬脆性材料的磨削中，工件材料的去除并存著兩種形式:脆性斷裂與塑性去除，并以脆性斷裂為主。最大未變形切屑厚度的減小，這增強了材料脆性塑性去除的趨勢，而塑性去除比脆性去除需要消耗更多的能量;更重要的是，由于尺寸效應的存在，即材料內(nèi)部的缺陷，使磨削時產(chǎn)生應力集中。隨著切屑變薄，單位剪應力和單位剪切能量變大，這兩方面因素的綜合作用使比磨削能增加。

4 結語

（1）采用高速/超高速磨削技術可以極大地提高金屬陶瓷的加工效率，減小磨削裂紋和崩碎的產(chǎn)生。

（2）磨削力和表面粗糙度隨最大未變形切削厚度的增大而增大。比磨削能隨最大未變形切屑厚度的增加而減小。

（3）通過改變工藝參數(shù)，尤其是提高砂輪線速度，使單顆磨粒最大未變形切屑厚度減小，可以增強金屬陶瓷等硬脆性材料的塑性去除趨勢，實現(xiàn)延性域磨削，進而改善工件表面質量，減少裂紋或迸裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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