精密研磨鐵基粉末冶金磨盤(pán)的應(yīng)用研究(上)①

蘇鴻良,李克華,許本超,郜永娟,趙秀香,史林峰,韓雪,孫冠男,王曉東

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南鄭州450013)

精密研磨鐵基粉末冶金磨盤(pán)的應(yīng)用研究(上)①

蘇鴻良,李克華,許本超,郜永娟,趙秀香,史林峰,韓雪,孫冠男,王曉東

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南鄭州450013)

文章介紹了超硬材料復(fù)合磨盤(pán)在磨削鐵基粉末冶金方面的應(yīng)用。通過(guò)與國(guó)外磨盤(pán)磨削性能對(duì)比,所研制的復(fù)合磨盤(pán)可以對(duì)鐵基粉末冶金工件進(jìn)行精密研磨。另外,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),磨盤(pán)磨料粒度對(duì)磨削效率、磨削質(zhì)量以及磨盤(pán)消耗都有較大影響,其中對(duì)磨削效率影響最大。在滿(mǎn)足磨削質(zhì)量的情況下,應(yīng)該選擇粗粒度磨料。修整環(huán)的參數(shù),對(duì)磨盤(pán)磨削性能也有重要影響。經(jīng)過(guò)合理選擇和調(diào)整磨料粒度,制作的復(fù)合磨盤(pán)磨削鐵基粉末冶金工件效率高、工件表面精度高,具有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

復(fù)合磨盤(pán);CBN;鐵基粉末冶金

0 前言

粉末冶金材料由于具有良好的耐磨損、耐腐蝕、抗沖擊以及自潤(rùn)滑性和隔音性,在工程機(jī)械中的應(yīng)用越來(lái)越廣,尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)更是如此[1-3]。

鐵基粉末冶金是指用燒結(jié)(也包括粉末鍛造)方法,制造以鐵為主要成分的粉末冶金材料和制品(鐵基機(jī)械零件、減磨材料、摩擦材料、以及其他鐵基粉末冶金材料)的工藝總稱(chēng)[2]。

以鐵基粉末冶金為材料的零件在冰箱壓縮機(jī)閥板、汽車(chē)齒輪箱齒圈等工件中得到廣泛應(yīng)用,其生產(chǎn)批量大、精度要求高,因此,越來(lái)越多的廠家采用超硬材料磨盤(pán)[4]加工鐵基粉末冶金材料工件。粉末冶金材料由于其具有多孔性以及在微觀組織中存在硬質(zhì)相,這些零件的密度較大,抗拉強(qiáng)度高、延展性好,具有軟、粘等特性,材料中的硬質(zhì)點(diǎn)又使該材料較耐磨,使用樹(shù)脂超硬磨盤(pán)磨削,磨盤(pán)容易堵塞、效率低,難修整,有時(shí)還劃傷工件,難以滿(mǎn)足客戶(hù)要求。粉末冶金零件和鑄造零件相比,具有加工余量小等優(yōu)點(diǎn),但部分零件仍需要精密磨削加工才能獲得要求的精度和表面質(zhì)量。因此,我們需要開(kāi)發(fā)精密研磨鐵基粉末冶金工件的超硬材料磨盤(pán)。

1 磨削試驗(yàn)

1.1 磨削試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)?zāi)ケP(pán)

①1A2T 700×53×300×200×5 cBN170/200 BV100;

②1A2T 700×53×300×200×5 cBN230/270 BV100;

③1A2T 700×53×300×200×5 cBNW40 BV100;

④1A2T 700×53×300×200×5 cBNW20 BV100;

⑤1A2T 1000×56×350×325×6 cBN230/270 BV100

(2)磨削工件:工件材質(zhì)為鐵基粉末冶金(見(jiàn)圖1b),硬度(HRB)50～65

(3)試驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備

①SKF-GMM700高精度雙端面磨床(見(jiàn)圖1a)、SKF-GMM1000高精度雙端面磨床;

②FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡、2205型粗糙度儀、MICRO PLUS 08.10.06型高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

(4)表征測(cè)試

①SEM測(cè)試:對(duì)檢測(cè)試樣進(jìn)行噴金處理,然后利用掃描電子顯微鏡(SEM)(FEI Inspect S50)來(lái)觀察試樣形貌,加速電壓為20k V;

②表面粗糙度測(cè)試:利用2205型粗糙度儀對(duì)磨削后的鐵基粉末冶金工件的Ra進(jìn)行檢測(cè),取樣長(zhǎng)度0.8mm;

③平行度平面度測(cè)試:一般工人現(xiàn)場(chǎng)使用百分表進(jìn)行測(cè)量,抽檢利用測(cè)量?jī)x檢測(cè)。本文利用MICRO PLUS 08.10.06型高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)鐵基粉末冶金工件的平行度和平面度,X、Y、Z方向最大尺寸分別為800mm、1000mm和600mm;

④磨除效率測(cè)試:由于使用的雙端面磨床設(shè)備帶電子計(jì)時(shí)功能,所以直接利用設(shè)備記錄每磨一盤(pán)工件所需的磨削時(shí)間,即為磨除效率;

⑤磨盤(pán)損耗測(cè)試:雙端面磨床在每磨削十盤(pán)工件時(shí)對(duì)一次零位,利用零位差值即可算出磨盤(pán)厚度方向上的尺寸損耗量。

(5)磨盤(pán)設(shè)計(jì)與研制

樹(shù)脂結(jié)合劑磨盤(pán)一般通過(guò)添加大量金屬填料來(lái)提高磨具的硬度,增加磨具的耐磨性,但卻降低了磨具的自銳性,增加了磨盤(pán)在磨削鐵基粉末冶金工件過(guò)程中堵塞的可能性,修整也困難,此外由于樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石把持力不夠,磨削過(guò)程中往往伴隨磨粒的整顆脫落,影響被磨削工件的表面質(zhì)量[5]。而陶瓷結(jié)合劑對(duì)磨料把持力較高,磨料露刃高度比樹(shù)脂結(jié)合劑中的磨料高。另外陶瓷結(jié)合劑自身的形狀保持性好,能使被磨削工件保持較高的平行度,其較高的氣孔率,有一定的容屑排屑和冷卻能力[6]。

相同粒度下,超硬樹(shù)脂磨盤(pán)能夠使工件具有更好的表面質(zhì)量[7],陶瓷磨盤(pán)能夠使工件有更高的材料去除率[8]。為充分發(fā)揮樹(shù)脂結(jié)合劑的優(yōu)勢(shì),把陶瓷結(jié)合劑作為添加劑混入樹(shù)脂結(jié)合劑中,能提高砂輪的整體剛性。利用無(wú)機(jī)硅酸鹽粉狀填料替換金屬粉末填料,在不降低(或略降低)磨具耐磨性的條件下,可以很大程度增加磨具的自銳性。本文將樹(shù)脂結(jié)合劑與陶瓷結(jié)合劑結(jié)合起來(lái),制作了一副可以研磨具有軟粘特性的鐵基粉末冶金工件的磨盤(pán)。同時(shí)將超硬樹(shù)脂陶瓷砂輪塊粘在基體上形成陶瓷磨削層,砂輪塊之間的空隙用超硬樹(shù)脂磨削層填充其間,達(dá)到一副磨盤(pán)可以兼顧磨削效率和磨削質(zhì)量的效果。

立方氮化硼硬度僅次于金剛石,而熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于金剛石,特別是對(duì)鐵族元素的化學(xué)惰性好,不易與鋼材起反應(yīng),因此鐵基粉末冶金材料的磨削選用cBN超硬磨料。

1.2 磨盤(pán)修整部分

(1)試驗(yàn)材料

①A、B、C、D四種修整環(huán);

②鐵基粉末冶金工件;

③型號(hào)為1A2T 700×53×300×200×5 CBN230/270 BV100磨盤(pán)

(2)試驗(yàn)設(shè)備:SKF-GMM700高精度雙端面磨床

(3)試驗(yàn)方法

利用四種修整環(huán)分別修整磨盤(pán),然后觀察磨盤(pán)在工件去除量為0.22～0.23mm時(shí)磨削工件的情況

2 磨削試驗(yàn)結(jié)果

本文通過(guò)磨削試驗(yàn),試驗(yàn)了超硬磨料粒度對(duì)磨盤(pán)磨削粉末冶金材料工件的磨削效率、表面粗糙度值和工件形位精度等的影響,研究了修整環(huán)參數(shù)與磨盤(pán)磨削效果的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且試驗(yàn)了不同規(guī)格磨盤(pán)磨削同一種工件的磨削效果,分析了影響磨盤(pán)磨削性能的原因,結(jié)果如表1所示。

圖1 磨床及鐵基粉末冶金工件Fig.1 Grinding machine and iron-based powder metallurgy work pieces

表1 磨盤(pán)磨削工件數(shù)據(jù)Table 1 Data of grinding discs for iron-based powder metallurgy

表1為不同廠家磨盤(pán)對(duì)某廠鐵基粉末冶金工件進(jìn)行磨削時(shí)的情況對(duì)比。由表1看出,復(fù)合磨盤(pán)適合于加工鐵基粉末冶金工件,且磨削質(zhì)量和磨削效率與國(guó)外產(chǎn)品差別不大。但是,復(fù)合磨盤(pán)的耐用度不如韓國(guó)的磨盤(pán)。在磨盤(pán)的實(shí)際使用過(guò)程中,鐵基粉末冶金工件加工精度要求會(huì)有一定差異,通常,磨料的粒度及質(zhì)量直接影響砂輪的使用壽命和加工質(zhì)量。因此,需要研究不同粒度磨料磨盤(pán)的磨削情況,進(jìn)而控制鐵基粉末冶金材料工件研磨用磨盤(pán)的加工質(zhì)量。

3 磨削試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磨盤(pán)的磨削效率高

①?gòu)?fù)合磨盤(pán)在江蘇丹陽(yáng)GKN公司磨削鐵基粉末冶金工件,1盤(pán)磨削24個(gè),余量0.22毫米,單盤(pán)時(shí)間最短39s;工件表面無(wú)劃傷,質(zhì)量滿(mǎn)足要求。

②復(fù)合磨盤(pán)在東睦連云港新材料公司磨削鐵基粉末冶金工件,1盤(pán)磨削60個(gè),余量0.08毫米,單盤(pán)時(shí)間最短79s;工件表面無(wú)劃傷,質(zhì)量滿(mǎn)足要求。

結(jié)果顯示該盤(pán)磨削效率高、磨削鋒利。

圖2是復(fù)合磨盤(pán)砂輪塊SEM圖片,從圖中可看出:

①陶瓷結(jié)合劑的添加增加了砂輪塊的氣孔率,使砂輪的容屑排屑和冷卻能力增強(qiáng);

②由圖中凹陷位置可以看出,樹(shù)脂結(jié)合劑有一定的成孔作用;

③陶瓷結(jié)合劑對(duì)磨料把持力較高,磨料露刃高度較高;

④樹(shù)脂結(jié)合劑在一定程度上對(duì)陶瓷結(jié)合劑的粘接有一定的緩沖作用,減少了工件在磨削過(guò)程中的震動(dòng)。因此,樹(shù)脂結(jié)合劑與陶瓷結(jié)合劑的共同添加,更好地控制了磨料之間的結(jié)合力以及磨具組織,形成了樹(shù)脂/陶瓷及陶瓷網(wǎng)狀貫穿結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖2 復(fù)合結(jié)合劑磨盤(pán)SEM圖片F(xiàn)ig.2 SEM of compound bond disc

3.1 磨料粒度對(duì)磨盤(pán)磨削性能的影響

本文制作了四種粒度磨盤(pán)進(jìn)行鐵基粉末冶金工件的磨削試驗(yàn),研究磨料粒度對(duì)磨盤(pán)磨削效率、工件表面粗糙度、工件平行度以及磨盤(pán)尺寸損耗的影響,具體磨料粒度以及加工參數(shù)如表2所示。

表2 不同磨料粒度的磨盤(pán)數(shù)據(jù)Table 2 Grinding data of discs with different particle size

3.1.1 磨料粒度對(duì)磨盤(pán)磨削效率的影響

在本次試驗(yàn)中,以磨盤(pán)修整后正常磨削鐵基粉末冶金工件的盤(pán)數(shù)來(lái)表征耐用度。圖3是不同磨料粒度磨盤(pán)的磨削時(shí)間-耐用度關(guān)系圖,因?yàn)榧庸び嗔坎煌?比如170/200粒度磨盤(pán)加工余量0.25mm～0.35mm;而W20粒度磨盤(pán)加工余量?jī)H為0.03mm～0.05mm),所以磨盤(pán)磨削工件的絕對(duì)時(shí)間不具可比性,但是可以比較一種趨勢(shì)。

由圖3可看出:

①一般粗磨時(shí)選用粗粒度砂輪,精磨時(shí)選用細(xì)粒度砂輪。不同粒度磨盤(pán)磨削鐵基粉末冶金工件選用的加工余量不同,粗粒度磨盤(pán)的加工余量較大,細(xì)粒度磨盤(pán)的加工余量較小;

②四種磨料粒度磨盤(pán)的磨削穩(wěn)定性均較好,其中粗粒度磨盤(pán)的修整間隔時(shí)間最長(zhǎng)(170/200＞230/270＞W(wǎng)40＞W(wǎng)20),選擇粗粒度磨盤(pán)有利于提高生產(chǎn)率;

③四種粒度磨盤(pán)在磨削工件過(guò)程中,磨削時(shí)間均一直在持續(xù)增加,說(shuō)明磨盤(pán)的磨削過(guò)程是一個(gè)鈍化過(guò)程;

④相比粗粒度磨盤(pán),細(xì)粒度磨盤(pán)更容易鈍化。

因此,在滿(mǎn)足粗糙度要求的情況下,應(yīng)盡量選用粗粒度的磨盤(pán)以保證較高的磨削效率,尤其是在雙端面磨削情況下,磨盤(pán)與工件的接觸面積較大,粗粒度的磨盤(pán),便于砂輪磨削過(guò)程中脫粒和防止砂輪氣孔堵塞造成散熱不暢,從而避免燒傷、劃傷等磨削不良狀況的產(chǎn)生。

3.1.2 磨料粒度對(duì)工件表面粗糙度的影響

磨料粒度不僅影響加工工件的磨削效率,而且很大程度上決定了加工工件的表面粗糙度。圖4是不同磨料粒度的磨盤(pán)磨削鐵基粉末冶金工件的表面粗糙度-耐用度關(guān)系圖。

圖3 不同磨料粒度磨盤(pán)磨削時(shí)間——耐用度關(guān)系圖Fig.3 Grinding time-durability curve of grinding discs with different particle size

由圖中可以看出:

①隨著磨削盤(pán)數(shù)的增加,四種粒度磨盤(pán)磨削鐵基粉末冶金工件的表面粗糙度值均越來(lái)越小。一是因?yàn)槟ケP(pán)磨削產(chǎn)生的金屬屑初期存在于砂輪表面的開(kāi)口氣孔中,隨著金屬屑的積累,逐漸覆蓋到砂輪表面的切削刃,使其出露高度變低,砂輪切削能力下降,表面光潔度增加;二是因?yàn)樯拜営捕雀?磨鈍的磨粒難以脫落,砂輪表面的大部分磨粒與工件之間只產(chǎn)生摩擦,卻未起切削作用,因此工件表面粗糙度好。同時(shí),這些進(jìn)一步說(shuō)明磨盤(pán)磨削是一個(gè)鈍化過(guò)程,在磨削一定時(shí)間后需要重新修整開(kāi)刃;

②隨著磨盤(pán)磨料粒徑變小,被加工工件表面粗糙度值變小,工件的表面質(zhì)量越高。磨料粒度越小,同時(shí)參與磨削的磨粒數(shù)越多,則磨削表面粗糙度越好。相對(duì)于170/200磨料加工工件的表面粗糙度可達(dá)到Ra0.4μm～0.6μm,W20磨料磨盤(pán)加工工件的表面粗糙度可達(dá)到Ra0.2μm,工件的表面粗糙度值大大降低;

③相對(duì)于粗粒度磨盤(pán),磨料粒徑越小的磨盤(pán),越容易損耗,修整間隔越短。這是因?yàn)槟チＡ叫?參與磨削的切削刃出露高度低,磨削消耗亦快。

工件表面粗糙度是由磨盤(pán)所用磨料粒度決定的,因此,在實(shí)際生產(chǎn)中要處理好表面粗糙度與磨料之間的關(guān)系,合理選擇磨料粒度,在得到規(guī)定粗糙度的同時(shí)節(jié)省磨盤(pán)消耗,提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 不同磨料粒度磨盤(pán)磨削工件表面粗糙度—耐用度關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the surface roughness of workpiece and durability of grinding discs with different particle size

[1] 辛民,王西彬,康運(yùn)江,楊洪建.高速干切削鐵基粉末冶金零件時(shí)細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具的切削性能研究[J].2006(6):7-10.

[2] 韓立發(fā),屈盛官,夏偉.涂層刀具切削鐵基粉末冶金復(fù)合材料時(shí)的磨損機(jī)理[J].制造材料,2007(509):42-44.

[3] 孫世杰.近年鐵基粉末冶金行業(yè)發(fā)展淺析[J].粉末冶金工業(yè), 2010(2):53-59.

[4] 黃海,靳國(guó)青,蘇磊,程曉,杜小娜,劉明新.雙端面磨床在氧化鋅壓敏電阻片生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電瓷避雷器,2006(3):44-46.

[5] 鄒文俊.有機(jī)磨具制造[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001:9.

[6] 李德啟,石學(xué)民,高彥超.陶瓷結(jié)合劑CBN雙端面砂輪在磨削合金鋼零部件中的研究與應(yīng)用[C].第五屆鄭州國(guó)際超硬材料及制品研討會(huì)論文集,185-187.

[7] 李克華,史冬麗,趙延軍,丁春生,劉權(quán)威.雙端面精密磨削用樹(shù)脂超硬材料磨盤(pán)研究[J].超硬材料工程,2007(4):21-26.

[8] 翟浩沖,萬(wàn)隆,劉小磐,胡偉達(dá),張國(guó)威,王志起.CBN陶瓷結(jié)合劑磨盤(pán)的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2010(4):33-37.

Application research of millstone on precision grinding iron-based powder metallurgy

SU Hong-liang,LI Ke-hua,XU Ben-chao,GAO Yong-juan,ZHAO Xiu-xiang, SHI Lin-feng,HAN Xue,SUN Guan-nan,WANG Xiao-dong
(Zhengzhou Research Institute for Abrasives&Grinding Co.,Ltd.,Zhengzhou 450013,China)

The applications of ultra-hard grinding disc are introduced in this paper in grinding iron-based powder metallurgy.Compared with grinding performance of foreign product,the grinding disc can precision grinding the iron-based powder metallurgy.In addition,it is found that the millstone grit size has a greater impact on grinding efficiency, quality and millstone consumption,of which the greatest impact on the grinding efficiency.At the case of satisfying grinding quality,we should choose a coarse-grained abrasive. The parameters of dressing wheel can also great impact on the efficiency of grinding disc. Through the optimizing test of reasonable choice and adjustment of abrasive particle size, the grinding disc can grind iron-based powder metallurgy work piece with high efficiency and high precision surface,and has a good marketing value.

composite disc;cBN;iron-based powder metallurgy

TQ164

A

1673-1433(2014)01-0026-06

2014-02-16

蘇鴻良(1987-),助理工程師,從事陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨盤(pán)制造及應(yīng)用技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。

李克華,653072632@99.com,13838027196。