張大將， 黃國欽

(華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021)

金剛石結(jié)塊磨粒排布層間距實驗

張大將， 黃國欽

(華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021)

分析現(xiàn)有磨粒層間距估算方法，采用洛氏金剛石壓頭對中等硬度花崗石G603直線等深度劃擦.通過測量相同劃擦深度、不同劃擦間距下劃擦過程的劃擦力，觀察劃擦后劃痕的形貌，綜合分析劃擦過程材料去除與劃擦力和劃痕間距的關(guān)系，并優(yōu)選磨粒排布層間距.實驗結(jié)果表明：磨粒層間距L存在一臨界值間距Ls.當(dāng)L≤Ls時，劃擦力隨著L的增大而增大，磨粒間工件材料可通過干涉式整體體積破碎去除；當(dāng)L>Ls時，磨削力趨于穩(wěn)定，不隨L增大而變化，磨粒協(xié)同干涉作用消失，磨粒間工件材料無法成片去除.

金剛石； 劃擦； 體積破損； 劃擦力； 層間距

眾多研究結(jié)果表明，與常規(guī)金剛石工具相比，有序排布的金剛石工具加工效率更高、使用壽命更長、能耗更低.因此,磨粒有序排布技術(shù)是改善金剛石工具性能的有效途徑[1].雖然磨粒有序排布在技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)，但磨粒排布參數(shù)優(yōu)化仍存在不少問題，有很多學(xué)者已經(jīng)開展了大量的相關(guān)研究[2-11].從已有研究可知，目前業(yè)界對磨粒多層有序排布的層間距估算主要采用巖石破碎理論，即運用單個壓模壓入時破碎坑大的漏斗狀頂角或單個壓模壓入時巖石破碎坑直徑與壓模直徑的比例關(guān)系確定破碎坑直徑，并結(jié)合相鄰兩個壓頭壓入時巖石破碎機理確定磨粒間的層間距[5-6].雖然這些估算方法取得一定的效果，但都是基于垂直載荷作用理論進行推算.事實上，磨粒加工過程是垂直載荷和水平載荷同時作用[12]，僅憑垂直載荷作用估算必然存在差異，現(xiàn)有估算結(jié)果缺少實驗驗證.本文通過單顆金剛石磨粒劃擦實驗，調(diào)整劃擦間距構(gòu)造不同的磨粒干涉間距，以期通過實驗研究多層有序排布的層間距，并與現(xiàn)有的估算理論計算的結(jié)果進行比較.

1 實驗過程與結(jié)果

1.1 實驗系統(tǒng)

單顆金剛石劃擦實驗原理，如圖1所示.調(diào)整金剛石壓頭劃擦工件的深度ap后，由工作臺驅(qū)動工件運動并與金剛石壓頭發(fā)生等深度劃擦運動.劃擦速度Vw=0.01 m·s-1,切削深度ap=30 μm不變，改變不同的劃擦間距L，監(jiān)測劃擦力并觀察劃痕形貌.對每個劃擦間距L都進行了7次劃擦，其順序如圖2所示.圖2中：第1～4條劃痕為常規(guī)劃痕；第5～7條劃痕為干涉劃痕.

圖1 單顆金剛石劃擦實驗原理圖 圖2 劃擦順序示意圖Fig.1 Schematic diagram of single diamond scratch test Fig.2 Illustration of scratching sequence

(a) 壓頭 (b) 頂錐角圖3 人造洛氏金剛石壓頭Fig.3 Rockwell diamond indenter

實驗中，所用劃擦間距L從200 μm開始，并以50 μm遞增至700 μm.實驗所用花崗石為中等硬度，牌號G603；所用壓頭為人造洛氏金剛石壓頭(圖3)，頂錐角為120°，刀尖圓弧半徑為0.2 mm.劃擦過程采用Kistler 9257B型測力儀監(jiān)測工件上所受的劃擦力，并通過DEWESoft X2采集和分析，力信號采集頻率為10 kHz，并利用LSM 700型激光共聚焦顯微鏡觀察劃擦后工件表面的劃痕形貌.

1.2 實驗結(jié)果

(a) 切向力 (b) 法向力圖4 實際劃擦力信號Fig.4 Actual scratch force signals

(1)

式(1)中:F(x)為測力儀所測力信號;t1,t2分別對應(yīng)劃擦?xí)r力信號的起始、終止時間;s為劃擦距離.

(a) 單位長度平均切向力 (b) 單位長度平均法向力圖5 單位長度平均力與劃擦間距的關(guān)系Fig.5 Relationship between average force per unit length and distance between scratches

(a) L=200 μm

(b) L=250 μm (c) L=300 μm

(d) L=350 μm (e) L=400 μm

(f) L=450 μm (g) L=500 μm

(h) L=550 μm (i) L=600 μm

(j) L=650 μm (k) L=700 μm圖6 劃擦后工件表面三維形貌圖Fig.6 Scratches workpiece surface three-dimensional topography

1.2.2 劃擦后工件表面三維形貌 利用激光共聚焦顯微鏡系統(tǒng)觀察劃擦后試樣的表面形貌，如圖6所示.由圖6可知：當(dāng)劃擦間距L等于200，250，300 μm時，劃擦交叉帶完全崩碎，材料去除徹底；當(dāng)L等于350，400 μm時，劃擦交叉帶崩碎程度較大，但是并沒有完全崩碎，仍有極少量巖脊存在；當(dāng)L大于或等于450 μm時，劃擦交叉帶崩碎程度減小直至沒有崩碎，巖脊大量存在于工件表面.

2 分析與討論

兩向載荷同時作用下的巖石破碎機理[12]與單向載荷作用下的巖石破碎機理存在很大差異.金剛石劃擦臨界間距示意圖，如圖7所示.由于水平載荷的存在，使巖石內(nèi)部的合力方向沿水平載荷方向指向巖石內(nèi)部，而裂紋從未劃擦區(qū)域工件表面沿合力方向向工件內(nèi)部呈扇形方向擴展(圖7(d)).劃擦過程中,磨粒對花崗石工件破碎作用遵循兩向載荷同時作用下的巖石破碎機理，劃擦過程中當(dāng)磨粒劃擦間距減小到一定距離Ls時，磨粒間底部裂紋發(fā)育充分并擴展至磨粒間交叉帶的整個區(qū)域，致使交叉帶處于臨界崩碎狀態(tài)(圖7(a)).當(dāng)磨粒劃擦的間距L繼續(xù)減小時，相鄰兩顆磨粒間劃擦區(qū)域的裂紋將發(fā)生組合式生長并迅速擴展，致使磨粒間材料成干涉破碎形式去除(圖7(b))，并且裂紋的迅速擴展導(dǎo)致磨粒在劃擦過程中的磨削力減小(圖5).這說明磨粒劃擦間距L存在臨界橫向間距Ls.當(dāng)L≤Ls時，磨粒間材料通過干涉式體積破碎(圖7(b)).當(dāng)L>Ls時，磨粒間材料干涉去除消失，磨粒間材料無法成片去除(圖7(c)).劃擦力隨著L的增大而增大,當(dāng)LLs時，磨粒間的裂紋無法以組合形式擴展，磨削力處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖7 金剛石劃擦臨界間距示意圖Fig.7 Schematic diagram of scratch clearance of diamond

對于切向力而言，當(dāng)劃擦間距L<400 μm時，干涉劃擦的平均磨削力明顯小于無干涉劃擦的平均磨削力；當(dāng)劃擦間距L>400 μm時，干涉劃擦的平均磨削力與無干涉劃擦的平均磨削力差別很小(圖5(a)).對于法向力言，當(dāng)劃擦間距L<400 μm時，干涉平均磨削力明顯比無干涉平均磨削力??；當(dāng)劃擦間距L>400 μm時，平均磨削力與干涉平均磨削力的差距不明顯(圖5(b)).

結(jié)合劃擦的力信號分析結(jié)果和干涉劃擦表面形貌情況，得出如下結(jié)論：在劃擦速度為10 mm·s-1，切深為30 μm的劃擦參數(shù)下，干涉劃擦去除材料的間距臨界Ls在350～400 μm之間，去除材料的合理間距L1在250～350 μm之間，即L1∈[250，350].

目前,主要采用的兩種層間距估算方法如下.

圖8 單顆磨粒直線劃擦示意圖Fig.8 Schematic diagram of single grain linear scratching

方法1[6]金剛石單顆干涉劃擦實驗中金剛石磨粒劃擦運動為勻速直線運動.單顆金剛石磨粒劃擦示意圖,如圖8所示.圖8中：AB為單顆磨粒劃擦的切寬，表示為D1;ap為單顆磨粒劃擦的切深；角AOB為漏斗坑頂角.由奧斯特洛烏什柯(Οсτроушκο)對各種巖石的侵入漏斗坑頂角的測量數(shù)據(jù)可知，花崗石的侵入漏斗坑頂角(2θ)為116°～124°.為了使L1與文獻[6]的計算結(jié)果進行對比，取2θ最大值為120°，并根據(jù)壓頭切深可以計算單顆磨粒劃痕理論切寬D1為

D1=2aptanθ.

(2)

假設(shè)兩個金剛石壓頭的作用效果完全相同，相鄰兩個載荷作用時,巖石破碎機理中合理的磨粒間距公式為

結(jié)合式(2)，(3),計算出相鄰兩顆金剛石磨粒的合理間距區(qū)間DL1為

DL1∈[69.3，103.9].

(4)

方法2[5]利用球體壓模壓入時的巖石破碎機理.D/d=2.8～3.1[13](D為巖石破碎坑直徑，d為球型金剛石壓頭直徑)，結(jié)合相鄰兩個載荷作用時巖石破碎機理式(3),計算相鄰兩個金剛石磨粒間的合理間距，則必須計算出半球壓模半徑d，令θ=60°，代入式(2)中,可以近似計算出半球壓模半徑d為

d=2aptan 60°.

(5)

假設(shè)相鄰兩個切削具的作用效果完全相同，為了使L1與文獻[5]的計算結(jié)果進行對比，這里取D/d=2.9，結(jié)合式(3)，(5)，計算出相鄰兩顆金剛石磨粒的合理間距DL2為

DL2∈[200.92，301.38].

(6)

對于層間距估算這一問題，實驗的結(jié)果L1和兩種理論計算結(jié)果DL1，DL2分別為

L1∈[250，350],DL1∈[69.3，103.9],DL2∈[200.92，301.38].

圖9 金剛石磨粒間距的區(qū)間分布Fig.9 Interval distribution of diamond grits

從計算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn):由理論計算得出的兩個結(jié)果DL1與DL2差別較大，而第二種理論計算出的間距DL2與本次劃擦實驗的結(jié)果L1比較接近.圖9可以直觀的反應(yīng)這一情況.

3 結(jié)論

1) 當(dāng)切深為30 μm，劃擦速度為10 mm·s-1時，單顆金剛石直線干涉劃擦花崗石的合理間距在250～350 μm之間.這與結(jié)合球體壓模壓入時，巖石破碎機理與相鄰兩個載荷作用的巖石破碎機理計算出的干涉劃擦合理間距區(qū)間存在重疊.

2) 磨粒劃擦的間距存在臨界間距Ls，當(dāng)劃擦間距L≤Ls時，磨粒間工件材料可實現(xiàn)整體性積破碎;當(dāng)L>Ls時，兩磨粒協(xié)同作用消失，磨粒間工件材料無法成片去除.

3) 當(dāng)L≤Ls時，劃擦力隨著L的增大而增大；當(dāng)L>Ls時，磨削力處于穩(wěn)定狀態(tài).

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(責(zé)任編輯： 黃曉楠 英文審校： 崔長彩)

Investigation on Interlayer Spacing of Grain Layers of Diamond Segments

ZHANG Dajiang， HUANG Guoqin

(Institution of Manufacture Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China)

In this paper， based on the review of the existing methods for estimating abrasive layers interval spacing， Rockwell diamond indenters were used to scratch a medium-hardness granite G603 with equal scratch depth. During scratching， cutting force on workpiece was monitored. After scratching test， the surface of workpiece was observed. The relationship between the material removal mechanisms and scratch force was discussed in regards with different interlayer spacing. The results show that there is a critical spacingLs. When the interlayer spacingLis less than or equal toLs， the scratch force increases with the increase ofL， and the material adjacent grains is entirely removed by volume-fractured due to the interference of inter-grains; however, whenLis larger thanLs， the scratch force remained constant and the interference of inter-grains disappeared. As a result, the material can only be removed individually by each grain. Keywords：diamond； scratch； material removal mechanism； scratch force； interlayer spacing

10.11830/ISSN.1000-5013.201703002

2016-12-12

黃國欽(1981-)，男，副教授，博士，主要從事硬脆性材料高效精密加工技術(shù)、超硬材料工具制備及應(yīng)用的研究.E-mail:smarthgq@hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51575198， 51105148, 51235004)； 福建省自然科學(xué)基金工業(yè)引導(dǎo)重點資助項目(2017H0023)

TG 580.6； TG 74

A

1000-5013(2017)03-0288-06