張大將,王穎達(dá),陳世隱,黃國欽

(華僑大學(xué)制造工程研究院,福建 廈門 361021)

釬焊金剛石砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金的試驗研究

張大將,王穎達(dá),陳世隱,黃國欽

(華僑大學(xué)制造工程研究院,福建 廈門 361021)

采用細(xì)粒度釬焊金剛石砂輪(粒度100/120)對YG8硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削性能評價。結(jié)果表明：法向磨削力和切向磨削力均隨著砂輪線速度的增大而減小、隨著工件進(jìn)給速度和磨削深度的增加而增大，其中磨削深度對磨削力的影響最大；法向磨削力與切向磨削力存在線性關(guān)系，其比值約為4.17；砂輪/工件接觸面符合庫倫摩擦定律，滑動摩擦系數(shù)為0.24；磨削后工件表面粗糙度隨著砂輪線速度的增加而下降、隨著進(jìn)給速度和切深的增加而增加，其垂直方向粗糙度0.6～0.9μm，平行方向粗糙度0.05～0.2μm。

釬焊金剛石砂輪；磨削；YG8硬質(zhì)合金；磨削力；表面粗糙度

硬質(zhì)合金是由高硬度的WC顆粒和相對韌性較好的結(jié)合劑組成的復(fù)合材料，具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，廣泛用于切削刀具、礦山鉆頭、模具等領(lǐng)域。然而，也正是其硬度高、大脆性等特點使其難于加工，成為典型的難加工材料之一。因此，采用金剛石砂輪磨削一直是硬質(zhì)合合金的主要加工手段。近年來，釬焊金剛石砂輪因其比樹脂、電鍍、陶瓷結(jié)合劑砂輪具有更強的把持力，更高的出露高度(70%～80%)，更大的容屑空間等特點[1]，成為各種難加工材料高效磨削競先應(yīng)用研究的熱點[1-7]。本文以YG8硬質(zhì)合金為磨削對象，從磨削力、磨削力比、加工后工件表面粗糙度等方面對釬焊金剛石砂輪在硬質(zhì)合金磨削應(yīng)用方面進(jìn)行試驗評價。

1 試驗方案

本文所用工件材料為YG8硬質(zhì)合金，其主要機(jī)械性能如表1所示，尺寸為20mm×20mm×12mm。

表1 YG8硬質(zhì)合金材料性能Table 1 Material performance of YG8 cemented carbide

實驗所用釬焊金剛石砂輪，如圖1所示，采用真空爐釬焊方法制備所得，釬焊工藝參數(shù)為：真空度0.10Pa、釬焊溫度1030℃，保溫時間10min。砂輪基體為40Cr，其尺寸如下：直徑Φ350mm，砂輪厚度25mm，磨料層寬度15mm，中心孔直徑Φ127mm。

圖1 釬焊金剛石砂輪Fig.1 Brazed diamond wheel

釬料采用鎳基合金粉末BNi82CrSiBFe。金剛石為ISD1650，粒度為100/120，粒徑為125μm～150μm。

磨削實驗在BLOHM高速平面磨床上進(jìn)行，測試系統(tǒng)如圖2所示。磨削過程中采用Kistler 9257B型測力儀進(jìn)行磨削力監(jiān)測。采用DEWEsoft進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。采用順磨方式，加冷卻液。磨削參數(shù)組合如表2所示。為了保證試驗的準(zhǔn)確性，每個磨削參數(shù)下做3次磨削試驗，對三次實驗數(shù)值取平均值作為該參數(shù)下的磨削實驗結(jié)果。

圖2 磨削試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of grinding test

表2 磨削試驗參數(shù)Table 2 Parameters for grinding test

磨削后采用德國Mahr公司粗糙度測量儀XR20對磨削面的平行和垂直于磨削方向的粗糙度進(jìn)行測量。采樣長度為5.6 mm，為了減小測量誤差，每個方向測量5個位置，求其平均值作為該試樣表面粗糙度值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 磨削參數(shù)對磨削力的影響

釬焊金剛石砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金試驗所測得的磨削力結(jié)果如圖3至圖5所示。從圖中可以看出，法向磨削力Fn和切向磨削力Ft隨著砂輪線速度vs的提高而減小，隨著進(jìn)給速度vw的增大而增大，隨磨削深度ap的增大而增大。

(a)法向磨削力(b)切向磨削力圖3 砂輪線速度對磨削力的影響Fig.3 Influence of grinding wheel linear velocity on grinding force

(a)法向磨削力(b)切向磨削力圖4 磨削深度對磨削力的影響Fig.4 Influence of grinding depth on grinding force

(a)法向磨削力(b)切向磨削力圖5 進(jìn)給速度對磨削力的影響Fig.5 Influence of feed speed on grinding force

磨削力是研究磨削過程的重要特征參數(shù)之一，現(xiàn)有的磨削力預(yù)測方法是建立基于磨削試驗的經(jīng)驗公式，并根據(jù)經(jīng)驗方程進(jìn)一步確定磨削力與各磨削參數(shù)之間的關(guān)系。近年來，學(xué)者們提出了各種各樣的磨削力經(jīng)驗公式[8-10]。本文針對YG8硬質(zhì)合金，在試驗基礎(chǔ)上收集大量數(shù)據(jù)，采用角正回歸法，得到試驗材料在磨削條件下的磨削力經(jīng)驗公式，如式(1)(2)所示，其回歸一致性效果如圖6所示。

(a)法向磨削力(b)切向磨削力圖6 磨削力與磨削參數(shù)的回歸分析Fig.6 Regression analysis of grinding force and grinding parameters

Fn=0.612Vs-0.3394Vw0.4446ap1.1480

(1)

Ft=0.2232Vs-0.4567Vw05063ap1.0295

(2)

從式1和式2的指數(shù)系數(shù)可以看出，砂輪線速度對切向磨削力和法向磨削力的影響是負(fù)指數(shù)效應(yīng)，而磨削深度和工件進(jìn)給速度的影響則是正指數(shù)效應(yīng)。從指數(shù)大小的對比可知，磨削深度對磨削力的影響程度比砂輪線速度和進(jìn)給速度要明顯得多。因此在實際磨削過程中，在保證磨削效率的前提下，應(yīng)適當(dāng)提高砂輪圓周線速度和減小磨削深度，可以降低磨削力的大小，提高砂輪使用壽命。

2.2 磨削力比特征

磨削力比即法向磨削力與切向磨削力的比值Fn/Ft，是磨削加工中一項重要的參數(shù)。它一定程度上表征了磨粒切入工件的難易程度，也反映砂輪表面磨粒的鋒利度。一般來說，材料越硬越脆，磨削力比越大。本實驗不同磨削參數(shù)下法向磨削力與切向磨削力之比如圖7所示。在磨削過程中，法向磨削力與切向磨削力之間存在良好的線性對應(yīng)關(guān)系，磨削力比約為常數(shù)4.17。文獻(xiàn)[11]中釬焊金剛石砂輪磨削YG8和YT30硬質(zhì)合金的磨削力比分別為5.4和5.12，但所用磨粒粒度為粗粒度(30/35)；文獻(xiàn)[12]電鍍金剛石砂輪磨削YG6硬質(zhì)合金其磨削力比為4.5。相比而言，細(xì)粒度釬焊砂輪在鋒利度上存在一定優(yōu)勢。從摩擦角度來說，砂輪和工件之間接觸面可視為一個滑動摩擦副，從法向磨削力與切向磨削力之間存在良好的線性對應(yīng)關(guān)系不難看出，該摩擦副符合庫倫摩擦定律，且摩擦系數(shù)μ=Ft/Fn=0.24。

2.3 工件磨后表面粗糙度

圖8為當(dāng)ap=30μm，vw=1000mm/min時工件表面粗糙度隨砂輪線速度的變化關(guān)系。從圖中可知隨著砂輪線速度的增加，工件表面粗糙度呈下降的趨勢，由于砂輪線速度增加時，單位時間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)增加，工件塑性變形和犁溝兩側(cè)塑性隆起減小，導(dǎo)致表面粗糙度值減小。圖9為當(dāng)vs=120m/s，vw=1500mm/min時，工件表面粗糙度隨磨削深度的變化關(guān)系。從圖中可以看到，隨著磨削深度的增加，工件表面粗糙度呈上升趨勢。其原因在于增大磨削深度會使單顆磨粒未變形切削厚度增大，增大塑性變形，從而使表面粗糙度值增大。圖10為當(dāng)vs=60m/s，ap=20μm時，工件表面粗糙度隨工件進(jìn)給速度的變化關(guān)系。從圖中可知隨著進(jìn)給速度的增加，工件表面粗糙度呈上升趨勢，其原因在于增大進(jìn)給速度會使單位時間內(nèi)金屬材料去除率增加，單顆磨粒切厚增大，塑性變形量增大，導(dǎo)致工件表面粗糙度值增大。從試驗結(jié)果可知該釬焊金剛石砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金，其平行于磨削方向工件表面粗糙度在0.05～0.2μm，垂直于磨削方向工件表面粗糙度在0.6～0.9μm。文獻(xiàn)[12]中分別用樹脂結(jié)合劑砂輪、釬焊金剛石砂輪、電鍍金剛石砂輪(40/45)對YG6硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削，其平均粗糙度值分別為0.5～0.6、0.9～1.1、1.34μm。文獻(xiàn)[13]中程敏等人用樹脂結(jié)合劑砂輪(120#)對YG8硬質(zhì)合金進(jìn)行高速磨削，磨削后工件表面粗糙度0.4～0.75μm。相比而言，細(xì)粒度釬焊金剛石砂輪高速磨削硬質(zhì)合金的表面粗糙度相對較小，顯示出良好的表面磨削質(zhì)量。

圖7 磨削力比特征Fig.7 Characteristics of grinding force ratio

圖8 線速度對表面粗糙度的影響Fig.8 Influence of linear velocity on surface roughness

圖9 磨削深度對表面粗糙度的影響Fig.9 Influence of grinding depth on surface roughness

圖10 進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響Fig.10 Influence of feed speed on surface roughness

3 結(jié)論

(1)隨著砂輪線速度的提高，法向磨削力和切向磨削力減?。浑S著磨削深度和工件進(jìn)給速度的增加，法向磨削力和切向磨削力增大，其中磨削深度對磨削力影響最大。

(2)法向磨削力與切向磨削力存在良好的線性關(guān)系，其比值約為4.17，符合滑動摩擦下的庫倫摩擦定律，摩擦系數(shù)為0.24。

(3)該釬焊金剛石砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金，其平行于磨削方向工件表面粗糙度在0.05～0.2μm，垂直于磨削方向工件表面粗糙度在0.6～0.9μm，顯示出良好的磨削表面質(zhì)量。

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Experimental Study of the Grinding of YG8 Cemented Carbide by Brazed Diamond Wheel

ZHANG Da-jiang, WANG Ying-da, CHEN Shi-yin, HUANG Guo-qin

(InstitutionofManufactureEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen,Fujian361021,China)

Grinding performance of YG8 cemented carbide was evaluated through grinding test by fine grained brazed diamond grinding wheel (grain size 100/120). Result shows that both the normal grinding force and the tangential grinding force decrease as the grinding wheel linear velocity increases, and increase as the feed speed of workpiece and the grinding depth increase, among which the grinding depth has the greatest influence on the grinding force; there is a linear relationship between the normal grinding force and the tangential grinding force, and the ratio is about 4.17; the contact surface of the grinding wheel / workpiece conforms to the Coulomb law of friction, and the sliding friction coefficient is 0.24; after grinding, the surface roughness of the workpiece decreases as the grinding wheel linear velocity increases, and increases as the feed speed and the cutting depth increases, the roughness in vertical direction is 0.6～0.9μm, and the roughness in parallel direction is 0.05～0.2μm.

brazed diamond wheel; grinding; YG8 cemented carbide; grinding forces; surface roughness

2017-03-17

國家自然科學(xué)基金(51235004, 51575198)，華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃資助項目(1511303026)

張大將(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：高效精密加工。

張大將,王穎達(dá),陳世隱,等.釬焊金剛石砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金的試驗研究[J].超硬材料工程，2017，29(3)：19-23.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0019-05