盧 繼 張 勇 王曉琴 覃 俊

（湖南勞動人事職業(yè)學院，長沙 410100）

1 技術(shù)背景

由于硬質(zhì)合金具有較高的硬度、耐磨性、耐熱性，其機械加工相當困難[1]。YG8硬質(zhì)合金適于制作機器及工具的易磨損零件，如噴咀、頂尖、導向裝置、模具導向桿等，也可用作鋼、有色金屬等零件的車削、銑削、鉆孔刀具。為了提高YG8硬質(zhì)合金的加工精度和質(zhì)量，在機械加工中往往采用磨削工藝對其進行精加工。

通過分析國內(nèi)外硬質(zhì)合金磨削加工現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，研究者主要以金剛石砂輪對硬質(zhì)合金進行磨削[2-5]，采用其他類型砂輪磨削硬質(zhì)合金的研究較少。立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）和金剛石是目前常用的超硬磨料。人造金剛石顯微硬度為10 060～11 000 HV，但是金剛石在溫度超過700～800 ℃時就會完全失去其硬度。CBN的顯微硬度為7 300～10 000 HV，僅次于金剛石，其抗彎強度約為Al2O3磨粒材料的兩倍，而且CBN有比金剛石高很多的熱穩(wěn)定性（硬度失效溫度可達1 400 ℃）[6]。通過硬質(zhì)合金磨削溫度相關(guān)的研究可知[7-8]，在一定的磨削條件下，金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金的溫度將超過800 ℃。因此，采用金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金將受到磨削溫度的限制，不利于提高硬質(zhì)合金磨削的加工質(zhì)量和加工效率。若采用CBN砂輪對硬質(zhì)合金進行磨削，在較高的磨削溫度下CBN磨料仍然能保持其原有的硬度和強度，其使用性能不會顯著下降。然而，目前關(guān)于采用CBN砂輪磨削硬質(zhì)合金以及對砂輪磨損情況的研究極少，限制了硬質(zhì)合金產(chǎn)品的廣泛應用。

為了提高YG8硬質(zhì)合金的磨削加工質(zhì)量，本文開展了YG8硬質(zhì)合金的磨削加工實驗，通過觀察磨削加工后的表面微觀形貌，分析YG8硬質(zhì)合金的磨削加工材料去除機理，提出了優(yōu)化YG8硬質(zhì)合金磨削工藝的策略。

2 實驗過程

磨削實驗在平面精密磨床上進行，磨削實驗平臺如圖1所示。磨削工件材質(zhì)為YG8硬質(zhì)合金，YG8硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相WC質(zhì)量分數(shù)為92%，粘結(jié)相Co質(zhì)量分數(shù)為8%，材料硬度不低于89 HRA。磨削所用砂輪材質(zhì)分別為CBN樹脂結(jié)合劑砂輪、CBN電鍍砂輪、白剛玉（氧化鋁）砂輪。

圖1 磨削實驗臺

磨削實驗參數(shù)如表1所示。實驗過程中，采用1、2、6作為對照組研究砂輪材質(zhì)對磨削加工質(zhì)量的影響，采用2、3、4作為對照組研究磨削加工參數(shù)對加工質(zhì)量的影響，采用2、5，6、7作為對照組研究醋酸腐蝕對磨削加工質(zhì)量的影響。

表1 磨削實驗參數(shù)

3 磨削表面微觀形貌分析

采用掃描電子顯微鏡觀察磨削加工后的工件微觀表面形貌。不同類型的砂輪在磨削速度為20 m·s-1、磨削深度為15 μm、進給速度為6 m·min-1的加工參數(shù)下，加工表面微觀形貌如圖2所示?？梢钥闯?，160目的樹脂結(jié)合劑CBN砂輪磨削加工表面質(zhì)量要優(yōu)于320目的CBN電鍍砂輪磨削加工質(zhì)量，在圖2（a）中加工表面的表面完整性更好，在圖2（b）中出現(xiàn)了明顯材料堆積和材料的脆性斷裂情況。采用CBN電鍍砂輪磨削時，在工件入口處甚至發(fā)生了材料破碎崩塌現(xiàn)象，如圖2（c）所示。采用氧化鋁砂輪磨削YG8硬質(zhì)合金效果較差，基本上不能有效去除工件表面的材料，如圖2（d）所示。

圖2 不同類型砂輪磨削加工表面的微觀形貌

不同加工參數(shù)條件下的磨削加工表面形貌如圖3所示。圖3（a）為采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪在磨削速度為20 m·s-1、磨削深度為30 μm、進給速度為6 m·min-1的加工參數(shù)下的磨削加工表面微觀形貌。圖3（b）為采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪在磨削速度為30 m·s-1、磨削深度為 15 μm、進給速度為 6 m·min-1的加工參數(shù)下的磨削加工表面微觀形貌。對比圖3（a）和2（a）可以發(fā)現(xiàn)，采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪，當磨削深度從15 μm增加到30 μm時，YG硬質(zhì)合金的材料去除仍然以塑性去除為主，表面加工質(zhì)量沒有出現(xiàn)明顯的下降。對比圖3（b）和圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪，當磨削速度從20 m·s-1增加到30 m·s-1時，YG硬質(zhì)合金的磨削表面加工質(zhì)量顯著提升，材料去除變得更加均勻，劃痕現(xiàn)象顯著降低。

圖3 不同加工參數(shù)磨削加工表面的微觀形貌

采用醋酸腐蝕過的磨削加工表面形貌如圖4所示，其中圖4（a）為采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪在磨削速度為20 m·s-1、磨削深度為15 μm、進給速度為6 m·min-1的加工參數(shù)下磨削加工表面的微觀形貌，圖4（b）為采用電鍍CBN砂輪在磨削速度為20 m·s-1、磨削深度為15μm、進給速度為6 m·min-1的加工參數(shù)下磨削加工表面的微觀形貌。在圖4（b）中一半為已磨削加工表面，一半為未加工表面。對比圖4（a）與圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪磨削經(jīng)過醋酸腐蝕后的表面完整性和均勻性更好，難以見到明顯的加工紋理。對比圖4（b）與圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，采用CBN電鍍砂輪磨削經(jīng)過醋酸腐蝕后的表面質(zhì)量也有所提升，材料的塑性堆積減少，材料的脆性斷裂也顯著降低[9]。

圖4 醋酸腐蝕磨削加工表面微觀形貌

4 結(jié)論

通過開展YG硬質(zhì)合金磨削實驗研究可以得出以下結(jié)論。

（1）采用樹脂結(jié)合劑的CBN砂輪比CBN電鍍砂輪能獲得更好的表面加工質(zhì)量，有利于減少YG硬質(zhì)合金在加工過程中的脆性斷裂和材料堆積，而氧化鋁砂輪難以有效去除YG8硬質(zhì)合金材料。這是由于樹脂結(jié)合劑砂輪硬度要小于CBN電鍍砂輪，且樹脂結(jié)合劑在磨削過程中可以產(chǎn)生的回彈力比電鍍砂輪的回彈力要大，可以緩沖磨削載荷的沖擊，利于減少材料裂紋的產(chǎn)生和擴展，避免過大的磨削力沖擊可能導致產(chǎn)生的材料脆性斷裂和崩碎。

（2）采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪進行磨削加工，當磨削深度達到30 μm時加工表面質(zhì)量沒有明顯下降，當提高磨削速度到30 m·s-1時加工表面質(zhì)量可以顯著提高。因此，在實際加工過程中，可以適當加大磨削深度來提高加工效率，同時增大磨削速度來提高加工精度。

（3）采用醋酸腐蝕可以提高硬質(zhì)合金的表面磨削加工質(zhì)量，減少材料的堆積和脆性斷裂。這是由于醋酸可以溶解腐蝕硬質(zhì)合金表層材料中的結(jié)合劑金屬Co，使硬質(zhì)合金表層材料結(jié)構(gòu)松散，從而降低材料的表層強度和硬度，以便于磨削加工材料的去除。因此，在精密磨削加工中可以使用醋酸腐蝕作為輔助手段來提高零件的加工質(zhì)量。