湯 熊 張松輝 張曉紅 李 偉 郭 兵

（1 岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，岳陽 414000）

（2 湖南理工學(xué)院機械工程學(xué)院，岳陽 414006）

（3 湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，長沙 410082）

（4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

文摘 提出一種復(fù)合納米自潤滑金剛石砂輪的制備方法，并對制備的砂輪進行SiC陶瓷的磨削試驗，分析砂輪表面不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合納米顆粒對磨削性能的影響。使用MoS2、TiO2納米顆粒作為自潤滑砂輪基底的填充材料，采用復(fù)合納米自潤滑金剛石砂輪和傳統(tǒng)金剛石砂輪進行磨削對比試驗，研究復(fù)合納米自潤滑金剛石砂輪的潤滑機制。研究結(jié)果表明，復(fù)合納米自潤滑金剛石砂輪自釋放的納米顆粒有效地參與了磨削區(qū)間的潤滑，砂輪的法相力、切向力降低，提升了工件表面質(zhì)量。在磨削深度為2～8 μm內(nèi)，復(fù)合納米自潤滑金剛石砂輪的具體表現(xiàn)為法向磨削力降低18.6%～38.7%、切向磨削力降低11.2%～28.6%，工件表面粗糙度降低13.9%～41.5%。根據(jù)本試驗所得數(shù)據(jù)，當(dāng)砂輪表面復(fù)合納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時，潤滑性能和工件表面質(zhì)量最佳。

0 引言

SiC 陶瓷具有一系列優(yōu)越的化學(xué)和物理性質(zhì)，如強度高、抗氧化、耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等，在航空航天、機械工程、國防軍工等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［1-3］。由于SiC 陶瓷硬度高、強度大、斷裂韌度低等特點，為SiC 陶瓷產(chǎn)品的加工帶來諸多不便［4-5］。從產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量的角度考慮，目前SiC 陶瓷的加工主要是依托磨削加工技術(shù)［6-10］。

相較于其他機械加工，磨削加工具有加工表面精度高、質(zhì)量好等優(yōu)點。但由于砂輪表面的磨料隨機分布，且砂輪與工件接觸面積過大，容易導(dǎo)致磨削區(qū)出現(xiàn)磨削熱、應(yīng)力裂紋等缺陷，進而影響工件的表面質(zhì)量以及加速砂輪的磨損［11-12］。為有效降低磨削區(qū)溫度，提升砂輪與工件間的潤滑效果，傳統(tǒng)做法是在工件表面加入磨削液。雖然澆注式磨削液的加入能降低部分磨削產(chǎn)生的磨削熱，但仍存在磨削區(qū)內(nèi)部未能與磨削液充分接觸而進行熱對流、有效利用率低等問題，亦不符合綠色生產(chǎn)要求。因此，有學(xué)者提出了微量流體潤滑技術(shù)（MQL）。MQL 技術(shù)是指高壓氣體與微量潤滑液混合形成兩相流，潤滑液經(jīng)霧化后，將潤滑液和高壓氣流（400～650 kPa）噴入高溫磨削區(qū)。MQL 技術(shù)是一種高效、低碳的加工技術(shù)［13-14］，但MQL 高壓氣流的冷卻性能依舊有限，難滿足磨削區(qū)高溫環(huán)境下的熱交換，仍需進一步發(fā)展［15］。

近年來，許多學(xué)者將具有優(yōu)異潤滑性能的納米顆粒應(yīng)用于磨削加工領(lǐng)域，提出納米微量流體潤滑技術(shù)（NMQL），并對大量納米材料進行了相關(guān)研究。王要剛［16］通過模擬實驗研究了多種納米顆粒的摩擦學(xué)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：添加了納米顆粒的磨削液均表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨效果，其中添加了Al2O3納米顆粒的磨削液，潤滑效果最佳，磨削產(chǎn)生的磨削力最低。MAO 等［17］通過與微量潤滑（MQL）磨削相比，使用納米流體的微量潤滑（NMQL）磨削，在降低磨削力和表面粗糙度方面，顯示出優(yōu)異的磨削性能。KALITA等［18］研究了MoS2納米顆粒的摩擦學(xué)特性，并進行了MoS2納米流體微量潤滑磨削鑄鐵和 EN24 合金鋼試驗。通過分析磨削過程的磨削力、摩擦因數(shù)、磨削比等工藝參數(shù)，結(jié)果表明MoS2納米顆粒具有減摩抗磨的特性，在掃描電鏡和能譜檢測下，證實砂輪表面存在MoS2潤滑膜。KUMAR等［19］分別進行了干磨條件下、納米微量流體潤滑（NMQL）磨削條件下磨削加工Si3N4陶瓷，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的加入顯著提高了研磨力、表面粗糙度降低，有助于減少亞表面的損傷。GAO等［20］進行了不同潤滑條件下的磨削實驗，研究NMQL的CFRP可磨性。結(jié)果表明，與干磨相比，NMQL條件下工件加工表面進給與纖維方向的表面粗糙度均有降低。

雖然微量納米流體潤滑技術(shù)應(yīng)用到磨削加工時能夠有效降低工件表面的溫度，提升磨削加工的潤滑效果，但是在實際磨削加工中，由于砂輪表面“氣障層”的阻礙和磨削區(qū)的封閉性，包含納米顆粒的霧滴目前還難以即時有效地注入磨削區(qū)核心部位［21］。關(guān)于納米顆粒在磨削區(qū)內(nèi)變成納米潤滑膜對磨削時砂輪與工件界面的潤滑機理沒有明確解釋。

基于此，為了實現(xiàn)磨削區(qū)內(nèi)納米顆粒的即時響應(yīng)潤滑，提高工件加工表面質(zhì)量，本文對復(fù)合納米自潤滑金剛石砂輪磨削SiC 陶瓷試驗進行研究。主要探討復(fù)合納米顆粒的潤滑機理和改性作用，闡明自潤滑金剛石砂輪磨削SiC 陶瓷的材料去除機理，揭示砂輪中自主釋放的納米顆粒對磨削液的有效施加、容屑及排屑的作用效果。

1 納米自潤滑砂輪設(shè)計制備

1.1 復(fù)合納米顆粒選擇

納米MoS2、TiO2顆粒作為高標(biāo)準(zhǔn)的空間固體潤滑劑，在高真空、高溫、高壓、高載等的特殊條件下仍具備抗磨減摩等優(yōu)異的潤滑性能，被廣泛應(yīng)用于各類機械加工中，能有效提高工件的加工表面質(zhì)量，降低機械設(shè)備的磨損［22-23］。

三明治結(jié)構(gòu)的納米MoS2顆粒層與層之間的S 原子以微弱的范德華力相連接，而S—Mo 之間是以較強的共價鍵相互連接，正因為這種層狀結(jié)構(gòu)使得納米MoS2顆?？辜羟袕姸容^低，容易產(chǎn)生滑離而得到較低的摩擦因數(shù)［24-25］。

TiO2是一種無機納米半導(dǎo)體材料，具有較好的自潤滑性能和熱穩(wěn)定性，當(dāng)TiO2的粒徑減小到納米級時，單位質(zhì)量的納米TiO2顆粒中所含原子所需的原子配位數(shù)將不足，這將導(dǎo)致納米材料表面結(jié)構(gòu)的缺陷，從而提高其表面活性，使其更容易與其他原子結(jié)合［26-27］。本文提出將納米MoS2顆粒與納米TiO2顆粒以質(zhì)量1∶1的比例添加到金剛石砂輪結(jié)合劑的方法，進一步研究復(fù)合納米顆粒的互補潤滑機制。

1.2 納米自潤滑砂輪自潤滑機制

在磨削過程中砂輪與工件的摩擦，會使結(jié)合劑中的復(fù)合納米顆粒隨結(jié)合劑的脫落自釋放至磨削核心區(qū)域，實現(xiàn)磨削區(qū)的潤滑，減少刮擦，實現(xiàn)溫升的減少。由于MoS2分子結(jié)構(gòu)呈層狀特點，磨削時結(jié)合劑中的MoS2的分子層在砂輪表面不斷重疊、卷曲形成了具有石榴波紋結(jié)構(gòu)的致密薄層。隨著這些石榴波紋結(jié)構(gòu)薄層不斷堆積，納米MoS2顆粒的延展性也隨之提高。因此，在磨削過程中，受外力的作用下，自釋放到磨削核心區(qū)域的納米MoS2顆粒在工件摩擦表面拉伸形成一層物理薄膜，達到磨削區(qū)的潤滑效果。同時，MoS2具有較高的表面活性，釋放的納米MoS2顆?？梢钥焖俚匚皆诠ぜΣ帘砻妫㈦S磨削工作的不斷進行，磨削區(qū)的納米MoS2顆粒也隨之補充與更新，保持了磨削區(qū)的潤滑效果。此外，納米MoS2顆粒的添加還增強了磨削區(qū)傳熱能力，進一步地提升了磨削區(qū)的潤滑效果。

在磨削過程中，砂輪結(jié)合劑中的納米TiO2顆粒隨著磨削區(qū)工件摩擦表面溫度的升高呈現(xiàn)出熔融態(tài)、燒結(jié)態(tài)，最終在砂輪與工件表面間形成一層耐高溫、機械強度高、擴散性好的納米陶瓷膜。由于納米TiO2顆粒中懸空鍵的存在及其結(jié)構(gòu)缺陷，表面的高活性使其容易與其他原子相結(jié)合，TiO2這一特性使之與同在磨削區(qū)的MoS2迅速結(jié)合形成一層納米復(fù)合薄膜。而納米復(fù)合薄膜的存在使得金剛石砂輪表面的磨粒被覆蓋，降低磨削區(qū)內(nèi)砂輪與工件的干摩擦，有效地降低了磨削力。同時磨削區(qū)還存在部分松散狀態(tài)的納米TiO2顆粒，對減少粒子間的應(yīng)力以及循環(huán)過程引起的結(jié)構(gòu)和體積的微小應(yīng)變起到了一定的作用。

此外，納米MoS2和TiO2粒子還具有明顯的催化協(xié)同作用、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧穿效應(yīng)。這些效應(yīng)可以使納米MoS2和TiO2粒子產(chǎn)生沉積滲流效應(yīng)，深入材料附近的不飽和鍵和不飽和鍵的電子云中。納米MoS2和TiO2顆粒與高分子材料結(jié)合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的力學(xué)性能。本文擬采用納米S-MoS2-TiO2固體潤滑劑復(fù)合方法，實現(xiàn)不同納米固體潤滑劑之間的互補效果。MoS2和TiO2納米粒子物理協(xié)同的微觀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 MoS2和TiO2納米粒子物理協(xié)同作用的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of physical synergistic interaction between MOS2 and TiO2 nanoparticles

1.3 納米自潤滑砂輪制備

提出的納米自潤滑砂輪制備方法是選用金剛石為磨料、青銅為結(jié)合劑、一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合納米顆為填充材料，然后將這三者均勻混合倒入200 mm×20 mm×5 mm 的砂輪模具中壓制燒結(jié)成型。制備砂輪選用的納米顆粒是平均粒徑為400 nm 的MoS2和500 nm的TiO，復(fù)合的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是6%、8%、10%。新型砂輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 復(fù)合納米自潤滑砂輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of nano-composite self-lubricating grinding wheel

2 試驗設(shè)備及材料

磨削實驗在MGK7120數(shù)控高精度平面磨床上進行，采用測力儀（Kistler9257B）測量磨削力，磨削實驗裝置如圖3所示。試驗中選取型號為JB-5C的精密輪廓儀對加工完成的SiC陶瓷開展粗糙度的檢測，如圖4所示。JB-5C的精密輪廓儀屬于高精度觸針式的表面粗糙度檢測儀器，能夠運用在對平面、斜面以及球面等相關(guān)元件的表層粗糙度檢測。該檢測設(shè)備操作簡易、檢測精度高。磨削后選用超景深三維顯微鏡（VHX-5000）觀察表面形貌，如圖5所示。超景深三維顯微鏡存在超高倍率、超高分辨率的優(yōu)勢，像素點可達到5.4×107，顏色的再現(xiàn)水平顯著，高倍鏡頭的放大倍率最高可至5 000倍，適用于觀察陶瓷表面。

圖3 磨削實驗裝置Fig.3 The apparatus of grinding experiment

圖4 精密粗糙度輪廓儀Fig.4 Precision roughness profiler

圖5 超景深三維顯微鏡Fig.5 Ultra-depth 3D microscope

所用的磨削加工材料為SiC 陶瓷，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 SiC陶瓷性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of SIC ceramics

3 結(jié)果與討論

3.1 磨削力

3.1.1 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磨削力的影響

在磨削過程中，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磨削力的影響如圖6所示。若砂輪的轉(zhuǎn)速過快，磨削區(qū)砂輪的壓力會導(dǎo)致冷卻液被強制擠出，納米顆粒無法正常發(fā)揮作用，或砂輪轉(zhuǎn)速過慢導(dǎo)致納米顆粒凝聚，磨屑無法及時排除，故選用砂輪速度vs=30 m/s，工件進給速度vm=3 000 mm/min，切削深度ap=2 μm。由磨削實驗數(shù)據(jù)所得，具有納米顆粒砂輪的法向磨削力和切向磨削力均低于傳統(tǒng)的金剛石砂輪，砂輪納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時，法向磨削力比傳統(tǒng)金剛石砂輪低25.0%，切向磨削力比傳統(tǒng)金剛石砂輪低26.2%。其原因是，在砂輪旋轉(zhuǎn)過程中，青銅結(jié)合劑中的納米顆粒因為與陶瓷表面之間的摩擦?xí)l(fā)生脫落，球形結(jié)構(gòu)的S—MoS2在摩擦力的剪切作用下被剝離，轉(zhuǎn)化成片狀納米MoS2，延展成潤滑膜。此外，砂輪磨削過程中會產(chǎn)生大量熱量，而MoS2在高于280 ℃會與氧氣發(fā)生反應(yīng)，納米顆粒會在熱表面上分解并與摩擦表面反應(yīng)以形成MoO3氧化膜，化學(xué)方程式如下所示。

圖6 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磨削力的影響Fig.6 Influence of nano-particle mass fraction on grinding force

通過使用XRD衍射儀對磨屑成分進行分析，磨屑的內(nèi)容物包含MoO3，生成的MnO3改善了摩擦表面的潤滑性，減小了砂輪與工件之間的干摩擦，降低了磨削力，如圖7所示。此外，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃度為10%的金剛石砂輪產(chǎn)生的磨削力與普通金剛石砂輪產(chǎn)生的磨削力相近。一是因為納米顆粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高，砂輪的硬度降低，砂輪磨損程度加快，從而導(dǎo)致磨削力相應(yīng)增大；二是因為高濃度的納米顆粒會導(dǎo)致不規(guī)則的團簇，與磨屑顆粒纏繞在一起，堵塞砂輪，造成工件表面潤滑膜的損壞，加劇砂輪表面團簇與試樣表面間的摩擦。

圖7 納米顆粒在熱表面上分解并與摩擦表面反應(yīng)形成氧化膜Fig.7 The nanoparticles decompose on the hot surface and react with the frictional surface to form an oxide film

3.1.2 磨削深度對磨削力的影響

在砂輪轉(zhuǎn)速vs為30 m/s，工件進給速度vm為3 000 mm/min 的條件下，切削深度ap為2～8 μm，在磨削過程中，磨削力會隨磨粒切削深度的變化而變化，如圖8 所示。由圖8 實驗數(shù)據(jù)可得，在環(huán)境一定的條件下，不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的金剛石砂輪的磨削力均隨著切削深度的增大而增加。當(dāng)切削深度較小時，主要依靠磨粒的切削作用去除SiC 陶瓷材料，此時切屑主要由塑性流動形成，磨削力也較小。

圖8 切削深度對磨削力的影響Fig.8 Influence of cutting depth on grinding force

隨著切削深度的增加，金剛石磨粒與SiC 陶瓷之間的接觸面積變大，切屑變厚，處于磨削區(qū)砂輪的結(jié)合劑與SiC 陶瓷產(chǎn)生接觸，摩擦加劇，極易造成砂輪損壞。以法向力Fn為例，傳統(tǒng)金剛石砂輪的法向力在切削深度為2與8 μm 時的差值達到了18.2 N。當(dāng)磨削速度不高而磨削深度較大時，磨削力激增，砂輪無法及時排走切屑，致使砂輪磨粒間容屑能力降低。因此，當(dāng)磨削陶瓷材料時磨削深度不能過大，應(yīng)科學(xué)地選取磨削參數(shù)以確保加工質(zhì)量。

由磨削深度對磨削力影響的實驗數(shù)據(jù)所得，同一磨削深度下，傳統(tǒng)金剛石砂輪相較于含有納米顆粒的金剛石砂輪有更大的磨削力。在本實驗研究中，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的砂輪，磨削時產(chǎn)生的磨削力最小，法向磨削力至多比普通金剛石砂輪減少了40.53%。其原理是，含有納米顆粒的金剛石砂輪在磨削SiC陶瓷過程中，砂輪基體受到刮擦，砂輪釋放出納米顆粒至陶瓷表面，在高接觸壓力下，砂輪釋放的納米顆粒將被擠壓成薄膜，在加工過程中持續(xù)保持潤滑，以達到降低磨削力的效果，如圖9所示。

圖9 納米顆粒被擠壓成薄膜Fig.9 The nanoparticles are extruded into thin films

3.2 磨削力比

磨削力比的定義是單位體積砂輪磨損量去除的材料量。磨削力比可表示相同磨削條件下砂輪與工件表面之間的潤滑效果，較高的磨削力比表示砂輪磨損程度較小。它能夠間接地表明砂輪表面金剛石磨粒的鋒利程度，當(dāng)磨粒鈍化程度越大，磨削力將會不斷降低，砂輪損壞的速度加快，震動效果明顯，會導(dǎo)致SiC 陶瓷表面加工質(zhì)量降低，砂輪耐用度下降。并且，磨削力比還能夠用來評估砂輪磨削位置的潤滑作用，通常磨削力比越高，潤滑作用越好。

納米顆粒對金剛石砂輪的磨削力比的提升效果如圖10 所示。由圖10 實驗數(shù)據(jù)所得，復(fù)合納米顆粒自潤滑砂輪比傳統(tǒng)的金剛石砂輪具有更高的磨削力比。在本實驗驗中，當(dāng)濃度為8%時，得到的磨削力比最高，復(fù)合納米顆粒自潤滑砂輪的磨削力比相較于傳統(tǒng)金剛石砂輪升高了44.4%。這可解釋為，從砂輪釋放的納米顆粒間接地減少了磨粒與工件之間的直接接觸，釋放的納米微粒有助于減少砂輪磨粒的磨損，這使得磨粒能長時間的保持銳度。從而使單位面積的砂輪磨削面可以去除更多體積的工件材料，獲得更高的磨削力比。且適當(dāng)濃度的納米顆粒還可以增強金剛石砂輪結(jié)合劑的保持力，能更好地實現(xiàn)硬脆材料的磨削。

圖10 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磨削力比的影響Fig.10 Influence of nano-particle mass fraction on grinding force ratio

3.3 表面粗糙度

表面粗糙度是影響工件表面質(zhì)量的關(guān)鍵，工件的表面粗糙度指的是在已加工面形狀上所展現(xiàn)的小間隔溝壑的不平程度。而硬脆材料最終粗糙度的大小，主要是由磨削過程中，砂輪工作層的金剛石磨粒在工件材料上所造成的磨削痕跡大小所決定。因此，本研究采用表面粗糙度對工件的表面質(zhì)量進行表征。粗糙度值越小，表示工件表面輪廓較平整，表面整體質(zhì)量越高。

3.3.1 傳統(tǒng)金剛石砂輪不同磨削階段對SiC陶瓷表面粗糙度的影響

利用超景深三維（ULDF）顯微鏡（VHX-5000）觀測未磨削的SiC 陶瓷表面如圖11 所示。由圖11（a）可知，未經(jīng)加工的SiC 陶瓷表面存在大量不規(guī)則的裂紋。磨削初期階段，由圖11（b）所示。磨削初期的SiC 陶瓷試樣表面殘留著明顯的刮擦痕跡，在磨削過程中，主要由砂輪突起高度較高的金剛石磨粒參與磨削，部分突起高度較小的金剛石磨粒未能參與，因此會產(chǎn)生不均的磨削劃痕。在磨削的初始狀態(tài)，砂輪的金剛石磨粒銳度較高，此時材料表面的去除主要依靠突起較高的磨粒的切削作用。當(dāng)砂輪長時間的工作，磨損形式處于磨耗磨損階段，此時通過接觸面的磨粒高度趨于均勻，SiC 陶瓷試樣表面的去除變得平滑，粗糙的表面形貌明顯改善。磨削平滑階段表面形貌如圖11（c）所示。

圖11 SiC陶瓷表面形貌Fig.11 Surface morphology of SIC ceramics

3.3.2 復(fù)合納米自潤滑砂輪不同磨削時間段對SiC陶瓷表面粗糙度的影響

在使用納米自潤滑金剛石砂輪對SiC 陶瓷進行磨削時，由于磨粒切削刃存在一個運動軌跡，工件表面無法達到完全的光滑平整，而是以起起伏伏的峰谷存在。當(dāng)砂輪與SiC 陶瓷初次接觸時，由于納米自潤滑金剛石砂輪磨粒表面大小不一，摩擦?xí)r受到的作用力也有所不同，對磨粒而言會導(dǎo)致其破碎乃至脫落，而對SiC 陶瓷而言，表面也因此形成一些微小的凹坑，使得表面粗糙度增加，直接影響SiC 陶瓷的表面質(zhì)量。

由磨削實驗可得，SiC 陶瓷表面的粗糙度與納米自潤滑金剛石砂輪的線速度呈負(fù)相關(guān)，與磨削深度和磨削力呈正相關(guān)。納米自潤滑金剛石砂輪速度的增加可以減小SiC 陶瓷表面粗糙度，主要在于納米自潤滑金剛石砂輪轉(zhuǎn)速提高可以降低磨削力，減少納米自潤滑金剛石砂輪磨粒的磨損（破裂以及脫落），不僅延長磨粒的使用壽命，更重要的是，相同時間里，相比傳統(tǒng)砂輪，納米自潤滑金剛石砂輪具有更多的有效磨粒量，增大了摩擦拋光時間。

為了可以更好地分析納米自潤滑金剛石砂輪的磨損對SiC 陶瓷表面質(zhì)量的作用原理，在MGK7120A精密平面磨床上使用納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的金剛石砂輪對SiC 陶瓷進行磨削加工，磨床每次的進給量為2 μm。

在每次實驗中，借助精密粗糙度輪廓儀（JB-5C），測量磨削后的SiC陶瓷表面粗糙度，測量范圍保持在5 mm2以內(nèi)，每一處皆經(jīng)過10 次測量，最終取平均值，得到如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 粗糙度值對照表Tab.2 Roughness value comparison table

由粗糙度值對照表可以得出，初期粗糙度值較大。其主要原因是，在磨削初期，納米自潤滑金剛石砂輪部分磨粒的突出高度不一，會在SiC 陶瓷表面產(chǎn)生分布不均的刮痕，納米自潤滑金剛石砂輪和SiC 陶瓷彼此劇烈作用，當(dāng)較為突出的金剛石磨粒脫落后，導(dǎo)致SiC 陶瓷表面形成一些細(xì)小的凹地。SiC 陶瓷加工時間在6 h 以內(nèi)，表面粗糙度的大小與加工時間呈負(fù)相關(guān)。此時納米自潤滑金剛石砂輪處于第二磨損階段，依靠砂輪/工件界面的摩擦和擠壓作用去除SiC陶瓷材料，此時的磨粒鋒利度降低，加工中不產(chǎn)生明顯的劃痕，對于SiC 陶瓷表面質(zhì)量影響很小。加工時間在6 h 以上，粗糙度停止減小，反而有所上升，原因在于此時的磨損形式發(fā)生變化，黏附磨損和磨粒脫落成為主要磨損形式，進而直接關(guān)系到納米自潤滑金剛石砂輪與SiC 陶瓷之間材料去除的方式以及兩者之間的作用力大小，此時的SiC 陶瓷材料甚至?xí)霈F(xiàn)剝落的現(xiàn)象，直接影響了表面粗糙度。

為了能更加精準(zhǔn)地分析SiC 陶瓷表面粗糙度值的變化規(guī)律，粗糙度測量實驗還分別研究了納米自潤滑金剛石砂輪磨削方向以及磨削方向的法向方向的SiC 陶瓷表面粗糙度大小。使用激光共聚焦顯微鏡對SiC 陶瓷表面這兩個方向的粗糙度進行了檢測。圖12 為磨削2 h 的粗糙度輪廓圖，其中圖12（a）為磨削方向的法向方向的粗糙度大小，圖12（b）為磨削方向的粗糙度大小。圖13對兩個方向的粗糙度大小進行了比較。結(jié)合圖12 和圖13 可以發(fā)現(xiàn)，磨削方向的法向方向的粗糙度要大于磨削方向的粗糙度，這是因為在砂輪磨削方向，SiC 陶瓷表面存在著劃痕，直接導(dǎo)致了較大的粗糙度值。此外，得看出磨削方向的法向方向上的粗糙度值大約是磨削方向上粗糙度值的1.6倍。

圖13 兩個方向的粗糙度值比較Fig.13 Comparison of roughness values in two directions

3.3.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)合納米自潤滑砂輪對SiC陶瓷表面粗糙度的影響

選用參數(shù)Ra作為表面質(zhì)量的主要評估參數(shù)，通過檢測不同復(fù)合納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的砂輪磨削下的SiC 陶瓷試樣表面，隨機選擇10 個點對SiC 陶瓷表面的粗糙度進行測量，并求其平均值。納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Ra的影響如圖14所示。

圖14 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Ra的影響Fig.14 Effect of mass fraction of nanoparticles on Ra

與傳統(tǒng)的金剛石砂輪相比，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的砂輪加工的試樣Ra降低21.4%，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的砂輪加工的試樣Ra降低33.3%，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的砂輪加工的試樣Ra降低10.7%。

普通砂輪磨削時，由于磨削封閉區(qū)的存在，磨屑無法及時被排出，未被排出的磨屑繼續(xù)參與磨削過程，部分磨屑被填充到砂輪表層的孔隙內(nèi)，甚至磨屑會包裹砂輪表面的金剛石磨粒，這將導(dǎo)致砂輪發(fā)生黏附磨損。同時，參與加工的金剛石磨粒數(shù)量減少，進一步降低SiC陶瓷的表面質(zhì)量，使得其Ra增大。

就納米自潤滑砂輪而言，加工過程中，砂輪基體與SiC陶瓷的刮擦?xí)股拜喕w表面的納米顆粒脫落并進入SiC陶瓷表面，脫落的納米顆粒迅速擴散到砂輪和SiC陶瓷之間的界面形成潤滑膜。由于納米顆粒形成的潤滑膜會與部分磨削密閉區(qū)的磨屑混合，隨砂輪的轉(zhuǎn)動，磨屑混合物會脫落，有助于減少磨屑在砂輪表面的黏附，保持磨粒的銳度，達到提升SiC陶瓷表面加工質(zhì)量的效果。當(dāng)納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從6%增至8%和從8%增至10%時，Ra先升高后降低，這表明納米顆粒的濃度對磨削表面有一定影響。其原因是，納米顆粒過多地脫落，游離于試樣表面的納米粒子會產(chǎn)生聚集，將導(dǎo)致聚集的團塊與SiC陶瓷表面產(chǎn)生滑動摩擦，從而影響SiC陶瓷的表面質(zhì)量。

因此，合適的納米粒子濃度可以改善磨削過程中的摩擦學(xué)性能。不過值得注意的是，納米粒子的濃度并非越高越好，過高的濃度將導(dǎo)致納米粒子的聚集。高濃度的納米顆粒會增加砂輪的負(fù)荷，納米粒子的團聚會導(dǎo)致參與“微加工”的納米粒子數(shù)量的減少，納米粒子簇破壞了納米粒子的良好潤滑性和物理薄膜的完整性，從而降低砂輪的磨削性能。

3.4 試樣表面形貌

圖15顯示了不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的砂輪對表面形貌的影響。用傳統(tǒng)金剛石砂輪磨削時，SiC陶瓷表面有明顯的寬溝槽，表面平整度較低，如圖15（a）所示。在使用納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的砂輪磨削時，可以看到SiC陶瓷表面上的溝槽顯著減小和變窄，表面被磨平，存在少量的微坑，如圖15（b）所示。在使用納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的砂輪磨削時，可以看到SiC陶瓷表面明顯的長溝消失，僅存在細(xì)小的微坑，如圖15（c）所示。在使用納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的砂輪磨削時，可以看到加工后試樣表面有明顯的長溝和塑性變形層，伴有嚴(yán)重的附著和材料沉降現(xiàn)象，如圖15（d）所示。

圖15 不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)砂輪磨削后的表面形貌Fig.15 Surface morphology of grinding wheels with different nano-particle mass fraction

實驗結(jié)果表明，納米顆粒自潤滑砂輪加工的試樣，其Ra小于傳統(tǒng)金剛石砂輪。納米顆粒的表面活性使它們沉淀或吸附在試樣表面的溝槽中，并對試樣表面中起分段和修復(fù)作用，減少砂輪對試樣微觀表面凹槽底部的磨削，有助于加工表面獲得更小的Ra值。

隨著納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別從6%增加到8%和從8%增加到10%，表面質(zhì)量先變好然后變差。這是密集的納米顆粒在試樣表面聚集成塊，導(dǎo)致塊狀物受砂輪擠壓再與試樣相互作用的結(jié)果。

3.5 傳統(tǒng)金剛石砂輪磨損后對碳化硅陶瓷表面形貌的影響

經(jīng)過整個磨削過程SiC 陶瓷的表面形貌變化如圖16 所示。如圖16（a）所示，SiC 陶瓷表面不規(guī)則的裂紋基本被磨平，只存在一定數(shù)量的微坑。這是因為在砂輪磨損的第一個時期即初期磨損，砂輪與SiC陶瓷緊密摩擦，在接觸面的相互作用下，磨粒開始大規(guī)模破裂脫落，導(dǎo)致SiC 陶瓷表面不規(guī)整。由圖16（b）可以看出，SiC 陶瓷表面已經(jīng)較為平整，但仍然存留一條由數(shù)個劃痕組成的較大劃痕，原因在于此時已經(jīng)進入砂輪磨損的第二個時期即正常磨損，磨損形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，磨粒在經(jīng)歷長時間的加工之后才會發(fā)生破碎。最后由圖16（c）所示，此時的SiC 陶瓷表面劃痕減少，光滑平整。這是因為在磨削完成階段，隨著磨粒磨損量的不斷增加，開始砂輪磨損的第三個時期即急劇磨損，切削刃逐漸鈍化，工件去除方式以擠壓去除為主，SiC陶瓷表面的劃痕開始變深。

圖16 完整磨削過程SiC陶瓷的表面形貌Fig.16 Surface morphology of SIC ceramics in complete grinding process

4 結(jié)論

（1）砂輪磨削SiC 陶瓷過程中會產(chǎn)生大量磨削熱，納米顆粒會在熱表面上分解并于工件表面反應(yīng)以形成MoO3氧化膜。混合的納米微粒附著于工件表面，改善了砂輪與工件之間的接觸關(guān)系，降低了磨削力。

（2）自潤滑納米金剛石砂輪相較于傳統(tǒng)金剛石砂輪法向磨削力降低18.6%～ 38.7%，切向磨削力降低11.2 %～ 28.6%。自潤滑納米金剛石砂輪相較于傳統(tǒng)金剛石砂輪加工SiC 陶瓷試樣的表面粗糙度降低13.9%～41.5%。

（3）納米粒子會沉積或吸附在工件表面的溝槽中，對工件表面進行填充修復(fù)，減少砂輪對試樣微觀表面凹槽底部的磨削，使磨削過程變得平滑，工件能得到更小的Ra值。

（4）納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會影響磨削表面的潤滑性能，本試驗研究，當(dāng)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時，相較于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、6%、10%，工件的表面質(zhì)量和潤滑性效果最佳。

（5）復(fù)合納米金剛石砂輪與傳統(tǒng)金剛石砂輪磨削的SiC 陶瓷試樣，其磨削方向及其法向方向的粗糙度值變化趨勢基本相同，采用復(fù)合納米金剛石砂輪磨削試樣的磨削法向方向的粗糙度是磨削方向的1.6倍。