吳春麗
（ 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061）

　　【摘要】對(duì)金剛石砂輪的損耗機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并對(duì)金剛石磨料粒度、濃度，以及結(jié)合劑的合理選擇進(jìn)行了分析。

　　【關(guān)鍵詞】金剛石；砂輪；損耗；磨削

　　引言

　　近年來，隨著金剛石、立方氮化硼等超硬材料應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)內(nèi)外許多公司和廠家紛紛致力于這方面的研究，迄今已有不少公司研制出磨削加工超硬材料的專用設(shè)備，如日本大阪金剛石工業(yè)公司的CPG、英國(guó)Cobom Machine Co.的RG4等專用設(shè)備。它們都具有下列基本性能：

（ 1）有足夠的穩(wěn)定性和剛性；

（ 2）不產(chǎn)生振動(dòng)，避免切削刃破碎；

（ 3）主軸有足夠的動(dòng)力；

（ 4）磨削力可以調(diào)節(jié)；

（ 5）具備特殊性能的金剛石砂輪；

（ 6）有充足的冷卻劑供應(yīng)。

　　有的設(shè)備還配備主軸變速、砂輪自動(dòng)修整、工具顯微鏡以及刀尖半徑自動(dòng)加工裝置等。磨削加工實(shí)質(zhì)上是砂輪表面上隨機(jī)分布著的大量磨粒進(jìn)行切削的過程。由于金剛石、立方氮化硼等超硬材料具有極高的硬度和耐磨性，其磨削加工機(jī)理與一般金屬材料的磨削加工有很大程度的不同。系統(tǒng)研究超硬材料磨削加工過程中金剛石砂輪的損耗機(jī)理，對(duì)合理選擇和使用金剛石砂輪具有指導(dǎo)意義。

　　金剛石砂輪損耗的顯微分析

　　將各種磨削加工條件下使用后的金剛石砂輪在顯微鏡下進(jìn)行觀察，可以詳細(xì)分析其損耗情況，結(jié)果如下：

　　在磨削力和磨削速度都較低的條件下，金剛石砂輪使用后，其表面上分布著大量的棱角分明、反光一致的金剛石磨料的磨耗小平面，如圖! 所示。這是由于金剛石磨粒與超硬材料的機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的機(jī)械磨損。這種磨損是逐漸進(jìn)行的，磨粒的磨損量與其磨削行程長(zhǎng)度成正比例關(guān)系。

　　在磨削區(qū)溫度較高的磨削條件下，金剛石砂輪上的金剛石磨粒產(chǎn)生氧化和石墨化而損耗，如圖3 所示。根據(jù)金剛石的性質(zhì)可知，氧化、石墨化的程度取決于金剛石磨料的晶體完整性，并且石墨化的程度還與晶體方位有關(guān)。晶體完整性好的金剛石磨料，其氧化、石墨化損耗的程度低。

　　金剛石砂輪表面上部分金剛石磨粒發(fā)生局部斷裂和破碎，以致整粒脫落。圖4 中的金剛石磨粒發(fā)生解理破壞。由于晶體解理是由晶體結(jié)構(gòu)因素7化學(xué)鍵的類型、強(qiáng)度和分布所產(chǎn)生的平面破裂，它經(jīng)常是沿化學(xué)鍵強(qiáng)度最終的方位面產(chǎn)生。磨粒分布的隨機(jī)性，決定其發(fā)生解理破壞是不可避免的。

　　圖4中的金剛石磨粒發(fā)生局部斷裂和破碎，破碎形成的斷口是無規(guī)則的。磨削過程中，磨粒瞬時(shí)升至高溫，又在磨削液的作用下急冷，反復(fù)多次，在磨粒表面上形成很大的熱應(yīng)力，使磨粒表面開裂破碎。熱應(yīng)力破碎磨損與金剛石磨粒的缺陷分布以及氧化、石墨化有密切的聯(lián)系，因此，首先在磨粒晶體表面缺陷處產(chǎn)生局部熱應(yīng)力集中，誘發(fā)多個(gè)裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。在磨削力的作用下，強(qiáng)度最弱的部分產(chǎn)生破碎。磨粒的破碎和脫落是磨削力和磨削熱共同作用的結(jié)果。

　　當(dāng)作用在磨粒上的機(jī)械力超過砂輪結(jié)合劑對(duì)其的結(jié)合力時(shí)，便產(chǎn)生磨粒的整粒脫落，如圖" 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在結(jié)合劑結(jié)合力較小（例如使用樹脂結(jié)合劑）的情況下，磨粒容易整粒脫落。

　　金剛石磨粒及結(jié)合劑的合理選擇

　　磨料粒度的選擇

　　金剛石砂輪磨料粒度的選擇直接影響超硬材料磨削加工表面質(zhì)量和加工效率。在能夠滿足加工質(zhì)量要求的前提下，盡量選擇較粗的粒度，提高加工效率。粗磨時(shí)，可以選用120-150^#粒度的磨料，精磨時(shí)可以選用180-240^#粒度的磨料，超精磨時(shí)可以選用W40-W7粒度的微粉磨料。

　　磨料濃度的選擇

　　金剛石砂輪中磨料的濃度對(duì)超硬材料的磨削效果有一定的影響，濃度過高或過低都會(huì)造成磨料的過早脫落，使砂輪損耗費(fèi)用增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粗磨時(shí)，可以選擇較高的濃度，以增加單位面積內(nèi)的有效磨粒數(shù)，提高加工效率+精磨時(shí)應(yīng)選擇較低的濃度。一般情況下，粗磨時(shí)磨料濃度可以選用100-150%，精磨時(shí)磨料濃度可以選用75-100%左右。

　　結(jié)合劑的選擇

　　具有良好導(dǎo)熱性的金屬結(jié)合劑對(duì)磨粒的結(jié)合力較大，適用于晶形比較完整的金剛石磨料，具有相對(duì)較高的磨削比。樹脂結(jié)合劑對(duì)磨粒的結(jié)合力較弱，適用于脆性大、強(qiáng)度低的金剛石磨料。陶瓷結(jié)合劑性能介于上述二者之間。鑄鐵短纖維結(jié)合劑對(duì)磨粒的結(jié)合力高達(dá)50-100kg/mm²，抗拉強(qiáng)度高達(dá)15-30kg/mm²，比普通金屬結(jié)合劑性能優(yōu)越很多。由其制成的金剛石砂輪磨削加工工程陶瓷時(shí)，磨削比大約是樹脂結(jié)合劑砂輪的4-5倍，適用于制作晶形完整的金剛石磨粒砂輪。

　　結(jié)束語

　　在磨削力和磨削速度都較低的條件下，金剛石磨粒主要產(chǎn)生機(jī)械摩擦磨損。在磨削區(qū)溫度較高的條件下，金剛石磨粒產(chǎn)生氧化和石墨化。磨粒的解理和破碎是磨削力和磨削熱共同作用的結(jié)果。當(dāng)作用在磨粒上的機(jī)械力超過砂輪結(jié)合劑對(duì)其的結(jié)合力時(shí)，便產(chǎn)生磨粒的整粒脫落。

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