熊华军,张高亮,叶腾飞,钱灌文,丁玉龙,2,朱建辉,2,吴武山,李少杰,李怡瑱
(1 郑州磨料磨具磨削研究所有限公司,河南 郑州 450001;2.高性能工具全国重点实验室,河南 郑州 450001)
磨料作为磨具的三要素之一,其除了金刚石和立方氮化硼(cBN)超硬磨料外,还包括辅助磨料,常见的辅助磨料包括白刚玉、碳化硅和碳化硼等[1]。其中,白刚玉磨料硬度高、脆性大,适用于钢铁材料的加工,多用于制作cBN砂轮;碳化硅磨料分为绿碳化硅和黑碳化硅,绿碳化硅纯度、硬度比黑碳化硅稍高,适用于加工硬而脆的材料,如硬质合金、玻璃、玛瑙等,黑碳化硅强度低、脆性大,适用于加工抗拉强度较低的金属材料及非金属材料;碳化硼具有高熔点、高弹性模量、低膨胀系数和良好的氧气吸收能力等优点[2],硬度比碳化硅高,脆性大,适用于精磨碳钨合金、碳钛合金、人造刚玉和宝石等材料[3]。
磨料和填充料作为树脂磨具的重要组成部分,其性能直接影响着树脂结合剂金刚石砂轮的性能[4]。目前,对树脂结合剂金刚石砂轮性能的研究,大多集中于金刚石磨料的晶型、镀覆方式和处理方法等方面[5-7];段文远等[8]添加绿碳化硅微粉作为辅助磨料,体积分数在30%时可提高砂轮的寿命和锋利度;碳化硼可用于制作耐磨损件,用作磨料可降低加工成本[9-10]。而对于黑碳化硅和碳化硼辅助磨料改善砂轮性能的试验及研究鲜有报道,本试验采用三种辅助磨料制作树脂结合剂金刚石砂轮,研究辅助磨料对其性能的影响。
本文采用的试验条件及方法如下：采用绿色碳化硅(220#,绿SiC)、黑色碳化硅(240#,黑SiC)和碳化硼(240#,B4C)三种不同的辅助磨料,其显微形貌见图1,在相同配方和生产工艺条件下制作试块和树脂结合剂金刚石砂轮,试块用于检测抗折强度和洛氏硬度,砂轮用于磨削试验。试块规格为50 mm×10 mm×10 mm,配方同试验砂轮配方(金刚石磨料所占比例用对应辅助磨料替换),砂轮规格为3A1 Φ180mm×10 mm ×Φ31.7 mm×5 mm×5mm, D80/100 C100。磨削试验设备为WTG数控万能工具磨床,工件为YG8材质的硬质合金棒,尺寸为Φ20 mm×150 mm。试验砂轮配方见表1,具体工艺参数见表2。
表1 试验砂轮配方 (%,体积百分比)
表2 磨削试验工艺参数
图1 辅助磨料显微形貌图
试验步骤：先装配试验砂轮、工件和修整工具,连接磨削比测试装置,开启冷却水,在线修整试验砂轮,完毕后关闭冷却液,安装工件,保证安装后工件的外圆跳动小于0.005 mm。开始对刀,然后设定磨削工艺程序,开启冷却液,按设定工艺进行磨削试验,设定的磨削工艺程序主要包括加工余量、进刀量、砂轮与工件转速和进给速率等。程序执行完毕后关闭冷却液,停止砂轮与工件旋转,检测砂轮和工件的尺寸,最后记录并分析试验结果,磨削比测量原理与测试结果示意图见图2。
图2 测量原理及测试结果示意图
2.1 辅助磨料对试块抗折强度和洛氏硬度的影响
通过测试试块的抗折强度和洛氏硬度,最终数据为测试6个试验数据的平均值,测试数据见图3。
图3 测试数据
由图3可以看出,对于测试的抗折强度数据,3#试块的抗折强度最低,2#试块最高,从高到低排序为2#>1#>3#,1#和2#试块的抗折强度相比3#分别提高了31.5%和37.6%。因此,绿色碳化硅和黑色碳化硅在增加砂轮强度方面的作用高于碳化硼。在洛氏硬度方面,2#试块数值最高,从高到低排序为2#>3#>1#,数值相差不超过4%,三种辅助磨料对试块的洛氏硬度影响差异较小。
2.2 辅助磨料对砂轮磨削性能的影响
试验砂轮的体积磨削比测试数据见表3。
表3 磨削比数据
表3的结果表明,3#砂轮的体积损耗量小,砂轮的耐磨性优于1#和2#,且其体积磨削比值最高,分别比1#砂轮、2#砂轮高75%和97%,2#砂轮的体积磨削比值最低,体积磨削比值从高到低依次排序为3#>1#>2#。
由于黑碳化硅磨料相对绿碳化硅磨料硬度较低,主要用于磨削铸铁和非金属材料,不适合磨削硬质合金类高硬度材料,因此,2#砂轮的磨削比最低;而碳化硼磨料理论密度小,约为2.52 g/cm3,比碳化硅磨料(3.2 g/cm3)低21.25%,对于试验砂轮而言,这意味着在单位体积内碳化硼磨料的浓度比碳化硅磨料高近20%,有利于增强砂轮整体的耐磨性和锋利度,从而以较小的损耗可以去除工件较大的磨削量,因此,3#砂轮的耐磨性最好,砂轮的体积磨削比值最高。
(1)1#和2#试块的抗折强度相比3#分别提高了31.5%和37.6%,绿色碳化硅和黑色碳化硅辅助磨料在增加砂轮强度方面的作用高于碳化硼。
(2)1#、2#和3#试块的洛氏硬度数值相差不超过4%,三种不同辅助磨料对试块的洛氏硬度影响作用差异较小。
(3)添加碳化硼辅助磨料的3#试验砂轮锋利度和耐磨性好,其可以作为树脂结合剂金刚石砂轮配方设计的参考辅助磨料。
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