田欣利， 紀(jì)凱文， 吳志遠(yuǎn), 蕾 雷， 何祥炎

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

金剛石砂輪磨削Si3N4陶瓷產(chǎn)生堵塞的影響因素

田欣利， 紀(jì)凱文， 吳志遠(yuǎn), 蕾 雷， 何祥炎

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

為解決金剛石砂輪磨削Si3N4陶瓷容易產(chǎn)生堵塞的問題，采用容差檢測方法，探究了乳化液的濃度、流速，磨件移動速度，磨削進(jìn)給量以及砂輪轉(zhuǎn)速對砂輪堵塞的影響作用。結(jié)果表明：乳化液濃度越高、流速越快，砂輪越不容易堵塞；機(jī)床速度越快、進(jìn)給量越大，砂輪越容易堵塞；砂輪轉(zhuǎn)速越快，堵塞越嚴(yán)重。

Si3N4陶瓷； 金剛石砂輪； 堵塞； 磨削加工； 容差法

工程陶瓷屬于典型的硬脆性材料，具有加工難度大、成本高、效率低等特點(diǎn)。通常采用的磨削加工容易堵塞砂輪，從而影響工程陶瓷加工的精度、成本以及效率[1]。目前，解決砂輪堵塞的方法有多種，如改變砂輪的結(jié)構(gòu)、改變砂輪表面的成分、改變澆注方式、采用陶瓷專用磨削液等，但這些方法存在操作復(fù)雜、工作繁瑣和成本高等問題，而合理選擇工藝參數(shù)是解決此問題的可選手段之一。因此，筆者采用容差檢測方法，分別研究了乳化液濃度、流速，磨件移動速度，磨削進(jìn)給量以及砂輪轉(zhuǎn)速對砂輪堵塞的影響作用，以期為減少砂輪堵塞和提高陶瓷的加工質(zhì)量提供指導(dǎo)[2-3]。

1 容差法的確定

砂輪檢測方法有多種，如X射線熒光法、掃描電子顯微鏡法、電渦流法以及紅外傳感器法等，但是這些方法存在一定的限制性，且需要的設(shè)備數(shù)量多，裝夾要求有限定，不適合一般的機(jī)床[3-5]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用一種新的測量方式——容差法。該方法無需繁瑣的檢測設(shè)備，也不需要改造砂輪機(jī)構(gòu)，操作簡捷，實(shí)用性強(qiáng)，檢測程序簡化，具有較高的時(shí)效性。

容差法利用圖像的色差來區(qū)別堵塞區(qū)域與非堵塞區(qū)域。選中堵塞區(qū)域后，圖像軟件會顯示出堵塞區(qū)域的像素，該像素?cái)?shù)值即為堵塞面積。圖1(a)為金剛石砂輪堵塞照片，通過容差法選中的堵塞區(qū)域如圖1(b)所示。堵塞像素與圖片像素的比值即為砂輪堵塞的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 容差檢測堵塞區(qū)域照片

2 乳化液濃度和流速對堵塞的影響

2.1 乳化液的選擇

有關(guān)學(xué)者[4-8]研究表明：利用有機(jī)物的潤滑功能和其官能團(tuán)的化學(xué)活性可以有效地輔助工程陶瓷的加工。磨削工件Si3N4屬于非極性物質(zhì)，由于烷烴油膜表面的非極性對非極性的磨屑吸引附能力很強(qiáng)，因此本實(shí)驗(yàn)選用石蠟-OP10-Span80作為乳化液。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將砂輪轉(zhuǎn)速定為3 000 r/min，通過電子輸液泵將乳化液流速定為500 mL/h，每組實(shí)驗(yàn)的磨削時(shí)間定為3 min，分別進(jìn)行乳化液濃度為5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%時(shí)的磨削實(shí)驗(yàn)。

選用乳化液濃度為10%，其他參數(shù)保持不變，分別進(jìn)行乳化液流速為100、200、300、400、500、600、700、800 mL/h時(shí)的磨削實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理和評價(jià)過程為：磨削實(shí)驗(yàn)完成后，用攝像頭沿砂輪圓周對其進(jìn)行完整拍攝，每組實(shí)驗(yàn)均勻取7個(gè)位置，然后通過容差法計(jì)算出各位置的堵塞比例，得出每組的平均堵塞比例。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用Origin Pro9.0得出砂輪堵塞比例隨乳化液濃度和流速的變化曲線,分別如圖2、3所示。

圖2 砂輪堵塞比例隨乳化液濃度變化曲線

由圖2可知：隨著乳化液濃度的升高，砂輪堵塞比例越來越低，最終達(dá)到0，其呈單調(diào)遞減趨勢，且逐漸趨于平緩。這是因?yàn)殡S著乳化液濃度的升高，乳化液非極性的屬性得到不斷增強(qiáng)，對非極性Si3N4陶瓷磨屑的吸附能力也越來越強(qiáng)，乳化液流動過程中可帶走的磨屑量也逐漸增大，從而降低了砂輪的堵塞率。因此，選擇高濃度的乳化液，有利于提高砂輪的磨削效能、減緩堵塞。

圖3 砂輪堵塞比例隨乳化液流速變化曲線

由圖3可知：隨著乳化液流速的加大，砂輪堵塞比例不斷減小，最終在800 mL/h時(shí)達(dá)到0，其呈單調(diào)遞減趨勢，且減小的速率由慢到快。其原因?yàn)椋喝榛壕哂星逑醋饔?，并隨著乳化液流速的加大而顯著增強(qiáng)，對磨削的沖擊力也會變大，可在磨削過程中帶走更多的磨屑。

3 磨件移動速度和磨削進(jìn)給量對堵塞的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在乳化液濃度為10%、乳化液流速為500 mL/h、砂輪轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、磨削時(shí)間為3 min的工藝條件下，分別考察了在走刀次數(shù)不變和磨削總進(jìn)給量不變的情況下,磨件移動速度與磨削進(jìn)給量對砂輪堵塞的影響。實(shí)驗(yàn)分為2組，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理和評價(jià)過程同2.2節(jié)。

1) 工作臺的行程(往復(fù)行程)為26 cm，往復(fù)時(shí)間分別為5、4、3、2、1 s，則磨件移動速度分別為V1=0.052 m/s，V2=0.065 m/s，V3=0.087 m/s，V4=0.13 m/s，V5=0.26 m/s。磨削進(jìn)給量(每刀的進(jìn)給量)設(shè)為M1=0.01 mm，M2=0.02 mm，M3=0.03 mm，M4=0.04 mm，M5=0.05 mm。磨削走刀均為12次，分別考察上述某一變量不變時(shí)，另一變量對砂輪堵塞的影響作用。

2) 保持磨削總進(jìn)給量Ma=0.6 mm不變，則磨削進(jìn)給量mi(i=1，2，…,5)對應(yīng)的走刀次數(shù)相應(yīng)改變。考察磨件移動速度和走刀次數(shù)(圖中用相應(yīng)的磨削進(jìn)給量表示)分別發(fā)生變化時(shí)對砂輪堵塞的影響情況。

3.2 磨削走刀次數(shù)不變

圖4為磨削走刀次數(shù)不變時(shí)，不同磨削進(jìn)給量下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度的變化曲線，可以看出：1)第1組實(shí)驗(yàn)中，曲線呈平緩趨勢，且基本穩(wěn)定在“0”附近，說明此時(shí)基本堵塞發(fā)生，其原因可能為磨削進(jìn)給量?。?)除第1組實(shí)驗(yàn)外，曲線呈單調(diào)遞增的趨勢，砂輪堵塞程度隨磨件移動速度的增大而增大。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于實(shí)驗(yàn)的澆注模式為小流量澆注，因此乳化液的冷卻作用不會明顯體現(xiàn)出來，而隨著磨件移動速度的增大所出現(xiàn)的明顯燒焦味，也可說明磨削力隨磨件移動速度增大而增大，堵塞也會越嚴(yán)重。

圖4 磨削起刀次數(shù)不變時(shí)，不同磨削進(jìn)給量下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度變化曲線

圖5為磨削走刀次數(shù)不變時(shí)，不同磨件移動速度下砂輪堵塞比例隨磨削進(jìn)給量的變化曲線，可以看出：每條曲線呈單調(diào)遞增的趨勢，說明隨著進(jìn)給量的增加，堵塞程度也越嚴(yán)重。這是因?yàn)椋弘S著進(jìn)給量的增加，砂輪的磨削力也會增大，對工件的切削能力也會隨之增強(qiáng)，導(dǎo)致其堵塞比例增大。

圖5 磨削起刀次數(shù)不變時(shí)，不同磨件移動速度下砂輪堵塞比例隨砂輪進(jìn)給量變化曲線

3.3 磨削總進(jìn)給量不變

圖6為磨削總進(jìn)給量不變時(shí)，不同走刀次數(shù)下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度的變化曲線，可以看出：1)每條曲線呈單調(diào)遞增的趨勢，隨著磨削進(jìn)給量的增加，堵塞程度也越嚴(yán)重；2)進(jìn)給速度為0.13 m/s時(shí)砂輪開始堵塞，此點(diǎn)為堵塞的一個(gè)臨界點(diǎn)，也是起始點(diǎn)。其原因同3.2節(jié)的敘述。

圖6 磨削總進(jìn)給量不變時(shí)，不同起刀次數(shù)下砂輪堵塞比例隨磨件移動速度變化曲線

圖7為磨件移動速度不變時(shí)，砂輪堵塞比例隨磨削進(jìn)給量的變化曲線，可以看出：1)每條曲線呈單調(diào)遞增的趨勢，表明隨著磨削進(jìn)給量的增加，堵塞程度也會嚴(yán)重；2)在V2、V3、V5時(shí)，對應(yīng)3條曲線的斜率都比較小，且Va所對應(yīng)的曲線斜率最小。該組實(shí)驗(yàn)是在保證總進(jìn)給量一致的情況下進(jìn)行的，不同于上述實(shí)驗(yàn)中進(jìn)給量的改變就會導(dǎo)致總進(jìn)給量的變化，由此可以看出:1)進(jìn)給量的增加對堵塞的影響并不是很明顯;2)磨削總進(jìn)給量的影響要大于進(jìn)給量的影響，也就是與走刀次數(shù)有關(guān);3)相同磨削進(jìn)給量時(shí)，走刀次數(shù)越多，堵塞越嚴(yán)重[9-10]。

圖7 磨件移動速度不變時(shí)，砂輪堵塞比例隨砂輪進(jìn)給量變化曲線

4 砂輪轉(zhuǎn)速對堵塞的影響

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，選定乳化液濃度為10%，乳化液流速500 mL/h，工件移動速度為0.179 m/s，進(jìn)給量為0.03 mm,走刀次數(shù)為12刀。由于砂輪磨削的最低線速度為1 300 m/min ，砂輪直徑R=20 cm，計(jì)算出周長C=0.628 m，并計(jì)算出最低轉(zhuǎn)速為2 070 r/min。因此，實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為2 200、 2 400、2 600、2 800、3 000、3 200、3 400、3 600 r/min。后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理同2.2節(jié)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖8為砂輪堵塞比例隨砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線，可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，砂輪的堵塞也會隨著轉(zhuǎn)速的增加而加劇，堵塞比例趨于平緩。其原因是：砂輪磨削過程中，轉(zhuǎn)速的增加使得磨粒的最大切深減小，切削截面積減小，同時(shí)切削次數(shù)與磨削熱增加，使得砂輪的堵塞量不斷增加。

圖8 砂輪堵塞比例隨砂輪轉(zhuǎn)速變化曲線

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Analysis of Factors Affecting Clogging in Diamond Wheel Grinding of Si3N4Ceramic

TIAN Xin-li, JI Kai-wen, WU Zhi-yuan, LEI Lei, HE Xiang-yan

(Department of Equipment Remanufacture Engineering, Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072, China)

To solve the clogging problem which is easily caused by diamond wheel grinding of Si3N4ceramic, tolerance detection method is adopted to explore the influence of emulsion concentration, emulsion flow rate, wheel speed, moving speed of machine and feed amount of grinding on wheel clogging. The results show that: the higher the emulsion concentration is, the less the wheel is prone to clogging; the faster the emulsion flows, the less the wheel is prone to clogging; the faster the machine runs, the more the wheel is prone to clogging; the more the feed amount of grinding is, the more the wheel is prone to clo-gging; and the higher the wheel speed is, the more serious the clogging is.

Si3N4ceramic; diamond wheel; clogging; grinding; tolerance method

1672-1497(2015)06-0089-04

2015-06-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275527)

田欣利(1956-)，男，教授，博士。

TB321; TG580.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.017