溫雪龍, 李佳育, 李欣妍

(東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819)

在微尺度磨削過程中,微磨具直徑小又需要很高的轉(zhuǎn)速,受沖擊后不斷磨損,當磨損到一定程度時,加工表面質(zhì)量急劇下降,難以達到生產(chǎn)要求.在微磨具的表面鍍覆一層抗磨損性能較好的涂層,可延緩刀具的磨損,增強耐磨性,并在一定程度上提高加工精度.

在涂層刀具方面,阮銘業(yè)等[1]采用物理氣相沉積(PVD)工藝制備TiAlN和CrAlN涂層,探討不同切削深度、切削速度、進給速度下刀具的磨損情況,發(fā)現(xiàn)TiAlN和CrAlN涂層刀具能有效提高刀具硬度.劉杰等[2]使用無涂層的和AlCrSiN涂層的硬質(zhì)合金車刀片進行實驗,發(fā)現(xiàn)AlCrSiN涂層刀具的切削壽命在各切削速度下都超過無涂層刀具,工件表面粗糙度低于無涂層刀具,說明AlCrSiN涂層能夠有效保護基體從而維持刀具的鋒利度.Ramana等[3]研究無涂層和PVD涂層刀具材料的鐵基鎳A286合金在可持續(xù)干式加工下的可加工性,分析表面粗糙度、刀面磨損率和切屑形貌等可加工性,并對刀具磨損行為進行SEM分析.PVD涂層刀具是加工鐵基鎳A286合金降低表面粗糙度的最佳刀具材料. Tushar等[4]研究了頂層為硬潤滑TiN-WSx,底層為硬TiN支撐的雙層涂層,發(fā)現(xiàn)雙層涂層硬質(zhì)合金刀具的切削力顯著降低.龍重旺等[5]設(shè)計制備了用于金屬陶瓷刀具的TiN/Al2O3/TiC/TiCN復合涂層與用于硬質(zhì)合金刀具的TiAlN涂層.實驗表明,TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具在耐磨性、涂層黏著力及加工質(zhì)量方面均優(yōu)于Al2O3復合涂層金屬陶瓷刀具.譚梁等[6]制備TiAlN涂層并進行干切削試驗,結(jié)果表明:切削深度和切削速度的增加均對刀具磨損影響較為明顯,進給量的增加對刀具磨損影響最小.Lubis等[7]對車削AISI4140鋼工件時涂層硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生的磨損和切削力進行了分析.研究發(fā)現(xiàn),刀具因磨損而發(fā)生幾何變化,對切削力值影響較大.盡管對涂層刀具的加工表面質(zhì)量的分析及研究已取得成果,但TiC涂層微磨具對鈉鈣玻璃磨削表面質(zhì)量的影響因素的研究還相對較少.

本文通過涂層微磨具的磨削性能實驗,對比不同鍍膜工藝參數(shù)下,涂層微磨具在磨削過程中對工件表面質(zhì)量的影響.分析不同磨削速度、進給速度、磨削深度、磨粒粒度、磨粒材料、冷卻條件對加工表面質(zhì)量的影響[8],總結(jié)涂層微磨具磨削性能規(guī)律,為涂層微磨具的廣泛應用提供重要理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐.

1 實驗條件與方案

1.1 實驗條件

實驗材料為鈉鈣玻璃,實驗設(shè)備和儀器分別為JX-1A 磨床、DHDAS_592 動態(tài)信號分析系統(tǒng)、VHX-1000E超景深顯微鏡及LEXT OLS4100共聚焦顯微鏡.實驗采用磨頭直徑為0.9 mm的TiC涂層微磨具,如圖1所示.鈉鈣玻璃材料性能參數(shù)為:密度1 200 kg/m3、比熱容820 J/(kg·K)、熱傳導系數(shù)1.2 W/(m·K)、熱膨脹系數(shù)3.3×10 μm/(m·K)、彈性模量532.7 MPa、泊松比0.5.采用多弧離子鍍方法,在單層電鍍金剛石微磨具表面制備涂層.其中,弧電流100 A、線圈電壓20 V、負偏壓200 V、氬氣流量0.08 L/min、真空氣室氣壓0.43 Pa、沉積時間2.5 h,其他參數(shù)如表1所示.

1.2 實驗方案

對鈉鈣玻璃進行三因素五水平正交試驗,探討磨削速度、磨削深度、進給速度、冷卻條件對表面質(zhì)量的影響[9].分別采用5種不同參數(shù)涂層微磨具對試件進行磨削,研究粒度、鍍膜工藝參數(shù)和微磨具磨粒材料對加工表面粗糙度的影響規(guī)律,并對已加工表面形貌進行分析.通過干磨和濕磨對比實驗,研究冷卻液對磨削表面質(zhì)量的影響[10].涂層微磨具磨削正交試驗因素水平表見表2.

圖1 涂層微磨具表面形貌

表1 涂層微磨具制備工藝參數(shù)

表2 涂層微磨具磨削正交試驗因素水平表

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 磨削參數(shù)對表面形貌的影響

干磨條件下,采用5種不同參數(shù)微磨具磨削后的已加工表面粗糙度與磨削參數(shù)的關(guān)系如圖2～圖4所示.

由圖2可知，在5組涂層微磨具磨削實驗結(jié)果中可以看出，干磨條件下，1#,3#涂層微磨具磨削時，隨磨削深度的增加，加工表面粗糙度先減小后增大，隨后波動減小趨向平穩(wěn).其原因是剛開始磨削時磨粒均勻且較為鋒利，可以有效地去除表面，使得表面粗糙度降低，隨著磨削的進行磨粒不斷磨損，磨削效果變差，表面粗糙度略微增大.2#，4#和5#涂層微磨具磨削時，隨磨削深度的增加，加工表面粗糙度先增大后減小，并趨向于平穩(wěn).造成涂層微磨具加工表面質(zhì)量先增加后減小的原因是在磨削過程中，微磨具磨粒之間的出刃高度存在一定差距，在一定范圍內(nèi)隨著磨削深度的增加，參與有效磨削的磨粒數(shù)量增加，此時涂層微磨具自銳能力得到較好發(fā)揮，加工表面質(zhì)量出現(xiàn)好轉(zhuǎn).2#和4#涂層微磨具的磨粒間的出刃高度差距較小，隨著磨削深度增加，參與有效磨削的磨粒數(shù)量增加并不明顯，所以加工表面質(zhì)量好轉(zhuǎn)程度相對較小.

圖2 表面粗糙度隨磨削深度的變化曲線

由圖3可知,隨磨削速度的增加,涂層微磨具已加工表面粗糙度均先增大后減小再增大. 當磨削速度較小時,隨磨削速度的增加,涂層脫落部分磨屑及破碎的磨粒顆粒殘留在涂層微磨具磨粒間隙間的數(shù)量增多,對加工表面的損傷程度增大,導致表面粗糙度增大.隨磨削速度進一步增加,磨粒單位時間內(nèi)參與磨削的次數(shù)增多,單顆磨粒去除工件厚度有所減少,高頻率接觸可以在一定程度上減少工件的彈性回彈,可提高已加工表面質(zhì)量.當磨削速度增加時,主軸轉(zhuǎn)速提高較多,涂層微磨具隨機床主軸的振動加劇,影響加工表面質(zhì)量,導致工件表面粗糙度增加.

圖3 表面粗糙度隨磨削速度的變化曲線

由圖4可知,隨進給速度的增加,表面粗糙度總體呈增大趨勢.進給速度越大,磨粒參與磨削的距離增加,導致未變形切屑厚度增大;磨削力增大,導致表面質(zhì)量變差.

圖4 表面粗糙度隨進給速度的變化曲線

圖5～圖7是200#微磨具干磨條件下,當磨削參數(shù)為vw=1.413 m/s,vs=100 μm/s時,不同微磨具(1#,3#)的已加工表面形貌如圖5所示.可知,在進行磨削實驗時,已加工表面會產(chǎn)生一定程度的溝槽和隆起,材料的斷裂方式以脆性斷裂為主.產(chǎn)生明顯溝槽和隆起的原因是由于涂層微磨具出刃高度較大,生成磨屑被擠入磨粒間隙形成隆起,磨屑隨微磨具高速旋轉(zhuǎn)時會在加工表面形成溝槽,使加工表面的高度差增加,表面粗糙度數(shù)值增大,表面質(zhì)量較差.

圖5 已加工表面形貌圖(ap=4 μm)

圖6 已加工表面形貌圖(ap=12 μm)

圖7 已加工表面形貌圖(ap=20 μm)

2.2 不同冷卻條件下涂層微磨具加工質(zhì)量的對比

在不同冷卻條件下加工表面質(zhì)量隨磨削參數(shù)的變化如圖8所示.在干磨條件下,隨磨削參數(shù)的增大,75 μm涂層微磨具的已加工表面粗糙度先減小后增大,在2～3 μm間波動,變化幅度較大.25 μm涂層微磨具的已加工表面粗糙度在1 μm上下浮動,波動范圍較小.在濕磨條件下,75 μm涂層微磨具已加工表面粗糙度在2 μm左右波動,但25 μm涂層微磨具已加工表面粗糙度更小,相比于75 μm涂層微磨具變化平穩(wěn).在干磨和濕磨條件下,由75 μm涂層微磨具已加工表面粗糙度變化可知,雖然在數(shù)值上有較大幅度波動,但濕磨條件下的已加工表面粗糙度更小.無論干磨還是濕磨,25 μm涂層微磨具的已加工表面粗糙度均變化平穩(wěn),但濕磨條件下的已加工表面粗糙度總是比干磨條件下的小.當磨削參數(shù)與粒度相同時,濕磨條件下獲得的已加工表面粗糙度小,表面質(zhì)量明顯好于干磨條件下的加工表面質(zhì)量,且數(shù)值變化更平穩(wěn),獲得的加工表面質(zhì)量也較好.

圖9～圖11是75 μm微磨具在不同冷卻條件下,當磨削參數(shù)為vw=1.413 m/s,vs=100 μm/s時的已加工表面形貌圖.對比可知,在濕磨條件下,已加工表面產(chǎn)生溝槽和隆起的程度減輕,已加工表面質(zhì)量更好.

圖8 干磨與濕磨條件下的加工表面粗糙度

在濕磨條件下,磨削過程中有冷卻液時沖刷工件與微磨具接觸部分,破損的涂層、磨屑及磨損破碎的金剛石磨粒會隨之流出,生成磨屑被擠入磨粒間隙的情況減少,對于已加工表面的損傷較小.冷卻液的使用有利于降低磨削區(qū)溫度,提高已加工表面質(zhì)量.對比濕磨條件下的表面粗糙度隨磨削深度、磨削速度、進給速度的變化趨勢,可知在濕磨條件下獲得的加工表面質(zhì)量較好.因此,在條件允許情況下,應采用濕磨削的加工方式.

圖9 已加工表面形貌圖(ap=4 μm)

圖10 已加工表面形貌圖(ap=12 μm)

圖11 已加工表面形貌圖(ap=20 μm)

2.3 不同磨粒粒度涂層微磨具的加工表面質(zhì)量分析

75 μm和25 μm涂層微磨具在濕磨條件下表面粗糙度隨磨削參數(shù)的變化如圖12所示.在濕磨條件下,對比不同粒度的涂層微磨具表面粗糙度隨切削深度的變化情況.由圖12a可知,在磨削過程中,75 μm粒度的加工表面粗糙度先減小后增大;25 μm總體趨于平穩(wěn),75 μm粒度的涂層微磨具加工表面粗糙度大于25 μm涂層微磨具.由圖12b可知,隨磨削速度的增大兩微磨具的已加工表面粗糙度總體均呈上升趨勢,但75 μm已加工表面粗糙度總是比25 μm大.由圖12c可知,隨著進給速度的增大,表面粗糙度先增大后減小再增大.

在3種磨削參數(shù)逐漸增大的過程中,無論粗糙度數(shù)值如何變化,75 μm粒度的已加工表面粗糙度數(shù)值總是大于25 μm粒度的數(shù)值,且25 μm粒度涂層微磨具已加工表面粗糙度值在小范圍內(nèi)趨于平穩(wěn),加工表面更光滑、質(zhì)量更好.

圖12 粒度對表面粗糙的的影響

不同粒度微磨具在濕磨條件下,當磨削參數(shù)為vw=1.413 m/s,vs=100 μm/s時的已加工表面形貌如圖13～圖15所示.可以看出粒度較大的涂層微磨具已加工表面形貌明顯好于粒度較小的涂層微磨具.這是由于粒度較小的微磨具磨粒直徑較大,相應的出刃高度較大,在磨削過程中相比粒度較大的涂層微磨具在已加工表面留下的溝槽更深,表面粗糙度越大,表面質(zhì)量越差.

圖13 已加工表面形貌圖(ap=4 μm)

圖14 已加工表面形貌圖(ap=12 μm)

圖15 已加工表面形貌圖(ap=20 μm)

2.4 不同磨粒微磨具的加工表面質(zhì)量對比分析

不同磨粒微磨具已加工表面粗糙度與磨削參數(shù)的關(guān)系如圖16所示.分別采用粒度相同的金剛石和CBN涂層微磨具,在干磨條件下,分析磨粒材料隨磨削深度、磨削速度和進給速度的變化情況.

由圖16a可知,隨磨削深度的增加,金剛石涂層刀具加工表面粗糙度先增大后減小再趨向平穩(wěn),CBN涂層刀具先增大后減小再增大,CBN刀具粗糙度波動較大,加工表面質(zhì)量不穩(wěn)定.由圖16b可知,在磨削速度變化過程中,金剛石和CBN涂層刀具總體呈上升趨勢,但金剛石刀具穩(wěn)步上升,CBN涂層刀具在磨削速度為2.355 m/s時有急劇下降的趨勢,對表面質(zhì)量波動影響較大.由圖16c可知,進給速度增大,金剛石涂層微磨具和CBN涂層微磨具在表面粗糙度上差距不明顯,但CBN涂層微磨具在進給速度為70 μm/s時，表面粗糙度突然增大后下降,波動明顯,影響已加工表面質(zhì)量的穩(wěn)定.

圖16 磨粒材料對表面粗糙的的影響

500#不同磨粒微磨具在干磨條件下,當磨削參數(shù)為vw=1.413 m/s,vs=100 μm/s時的已加工表面形貌如圖17、圖18所示.在干磨條件下,金剛石涂層微磨具已加工表面粗糙度更小,表面質(zhì)量更好.

相比于CBN涂層微磨具,在磨削速度、磨削深度和進給速度變化時,金剛石涂層微磨具加工表面粗糙度均表現(xiàn)出平穩(wěn)特性,加工表面質(zhì)量好.由于金剛石比CBN硬度更高,在去除脆性材料時效果較好,更適宜加工玻璃等脆性材料.

圖17 已加工表面形貌圖(ap=8 μm)

圖18 已加工表面形貌圖(ap=16 μm)

3 結(jié) 論

1) 隨磨削深度的增加,涂層微磨具已加工表面粗糙度增大;隨磨削速度的增加,已加工表面粗糙度呈先增大后減小再增大的趨勢;隨進給速度的增加,已加工表面粗糙度隨之增大.

2) 在不同冷卻條件下,濕磨時涂層微磨具已加工表面質(zhì)量好于干磨時已加工表面質(zhì)量.

3) 涂層微磨具磨粒直徑越大,已加工表面粗糙度越大,表面質(zhì)量越差.與CBN涂層微磨具相比,金剛石涂層微磨具已加工表面質(zhì)量更好,更適宜加工玻璃等硬脆材料.