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磨削参数对超细硬质合金磨削表面粗糙度的影响


2012年第46卷No.5

4l

磨削参数对超细硬质合金磨削表面粗糙度的影响
原一高,张肖肖,丁健俊,施耀祖
东华大学 摘要:在使用金刚石砂轮的平面磨床卜对超细硬质合金进行了磨削试验研究。通过扫描电子显微镜观察磨 削表面形貌和用表面粗糙度测定仪测馈磨削表面粗糙度.分析了磨削参数时超细硬质合金磨削表面粗糙度的影 响。研

究结果表明,同一切深下.超细硬质合金磨削表向粗糙度随砂轮粒魔的增大而增大。采用相同粒度砂轮磨 削.切深较小时,超细硬质合金磨削表面粗糙度随切深的增加而增大,当切深增大到一定值后,磨削表面粗糙度值
逐渐降低。 关键词:超细硬质合金;磨削;表面粗糙度 中图分类号:1℃580.1;TFl25.2+4l 文献标志码:A

Innuence Of Grinding Parameters on Ground SuI’face Roughness Of

UItranne.grained
Yuan

WC-Co

Cemented Carbidcs

Yigao,Zhang xiaoxiao,Ding Jianjun,Shi Yaozu
on

Abstnct:下hj3 sIudy condueted surf舵e grinding

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g商n cemenIed carbides埘diamond wheels under vari-


ou8甜nding cDndltions.Ground surface morpholo盯w鹏observed by scanni”g eIeclmn Injcmso叩y with tecIor,蚰d surface m“ghnes8
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Keywords:ll|tr8正ne舯in c伽ented c越bid鸭;咖nding;蛳d裔ce

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引言

度、切削深度等对超细硬质合金磨削表面粗糙度 的影响,以期为超细硬质台金磨削工艺的优化提 供依据。

wc.Co硬质合金是常用的刀具材料。近年来, 随着切削加工技术的不断发展,对刀具材料强度、硬 度和耐磨性的要求越来越高。与传统结构硬质合金 相比,超细硬质合金(WC晶粒度0.1一O.6灿m)具有 更高的强度,硬度和耐磨性。因而在刀具制造业得到 了广泛的应用…。 使用金刚石砂轮的磨削加工是生产硬质合金 刀具的主要方法。许多研究表明,磨削表面粗糙 度对硬质合金刀具的切削性能和使用寿命有重要 的影响’2“J。至今为止,国内外对硬质合金的磨削 研究大多集中于传统结构硬质合金磨肖lJ工艺的改 进与表面质话控制方面¨11。而对趟细硬质合金的 磨削加工,尤其是磨削表面粗糙度研究甚少。为 此。本文通过磨削试验。采用扫描电子显徽镜 (sEM)、表面粗糙度测定仪等手段,探讨了砂轮粒
基金项目:上海『fr敢点学科建设资助项目(B602)
收稿日期:2012年1月

2试验材料与方法
2.1试验材料

试验材料为用H【P技术烧结的超细晶粒wC— c0硬质合金,试样尺寸为10mm×10mm×lOmm.化 学成分及力学性能见表l。
裹1
WC (wt%)
90

试验材料的化学成分与力学性能
Co

平均牡径 (“m)
0.4

抗弯强度
(MP丑)
4000

硬瞳 (HRA)
9l 7

(wt%)
10

2.2试验方法

将试样用精密平口钳夹紧.在M7120型平面磨 床上进行磨削试验。所用的砂轮为树脂结合剂金刚 石平形砂轮,砂轮外径250mm,宽度25mm,金刚石 层厚度8mm。冷却液为水一乳化油混合液。试验 用磨削工艺参数见表2。

万方数据

工具技术

表2试验用磨削工艺参数
砂轮转速 K(n,s) 工作台速度

砂轮磨削后,磨削表面上的磨痕窄而浅,底部和两侧
单次切深

k(∥n,in)
30

砂轮粒度
np(p皿)
150#

光滑,两侧隆起很小(见图3a)。而经280。砂轮磨削 后,磨削表面上产生裂纹,磨痕宽且深,底部和两侧 粗糙有鳞状破裂组织(见图3b)。采用150’砂轮磨 削后,磨削表面上磨痕深度虽然较浅,但存在较多的 磨削碎片和破裂组织(见图3c),呈现出明显的脆性 断裂特征。

5,lO,15。20,25 lO
10

20

2∞+



磨削试验后,将试样在超声波清洗机中用无水 丙酮清洗30Inin,热风吹干。用带背反射探测器的 扫描电子显微镜(JSM一5600LV型,日本JEOL公 司)观察试样磨削表面形貌,用表面粗糙度测定仪 (JB一4c型,上海泰明光学仪器有限公司)沿垂直 于磨削方向测量试样磨削表面粗糙度,其中取样步

长为0.25蚴,评定长度为步长的4倍。每个试样
测量6次,结果取平均值。

3试验结果
图2切深对磨削表面粗糙度的影响(砂轮粒度:150’)

图1示出了相同切深(8。=10卜m)条件下,试样 磨削表面粗糙度随砂轮粒度的变化情况。由图可 见,同一切深下,试样磨削表面粗糙度随砂轮粒度的 增大而增大。但砂轮粒度对表面粗糙度的影响程度 有所不同,与150。砂轮比,使用280’砂轮磨削,试样 磨削表面粗糙度变化幅度较小,而使用w2ID砂轮磨 削,表面粗糙度变化幅度较大。图2显示了使用同 一粒度砂轮(150’)磨削,试样磨削表面粗糙度随切
圈3
(_)’P20

(b)280’

(c)150‘

不同粒度砂轮磨削超细硬质合金的磨削表面形貌 (‰=10
um



图4所示为超细硬质合金采用150’砂轮、不同切 深磨削后表面形貌的背反射电子图像。由图可见,随 切深的增加,合金磨削表面形貌发生明显变化。当口。 ≤5斗m时,磨削表面磨痕较深,两侧有较高隆起。当 n。≥10.1皿后,磨削表面开始产生破裂,存在较多的 磨削碎片与坑穴。之后,随切深的增大,磨削表面裂 纹、破裂程度更趋严重。而当口D≥20pm时,磨削表 面破裂基本消失,仅留下深度较浅的磨痕、较小的隆 起和少量敖落在隆起附近的磨削碎片。

深口。变化的规律。由图可见,当口。≤15岬时,试
样磨削表面的粗糙度随口。的增加近似地呈线性增 大。但当口。>15¨皿后,随切深的增大,磨削表面粗 糙度值逐渐减小,这一点与传统结构硬质合金的磨 西

暑鐾皇奠虱丽酮丽 ===:!竺=#≥爱
;苗葺每墨==;;=

。二!!!:::王j三 =粤鼻零箬揣摩塑冀爨登
。誊≥≯o》f专善1’

圈1

砂轮粒度对磨嗣衰面粗麓度的影响I%=10um)

表面粗糙度是磨削表面形貌的直观反映,为分 析上述参数影响超细硬质合金磨削表面粗糙度的成 因,用带背反射电子探测器的SEM对试样磨削表面 形貌进行了观察。图3显示了相同切深条件下,使 用不同粒度金刚石砂轮磨削后试样磨削表面形貌的 背反射电子图像。由图可见,超细硬质合金经w加

羹 二二二
蓄=譬=;;;;

萄嗣i葺i宣i耸鲨酱蔷菌
■■盈昼盈一
蔫i蠢暮差莹生髻己兰

(c)~=15.1m

(d)~=∞I-m

圈4不膏船粟■黼趣簟奠质台盒的■黼表面形奠f砂轮柱
鏖:150.I

万方数据

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43

4分析与讨论
磨削加工是靠砂轮表面随机排列的大量高硬度 磨粒完成的,每一个磨粒均可近似地看作是一把微 小的切刀。磨削表面则是由这些数量众多的不规则 切削微刃在被磨削材料表面上做相对运动形成的。 因此,砂轮的粒度、切削深度、被磨削材料的机械性 能必然对磨削表面形貌产生影响,进而影响磨削表 面的粗糙度。 试验前,由于对每个砂轮均采用相同的修整方 法和修整材料进行了修整,因此,可将锐利的金刚石 磨粒简化成圆锥形。同时,由于磨床系统的高刚度 以及磨削液的冷却作用,可忽略磨削过程中金刚石 砂轮与试样接触时的热变形,以砂轮设定切深代替 实际切深。则,在平面磨削过程中,砂轮施加的径向 磨削力F。、单个磨粒的最大切削厚度圩。可分别由 式(1)和式(2)得到¨引

由式(1)知,在砂轮速度、工件速度以及磨削宽 度、轴向进给量等其它磨削条件相同的情况下,被磨 削材料表面受到的法向磨削力凡与切深a。成正 比,随。。的增加,,。线性递增;由式(2)知,单个磨 粒的最大切削厚度随n。的增大而增加,随有效磨粒 数m的增加而减小。 本试验中,在相同切深(即F。相同)条件下,由 于金刚石砂轮粒度不同,单颗磨粒对被磨削材料表
面施加的法向载荷也就不同。细粒度的砂轮由于有

效磨粒数多,单颗磨粒对磨削表面施加的法向载荷 就小。因此,超细硬质合金被W20砂轮磨削时,其 去除方式以非弹性变形为主。同时,由于有效磨粒 数众多,单个磨粒的最大切削厚度日。相对较小,在 磨削表面上仅产生滑擦和轻微的耕犁,因而磨削表 面的磨痕窄而浅,隆起较小(见图3a),表面粗糙度 较低。随着砂轮粒度的增大,有效磨粒数减少,单颗 磨粒对磨削表卣施加的法向载荷随之增加。当该载 荷大于超细硬质合金材料裂纹一碎片产生的临界法 向载荷后,磨削表面开始产生裂纹和破裂(见图 3b),且随砂轮粒度的增大,破裂程度更趋严重(见 图3c),材料去除方式渐以脆性去除为主。较之滑 擦和轻微耕犁,裂纹和破裂严重恶化磨削表面的粗 糙度,反映在表面粗糙度测量值上.就表现为随砂轮
粒度的增大,磨削表lf『i粗糙度变差(见图1)。正是

‘=c,×孚×f掣)x脚(1)
以=≠≥鹣×√告
(2)

式中,C,为与被磨削材料种类有关的常数;L为工 件速度,In/min;”为砂轮速度,-n/s;曰为磨削宽度, mm;疗为磨粒的锥顶半角;%为设定切深,斗m以为 轴向进给量,mm;m为砂轮单位面积有效磨粒数;D 为砂轮直径,mm。 硬质合金、陶瓷等硬、脆材料,磨削时材料的去 除机理通常包括非弹性变形去除、脆性去除和材料 粉末化等,取决于磨削过程中磨削表面的受力状 况…J。当磨粒下方被磨削材料表面承受的法向载 荷低于该材料出现裂纹的临界值时,被磨削材料以 滑擦、耕犁和形成切屑等非弹性变形方式去除。当 磨削表面承受的法向载荷超过材料产生裂纹的临界 法向载荷时,磨削裂纹成核并逐步扩展至磨削表面, 材料刚以剥离和碎裂等脆性方式去除u2。“。更大 的法向载荷将使材料中的硬质相粉末化,低硬度粘 结相涂抹于粉化硬质相的表面,部分地与硬质相碎 片一起被去除”j。 硬质合金磨削过程中,裂纹一碎片产生的临界 法向载荷∞1可表示为
t,4

由于材料去除方式上的差异,使得用w20砂轮磨 削,磨削表面粗糙度变化幅度较大。 使用同粒度的砂轮、不同切深磨削,随切深的增 加,砂轮施加的法向磨削力,。增大,单颗磨粒对磨 削表面施加的法向载荷随之增大,使得超细硬质合 金磨削表面的材料去除方式发生变化。采用150+ 砂轮磨削,当切深Ⅱ。≤5斗m时,单颗磨粒对磨削表 面施加的法向载荷较小,磨削时的材料去除方式以 非弹性变形中的耕犁为主,在表面产生较深的磨痕,

两侧隆起较高。当口。≥lO岬后,材料去除方式逐步
转变为胞陆去除方式。在表面产生裂纹和破裂,并随 切深的增加而日趋严重,因此磨削表嘶粗糙度随切深 的增加逐渐增大。但当‰>15“巾后,超细硬质合金 磨削表面材料开始粉末化并伴随有Co相的均匀涂 抹’1…,磨削表面的粗糙度值逐渐降低(见图1)。 根据式(3),硬质合金磨削裂纹成核的临界法 向载荷与材料本身的物理机械性能有关,材料的断 裂韧性越高或硬度越低,磨削表面产生裂纹的临界 法向载荷JP,就越大。与wc粒径较大的传统结构 硬质合金比,超细硬质合金的硬度高、断裂韧性

只=^x告
度;K。为断裂韧性。

(3)

式中,A为一综合常数.A m2×105;|『j,为材料的硬

万方数据

工具技术

低m 3,磨削过程中P,要小得多,相同磨削条件下, 超细硬质合金磨削表面更易产生粉末化。因此,当 切深达到一定值后,磨削表面的粗糙度值逐渐降低。

[14]原一高,骆袜岚,蔡琼霞,等.超细晶粒硬质合金磨削的 材料去除机理研究[J].金刚石与磨料磨具工程,20lo,
30(3):14一18.

[15]sailer

T,He玎M,sockel H G,et a1.Micmstnlcture arld

5结语
(1)同一切深条件下,超细硬质合金磨削表面 粗糙度随砂轮粒度的增大而增大。使用微细粒度金 刚石砂轮磨削,磨削表面粗糙度低。 (2)使用相同粒度的砂轮磨削,较小切深时,超细 硬质合金磨削表面粗糙度随切深的增加而增大。当切 深增大到一定值后,磨削表面粗糙崖值逐渐降低。 (3)磨削参数对超细硬质合金磨削表面粗糙度 的影响可归因于磨削时材料去除方式的差异。

mech帅ical pmpemes“ulm正ne—grained hardmetals[J].

Intematjon出Jo唧al

0f Refhctory Metllls&Ha丌量Materials,

2001.19:553—559.

第一作者:原一高,博士,副教授,东华大学机械工程学
院.201620上海市
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sh“ght

巧Mechnic越ERgh砣e峨。Dongh岫bn“Tshy,
2D,62D.吼im

从美国“打败中国制造业”
参考文献

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文章说,过去“美闻一直十分担心他们在制造业方面输

给中国”,但“这一局势很快将会改变”,而重塑制造业竞争 面貌的“利器”,将是三种以指数倍方式快速发展的技 术——人工智能、机器人以及数字化制造。 陈锦华以《论制造业》为题,在《人民日报》(2月20日) 撰文指出.发达经济体的趋向表明,他们已经反思金融危机 的教训,加快_i|爿蘩经济结构,晕振制造业,并已初她成效。
美国、日本近来试图重振制造业的种种举动,共M透露 出一个重要信息:未来十年可能是发达国家“再工业化”、夺

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c,Ramesh K,et al-Innuence ofmi’

[6]bngYin.spowageA

cmslmcture∞uIt∞precision卵nding of cemenced carbide8

万方数据

磨削参数对超细硬质合金磨削表面粗糙度的影响
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 原一高, 张肖肖, 丁健俊, 施耀祖, Yuan Yigao, Zhang Xiaoxiao, Ding Jianjun , Shi Yaozu 东华大学 工具技术 Tool Engineering 2012,46(5) 2次

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引证文献(2条) 1.谭永恒,张华,张建新 浅析整体硬质合金刀具磨削裂纹的产生及其工艺改进措施[期刊论文]-建材与装饰 2013(12) 2.邱健,詹友基,贾敏忠 陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削超细晶粒硬质合金的表面粗糙度研究[期刊论文]-工具技术 2014(09)

引用本文格式:原一高.张肖肖.丁健俊.施耀祖.Yuan Yigao.Zhang Xiaoxiao.Ding Jianjun.Shi Yaozu 磨削参数 对超细硬质合金磨削表面粗糙度的影响[期刊论文]-工具技术 2012(5)


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