金刚石砂轮磨削铁氧体的表面粗糙度与形貌分析.pdf

2 0 0 9 年4 月金刚石与磨料磨具T 程，Ap r 2 0 0 9第2 期总第1 7 0 期D i 硼(J n d A b r“v e sE n 百n e e r i n gN o 2s e r i a l 1 7 0文章编号：1 0 0 6 8 5 2 X(2 0 0 9)0 2 0 0 2 6 一0 5金刚石砂轮磨削铁氧体的表面粗糙度与形貌分析+田霖徐九华苏宏华张贝(南京航空航天大学机电学院，南京2 1 0 0 1 6)摘要本文研究了树脂结合剂金刚石砂轮磨削铁氧体材料时，磨削深度、工件进给速度对磨削表面粗糙度和材料去除方式的影响规律，以此探索提高铁氧体磨削表面质量的有效途径。采用单因素法设计试验方案对铁氧体进行磨削，测量表面粗糙度数据并对其进行方差分析，对铁氧体磨削表面形貌进行观察。结果表明：随着磨削深度、工件进给速度的增加，表面粗糙度值升高，同时表面塑性痕迹减少，脆性断裂痕迹增加，且磨削深度对表面粗糙度的影响要比工件进给速度的更显著，因此，制定磨削工艺时，考虑到粗磨为了提高效率，降低表面损伤，优化得到磨削工艺为磨削深度5“m，工件进给速度1 0n I I l i n；精磨为了获得较低的表面粗糙度，采用磨削深度5 斗m、工件进给速度为5I n m i n，可以提高磨削表面延展性。关键词金刚石砂轮；铁氧体；表面粗糙度；表面形貌中图分类号-T G 7 4；T Q l 6 4文献标识码AA n a l y s i so ns u r f a c er o u g h n e s sa n ds u r f a c et o p o g r a p h yo ff e r r i t eg r o u n dw i t hd i a m O n dg r i n d i n gw h e e lT i a nL i nX uJ i u h u aS uH O n g h u aZ h a n gB e i(c o Z 妇e 矿舭，如口f 口耐劭蝴i 删E，洒，聊一昭；，坑昭踟撕蚵矿A e r o M 以讼口蒯A s 肋舭以如，o 彬昭2 1 0 0 1 6，伪i 舳)A b s t 船dI no e rt oe x p l o r i n ga ne f r e c t i v ew a yo fi m p r o v i n gt l l eg r o u n ds u r f 砬eq u a l i t)ro ff 毛r r i t ec e m m i c s，t I l ei r I f l u e n c eo f 面n d i n gd e p t l la n dw o r k p i e c e8 p e 9 do nt I I eg m u n ds m f a c er o u g h n e 鹳a n di t sm a t e r i a l 弛啪v a lm e c h 明i s m sw e 陀s t u d i e dt I r o u g I lt l l e 研n d i n ge x p e r i m e n t 埘t l l 陀s i nb o n d e dd i a m o n dw h e e l M e 舳w h i l es i n g l ef a c t o rt e s ta n dv 撕a n c e 卸a l y 8 i 8m e t l l o dw e r ea d o p t e dt o 衄a l y 况t l l eR d a t a，龃dt h e n 山e 舒n d i n gs u 由c et o p o g r a p h yw 舶肌a l y z e d T h e 陀s u l t ss h o w e dt 1 1 a tt h es u r f a c em u g h n e 黯a n db r i t t l 皇f a u c t I l r em a r k si n c r e a s e dw 汕t h ei n c r e a 鸵o f 面n d i n gd e p t I l 锄dw o r k p i e c es p e e d，w h i l ed u c t i l em a c h i n i n gm a r k sd e c r e e d r 1 1 l e画n d i n gd e p t l lk I dm o r ee f r e c to nR。t h a nw o r k i n g8 p e e d C o m 圯q u e m l y，i no 耐e rt oi m p v et I l e 鲥n d i n ge 伍c i e n c y，s m a U 蜊n d i n gd e p t h(5 斗m)a n dh i g hw o r k p i e c es p e e d(1 0 m 8)a r ep m p o s e d O nt h eo t h e rh a n d，o p t i m i z e d 鲥n d i n gd e p t h(5 n)粕dl o ww o r k p i e c es p e e d(5r n s)a 陀舱c e s 鲥l ys u g g e s t e df o rf i n i s h i n gp r o c e 鹳t or e d u c e8 u 五er o u g h n e 8 s 卸di m p m V et 1 1 es u d a c ed u c t i l i t y 1【e y w o r d sd i 舢o n d 鲥n d i n gw h e e l；f b 而t e；s u d a c em u g h n e s s；s u r f 她et o p o g r a p h y基金项目：江苏省自然科学基金(N o B K 2 0 0 6 7 2 3)资助 万方数据第2 期田霖等：金刚石砂轮磨削铁氧体的表面粗糙度与形貌分析O引言随着铁氧体材料在国防电子、卫星通讯和移动通信等方面的应用日益广泛，对其加工表面质量的要求越来越高，表面粗糙度作为评价陶瓷磨削质量的重要因素正引起陶瓷加工领域专家的高度关注。铁氧体陶瓷材料硬度高、脆性大、导热系数小，属于典型的难加工脆性材料。】，机械加工很难达到零件的尺寸和精度要求。目前主要利用金刚石砂轮对其进行延性域H 1和半延展性【5 1 磨削(即加工表面的形成是由脆性断裂与塑性剪切综合作用的结果)。延性域磨削使陶瓷产生塑性变形，以获得很好的加工表面质量，实现延性域磨削的条件(如机床刚度，严格控制磨粒等高性)相当苛刻。以很小的去除率进行磨削，磨削效率低，目前大多数采用半延展性磨削，使陶瓷材料尽可能地通过塑性变形进行去除，减少脆性断裂去除，使表面缺陷减少到最低限度，以提高工件的强度。本文针对铁氧体半延展性磨削，设计单因素试验方案。分析磨削深度、工件进给速度对表面粗糙度及表面形貌的影响规律以及影响的主因素，选择磨削工艺参数，使得铁氧体表面尽可能以塑性变形去除，以提高磨削表面质量。1 试验条件(1)机床：杭州机床厂精密磨床H z Y 1 5 0，转速为：30 0 0r r I I i n；(2)砂轮：选用郑州某公司提供的树脂结合剂金刚石砂轮，尺寸为：巾1 5 0m m 妒1 咖1 5m m，砂轮浓度为7 5，粒度为3 2 0，首先用金刚石笔进行修整，然后用氧化铝进行修锐，使砂轮切削能力达到稳定状态(即使被磨件表面粗糙度离散程度小)；(3)工件材料：u T i 锂钛铁氧体；(4)磨削方式：往复磨削；(5)表面粗糙度测量仪器：选用M a r s u r fP s l 表面粗糙度测量仪，测量工件轮廓算术平均偏差尺。，设定测量的取样长度为Z=0 8 姗，评定长度Z。=5 6 咖；(6)表面形貌观察：K H 一7 0 0 0 数字显微镜。本试验目的是研究半延展性磨削工程陶瓷时改变工件进给速度、磨削深度对表面粗糙度及磨削表面形貌的影响规律，以寻找能够提高磨削表面延展性的途径，为此设计单因素试验，其磨削用量静固定为2 4I n s；磨削深度口，为5，l O，1 5 弘m；工件进给速度t，为1，4，7，1 0I n m i n。2 磨削表面粗糙度分析2 1 试验结果方差分析利用方差分析法研究工件进给速度。、磨削深度口。随机误差e 对表面粗糙度数值的影响程度，并找出主效应因素即对表面粗糙度数值影响更明显的因素。表面粗糙度数据见表l、表2(R。表示在每个磨削用量条件下测量六个表面粗糙度数值)。表l 平行于砂轮回转方向粗糙度数据O 6 9 1 50 6 7 70 7 1 5O 7 5 80 7 8 2O 6 2 5O 7 3 2O 6 8 4O 7 8O 7 0 lO 8 8 8O 8 7 lO 7 3 60 6 9 3O 70 7 0 6 3 2O 7 7 80 8 0 3O 7 9 20 7 6 4O 7 l IO 7 3 5O 8 2 sO 8 0 lO 矾3O 8 8 lO 8 0 50 8 3 7O 7 眇0 8 0 5O 6 6 70 6 2 9O 7 9 lO 7 6 BO 8 7 60，7 9 60 7 酾0 7 引0 80 8 6 7O 铂0。7 lO 7 5 8O 8 7 8O 6 90 8 7 20 7 踮O 8 5O 7 1 2O 9 0 3O 8 2 9O 7 8 l0 7 9O 7 8 4O 6 2 3O 7 9 IO 8 2 60 8 2 71 8O 8 O 8 1 6O 8 5 90 7 8 4O 8 lO 7 8 20 8 2 lO 4 91 0 3 9O 9 I1 0 0 50 8 3 7表2 垂直于砂轮回转方向粗糙度数据O 7 5 9O 7 5 20 7 5O 80 7 6 40 7 1 9O 9 6 9O 7 lO 7 9 4O 6 4 60 7 6 4O 7 4 IO 8 50 6 2O 7 5 50 8 8 3O 8 5 6O 7 斛0 8 0 8O 8 2 50 8 5 40 7 2 20 7 7 8O 7 4 4O 8 3 l0 7 l lO 6 4 7O。7 8 20 6 90 8 0 4O 吼，2O 8 7 20 8 2 6O 8 9 5O 9 3O 8 2 90 6 7 6O 8 0 l0 8 9 6O 7 9 8O 7 4 9O 30 7 5 7O 8 0 2O 犯O 8 5 5O 8 3 4O 9 4 6I 0 7 7O 7 2 9O 8 40 8 8 60 5O 7 1 6O 8 3 30。8 3 8O 9 1 3O 8 3O 8 2 4O 9 0 2O 9 r 7 2O 7 5 lO 8 7 7O 9 8 70 9 1 6O 7 9 1 41 1 8 4O 9 6 31 0 5 lO 9 1 5 2O 8 9 80 8 9 7 万方数据2 8金刚石与磨料磨具T 程总第1 7 0 期首先计算统计量，以评价因素秽，、口。对表面粗糙度数值影响的显著性。氏：潞：蹦豁一s 4(3，)1 一s 5，饥一0 4 0 6 加一“川。0 0 1、J 7=4 7 3，凡，：骰：勰：1 2 7 8 3 凡舢(2，6 0)一S 5 疋0 4 0 6 6 00 瞄”=5 7 9方差分析表见表3。表3 方差分析表显著性分析表明：磨削深度口。、工件进给速度两因素对粗糙度的影响都很显著，对比两者的均方比可以看出，磨削深度口。因素是主效应因素，即磨削深度口。对表面粗糙度数值的影响比工件进给速度秽。对表面粗糙度的影响要显著，这与I I n a s a k i 认为“陶瓷磨削中，磨削深度对磨削力的影响显著于工件进给速度”具有一致性，原冈主要在于磨削力的增加会导致磨削表面大面积脆性断裂，降低磨削表面的延展性，从而测得的表面粗糙度数值变大【6 川，可见，要提高磨削铁氧体的效率，保持磨除率不变的条件下采用小切深、大进给更能获得低的表面粗糙度；同时从表3 还可以看出，误差e 对表面粗糙度数值的影响很小。2 2 磨削参数对表面粗糙度的影响从磨后表面粗糙度数值分析可知，无论垂直或平行于砂轮回转方向的表面粗糙度数值都随磨削深度的增加而增加，这是由于磨削深度的增加，单颗磨粒切削厚度增加，材料所受的磨削力也增大17。产生较多的表面裂纹与较大的破碎，从而导致加丁二表面恶化，表面粗糙度尺。增大，而且如图l a 所示，当磨削深度大于1 0斗m 时，表面粗糙度上升趋势明显，说明铁氧体磨削去除方式有所改变，可能由小尺寸断裂向大尺寸断裂转变。如图l b 所示，随着工件进给速度的增加，磨削表面粗糙度数值增加，这是因为随着工件进给速度的增大，单颗磨粒切削厚度增大，表面粗糙度增大。C=O 9 0j、。翻毛0 8 5要i暴童o s o4681 01 21 41 6磨削深度却，mGr i n g d i n gd e p t h 口p，l m(a)不同磨削深度条件下磨削表面粗糙度值图Ei呈苫。舯、器篓驴5鬓暴童0 8 0O2468I O工件进给速度v(m，m i n)W o r k i n gs p e e d-(m m i n)(b)不同进给速度条件下磨削表面租糙度图l不同磨削工艺条件下磨削表面粗糙度值图F i g 1U n d e rd i f 艳r e n tg h I d i n gc o n d i t i 咖比较图l b 两曲线可知，同一工艺参数条件下，垂直于砂轮回转方向测得的表面粗糙度数值，与平行方向测得的表面粗糙度数值相差很小，这与金属材料磨后表面粗糙度R。与尺。上相差很大有所不同，这是由于铁氧体磨削过程为脆性去除所引起的。比较图l a、图l b 可知，磨削深度较工件进给速度对表面粗糙度的影响更明显。3 铁氧体表面形貌分析3 1 磨削深度对铁氧体磨削表面形貌的影响通过体式显微镜观察铁氧体表面形貌发现保持工件进给速度不变，随着磨削深度的增加，加T 表面脆性凹坑增多，坦性去除区域减少，这也是导致表面粗糙度数值增加的主要原因。由图2 可以看出，不同磨削深度条件下铁氧体磨削表面均由光滑区域，塑性沟槽(图 万方数据第2 期田霖等：金刚石砂轮磨削铁氧体的表面 彳l 糙度与形貌分析2 a 中A)和F f l 脆性断裂去除形成的崩碎坑(图2 a 中B及图2 b 中C、D)所形成的，由此判断铁氧体尚未进入延性域磨削。还属于半延展性磨削。当以小切深磨削铁氧体时，磨削表面塑性沟槽居多，以甥性去除特征为主，但同时存在小的崩碎坑(见图2 a 中B)，但大都较浅，坑面无光泽，这是由于磨削深度较小时，单颗磨粒切削厚度减小，磨削力降低，磨粒与工件之间发生挤裂作用而形成的。(a)F。=1 m i n-d。=5p m(b)口=II n m i n 口。=1 5 岬图2 不同磨削深度条件下铁氧体表面形貌F i g 2U n d e rd i I I 色I n tg r i n d i n gd e p t h随着磨削深度的增加，每个磨粒切人陶瓷表面的深度增加，磨粒对工件表面刻划增加，同时材料受到的法向力增大，导致微裂纹产生及扩展加剧，工件材料更多地被脆性去除，塑性变形区域面积逐渐减小，崩碎坑尺寸变大加深(见图2 b 中C)，大量晶粒与晶粒块将以崩碎切屑的形式从陶瓷加工表面上剥落，从而在已加工表面上留下众多凹坑与马蹄形脆断坑(见图2 b 中D)，这是材料与磨粒两侧接触处因受到很大张应力而发生开裂形成的；同时磨削深度的增加使工件与砂轮的抗力增加，容易引起砂轮主轴的振动，从而使加工表面产生振动波纹。因此，半延展性磨削铁氧体时降低磨削深度可以使得表面更多地以塑性变形去除，提高磨削表面的延展性。3 2 工件进给速度对铁氧体磨削表面形貌的影响当采用小的进给速度时，磨削表面以塑性去除痕迹为主，形成大面积白色区域，有明显的磨粒磨痕(见图3 a 中A)；随着工件进给速度的增加，表面塑性去除特征减少，脆性断裂去除增多，崩碎坑深度增加，铁氧体材料磨削表面由小尺寸断裂向大尺寸断裂过渡，形成较大的崩碎坑(见图3 b 标记B 处)，这也是导致表面粗糙度值，随工件进给速度增加而增加的主要原因。可见，降低工件进给速度是提高铁氧体磨削表面延展性的重要途径。(a)。=lI n m i n o。=1 5 斗m(b)p。=1 0w，m i n n。=1 5 岬图3 不同进给速度条件下铁氧体表面形貌F i g 3U n d e rd i 舵陀n tw o r k i n gs p e e d4 结论(1)为了降低表面粗糙度，尽可能地使铁氧体磨削以甥性去除为主，获得良好的表面质量，选择磨削用量时，应采用尽可能小的磨削深度5 灿m 与工件进给 万方数据金刚石与磨料磨具T 程总第1 7 0 期速度5n m i n，以提高铁氧体磨削表面的延展性。(2)因为磨削深度比工件进给速度对铁氧体磨削表面粗糙度的影响更显著，所以为了提高磨削效率，在保持磨除率一定的情况下，采用大的工件进给速度l Om I I l i n，小磨削深度5 岬更能获得低的表面粗糙度。参考文献 I 张立丽赵波，卞平艳纳米复相陶瓷超声振动平面磨削温度的试验研究 J 金刚石与磨料磨具工程，2 0 0 r 7(3)：7 6 7 9 2 郑建新，徐家文，吕正兵陶瓷材料延性域磨削机理 J 硅酸盐学报2 晰 3 吴晓艳，赵文祥，王两彬铁氧体磨削的表面形貌观察及磨削机理分析【J 工具技术，2 0 0 8(1)：5 2 5 4 4】B i b 啪TG。D 吖TA，s c l m e 嘈D o dRO D I l c t i l e 一唧m e 咖n d i n g AI-唧t h 肿I o 影f o r 叫h i I I i I 唱b r i t t l em a l e r i a l B J T t 柚明c 6 0 mo ft I I eA s M E。1 9 9 2 1 1 3(2)。J 彻u a r y 5 s u b 栅n i 佃K R a 哪n a l l Is，c a r dM M e c h 蛐i 8 mo fm t 两a I 静m o v 且li nl-I ep r 即i s i 彻酣n d i n g0 fc e 删【I I i c 8 J A m e r i c 蛐S o c i e t y0 fM h n i c a IE n g i n 玛，1 9 9 2 6 I n a 蛆k i I。Y o k o h a m a G I l d i 呜0 fh a r d 绷d 晡t t l em m e r i a l s J C I R PA n n a l s M 明u l h c 缸I f i n gT 即h n o I o 盱，1 9 8 7 7 任敬心，康仁科史兴宽编著难加工材料的磨削 M 北京：国防工业出版社1 9 9 2作者简介田霖，男，1 9 8 3 年生硕士研究生。徐九华。教授，南京航空航天大学机电学院。E I I l a j l：i l I)【u n u 腿e d u c n(修回日期：2 8 一1 2 3 0)(编辑：张慧)关子召开超硬材料分含第四届会员代裹大含譬2 0 0 9 年中国超硬材料技术发屡论坛的预通知各会员单位：按照分会工作计划，经研究决定将于2 0 0 9 年1 0 月中旬召开第四届会员代表大会。大会的主要议题为：l、审议j 届理事会工作报告；2、选举第四届理事、常务理事、副理事长和理事长单位；3、审议本分会章程修改案。中国超硬材料行业近年来变化很快，新技术不断涌现，产品质量稳步提高，市场竞争力持续增强。但2 加8 年四季度以来，席卷全球的金融危机，也使我行业遭遇到了一定的压力。为了共同应对，在危机中寻求生存和发展，促进行业技术交流，引导行业快速调整产品结构，大力提高优质高价产品比例，积极开发新产品，加速实现超硬材料强国的伟大目标，第四届会员代表大会后将举办2 0 0 9 年中国超硬材料技术发展论坛，届时将有行业专家做大会报告并向行业志士广泛征集论文，欢迎踊跃投稿来稿将择优结集出版一本论文集，入选作者将在大会做论文宣讲及交流，具体要求及注意事项如下：l、所有投稿论文应为未公开发表或大会交流过。文责自负；论文范畴可为：人造金刚石、立方氮化硼、各类有关制品、原辅材料等方面的新技术、新工艺、新设备、新仪器以及科学管理等；2、稿件应为A：4 打印稿及电子稿，所有图表应清晰，照片需原件或3 线扫描存人电子文档，论文字数原则上限制在3 0 0 0 一5 0 0 0 字；3、论文格式及内容请参照金刚石与磨料磨具工程杂志，具体要求如下：(1)题目：简单明了，内容切题。重点突出，应用背景清晰(2)作者、单位名称、邮编、城市(4)摘要：2 5 0 字左右，包括目的、方法、结论，从中可以看出文章研究的精华，研究结果用定量的数据表达(5)关键词：3 5 个(6)若课题受到资助，请注明所属项目名称及编号(7)作者简介：姓名、性别、出生年月、专业技术职称、毕业学校及所学专业，现从事的研究丁作(8)参考文献：序号、名字、参考的文章、杂志名称、出版年限，卷期，页码，序号在正文内用上角标标出3、论文摘要截止日期为2 0 0 9 年6 月1 5 日；论文全文截稿日期为2 0 0 9 年8 月1 5 日；4、论文一旦录用作者可向秘书处索取论文证书；5、论文集中的特优稿将选登在中文核心期刊金刚石与磨料磨具工程杂志上；6、论文集广告价格：彩色插页4 0 0 0 元；封面1 2 0 0 0 元；封底8 0 0 0 元；封二7 0 0 0 元；第一扉页7 0 0 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