电镀金刚石砂带磨削氧化铝陶瓷的试验研究

佬柏 2020-03-14

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氧化铝陶瓷的晶体点阵结构由共价键、离子键或两者混合而构成，具有高硬度、高抗压强度、低断裂韧性等特点，加工难度极高，是典型的难加工材料。金刚石钻头具有硬度高、耐磨性好、强度高的特性，被广泛运用于石材、陶瓷等硬脆材料的加工。随着柔性磨削工具的发展，电镀金刚石砂带对脆性材料的磨削加工具有传统金刚石磨具无法比拟的优势，但是鲜有关于电镀金刚石砂带对陶瓷材料磨削加工的报道。本文采用电镀金刚石砂带磨削加工氧化铝陶瓷，研究磨削工艺参数对磨削效率的影响以及电镀金刚石砂带结构参数对磨削表面粗糙度的影响。

1试验过程

(1)试验材料及设备

高纯度氧化铝工程陶瓷为六边形结构，边长50mm，厚度10.0mm，密度3.9g/cm³，弹性模量350GPa，维氏硬度26GPa，断裂韧性4.4(MPa·m)^1/2(见图1a)。

(a)氧化铝工程陶瓷

(b)电镀金刚石砂带

图1 磨削试验材料

如图1b所示，电镀金刚石砂带主要由金刚石磨粒、镀层金属(镍)和基体材料组成，通过电镀镍的方式把金刚石磨粒附着在基体材料上，形成镀层金属包裹的金刚磨粒磨削层，镍镀层把金刚石磨粒牢固地固定在基体上，具有硬度高、强度大、砂带寿命长等优点。

在砂带磨削机床上进行磨削试验，机床功率750W，无极调速。当接触轮直径为20mm时，砂带磨削速度可以在0-45m/s内调节，磨削过程中采用湿磨方式来降低磨削区温度，避免高温对金刚石磨粒的损伤，影响其磨削性能。

磨削形式采用图2所示的接触轮式结构，主要由主动轮、接触轮、砂带、弹簧张紧机构和工件组成。在磨削过程中，通过主动轮带动砂带运动，实现磨削；接触轮通常为材质较软的橡胶材料，其作用是支撑砂带，保证砂带与工件之间的接触作用力；弹簧张紧机构在磨削过程中能够调节接触轮与工件之间的作用力，容易控制，是磨削加工过程中常用的砂带磨削机构。

图2 接触轮式砂带磨削结构

采用精度为0.1g的电子秤测量工件磨削前后质量，采用秒表记录时间，用TRX300粗糙度仪测量磨削表面的粗糙度。

(2)试验设计

在磨削过程中，磨削工艺参数对磨削效率有重要影响。通过单因素试验分析砂带线速度、磨削压力、工件进给速度对磨削效率的影响，电子秤称量工件磨削前后的质量，秒表记录磨削时间，采用单位时间内材料去除率为不同条件下的磨削效率；设计三因素三水平的正交试验方案，通过极差分析来研究各因素对磨削效率的影响大小，找到合理的磨削工艺参数。

砂带线速度过大或过小都会对磨削效率造成影响，试验中砂带线速度为20m/s、30m/s、36m/s；磨削压力直接决定磨削载荷及磨削深度，试验时磨削压力为32N、44N、55N；工件进给速度过小时材料去除率不高，而工件进给速度过大会造成砂带无法及时切除材料导致砂带磨粒崩碎和脱落或出现打滑现象，试验时取工件进给速度为2mm/s、2.5mm/s、3mm/s。正交试验采用单位时间内的材料去除率来衡量磨削效率的大小，试验因素水平见表1。

表1 L9(3³)正交试验因素水平表

电镀金刚石砂带的磨粒粒度和植砂密度对磨削表面的粗糙度有较大影响，分别选用粒度为80#、120#、150#、180#、240#，植砂密度为30%、45%、60%、75%、90%的电镀金刚石砂带，通过单因素试验研究砂带粒度和植砂密度对磨削表面粗糙度的影响。

2试验结果及分析

(1)磨削工艺参数对磨削效率的影响

①砂带线速度对磨削效率的影响

当磨削压力55N、工件进给速度2mm/s时，砂带线速度变化对磨削效率的影响见图3。可以看出，砂带线速度低于30m/s时磨削效率随砂带线速度的增加而提高，随后砂带线速度增加时磨削效率下降。这是因为随着砂带线速度的增加，单位时间内参与磨削的磨粒数目增加，同时金刚石磨粒单位时间内的磨削行程增大，从而提高磨削效率；随着磨削过程的进行，磨粒磨损导致砂带的锋利度下降，磨削效率的提高减缓，但砂带线速度过快会导致单颗磨粒在磨削区的停留时间过短，不足以切入工件表面，容易产生划擦、耕犁现象，影响磨削效率的提高；同时还容易产生大量的热，造成金刚石磨粒出现脱落、氧化现象，导致工作金刚石比例下降及砂带磨损加快。因此，当砂带线速度超过一定值后，进一步增加砂带线速度不会提高砂带的磨削效率，甚至会出现下降。

图3 砂带线速度对磨削效率的影响

②磨削压力对磨削效率的影响

当砂带线速度为30m/s、工件进给速度为2mm/s时，不同磨削压力对磨削效率的影响见图4。可以看出，砂带的材料去除率随着磨削压力的增大而提高，因为磨削压力的增加使金刚石磨粒的切削载荷和磨削深度增加，单位时间内可去除更多的材料，磨削效率提高；但当磨削压力增加到55N时磨削效率出现明显下降，磨削压力过大时金刚石磨粒的磨削深度增加，导致氧化铝陶瓷的破碎难度增加，且较大的磨削深度会使金刚石磨粒承受较大的磨削载荷，造成金刚石磨粒破碎和脱落的比例增加，参与磨削的金刚石磨粒数目减少。此外，受机床功率的限制，磨削压力过大会导致提供给主轴的扭矩不足，使砂带的线速度下降，磨削效率降低。因此，当砂带的磨削压力超过一定值后，磨削压力的增加会导致磨削效率明显下降。

图4 磨削压力对磨削效率的影响

③工件进给速度对磨削效率的影响

当磨削压力为55N、砂带线速度为30m/s时，工件进给速度对磨削效率的影响见图5。

图5 工件进给速度对磨削效率的影响

从图中可以看出，进给速度增加材料去除率增加，但当进给速度增加到2.2mm/s后，继续增加会导致材料去除率出现明显下降。这是因为氧化铝陶瓷的进给容量非常小，当进给速度过快时，由于砂带磨削能力的限制，在单位时间内不足以切除相应的进给量，极易出现打滑现象，如此时磨削压力较大，金刚石磨粒易产生破碎和脱落现象，导致砂带的材料去除率下降。

(2)正交试验分析

通过正交试验研究各试验因素对磨削效率的影响水平以及优水平组合，正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果

为了精确分析砂带线速度、磨削压力和工件进给速度对磨削效率的影响，对正交试验结果进行极差分析，计算结果见表3。其中Ki(i=1，2，3)为各因素1、2、3水平试验中材料去除率试验结果之和；ki(i=1，2，3)为各因素1、2、3水平试验中材料去除率试验结果之和的平均值；R为极差。

表3 极差分析

通过极差分析可知，RB>RC>RA，因此试验因素对氧化铝陶瓷磨削效率影响大小的顺序为：磨削压力>工件进给速度>砂带线速度。电镀金刚石砂带磨削氧化铝陶瓷时，磨削压力对磨削效率的影响最大，砂带线速度对磨削效率的影响最小。根据各因素同水平的平均值选出各因素对材料去除率的优水平。对于砂带线速度，kA2>kA3>kA1，30m/s为砂带线速度的优水平；同理可得：磨削压力的优水平为55N，工件进给速度的优水平为2mm/s，所以A2B3C1为各试验因素的优水平组合，即砂带线速度30m/s、磨削压力55N、工件进给速度2mm/s，此时电镀金刚石砂带对氧化铝陶瓷的磨削效率最高。

(3)砂带结构参数对磨削表面粗糙度的影响

试验条件：工艺参数采用上述正交试验的优组合，即砂带线速度30m/s，磨削压力55N，工件进给速度2mm/s。采用湿磨降低磨削表面温度，研究砂带粒度和植砂密度对磨削表面粗糙度的影响(见图6)。

(a)砂带粒度

(b)植砂密度

图6 砂带结构参数对表面粗糙度的影响

①砂带粒度

砂带粒度对磨削表面粗糙度的影响较大(见图6a)。砂带粒度号从80#增加到120#时，磨削表面的粗糙度下降较大；120#之后磨削表面的粗糙度下降较小，这是由磨粒直径尺寸变化引起的。砂带粒度号较小时磨粒直径尺寸较大，磨削深度较深，磨削表面粗糙度较大；到120#之后磨料粒径的尺寸变化较小，磨料较细，磨削深度变化不大，磨削表面粗糙度变化较小。氧化铝陶瓷的硬度较大，80#的电镀金刚石砂带的磨粒太粗，粗糙度值太大，表面质量太差，同时砂带磨损太快；但当砂带粒度号大于120#后，磨削表面粗糙度值变化不大，磨料太细也会造成磨削效率低及磨屑堆积的现象发生。因此，采用120#-150#的电镀金刚石砂带磨削氧化铝陶瓷能够满足表面粗糙度和磨削效率的要求。

②植砂密度

随植砂密度的增加，磨削表面粗糙度下降(见图6b)。植砂密度30%-45%时，磨削表面粗糙度值较大，无法满足要求；植砂密度60%-90%时，磨削表面粗糙度下降趋势不明显。这是因为植砂密度较小时，砂带表面的磨粒较少，在磨削压力一定时，单颗磨粒的磨削压力和磨削深度较大，导致粗糙度值较高；当植砂密度达到60%后，单位时间内经过工件表面的磨粒数目较多，磨削深度减小，材料表面粗糙度值减小，可达到较好的磨削效果。但植砂密度过大时，砂带表面过小的排屑间隙导致磨屑无法及时排出，出现磨屑堆积和磨削热无法散除的现象，因此砂带表面的植砂密度不宜过大，60%的植砂密度可取得较好的表面粗糙度且能避免磨屑堆积。