SiC颗粒增强铝基复合材料磨削中砂轮磨损与加工质量研究.pdf

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1、2 0 0 9 年6 月第3 期总第1 7 1 期金刚石与磨料磨具工程D i a m o n d A b r a s i v e sE n g i n e e r i n gJ u n 2 0 0 9N o 3S e r i a l 1 7 1文章编号：1 0 0 6 8 5 2 X(2 0 0 9)0 3-0 0 7 7-0 4S i C 颗粒增强铝基复合材料磨削中砂轮磨损与加工质量研究李德溥(哈尔滨商业大学，哈尔滨1 5 0 0 2 8)摘要颗粒增强铝基复合材料是一种典型的难加工材料。我们对电镀金刚石砂轮平面磨削加工S i C颗粒增强铝基复合材料的加工表面质量进行了实验研究。结果表明，在主

2、轴转速为60 0 0r m i n、进给速度为3 0 0m m m i n、磨削深度为0 0 5m m 的条件下，走刀长度达到3 0m 时砂轮直径磨损量为0 1 1m i l l，在实验所采用的加工参数条件下表面粗糙度达到R。0 5 7 1 1 2 斗m，加工表面质量较高。文中还对电镀金刚石砂轮的磨损形式、磨损机理以及砂轮的修整进行了分析与介绍。关键词电镀金刚石砂轮；复合材料；磨削；磨损中图分类号T G 7 4文献标识码AW h e e lw e a ra n dg r o u n dq u a l i t yw h e ng r i n d i n gS i Cr e i n f o r c

3、 e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t ew i t he l e c t r o p l a t e dd i a m o n dw h e e lL D e p u(H a r b i nU n i v e r s i t yo fC o m m e r c e，H a r b i n15 0 0 2 8，C h i n a)A b s t r a c tP a r t i c l er e i n f o r c e da l u m i n i u mm a t r i xc o m p o s i t ei sat y p i c

4、a lh a r d t o-w o r km a t e r i a l I nt h i sr e s e a r c h，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sm a d eo nt h eg r o u n dq u a l i t yo fS i Cr e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a lu s i n ge l e c t r o p l a t e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e

5、 l T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e nt h es p i n d l es p e e dW a g60 0 0r m i n，t h ef e e ds p e e dw a s3 0 0m m m i n，a n dt h ed e p t ho fc u tW a g0 0 5m m，t h ew e a ra m o u n to fw h e e ld i a m e t e rw a s0 11m mw h e nt h ec u t t i n gl e n t hr e a c h e d3 0m Ad e s

6、 i r a b l eg r o u n ds u r f a c em u g h n e s so f0 5 7 1 1 2 肛mW a go b t a i n e du n d e rt h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r s T h ew e a rf o r ma n dw e a rm e c h a n i s mo ft h ed i a m o n dw h e e ld u r i n gm a c h i n i n gw e r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r K e

7、y w o r d se l e c t r o p l a t e dd i a m o n dw h e e l；c o m p o s i t e；g r i n d i n g；w e a rO引言颗粒增强铝基复合材料具有优良的物理力学性能，在航空航天领域有广泛的应用前景，但它同时也是典型的难加工材料。在切削加工中由于刀具的剧烈磨损造成加工成本过高，而电火花、激光加工容易使材料产生热损伤，并且其应用范围有限。因此，寻求合适的加工工具和方法是颗粒增强铝基复合材料应用中的关键问题之一。本文使用电镀金刚石砂轮对S i C(平均尺寸为1 0斗m)颗粒增强的2 0 2 4 A 1 复合材料进行磨

8、削加工，目的在于研究砂轮的使用性能和加工效果，为进一步深入研究电镀金刚石砂轮在颗粒增强复合材料加工中的应用奠定基础。1 砂轮设计实验在数控铣床上进行，砂轮包括电镀和装夹两部分，如图1 所示。金刚石砂轮的基体材料选用4 5 钢，电镀前经粗车-+半精车_ 调质一精车一淬火一磨削工序进行n-r。万方数据金刚石与磨料磨具工程总第1 7 1 期金刚石磨粒粒度为1 2 0#。图1 平面加工砂轮2电镀金刚石砂轮使用性能与磨损机理2 1电镀金刚石砂轮的磨损使用电镀金刚石砂轮进行平面磨削加工，砂轮的磨损用其直径变化量衡量，实验所用砂轮直径为2 0 6m m o图2 是当主轴转速为60 0 0r r a i n，

9、进给速度为3 0 0m m m i n，磨削深度为O 0 5I I l m 时砂轮的磨损量随走刀长度的变化关系。可以看到，当走刀长度达到3 0m 时，砂轮直径磨损量接近0 1l l l m，磨损量比较小，说明使用电镀金刚石砂轮在磨削加工颗粒增强铝基复合材料时具有较高的耐用度。目删瑁监鼎侣辑岔图3 金刚石砂轮的磨料磨损是砂轮使用前后形貌图，可以看到在使用前金刚石颗粒之间填充着结合剂金属，而使用后金刚石颗粒之间的金属结合剂被磨掉，金刚石颗粒的出露高度增加。从图4 c 可以看到金属结合剂的磨损痕迹。加工过程中金属结合剂受到工件材料刻划和摩擦。婴竺呈篓懋，竺旦璺憋把骠另删石颗粒熬嚣艚损下降，这可能导致

10、金刚石颗粒的脱落。图4 a 和图4 b、。荟赢砉颗粒的破碎有不规则破碎和解理破碎两种 万方数据第3 期李德溥：颗粒增强铝基复合材料磨削中砂轮磨损与加工质量研究形式，如图5、图6 所示。不规则破碎是由金刚石颗粒内部的杂质、微观裂纹等缺陷引起的。另外，加工过程中主轴的转速较高，金刚石颗粒受到交变应力作用以及金刚石颗粒和增强相之间的冲击、摩擦作用，导致金刚石颗粒破碎和脱落。金刚石晶体在不同的方向上具有不同的强度，在受到力的作用时，会沿着强度最弱的晶面发生解理破坏。(4)金属结合剂的开裂与脱落金属结合剂的开裂与脱落是电镀金刚石砂轮失效的另个原因，发生在砂轮使用的后期，使砂轮突然失效。金属结合剂开裂和脱

11、落的形貌如图7 和图8 所示。金属结合剂的开裂和脱落的原因有以下几个方面：图5 不规则破碎图6 解理破碎图8 金属结合剂脱落颗粒之间可能存在空穴等缺陷，加工过程中，在力的作用下容易产生裂纹，并且扩展到周围的结合剂金属中。(2)金刚石颗粒前方，金刚石颗粒与结合剂接触处受拉应力作用，易产生开裂；(3)工件材料对结合剂金属刻划与摩擦作用也是使其开裂和脱落的原因之一。2 3 金刚石砂轮的修整电镀过程中，电镀液中电流分布不均匀，在金刚石砂轮基体的圆周面与端面相交的棱边处电流密度大，从而使得边缘处镀层厚度大于平均厚度，这使得金刚石砂轮的直径在靠近端面处大于其它部位直径，形成图9 a 所示形状误差。另外，电

12、镀过程中砂轮基体各部位与阳极之间距离不相同，距离阳极近处，电流密度大，镀层厚；距离远处，电流密度小，镀层薄。这使得砂轮基体圆周面上的不同位置镀层厚度不相同，形成图9 b 所示的形状误差。基j 弋】【(a)圈9 砂轮形状误差示意图砂轮的形状误差会极大地影响加工表面的质量和加工精度，使用时须进行修整。本文的研究采用金刚石砂轮修整法在外圆磨床上进行修整，修整砂轮金刚石粒度为2 5 0#，每次修整深度0 0 1m m，被修整砂轮直径2 0 6m m。每次修整后将砂轮安装在调刀仪上，测图7 金属结合剂开裂量径向和轴向的偏差。(1)金刚石的浸润性差，在金属结合剂和金刚石表l 为砂轮修整前后砂轮轴向和径向偏

13、差。万方数据金刚石与磨料磨具工程总第1 7 1 期表1 砂修整前后的造偏差砂轮的修整效果可以从修整前后磨削力信号的变化得到检验。图l O a 和图l O b 分别为砂轮修整前、后磨削力波形图。可见，砂轮修整前磨削力信号波动较大，这是由于砂轮制造误差造成砂轮不同部位磨削深度不同造成的。砂轮圆周面经过修正后，加工时磨削力的信号波动减小。ZR=，亚搬圣R襄啦时间s(a、修整前磨削力波形图(b)1 l 麴蜜后磨削力波形图图1 0 砂轮修整前后磨削力波形图3 平面磨削加工质量3 1J j n-r 表面形貌利用扫描电子显微镜观察磨削加工表面形貌，如图1 1 所示。从图中可以看到，加工表面主要由沟痕、凹坑等

14、组成，其中沟痕是金刚石磨粒切削留下的痕迹，而凹坑是表面材料剖落留下的痕迹。加工表面的形成受多种因素的影响，关于其成因还需要进一步研究。图1 1 磨削表面形貌3 2 平面加工表面粗糙度已加工表面粗糙度是衡量加工质量的重要指标。本文在主轴转速为60 0 0r m i n，进给速度为3 0 0m m m i n 的实验条件下，研究电镀金刚石砂轮加工颗粒增强铝基复合材料时表面粗糙度随磨削深度的变化情况，实验结果如图1 2 所示。可以看到，在实验条件下表面粗糙度在0 5 7 1 1 2 斗m 之间，获得了良好的加工表面质量。暑甚_屯倒撂霹瞎僻4 结论0 0 0 lO 0 0 30 0 0 50 O l0

15、 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5磨削深度a p m m图1 2 表面粗糙度随磨削深度变化我们对电镀金刚石砂轮在颗粒增强铝基复合材料磨削加工中的磨损及加工性能进行了研究，得出以下结论：(1)电镀金刚石砂轮具有较高的使用寿命，加工中其主要磨损形式为金刚石颗粒的磨损和金属结合剂的磨损。此外，金刚石砂轮使用过程中还会发生金刚石颗粒的破碎、脱落，以及镀层金属的开裂和脱落等现象。(2)电镀金刚石砂轮磨削加工平面的表面质量较高，在本文实验条件下表面粗糙度尺达到0 5 7 1 1 2“m 0(下转第7 1 页)万方数据第3 期王秀杰等：K：0、b l a 2 0、M g O 对立方氮化硼颗粒的侵蚀

16、机理研究7 1加入S i O：也可以提高B N 的抗氧化性旧】。这些研究结果给我们的启示是：氧化物对C B N 氧化特性的影响与其价键性质有关，R 2 0 和I t 0 这些离子键化合物促进B N 的氧化，B 2 0 3、A 1 2 0，和S i O：等共价键成分较多的氧化物能提高C B N 的抗氧化性。因而很可能是氧离子和(或)金属离子参与了C B N 表面的氧化过程而加速其氧化。按照此思路，B 2 0，熔体由三角体 B O。相互连结的硼氧基团组成，S i O：熔体由四面体 S i O。相互连结的硅氧基团组成，都不导电，说明没有可以自由移动的离子，可以阻碍氧气扩散到C B N 表面而起到一定

17、的保护作用。而r q a 2 0 和K 2 0 的熔点分别是4 6 0 和8 0 0，离子晶体的熔体中的离子可以移动。M g o 的熔点虽然很高(28 0 0)，但它可与B 2 0，形成无限固溶体，M g o 在B 2 0，中溶解而可以提供自由移动离子，从而促使C B N 的氧化。氧化过程应与金属氧化物中金属元素的电负性有关，因为电负性表示元素得电子的能力。K、N a、M g 的电负性分别为0 8，0 9，1 2，由图1 和图2 的结果可知，电负性越小，对C B N 的侵蚀越大。其微观机制还需进一步深入研究。3结论(1)K 2 0、N a 2 0、M g o 与C B N 在氮气中不发生反应。

18、(2)在空气气氛中，K 2 0、N a 2 0、M g O 对C B N 有明显的侵蚀作用，电负性越小，对C B N 的侵蚀越大。侵蚀机理本质上是C B N 的氧化反应。12 0 0 空气气氛中处理lh 后6 3 6 C B N 被氧化，单颗粒抗压强度从5 9 4k g 降为5 0 1k g。C B N 分别与K 扣、N 印、M g o 混合并在同样条件下热处理后，相应2 9 9，2 5 2 和1 8 7 的C B N 被氧化，单颗粒抗压强度也分别降为2 3 7，2 8 4，3 0 0k g。反应不是在整个平面均匀进行，而是在某些地方优先反应从而在C B N 表面产生蚀坑和裂纹。参考文献 1

19、N a k a y a m aT，珥r a k u d aM，O t aM U l t r a H i g hs p e dC y l i n d r i c a lC r i n d i l I I gU s i n gC B N 矾e e lf o rH i g hE f f i c i e n c y J K e yv 1 I g i n e e r i n gM a t e r i a l s。2 0 0 4 2 5 7 2 5 8：2 7 3 2 7 8 2 uzH，Z h a n gYH，Z h uYI V l，Y a h 8 zF S i n t e r i n go f v i

20、 t r i f i e db o n dC B N 面n d i n gt o o l J K e yE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s，2 0 0 5 2 8 0 2 8 3：1 3 9 1 1 3 9 4【3 吕智，陈国华，徐西鹏C B N 砂轮陶瓷结合剂研究中的若干关键问题 J 矿冶，2 0 0 6 1 5(1)：3 3 3 7 4 聊 e b e t e rJ T r i e a r dM I n n o v a t i o n si nA b r a s i v eP r o d u c t sf o rP r e c i s i o nC

21、 m d i g J A n n a l so f t h eC 1 R P，2 0 0 4，5 3(2)：5 9 7 6 0 3 5】陈日月，刘小磐N a 2 0 含量对c B N 砂轮陶瓷结合剂性能的影响 J 超硬材料工程，2 0 0 5，1 7(6)：1 4 1 6 6 (；a r s h i nAP，S h v a i k o S h v a i k o v s k i iVE 1 l e e h a n i s mo f t h eo x i d a t i o np r o c e s si nt h eo x i d a t i o no fc u b i cb o r o nn

22、 i t r i d e J S o v i e tJ o u r n a lo fS u p e r h a r dl V t a t e r i a l 8。1 9 8 6，8(5)：2 6 3 3 7 W a k a s u g iT，T s u k i h n s h iF S a n oN S o l u b i l i t i e so f B Ni nB 2 0 3b e a r i n gm e l t s J J o u r n a lo fN o n C r y 6 t a U i n eS o l i d s，1 9 9 1，1 3 5(2 3)：1 3 9 1 4 5

23、8 T s a p u kAK，P o d o b e d-LG，K o v a l e v s k i iNN O x i d a t i o no fm a t e r i a l sh s e dO i lb o r o nn i t r i d e J S o v i e tP o w d e rl l e t a l l u r s ya n dM e a dC e-l a l l l l J C$，1 9 7 8 1 7(3)：2 0 8 2 1 0第一作者简介王秀杰，男，1 9 6 3 年生，高级讲师。研究方向：超硬材料研究和应用。(修回E l 期：2 0 0 9 0 3 2 5

24、)(编辑：张慧)(上接第8 0 页)参考文献 1 于启勋，全燕鸣超硬刀具切削复合材料的实验研究 J 河北科技大学学报2 0 0 2，(2 2)3：1 6 2 C h o uYK e v i n，L i uJ i e C V Dd i a m o n dt o o lp e r f o r m a n c ei nm e t a la l l-t r i xc o m p o s i t em a c h i n i n g J S u r f a c e C o a t i n g sT e c h n o l o g y，2 0 0 5 2 0 0：1 8 7 2 1 8 7 8【3 阎秋生

25、，田中宪司庄思克雄小直径C B N 砂轮的磨刨特性研究砂轮修整方法及砂轮要索参数选择 J 制造技术与机床1 9 9 9。(9)3 4 3 6 4】S n t oK，s 心l k iK，Y o k o y m a S o m ep r o b l e l mi nt h em a n l f f a e t u r i n go f蛐d e e t r o d e p o s i t e dd i a m o n dw h 纠 J J o u r l u i lo fl l a t e r i a l 8P r o-e e s s i n gT e e h n o l o 舒,1 9 9 7，6

26、 3：8 2 9 8 3 2 5 王爱珍，王战陶瓷c B N 砂轮修整方法及修整工艺研究 J 金刚石与磨料磨具工程，2 0 0 8，1 6 4(2)：6 4 6 8作者简介李德溥，男，硕士，讲师，主要研究方向为难加工材料加工。(修回日期：2 0 0 9 0 3 2 1)(编辑：王琴)万方数据SiC颗粒增强铝基复合材料磨削中砂轮磨损与加工质量研究SiC颗粒增强铝基复合材料磨削中砂轮磨损与加工质量研究作者：李德溥，Li Depu作者单位：哈尔滨商业大学,哈尔滨,150028刊名：金刚石与磨料磨具工程英文刊名：DIAMOND&ABRASIVES ENGINEERING年，卷(期)：2009(3)参考

27、文献(5条)参考文献(5条)1.王爱珍;王战 陶瓷CBN砂轮修整方法及修整工艺研究期刊论文-金刚石与磨料磨具工程 2008(02)2.Sato K;Suzuki K;Yokoyama Some problems in the manufacturing of an electro-depooited diamond wheel外文期刊 19973.阎秋生;田中宪司;庄思克雄 小直径CBN砂轮的磨削特性研究-砂轮修整方法及砂轮要素参数选择期刊论文-制造技术与机床 1999(09)4.Chou Y Kevin;Liu Jie CVD diamond tool performance in meta

28、l matrix composite machining外文期刊2005(5/6)5.于启勋;全燕鸣 超硬刀具切削复合材料的实验研究期刊论文-河北科技大学学报 2002(03)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.周明.李英杰.李丹.Zhou Ming.Li Yingjie.Li Dan 电镀金刚石砂轮磨削加工SipC颗粒增强铝基复合材料的研究期刊论文-金刚石与磨料磨具工程2008(5)2.李德溥.李志奎.LI De-pu.LI Zhi-kui 颗粒增强铝基复合材料磨削加工表面质量与磨削力研究期刊论文-现代制造工程2009(9)3.李德溥.Li Depu 颗粒增强铝基复合材料窄槽

29、磨削加工实验研究期刊论文-机械制造2009,47(8)4.李丹.戴达军.李德溥.Li Dan.Dai Dajun.Li Depu 电镀金刚石砂轮端面磨削2024Al/SiCp的实验研究期刊论文-工具技术2009,43(7)5.李德溥.LI De-pu 颗粒增强铝基复合材料磨削加工研究期刊论文-哈尔滨商业大学学报（自然科学版）2011,27(2)6.李德溥.LI De-pu SiC颗粒增强铝基复合材料磨削温度的研究期刊论文-哈尔滨商业大学学报(自然科学版)2011,27(4)7.李丹.闫国成.Li Dan.Yan Guo-cheng 颗粒增强铝基复合材料铣削加工实验研究期刊论文-现代制造工程20

30、07(3)8.王大镇.邱加栋.刘华明.WANG Da-zhen.QIU Jia-dong.LIU Hua-ming 超精密加工铝基复合材料的切削变质层期刊论文-福州大学学报（自然科学版）2008,36(3)9.陈臣.王阳俊.CHEN Chen.WANG Yang-jun 颗粒增强铝基复合材料小直径孔磨削加工实验研究期刊论文-机械工程师2010(8)10.葛英飞.徐九华.杨辉.罗松保.傅玉灿.GE Ying-fei.XU Jiu-hua.YANG Hui.LUO Song-bao.FU Yu-can 碳化硅增强颗粒含量和尺寸对铝基复合材料超精密车削表面的影响期刊论文-机械工程材料2007,31(6)本文链接：http:/