金剛石工具加工硬脆材料時(shí)的磨損機(jī)理分析

1、金剛石工具加工硬脆材料時(shí)的磨損機(jī)理分析隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，硬脆材料（如激光和紅外光學(xué) 晶體、陶瓷、石英玻璃、硅晶體和石材等）的應(yīng)用日益廣泛。由于硬脆 材料硬度高、脆性大，其物理機(jī)械性能尤其是韌性和強(qiáng)度與金屬材料相 比有很大差異，因此這些材料很難甚至不能采用普通的加工方法進(jìn)行 加工。金剛石是自然界已知的硬度最高的物質(zhì)，其優(yōu)異的性能使其在硬 脆材料加工領(lǐng)域具有廣闊的前景。目前，采用金剛石工具對(duì)硬脆材料進(jìn) 行切割和磨削仍是有效的加工方法，如用金剛石切割工具切割石材、用 金剛石砂輪磨削陶瓷等。加工硬脆材料的金剛石工具主要有各種金剛石鋸和金剛石砂輪等，盡 管各種工具的應(yīng)用范圍和加工特點(diǎn)不

2、同，但其磨損機(jī)理都大致相同。因 為金剛石工具的磨損對(duì)工件的加工質(zhì)量和加工過(guò)程的影響很大，工具 的磨損性能是反映工具性能、工藝參數(shù)是否合理的一個(gè)重要指標(biāo)，所以 對(duì)金剛石工具磨損機(jī)理的研究對(duì)指導(dǎo)金剛石工具的合理制造和工藝參 數(shù)的合理選擇具有重要意義。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于金剛石 工具磨損機(jī)理的研究，并已取得了可喜的成果。1.金剛石工具磨損機(jī)理的研究用金剛石工具加工硬脆材料時(shí)，由于劇烈摩擦、高溫等的作用，工具不 可避免地會(huì)產(chǎn)生磨損，而磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。（1）磨損的三個(gè)階段金剛石工具的磨損由三個(gè)階段組成：a.初始的快速磨損階段（也稱過(guò)渡 階段）；磨損率約為常數(shù)的穩(wěn)定磨損階段；隨后的加速

3、磨損階段。加速 磨損階段表明工具不能繼續(xù)工作，需要重新修整。（2）磨粒磨損形式磨粒磨損形式可分為：整體磨粒、微破碎磨粒、宏觀破碎磨粒、磨粒脫 落及磨粒磨平。這兒種磨損形式所占的比例決定于不同的磨損階段、所 用工具和被加工材料等。T W Lia。等定量研究了微進(jìn)給磨削結(jié)構(gòu)陶瓷 時(shí)金剛石砂輪的磨損并指出：在過(guò)渡階段和穩(wěn)定磨損階段，砂輪的磨損 不同。過(guò)渡階段的磨損不僅決定于砂輪的規(guī)格、材料特性和磨削條件， 更重要的決定于砂輪的制備方法。在過(guò)渡階段，因砂輪剛修整過(guò)，磨粒 伸出最大，許多磨粒不參加切削，所以整體磨粒的比例比穩(wěn)定階段高； 同時(shí)，修整使許多磨粒伸出過(guò)大，把持力不夠，磨粒脫落的比例比穩(wěn)定 階段

4、高；此外，修整會(huì)削弱一些磨粒，使微破碎磨粒的比例比穩(wěn)定階段 高。穩(wěn)定階段的磨粒磨損主要是摩擦磨損，較低的微破碎磨粒比例和相 對(duì)高的摩擦磨損比例說(shuō)明砂輪沒(méi)出現(xiàn)H鋒利現(xiàn)象，這對(duì)加工是不利的。哈工大的仇中軍等通過(guò)用金剛石砂輪磨削氧化鋁陶瓷，指出砂輪的磨 損主要是磨粒磨損和磨粒脫落。s Y LUO對(duì)金剛石鋸片切割花崗巖進(jìn)行了研究，指出鋸片的失效主要 是由于磨粒宏觀破碎和（或）磨粒脫落，當(dāng)破碎和脫落的磨粒數(shù)超過(guò) 1/3時(shí)，工具失效。華僑大學(xué)的于怡青等通過(guò)對(duì)切割石材、混凝土等材 料的過(guò)程中金剛石工具表面金剛石及結(jié)合劑狀態(tài)的大量跟蹤觀察和 SEM分析表明：整體磨粒保持越久，加工越容易進(jìn)行，工具耐磨度也 越高

5、；宏觀破碎狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致金剛石出刃高度顯著下降，甚至失去切削能 力；工具切削相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，磨粒自然磨鈍，出刃高度降低，隨著 磨粒周圍結(jié)合劑的進(jìn)一步磨損，對(duì)金剛石的把持力減弱，導(dǎo)致金剛石脫 落。徐西鵬等研究鋸切花崗石時(shí)的金剛石節(jié)塊磨損，認(rèn)為金剛石實(shí)際磨 損過(guò)程需經(jīng)歷不同的路徑：從完整晶型開(kāi)始，經(jīng)歷微破碎再到宏觀破 碎，最后發(fā)生脫落；也可以開(kāi)始就發(fā)生脫落。這取決于金剛石的品質(zhì)、 所承受載荷和結(jié)合劑等因素。而用于金剛石固位載體的金屬結(jié)合劑的 磨損過(guò)程則具有較復(fù)雜的摩擦學(xué)特性?；◢徥那行己徒饎偸樾荚?切削液的帶動(dòng)下沖蝕結(jié)合劑表面，在其表面形成沖蝕痕跡，結(jié)合劑在類 似流體研削的條件下被磨蝕。金剛石前

6、端的月牙凹坑顯示在鋸切過(guò)程 中流體形成氣穴而引起沖蝕。此外，結(jié)合劑還受到花崗石中硬質(zhì)點(diǎn)的刮 削和犁削，其形貌類似于金屬磨削加工中的紋理。(3)金剛石工具磨損機(jī)理 金剛石工具的磨損機(jī)理大致有以下幾種：摩擦磨損、磨粒破碎、結(jié)合劑 破碎、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊等，摩擦磨損使磨粒磨鈍和磨平，結(jié) 合劑破碎使磨粒脫落，磨蝕磨損由于減弱了結(jié)合劑強(qiáng)度而促進(jìn)了磨粒 脫落。不同的加工過(guò)程其磨損機(jī)理是有區(qū)別的，如：用金剛石砂輪微進(jìn) 給磨削結(jié)構(gòu)陶瓷時(shí)，金剛石砂輪的磨損主要有三種形式：摩擦磨損、磨 粒破碎和結(jié)合劑破碎；除此之外，另一種形式的磨損是結(jié)合劑磨蝕。Yi yang Zhou等用陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削藍(lán)寶石，認(rèn)為陶

7、瓷結(jié)合劑砂輪的磨 損主要是結(jié)合劑脆性斷裂，而金屬和樹脂結(jié)合劑砂輪的磨損主要為磨 耗和磨蝕。據(jù)有專家通過(guò)用金剛石鋸片切割花崗巖，指出：工具的磨損 機(jī)理主要有四個(gè)：摩擦磨損、磨蝕磨損、表面疲勞和沖擊。XPXU等 定量分析了作用于磨粒上的載荷和切削區(qū)的溫度，認(rèn)為磨粒破碎主要 由沖擊力引起，但溫度變化也很重要，因?yàn)樗鼤?huì)引起熱疲勞損壞和熱應(yīng) 力。3 .影響金剛石工具磨損的因素(1)工具金剛石品級(jí)、含量、粒度、結(jié)合劑與金剛石的匹配及工具形狀等與工具 本身有關(guān)的因素是影響工具磨損的重要因素。通常金剛石含量低，功耗也低；但金剛石含量太低，宏觀破碎會(huì)劇增, 從而造成出刃高度不足，使功耗反而增加；金剛石含量高，則

8、功耗增加, 進(jìn)而導(dǎo)致金剛石脫落，工具耐磨性反而下降。若金剛石品級(jí)較高，在較 低含量情況下，其完整晶型率仍較高，節(jié)塊耐磨性高，功耗低，但金剛 石品級(jí)應(yīng)與結(jié)合劑選擇相匹配。吳健等分析了金剛石品質(zhì)分散性對(duì)鋸 切過(guò)程的影響，指出高質(zhì)量金剛石的耐磨性好，必須要求結(jié)合劑也具有 很好的耐磨性，只有這樣才能充分發(fā)揮高質(zhì)量金剛石的作用。而對(duì)低質(zhì) 量金剛石，由于其抗壓和抗沖擊能力都較差，即使切割較容易的礦物成 分時(shí)也會(huì)發(fā)生較明顯的磨損和破碎，在遇到特別難切割部分時(shí)，一般會(huì) 發(fā)生宏觀破碎而失去切削能力，此時(shí)對(duì)結(jié)合劑耐磨性的要求應(yīng)相對(duì)低 一些，以保證金剛石有足夠的出刃高度。同時(shí)，應(yīng)盡量降低金剛石的品 質(zhì)分散性。通過(guò)分

9、析陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪加工藍(lán)寶石過(guò)程中的主軸 變形（用變形表示磨削所需法向載荷的變化），發(fā)現(xiàn)其變形成周期性變 化，說(shuō)明砂輪具有自鋒利性，原因是陶瓷結(jié)合劑砂輪的磨損是結(jié)合劑材 料的脆性斷裂，從而會(huì)快速出現(xiàn)新的磨粒。而金屬和樹脂結(jié)合劑砂輪的 磨損主要為摩擦磨損和磨蝕。Y C Fu等給出了砂輪磨削的優(yōu)化模型， 通過(guò)此模型，可根據(jù)加工要求和磨削參數(shù)來(lái)優(yōu)化砂輪（包括磨粒大小、 濃度、伸出率和有效磨粒的空間），也可根據(jù)砂輪和加工要求優(yōu)化磨削 參數(shù)（包括磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速和工件進(jìn)給速度）。此外還有不少學(xué)者 進(jìn)行了這方面的研究。（2）加工條件由于金剛石工具的磨損與其負(fù)載狀態(tài)密切相關(guān)，因此加工條件會(huì)對(duì)磨 損產(chǎn)生

10、明顯影響。戴向國(guó)等分析了金剛石砂輪切割工程陶瓷時(shí)工藝參 數(shù)對(duì)砂輪壽命的影響，認(rèn)為當(dāng)其它參數(shù)一定時(shí)，對(duì)應(yīng)每一切割深度均存 在一最佳砂輪速度；當(dāng)切割深度和砂輪速度一定時(shí)，存在一最佳進(jìn)給速 度；各工藝參數(shù)對(duì)砂輪徑向磨損量影響的主次順序?yàn)椋荷拜喫俣?切割 深度-進(jìn)給速度。工具磨損與加工工藝參數(shù)及加工工藝參數(shù)間的協(xié)調(diào)有 很大關(guān)系，因此必須對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Z J pei分析了精磨硅片時(shí) 的情況，得出如下結(jié)論：當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為4350rpm、夾盤轉(zhuǎn)速為590rpm 時(shí)，磨削力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定峰值時(shí)，又回到較低值，并繼續(xù)按此 循環(huán)，說(shuō)明砂輪逐漸變鈍，當(dāng)磨削力達(dá)到一定值時(shí)磨粒破碎；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn) 速為2175rpm、夾盤轉(zhuǎn)速為40rpm時(shí)，砂輪在磨削力較小時(shí)破碎。所 以，其磨削力基本為常數(shù)且磨損率高。（3）被加工材料不同的工件材料，其斷裂韌性、硬度等均相差較大，所以工件材料的性 質(zhì)也影響金剛石工具的磨損。據(jù)專業(yè)人員用金剛石圓鋸切割不同石材 時(shí)刀具的磨損，指出：當(dāng)切割硬的花崗石時(shí)，金剛石圓鋸的磨損主要是 磨粒的宏觀破碎和脫落，原因是把持力不夠，切削條件惡劣；當(dāng)切割較 軟