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专业人士分析:金刚石电镀砂轮寿命浅的原因及解决方案

更新时间:2016-08-11 14:41:28点击次数:648次 字号:T|T

       在砂轮的使用过程中,常常会遇到这样的问题:"为什么同样是同厂的砂轮,寿命波动有成倍数的差异?""为什么同样的砂轮不同厂家的寿命差异好几倍?"仔细想来得知:我们不能把质量、寿命寄托在生产师傅的熟练度或者某个秘方上,一饮一啄岂非前定,任何事物都有其理化特性,磨具当然也不例外。
   带着这个疑问,结合实际生产中捞到的数据,我们开始了摸索。首先需要搞清楚磨具到底有哪些要素。普通磨具有着上千年的悠久历史,埃及金字塔的石砖切割,石器时代的器都是磨削的造物。我们需要弄明白什么叫磨削。磨削是指用磨料磨具切除工件上多余材料的加工方法,它属于"去除材料"的加工方法,类似于车刨钻铣。不同的是磨削加工的切削刃是无数个,车刨钻铣的切削刃是有限个,磨削没有类似"前角、后角、主偏角、副偏角、刃斜角"的概念,对于磨具我们一贯用结合剂+磨料+安装方式来描述,例如树脂砂轮80目"125X6X22"外径厚度安装孔孔径,照猫画虎,超硬磨具的命名方式也是如此雷同,一个粒度号包括的信息量就有很大的差别。同样270/325的金刚石,各个厂家生产的除了在强度(TI、TTI)、杂质含量、晶型、堆积密度上有差异外,"颗粒分布"这个隐藏属性决定了太多太多磨具特性。所有的关于切削刃的信息都包含在里面,这需要我们去解读。

磨料被结合剂包裹,磨料露出的高度不一


   磨料被结合剂包裹,磨料露出的高度不一,在使用过程中损耗便大不相同。所有的磨料大概有三种切削行为:
       一种为使被加工材料发生弹性形变,然后磨料离开后材料恢复原状;
       二为材料发生塑性形变,使材料表面的物资发生滑移;
       三为材料发生塑性变形后继续克取材料最终带走被加工材料(完成去除材料加工的动作),磨料的粒度分布和结合剂硬度以及包覆程度决定了这三者的比例。
       一、二两种磨料的占比多寡决定了被加工表面的加工质量,三决定了磨具的锋利与否。磨料颗粒大小决定了磨具高速旋转经过材料时单粒磨料对被加工材料的压强,磨料大压强小,磨料小压强大(单位加工压力下),这就是粗粒径的磨料加工脆性材料容易崩边的主要原因。

   现在我们来探索磨削过程。磨粒运动到被加工材料表面时,磨料挤压材料,材料发生弹性变形,磨粒继续挤压材料发生塑性变形,磨料接着挤压超过屈服强度,材料被磨料"刮走"然后材料粉末随着磨具旋转被带走,这里要强调一个概念"容屑空间".被刮走的材料碎屑,它们最终会被冲走或者吹走,在产生碎屑和冲走碎屑这段空隙内,碎屑如果没有空间容纳,就会在磨具和被加工材料之间形成一个"三体加工"模型,碎屑充当了磨料的角色,这个时候磨具的结合剂会被磨削掉,如图:

金刚石磨具的结合剂会被磨削掉


   磨料所在的回转面,结合剂凸起,没有磨料阻隔的回转面结合剂凹陷,这样不利于磨料寿命的发挥,在磨削能力还有富余时,磨料就会因为结合剂被破坏而提前脱落。

   接下来谈一下结合剂硬度的问题,很多技术人员和工厂主都认为硬度越高寿命越长,就瓦特体系的药水而言,硬度是有极限的,最软为无添加剂时显微硬度240-270HV;添加剂足量,最硬570-630HV.对硬度影响最大的因素就是有机添加剂,在无有机添加剂时,诸如稀土、锰、钴类物质能够让硬度增加,但达不到有机添加剂所能达到的程度,在有机添加剂环境中添加这类物质硬度基本不会发生变化。这有一点类似姜汤治疗感冒的情形,没有药的情况下姜汤对感冒有一定的治疗作用,如果吃了感冒药同时喝不喝姜汤就不重要了。增加再多的钴和锰镀层硬度也不会继续增加。

表1  糖精量与镀层硬度的关系


   现在问题又来了,同款磨具如砂轮、金刚石一样,硬度也接近,为何寿命会差别那么大呢?还有什么原因能导致寿命不一呢?

   金刚石表面和电镀药水之间的接触角较大,大约120°左右,如果表面的活性好,这个角会减小(湿润性增加);如果金刚石表面有油污,这个角会增大,甚至完全不浸润都有可能。接触角小就湿润性好,金刚石与药水的接触面就大,沉积出金属包裹金刚石的面积就大,让金刚石脱离结合剂的外力就大,磨具就会更耐磨。所以磨料的亲水性也就是和药水之间的接触角同样很重要。

   话题现在又回到了"容屑空间".磨具结合剂的基面到磨料最高点之间的净高度都可看做是广义的"容屑空间".在电镀磨具中,这个又被称作是"包覆率",包覆越高,容屑空间越小,越容易导致堵孔从而让结合剂非正常磨损,包覆过低又可能导致磨料耐冲击能力下降,从而提前脱落,看起来很矛盾却又真实存在着,在低的包覆率下保证足够的"把持力"就是最理想的状况。如何来做到这一点呢?下面笔者介绍一些自己的方法来给大家了解。

   首先需要了解狭义上的"容屑空间",单颗粒磨料周围的地貌:

垂直光源下的单磨粒模型

 该图为垂直光源下的单磨粒模型 

非垂直光源下的磨粒照片

       上图为非垂直光源下的磨粒照片,可以明显的看到金刚石周围有一道光圈,因为是漫反射,所以非垂直光源的显微镜拍照会看到一个"光圈",垂直光源下观察不到这个圈,其实它是一个凹陷。

   "极化效应"金刚石的凸起阻碍了各个方向的离子运动,离凸起越远阻碍越小,沉积的量就越多,原理上就通了。磨料周围的凹圈形貌到底有哪些影响?笔者无相关理论依据,但影响凹圈形貌的原因却有迹可察。凹陷与镀液的极化能力有关,就是通俗说的"均镀能力".凹陷过深,金刚石周围包裹它的结合剂质量小易脱落,凹陷过浅可能影响排屑,以上属于笔者推测。

 

   那么好的电镀金刚石工具应该具备哪些属性呢?

   一,与被加工对象匹配的磨料。(笔者认为没有最好或者最差的金刚石,只有最合适的金刚石。)磨料粒度分布集中,尺寸合适,太大易崩边,太小不利于长效磨削。金刚石冲击强度适中,能在磨削过程中能出刃,不被击碎。太硬了不出刃,尖角被磨品后不能出刃,磨具会打滑;太软磨料被挤压成粉了,寿命特别短。

   二,机械性能良好的结合剂。内应力低或者为零时,对抗拉强度和伸长率有一定要求,如果没有足够的"韧性",结合剂在受冲击时磨料易被弹出或者击碎。

   三,合适的包覆率。过高了不锋利,易打滑,崩边;过低则容易导致磨料提前脱落。

   四,良好的浸润性。磨料如果不亲水,做出来的磨具有如空中楼阁。磨料"把持力"和磨料亲水性成正比。

   五,药水合适的极化能力。这个能力将确定磨料周围凹陷的具体形貌。

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