摘要　通過測量磨削力，研究細粒度釬焊金剛石砂輪磨削花崗石過程磨削力隨加工參數的變化特征。結果表明：磨削力是隨著砂輪線速度的增大而減小，隨著工件進給速度的變大而增大，隨著磨削嘗試的增大而增大。回歸分析表明，磨削力受磨削深度的影響程度最大。不同加工條件下，法向磨削力與切向磨削力之間存大良好的線性關系，比值約為7.6。磨削過程中，金剛石與花崗石之間的運動符合Coulomb定律描述的滑動摩擦方式。

　　近20年來，釬焊金剛石砂輪因其具有強化學結合力把持、高出刃度（磨料裸露高度可達磨料自身粒徑的70%~80%）、大容屑空間、不易堵塞、有效磨料切刃多和表面地貌銳利等優異特性而成為業界研究的特點[1]。從現有的文獻[2－3]來看，過去的研究主要集中于粗粒度金剛石的釬焊及應用，主要包括制備工藝和應用過程評價等。隨著釬焊技術的進一步發展，針對細粒度金剛石釬焊及評價工作逐步進入研究者視野。南京航空航天大學的　自明等采用細粒度釬焊金剛石砂輪磨削氧化鋯等陶瓷，研究了磨削力和表面粗糙度的變化特征；左麗麗[5]等采用鑲塊式細粒度釬焊金剛石砂輪進行氧化鋯陶瓷磨削，結合對磨削表面/亞表面損傷層變化特征的觀察，分析了磨削后工件表面粗糙度的形成特征。華僑大學陳建毅[6]用細粒度進行氧化鋁等陶瓷的高速磨削，研究了磨削力、磨削溫度等過程參量的變化特征。為了進一步了解細粒度釬焊金剛石砂輪的磨削特性，本試驗以花崗巖為磨削對象，從磨削力方面進行相關的研究，以期為進一步發揮釬焊金剛石磨具的磨削性能、優選加工參數提供參考作用。

　　1 試驗條件及方案

　　試驗所用的細粒度釬焊金剛石砂輪是真空釬焊爐上完成制備。砂輪基體采用45鋼，Φ120mm，厚度8mm，內徑Φ31.75mm；所用金剛石磨粒為IMD-D140/170（粒度90~106μm），普通級，無鍍膜；所用釬料為粉狀300目Ni-Cr合金粉，釬焊溫度為1030℃。釬焊后的砂輪實物如圖1所示。
　　磨削加工試驗在MSG-250HMD三井精密平面磨床上進行。工件為花崗巖（山西黑），尺寸Kistler9255型三向壓電動態測力儀和DEVE2010型數據采集系統，測量不同磨削參數下工件所承受的垂直磨削力Fv和水平磨削力Fh信號。Fh和Fv的合力沿砂輪的切向和法向方向可以分解為切向磨削力Ft和法向磨削力Fn。在切深較小的平面磨削條件下，可以近似取法向磨削力Fn等于Fv，切向磨削力Ft等于Fh。
　　磨削試驗所用磨削參數（砂輪線速度Vs、磨削深度ap和進給速度vw）組合如表1所列。每組參數的磨削力測量重復三次，然后取平均值。

　　2 試驗結果

圖3　砂輪線速度vs對磨削力的影響

　　3 分析與討論
　　3.1 磨削參數對磨削力的影響
　　磨削力是磨削過程的一個重要特征參量，是深入研究和探討磨削過程、磨削機理的基礎，也是磨削用量選擇的關鍵參考依據。為了了解磨削力對磨削參量的依賴程度，下面借助指數型磨削力經驗公式（見式1）進行分析。　　　

　　

　　式中：Ｆ——磨削力；Ｃ——系數；x,y,z——與砂輪線速度、磨削深度、工件進給速度相關的指數。
采用三元回歸法分析獲得切身磨削力Ft和法向磨削力Fn與砂輪磨削深度、工件進給速度和砂輪線速度之間的數學對應關系如式2和3所列，其回歸一致性效果如圖6所示。

　　

　　從式2和式3的指數系數可以看出，工件進給速度和磨削深度對切向磨削力和法向磨削力的影響都是正指數效應，而砂輪線速度的影響則是負指數效應。從指數大小的對比可知，不管是切向磨削力還是法向磨削力，磨削深度對其影響程度遠比另兩個參數要明顯的多。因此實際磨削過程中，在保證磨削效率的情況下，應適當提高砂輪圓周線速度和減小磨削深度，可以降低磨削力的大小，提高砂輪使用壽命。

 

圖4

圖5

圖6

　　3.2 磨削力比特征
　　在磨削加工中，材料磨削的難易程度可以用法向力與切向力之比值Fn/Ft來說明，它表示了磨粒切入工件的難易程度，又反映砂輪表面磨粒的鋒利度，所以可以用來評價砂輪磨削性能。
　　圖7是不同磨削參數下法向磨削力與切向磨削力之比。從圖7上可以看出，在磨削過程中，法向磨削力與切向磨削力之間存在良好的線性對應關系。采用最小二乘法擬合得到不同加工條件下力比為7.6，比文獻[7]中采用樹脂金剛石砂輪磨削花崗石的平均力比11要小。這應當與釬焊金剛石砂輪表面磨粒的高出刃、大容屑空間所帶來的銳利加工性能有關。
　　從摩擦學來看，磨削過程中與工件可以視為一對摩擦副，那么Fn/Ft的倒數Ft/Fn實際上就反映了這對摩擦副的摩擦系數[8]。從圖7的擬合效果來看，在不同加工條件下，摩擦系數Fn/Ft基本為常數，可見細粒度釬焊金剛石砂輪在磨削花崗石時，金剛石與花崗石之間的運動符合 Coulomb定律描述的滑動摩擦方式，與粗粒度釬焊金剛石砂輪的磨削過程相一致[9]。

　　4 結論
　　隨著工件進給速度和磨削深度的增大，法向磨削力和切向磨削力都逐漸增大；而增大砂輪的線速度，法向磨削力和切向磨削力都是先減小后增大。
法向磨削力和切向磨削力之間存在良好的線性關系，其比值約為7.6。金剛石與花崗石之間的相對運動符合Coulomb滑動摩擦方式。

　　參考文獻：
　　[1]　CHATTOPADHYAY A K , HINTEMANN H E. Induction brazing of diamond with Ni-Cr hard facing alloy under argon atmosphere[J].Sur-face and Coating Technology,1991,45:293-298.
　　[2] XU Z Y,XU H J,FU Y C .Induction Brazing Diamond Grinding Wheel with Ni-Cr Filler Alloy [J].Materials Science Forum,2006(532/533):377-380.
　　[3] 武志斌，徐鴻均　姚亞軍等，釬焊單層金剛石砂輪的現存問題及其對策[Ｊ].釬焊學報，2001，22（3）36－38.
　　[4]　貟自明.金剛石釬焊砂輪磨削工程陶瓷的試驗研究[Ｄ].南京：南京航空航天大學，2007.
　　[5]　左麗麗，傅玉燦，徐九華，等.釬焊金剛石砂輪磨削工程陶瓷表面完整性試驗研究[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2008，167（5）：71－74.
　　[6] CHEN J Y,SHEN J Y,HUANG H,et al.Grinding characteristics in high speed grinding of engineering ceramics with brazed diamond wheels[J].Journal of Materials Processing Technology,2010,(210):899-906.
　　[7] XU X P,LI Y, MALKIN S. Forces and Energy in Circular Sawing and Grinding of a Granite[J].Transactions of ASME:Journal of Manufacturing Science&Engineering,2001,123:13-22.
　　[8] 徐西鵬，黃輝，于怡青，等.鋸切過程中花崗石與金剛石間的摩擦效應[Ｊ].摩擦學報，1999，19（4）：304－310.
　　[9]　詹友基，李遠，黃輝，等.釬焊金剛石砂輪磨削硬質合金的磨削力研究.中國機械工程，2010，21（15）：1844－1849.

　　作者簡介
　　劉文鋒，1986年生，男碩士研究生，主要從事脆性材料的加工。