磨削油在硬质合金刀具高质量磨削过程中的应用研究

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摘要：为研究磨削油对硬质合金刀具高质量磨削的影响,通过对两种不同磨削油的清洗性、渗透性及冷却性等基本性能进行测试,分析磨削硬质合金刀具时对机床负载、砂轮工作表面、硬质合金刀具磨削表面质量以及磨削温度的影响规律。试验结果表明：砂轮表面形貌变化、砂轮磨耗磨损和机床负载主要受磨削油清洗性能的影响,磨削油的清洗性能越好,WC在砂轮工作表面黏附越少,砂轮表面形貌变化、砂轮磨耗磨损和机床负载越小;硬质合金刀具圆周刃崩边大小及前刀面粗糙度主要受磨削油渗透性能的影响,其渗透性能越好,磨削区越易形成油膜,圆周刃崩边大小及前刀面粗糙度值越小;磨削区温度主要受磨削油冷却性能的影响,其冷却性能越好,带走的磨削热越多,磨削区温度越低。

关键词：磨削油;硬质合金刀具;磨削精度;表面质量

1 引言

[size=1em]高质量磨削加工不仅需要高精密磨削设备和砂轮装备,还需要合适的冷却介质。其中,磨削油对加工部位起到润滑、冷却和排屑作用,可提高加工质量以及延长砂轮使用寿命。

[size=1em]Gviniashvili V.K.等[1]研究了磨削油在超高速磨削时的冷却效果,得出冷却和润滑效果取决于有效冷却流量。Ronaldo Y.F.等[2]研究了磨削油对CBN砂轮深磨加工工件时的影响,分析发现,磨削油较植物油具有更好的润滑性,减小了切向切削力并提高了磨削比,但被加工件表面粗糙度和磨削温度较高。Rodrigo D.M.等[3]研究了CBN砂轮磨削外圆时不同磨削液对其冷却效果的影响,得出在常规喷嘴和webster喷嘴条件下,纯净油均比乳化合成油具有更佳的冷却性能。张磊等[4]采用热量分配比理论模型研究了各磨削液性能的优劣,得出水基磨削液比油基磨削液有更好的冷却效果。康仁科等[5]研究了不同磨削液对CBN砂轮磨削性能的影响,得出磨削油的润滑作用能有效抑制金属在磨粒上的黏附,水基磨削液则易使磨粒过早钝化。

[size=1em]本试验采用两种不同的磨削油,研究砂轮在磨削硬质合金刀具时磨削油的清洗性、渗透性、冷却性对砂轮工作状态、机床负载以及刀具表面质量的影响规律。

2 试验方法及内容2.1 试验方法

[size=1em]为了研究磨削油在恶劣磨削工况条件下性能优劣,选择加工对象为四刃平头硬质合金立铣刀(Co的质量分数为10%,ISO牌号为K20-K40),开槽磨削使用一刀开槽磨削工艺。刀具和砂轮的具体规格参数见表1和表2。

[size=0.8em]表1 四刃平头硬质合金立铣刀的规格参数

[size=0.8em]表2 砂轮规格

2.2 试验条件

[size=1em]选用ANCA-MX7五轴数控工具磨床,磨削油过滤系统使用Transor 1V2供油系统,且使用同一组砂轮。选择磨削油Ⅰ和磨削油Ⅱ,该磨削油为无色、轻微气味、对人体皮肤无破坏且消泡性较好,其参数见表3,开槽磨削参数见表4。

[size=0.8em]表3 磨削油参数

[size=0.8em]表4 磨削油测试时的开槽磨削参数

2.3 磨削油性能评价指标

[size=1em]为研究磨削油的实际使用情况,在砂轮修整周期内的磨削期间不进行砂轮修锐,且连续加工60件四刃平头立铣刀,记录整个磨削过程中机床负载变化。采用日立S-3700N扫描电镜观察开槽砂轮的表面形貌,采用能谱分析检测开槽砂轮磨料层中的元素,使用Mitutoyo Surftest SV-3100粗糙度仪测量刀具圆周前刀面粗糙度,使用Zoller smile400激光测量仪获得砂轮加工前的轮廓形状及加工后的轮廓,包括砂轮磨削点处的圆角和砂轮角度,如图1所示。

[size=0.8em](a)砂轮角度

[size=0.8em](b)砂轮圆角

[size=0.8em]图1 开槽砂轮的轮廓投影

[size=1em]砂轮磨耗计算式为

[size=1em]R=R2-R1

[size=1em](1)

[size=1em]A=A2-A1

[size=1em](2)

[size=1em]式中,R为砂轮圆角磨耗值(mm);R1为砂轮加工前的砂轮圆角值(mm);R2为连续加工60件后的砂轮圆角值(mm);A为砂轮角度磨耗值(°);A1为砂轮加工前的砂轮角度(°);A2为连续加工60件后的砂轮角度(°)。

[size=1em]使用Olympus BX41RF-LED金相显微镜按固定间隔采集刀具圆周刃口和圆周前刀面的形貌,如图2和图3所示。

[size=0.8em]图2 圆周刃口崩边

[size=0.8em]图3 圆周前刀面形貌

3 试验结果与讨论3.1 清洗性

[size=1em]清洗性能是指磨削油排除堆积在砂轮气孔中磨屑和脱落磨粒的能力,以防堵塞砂轮。磨削油的清洗性是首要考虑因素,清洗性好有利于延长金刚石砂轮的寿命,保持砂轮锋利性,降低砂轮前期磨削负载,在保证高质量磨削的情况下能进行大批量生产。

[size=1em]清洗性能优劣可以从砂轮表面形貌、磨耗磨损及机床负载曲线三方面来衡量。机床主轴的功率负载与砂轮磨削力关系密切,试验中通过机床软件自带的主轴负载监测系统间接监测砂轮的受力情况,砂轮受力情况反映砂轮表面状态。

[size=1em]图4为机床负载与加工工件件数的对应关系。可以看出,机床负载随着刀具加工件数的增加而增大,但在某一时刻,机床负载随着刀具加工件数的增加不再继续增大,趋于稳定。这是因为在磨削初始阶段,磨粒裂纹的扩展和结合剂的破碎造成金刚石砂轮微破碎,并且金刚石磨粒磨损加剧了其脱落和破碎,从而使得负载随加工件数的增加而增大。但随着磨削的进行,砂轮逐渐进入稳定磨损阶段,在磨削力增大到一定程度后,出现金属黏附的磨粒部分发生微破碎,未黏附的磨粒发生磨耗磨损,砂轮进入相对稳定的自锐过程[6],故机床负载趋于稳定。

[size=0.8em]图4 机床负载

[size=1em]从图4还可以得出,在加工前30件工件时,磨削油Ⅰ的机床负载低于磨削油Ⅱ,说明磨削油Ⅰ较磨削油Ⅱ具有更好的清洗性,即磨削油Ⅰ能更好地冲刷砂轮气孔中磨屑和脱落磨粒。加工件超过30件后,磨削油Ⅰ的机床负载高于磨削油Ⅱ。这是因为磨削油Ⅱ的黏度略低于磨削油Ⅰ,磨削油能更有效地渗透到砂轮与工件的界面中,减轻摩擦。

[size=1em]不同种类的磨削油会影响砂轮磨粒的黏附情况。图5为在使用磨削油Ⅰ的情况下,金刚石砂轮磨削硬质合金刀具时其表面磨粒的黏附情况。从图5a可以看出,砂轮表面的金刚石磨粒上及四周有黏附物,但是黏附量较少,保持了磨粒原有的锋利性以及足够的砂轮容屑空间。通过对金刚石磨粒上的黏附物进行能谱分析可知,该黏附物主要为WC,具体成分如图5b所示。

[size=0.8em](a)磨粒形貌(1000×)

[size=0.8em](b)黏附物的能谱分析

[size=0.8em]图5 磨粒上硬质合金黏附(磨削油Ⅰ)

[size=1em]图6为使用磨削油Ⅱ磨粒的黏附情况。可以看出,磨粒上及四周均黏附着大量金属,其主要成分为WC。被金属严重黏附的金刚石砂轮丧失切削能力,且容屑空间被黏附的金属占据,使磨削力增大,加剧砂轮磨损,降低使用寿命。

[size=0.8em](a)磨粒形貌(1000×)

[size=0.8em](b)黏附物的能谱分析

[size=0.8em]图6 磨粒上硬质合金黏附(磨削油Ⅱ)

[size=1em]如图7所示,使用磨削油Ⅱ砂轮的圆角损失量及角度损失量均大于磨削油Ⅰ。可见,磨削油Ⅰ良好的清洗和润滑作用改善了砂轮表面的黏附情况。一方面,磨削油内含有与磨屑亲和性强的添加剂,有利于吸附磨屑,有效地抑制了其在磨粒上的黏附;另一方面,磨削油Ⅰ的基础油为全合成油,油品稳定性更优,复杂的磨削工况下也不易降解,有利于在工件与砂轮的界面形成的一层稳定性更好的油膜,该油膜能有效降低砂轮与工件界面间的摩擦阻力,减轻了磨粒磨损,从而抑制金属在磨粒的黏附,降低单颗磨粒的磨削力,维持砂轮的正常磨削[6]。

[size=0.8em]图7 开槽砂轮的磨料层损失量

3.2 渗透性

[size=1em]磨削油渗透性能的优劣可以从工件圆周刃崩边大小及前刀面粗糙度值两方面来衡量。图8为刀具圆周刃崩边情况。

[size=0.8em]图8 刀具圆周刃口崩边

[size=1em]可以看出,加工前30件时,采用磨削油Ⅰ比磨削油Ⅱ的刀具圆周刃口崩边小;而当加工到30～50件时,采用磨削油Ⅰ的刀具圆周刃口崩边大于采用磨削油Ⅱ的刀具圆周刃口崩边。这是因为在开始磨削时,磨削油Ⅰ较磨削油Ⅱ有更好的清洗性能,能防止脱落的磨粒挤压崩坏圆周刃口。当砂轮进入相对稳定的自锐阶段后,由于磨削油Ⅱ黏度略低于磨削油Ⅰ,能更有效地渗透到砂轮与工件的界面中,获得更优的刀具刃口质量。

[size=1em]磨削工件超过50件后,由于砂轮磨粒出刃高度减小及磨粒脱落过多,砂轮结合剂与刀具发生挤压而被磨平(见图9),导致磨削油的渗透渠道大大减少。此时,磨削油Ⅰ黏度略高于磨削油Ⅱ,在刀具圆周刃口与砂轮界面间形成较厚的油膜,从而获得更优的刀具圆周刃口。

[size=0.8em]图9 结合剂磨平后的砂轮形貌

[size=1em]图10为刀具前刀面粗糙度与机床加工的工件件数对应关系。可以看出,采用磨削油Ⅱ时前刀面能够获得较小的表面粗糙度。

[size=0.8em]图10 前刀面粗糙度值

[size=1em]磨削油的渗透性好有利于改善圆周刃崩边情况,虽然清洗性不好的磨削油能在加工初期获得高质量产品,但随着加工件数的增加,砂轮堵塞严重,产品质量下降;而清洗性好、渗透性差的油品能满足刀具的大批量生产,但却不能获得较高的刀具表面质量。因此磨削油的清洗性和渗透性两者相辅相成,需根据磨削加工的具体要求和实际生产条件进行权衡。

3.3 冷却性

[size=1em]在不破坏被加工工件的前提下,通过在内冷棒料的内冷孔内放置K型热电偶,实时监测开槽磨削时棒料芯部的磨削温度,从而间接反映开槽磨削区域的磨削温度,如图11所示。

[size=0.8em]图11 热电偶放置方式

[size=1em]在相同磨削条件下,对比两种磨削油的冷却效果,分别监测磨削油Ⅰ和Ⅱ在刀具批量生产时首件和末件的磨削温度,如图12所示。

[size=0.8em]图12 磨削温度

[size=1em]可以看出,磨削油Ⅰ较磨削油Ⅱ具有更优的冷却性能。一方面是因为磨削油Ⅱ的基础油是氢裂油,而磨削油Ⅰ的基础油是全合成油,更耐老化和高温,能更迅速地吸收加工时产生的热量,抑制被加工工件温度上升,从而抑制硬质合金刀具刃口处的钴元素在高温磨削下析出,在一定程度上改善了圆周刃口崩边情况,并使被切削材料保持尺寸精度和防止表面质量恶化;另一方面,全合成油的消泡性优于氢裂油,能带走更多磨削热量,故磨削油Ⅰ对加工部位被加热磨粒冷却更佳,并赋予更优的热冲击效果,促进磨粒自动生成新刃。

[size=1em]重新修整砂轮,在一个砂轮修整周期内且磨削期间不进行砂轮修锐,进一步将一刀开槽速度由60mm/min提高至80mm/min。使用磨削油Ⅰ时,可连续磨削30件合格的整体硬质合金立铣刀,但使用磨削油Ⅱ却在磨削第二把铣刀时发生断刀现象。这是因为在大切深、高进给的磨削条件下,磨削过程中产生大量磨削热,且不能及时被磨削油Ⅱ带走,致使金刚石磨粒在高温条件下发生石墨化转变,大大降低了磨粒的切削力,从而增大了砂轮的磨削阻力,导致刀具在受较大挤压力的作用下发生断裂。在磨削过程中,由于磨削油Ⅰ有较好的冷却性能,能更好地抑制金刚石磨粒温升,提高了金刚石砂轮的磨削能力,在大批量生产硬质合金刀具中进一步提高了刀具生产效率。

4 结语

[size=1em]在硬质合金刀具磨削过程中,磨削油的清洗性、渗透性和冷却性共同影响刀具的磨削质量。

[size=1em](1)磨削油Ⅰ较磨削油Ⅱ有更好的清洗性和冷却性,能减少砂轮表面磨屑的黏附量,保持磨粒原有的锋利状态及砂轮的容屑空间,从而降低机床的负载和减少刀具圆周刃口的崩边,并能有效降低磨削温度,提高砂轮磨削能力。

[size=1em](2)磨削油Ⅱ较磨削油Ⅰ有更好的渗透性,使用其加工后的刀具表面能获得较小的粗糙度,并减小刀具圆周刃口的崩边。

[size=1em](3)在大切深、高进给(切削深度4.0mm和开槽速度80mm/min)的磨削条件下,应先考虑选用冷却性能和清洗性能较好的磨削油Ⅰ,以满足高效率刀具磨削的条件。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1]Gviniashvili V K,Woolley N H,Rowe W B.Useful coolant flowrate in grinding[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture,2004,44(6)：629-636.

[size=1em][2]Ronaldo Y F,Thiago V F,Rodrigo E C,et al.Analysis of the cutting fluid influence on the deep grinding process with a CBN grinding wheel[J].Materials Research,2004,7(3)：451-457.

[size=1em][3]Rodrigo D M,Eduardo C B,Rodrigo E C,et al.Analysis of the different forms of application and types of cutting fluid used in plunge cylindrical grinding using conventional and superabrasive CBN grinding wheels[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture,2006,46(2)：122-131.

[size=1em][4]张磊,葛培琪,孟剑锋,等.磨削液对磨削加工热量分配比的影响[J].润滑与密封,2005(4)：47-49.

[size=1em][5]康仁科,史兴宽,吴小玲,等.陶瓷结合剂CBN砂轮的磨削性能及磨削液选择[J].轴承,1999(3)：30-33.

[size=1em][6]康仁科,原京庭,任敬心.陶瓷结合剂CBN砂轮磨削油难加工材料时磨削油的作用[J].西北工业大学学报,2000,18(4)：527-530.

Application Research of Grinding Oil in High Quality Grinding of Carbide Tools

[size=1em]Huang Yi

[size=1em]Abstract：To study the effect of grinding oil on the high quality grinding of carbide tools,the basic performance of cleaning,permeability and cooling of two different grinding oils is tested.The changes of machine load,grinding wheel working surface,carbide tools grinding surface quality and grinding zone temperature are analyzed when grinding carbide tools.Based on the changes,the rule of grinding oil in the process of high quality grinding for carbide tools is obtained.The grinding oil test results show that the changes of machine load and grinding wheel working surface are mainly affected by cleaning performance,the better cleaning performance is,the less WC adhesion on the grinding wheel working surface,the smaller changes of grinding wheel working surface,grinding wheel wear and machine load are.The round edge collapse size and rake face roughness of the carbide tool are influenced by the permeability performance,the better permeability performance is,the more grinding oil film is formed in the grinding zone,the smaller the round edge collapse size and rake face roughness of the carbide tool are.And the cooling performance mainly affected the grinding zone temperature,the better cooling performance is,the more grinding heat is taken away and the smaller the grinding zone temperature is.

[size=1em]Keywords：grinding oil;carbide tool;grinding accuracy;surface quality

[size=1em]基金项目：国家重点研发计划(2019YFB1704800)

[size=1em]收稿日期：2022年9月

[size=1em]中图分类号：TG580.1+5;TH161

[size=1em]文献标志码：A

[size=1em]DOI：10.3969/j.issn.1000-7008.2023.10.003

[size=1em]作者：黄毅,硕士,工程师,厦门金鹭特种合金有限公司,361024福建省厦门市

[size=1em]Author：Huang Yi,Master,Engineer,Xiamen Golden Egret Special Alloy Co.,Ltd.,Xiamen,Fujian 361024,China

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磨削油在硬质合金刀具高质量磨削过程中的应用研究
黄毅

【作者机构】        厦门金鹭特种合金有限公司
【来    源】        《工具技术》 2023年第10期 P16-20