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       摘要　通过测量磨削力，研究细粒度钎焊金刚石砂轮磨削花岗石过程磨削力随加工参数的变化特征。结果表明：磨削力是随着砂轮线速度的增大而减小，随着工件进给速度的变大而增大，随着磨削尝试的增大而增大。回归分析表明，磨削力受磨削深度的影响程度最大。不同加工条件下，法向磨削力与切向磨削力之间存大良好的线性关系，比值约为7.6。磨削过程中，金刚石与花岗石之间的运动符合Coulomb定律描述的滑动摩擦方式。

       近20年来，钎焊金刚石砂轮因其具有强化学结合力把持、高出刃度（磨料裸露高度可达磨料自身粒径的70%~80%）、大容屑空间、不易堵塞、有效磨料切刃多和表面地貌锐利等优异特性而成为业界研究的特点[1]。从现有的文献[2－3]来看，过去的研究主要集中于粗粒度金刚石的钎焊及应用，主要包括制备工艺和应用过程评价等。随着钎焊技术的进一步发展，针对细粒度金刚石钎焊及评价工作逐步进入研究者视野。南京航空航天大学的　自明等采用细粒度钎焊金刚石砂轮磨削氧化锆等陶瓷，研究了磨削力和表面粗糙度的变化特征；左丽丽[5]等采用镶块式细粒度钎焊金刚石砂轮进行氧化锆陶瓷磨削，结合对磨削表面/亚表面损伤层变化特征的观察，分析了磨削后工件表面粗糙度的形成特征。华侨大学陈建毅[6]用细粒度进行氧化铝等陶瓷的高速磨削，研究了磨削力、磨削温度等过程参量的变化特征。为了进一步了解细粒度钎焊金刚石砂轮的磨削特性，本试验以花岗岩为磨削对象，从磨削力方面进行相关的研究，以期为进一步发挥钎焊金刚石磨具的磨削性能、优选加工参数提供参考作用。

       1 试验条件及方案

       试验所用的细粒度钎焊金刚石砂轮是真空钎焊炉上完成制备。砂轮基体采用45钢，Φ120mm，厚度8mm，内径Φ31.75mm；所用金刚石磨粒为IMD-D140/170（粒度90~106μm），普通级，无镀膜；所用钎料为粉状300目Ni-Cr合金粉，钎焊温度为1030℃。钎焊后的砂轮实物如图1所示。

　　磨削加工试验在MSG-250HMD三井精密平面磨床上进行。工件为花岗岩（山西黑），尺寸Kistler9255型三向压电动态测力仪和DEVE2010型数据采集系统，测量不同磨削参数下工件所承受的垂直磨削力Fv和水平磨削力Fh信号。Fh和Fv的合力沿砂轮的切向和法向方向可以分解为切向磨削力Ft和法向磨削力Fn。在切深较小的平面磨削条件下，可以近似取法向磨削力Fn等于Fv，切向磨削力Ft等于Fh。

　　磨削试验所用磨削参数（砂轮线速度Vs、磨削深度ap和进给速度vw）组合如表1所列。每组参数的磨削力测量重复三次，然后取平均值。

表1　磨削试验加工参数组合

　　2 试验结果

          

图3　砂轮线速度vs对磨削力的影响

　　3 分析与讨论
　　3.1 磨削参数对磨削力的影响
　　磨削力是磨削过程的一个重要特征参量，是深入研究和探讨磨削过程、磨削机理的基础，也是磨削用量选择的关键参考依据。为了了解磨削力对磨削参量的依赖程度，下面借助指数型磨削力经验公式（见式1）进行分析。　　　

　　式中：Ｆ——磨削力；Ｃ——系数；x,y,z——与砂轮线速度、磨削深度、工件进给速度相关的指数。
采用三元回归法分析获得切身磨削力Ft和法向磨削力Fn与砂轮磨削深度、工件进给速度和砂轮线速度之间的数学对应关系如式2和3所列，其回归一致性效果如图6所示。
　　

　　从式2和式3的指数系数可以看出，工件进给速度和磨削深度对切向磨削力和法向磨削力的影响都是正指数效应，而砂轮线速度的影响则是负指数效应。从指数大小的对比可知，不管是切向磨削力还是法向磨削力，磨削深度对其影响程度远比另两个参数要明显的多。因此实际磨削过程中，在保证磨削效率的情况下，应适当提高砂轮圆周线速度和减小磨削深度，可以降低磨削力的大小，提高砂轮使用寿命。

图4

图5

图6

　　3.2 磨削力比特征

       在磨削加工中，材料磨削的难易程度可以用法向力与切向力之比值Fn/Ft来说明，它表示了磨粒切入工件的难易程度，又反映砂轮表面磨粒的锋利度，所以可以用来评价砂轮磨削性能。

       图7是不同磨削参数下法向磨削力与切向磨削力之比。从图7上可以看出，在磨削过程中，法向磨削力与切向磨削力之间存在良好的线性对应关系。采用最小二乘法拟合得到不同加工条件下力比为7.6，比文献[7]中采用树脂金刚石砂轮磨削花岗石的平均力比11要小。这应当与钎焊金刚石砂轮表面磨粒的高出刃、大容屑空间所带来的锐利加工性能有关。

       从摩擦学来看，磨削过程中与工件可以视为一对摩擦副，那么Fn/Ft的倒数Ft/Fn实际上就反映了这对摩擦副的摩擦系数[8]。从图7的拟合效果来看，在不同加工条件下，摩擦系数Fn/Ft基本为常数，可见细粒度钎焊金刚石砂轮在磨削花岗石时，金刚石与花岗石之间的运动符合 Coulomb定律描述的滑动摩擦方式，与粗粒度钎焊金刚石砂轮的磨削过程相一致[9]。

　　4 结论

      随着工件进给速度和磨削深度的增大，法向磨削力和切向磨削力都逐渐增大；而增大砂轮的线速度，法向磨削力和切向磨削力都是先减小后增大。

      法向磨削力和切向磨削力之间存在良好的线性关系，其比值约为7.6。金刚石与花岗石之间的相对运动符合Coulomb滑动摩擦方式。

      参考文献：
　　[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，徐鸿均　姚亚军等，钎焊单层金刚石砂轮的现存问题及其对策[Ｊ].钎焊学报，2001，22（3）36－38.
　　[4]　貟自明.金刚石钎焊砂轮磨削工程陶瓷的试验研究[Ｄ].南京：南京航空航天大学，2007.
　　[5]　左丽丽，傅玉灿，徐九华，等.钎焊金刚石砂轮磨削工程陶瓷表面完整性试验研究[Ｊ].金刚石与磨料磨具工程，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] 徐西鹏，黄辉，于怡青，等.锯切过程中花岗石与金刚石间的摩擦效应[Ｊ].摩擦学报，1999，19（4）：304－310.
　　[9]　詹友基，李远，黄辉，等.钎焊金刚石砂轮磨削硬质合金的磨削力研究.中国机械工程，2010，21（15）：1844－1849.

      作者简介

      刘文锋，1986年生，男硕士研究生，主要从事脆性材料的加工。