２０１２年２月第２期 第３２卷总第１８８期 金刚石与磨料磨具工程 Ｄｉａｍｏｎｄ＆Ａｂｒａｓｉｖｅｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｒ．２０１２ Ｎｏ．２ Ｖｏ１．３２ Ｓｅｒｉａ１．１８８ 电镀金刚石砂轮磨削火成岩质水晶的磨削力研究 张继东， 刘海峰， 郭桦， 沈剑云 （华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心，福建厦门３６１０２１） 摘要采取顺磨和逆磨两种磨削方式，采用电镀金刚石砂轮对火成岩质水晶进行了平面磨削实验。通 过测量磨削过程中的水平磨削力和垂直磨削力，得出了磨削深度、进给速度对磨削力的影响规律。结果 表明，随着磨削深度的增大磨削力增大，随着进给速度的增大磨削力也增大。同时分析并讨论了火成岩 质水晶的磨削力比，磨削力比Ｆｆ／Ｆ 为０．３３～０．３６。 关键词 电镀金刚石砂轮；火成岩质水晶；磨削力；磨削力比 中图分类号ＴＧ５８；ＴＱ１６４文献标志码Ａ文章编号１００６—８５２Ｘ（２０１２）０２—００２９—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｏｆ ｉｇｎｅｏｕｓ ｃｒｙｓｔａｌ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｈｅｅｌ ＺＨＡＮＧ Ｊｉ－ｄｏｎｇ，ＬＩＵ Ｈａｌ－ｆｅｎｇ， ＧＵＯ Ｈｕａ， ＳＨＥＮ Ｊｉａｎ。ｙｕｎ （ＭＯＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｂｒｉｔｔｌｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．． Ｈｕａｑｉａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ｉｇｎｅｏｕｓ ｃｒｙｓｔａｌ ｗｅｒｅ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｈｅｅｌ，ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｕｐ—ｇｒｉｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｄｏｗｎ－ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｇｒｉｎｄｉｎｇ：ａｎｄ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｇｒｉｎ・５ｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓ—ｅ ｏｆ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｇｒｉｎｄｉｎｇ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｉｇｎｅｏｕｓ ｃｒｙｓｔａｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ０．３３ ａｎｄ ０．３６． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｈｅｅｌ；ｉｇｎｅｏｕｓ ｃｒｙｓｔａｌ；ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ；ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｒａｔｉｏ 火成岩由地球岩浆冷凝而成，约占地球岩石圈的 ９５％，主要成分为硅、镁、铝、铁等金属的氧化物…。 火成岩质水晶属于硬脆性材料。它具有完全不反 行了平面磨削实验研究。 ｌ实验条件与方法 磨削实验在平面磨床（型号Ｍ２５０）上进行，采用 电镀金刚石砂轮（＋ｉｓ０ ｍｍ＞（１０ ｍｍ ｘ ３１．７５ ｍｍ，浓度 １００％，粒度１２０／１４０），工件：勾火成岩质水晶，呈黑色， 尺寸为３３ ｍｍ×１５ ｍｍ ｘ ２０ ｍｍ。工件材料基本力学 性能如表１所示。实验参数设置如表２所示。磨削中 不加冷却液。 射雷达波特性，是一种透波材料，也有介电损耗和 磁损耗，是弱吸波材料。同时又是绝热材料，具有隔断 红外线的功能以及红外等优越性能 Ｊ。火成岩水 晶应用广泛，因此研究火成岩水晶的磨削机理对发掘 其潜在的军事价值和民用价值具有重要意义。目前国 内外对此种新材料的加工研究鲜见报道。 本研究采用电镀金刚石砂轮，对火成岩质水晶进 基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７５１９３）；长江学者与创新团队发展计划项目（ＩＲＴ１０６３）；华侨大学高层次人才启动项目（０７ＢＳ６０１）。 ３０ 金刚石与磨料磨具工程 总第１８８期 表１ 火成岩水晶的基本力学性能 砂轮速度 ／（ｍ／ｓ） ２２ 进给速度。ｐ／肛ｍ ２０，４０，６Ｏ，８０，１００ 进给速度Ｖｗ／（ｍ／ｍｉｎ） ｌ３．７，１６．８５．１８．８５．２１．Ｏ６ 采用Ｋｉｓｔｌｅｒ一９２５７ＢＡ型测力仪和ＤＥＷＥ２０１０型 数据采集系统检测工件上所受的垂直方向的磨削力 Ｆ 和水平方向的磨削力Ｆ 。数据采集后传输并存储 到ＤＥＷＥ系统里面，通过虚拟数字滤波器进行滤波处 理。图１是磨削测力系统示意图。 电镀金刚石砂轮 ［据采集系２ ｅｗｅ－２０ｌ０ Ｋｉｓｔｅｒ～９２５７ＢＡ犁测力仪Ｈ放大器 Ｔ作台 ｌ 图１磨削测力系统示意图 ２实验结果及讨论 ２．１磨削力随磨削深度变化特征 根据文献［３］，在切深较小的平面磨削条件下，Ｆ 与， 以及Ｆ 与Ｆ 在数值上基本相等。因此法向力 和切向力Ｆ 分别用实验所测得的垂直力 和水平 力Ｆｈ替代。 为了研究磨削力随磨削深度的变化情况，在不发 生磨削烧伤的情况下选定几组进给速度 ，分别变化 磨削深度。 进行单因素影响磨削实验。为了研究磨 削方式对磨削力的变化情况，选择顺磨和逆磨两种方 式进行实验。实验结果如图２所示。 从图２可以看出，在某一固定的进给速度速度 下，不管是采用顺磨方式还是采用逆磨方式，磨削切向 力Ｆ 和法向力Ｆ 都是随着磨削深度ＣＩ，。的增大而增 大，并且基本上呈现线性增大的趋势。 ２．２磨削力随进给速度变化特征 从图３可以看出，在某一固定的磨削深度ｎ 下， 顺磨或逆磨火成岩水晶，除个别的数据点外，磨削切向 ／ Ｉｌｌ （ａ）顺磨火成岩水晶时Ｆ 、Ｆ 随“。的变化特征 ／ ｍ （ｂ）逆磨火成岩水晶时Ｆ …Ｆ随。 的变化特征 图２顺磨和逆磨火成岩质水晶肘 、，ｎ随％的变化特征 第２期 张继东等：电镀金刚石砂轮磨削火成岩质水晶的磨削力研究 ３１ （ａ）顺磨火成岩水晶时Ｆ 、Ｆ 随 的变化特征 （ｂ）逆磨火成岩水晶时Ｆ 、Ｆ 随 的变化特征 图３顺磨和逆磨火成岩水晶时Ｆ Ｆ 随 的变化特征 力Ｆ 和法向力Ｆ 都随着进给速度 的增大而增大。 我们还进行了磨削力与磨削深度和进给速度的关 系拟合，综合分析了两个参量对磨削力的影响程度，如 图４所示。 从图４单颗金刚石磨粒载荷回归方程及图示可以 看出，无论是随着磨削深度还是随着进给速度的增大， 单颗磨粒承受法向载荷和切向载荷均增大。在磨削过 程中，单颗磨粒的最大切削厚度如公式（１）所示 。 ＝√志ｃ 从式中可知，在砂轮线速度以及进给速度固定的 情况下，磨削深度的增加，引起单颗磨粒最大切削厚度 增大，同时还引起金刚石磨粒与火成岩质水晶的接触 弧长变大，导致金刚石磨粒切削火成岩质水晶时切削 体积增大，并且磨削弧区内参与切削的磨粒数增多，而 磨削力近似等于单颗磨粒承受载荷乘以磨削弧区内的 有效磨粒数，因此总的磨削力增大，正如图２所示。 在固定砂轮线速度及磨削深度的情况下，进给速 度的增加，引起单颗金刚石磨粒最大切削厚度增加和 法向接触应力增加，单位时间去除的体积相应增大，因 此总的磨削力增大，正如图３所示。 ２．３磨削力比的分析 磨削力比的分析采用Ｏｒｉｇｉｎ８．０数据分析软件进 行，分两次拟合，分别是火成岩水晶顺磨、逆磨，在砂轮 速度为２２ ｍ／ｓ，进给速度１３．７—２１．０６ ｍ／ｍｉｎ，磨削深 度ａ。２０～９５ ｍ，每次选择切向力２０个数据点，法向 力２０个数据点进行拟合。拟合结果如图５所示。 图５所示为Ｆ 与Ｆ 的关系曲线，图中直线为最 小二乘法拟合曲线。文献［５］指出Ｆ 与Ｆ 的关系为 一条直线，斜率为 ，拟合曲线斜率实际上反映了摩擦 因素的大小。由图５可以发现在所有加工条件下，无 论是顺磨还是逆磨，磨削力比Ｆ ／Ｆ 在０．３３～０．３６左 右比文献［３］中磨削花岗石的力比０．０６～０．１５大，比 文献［６］中树脂结合剂金刚石砂轮磨削硬质合金的力 比０．４５～０．５１要小。磨削力比较小说明砂轮与工件 的摩擦较小，摩擦系数基本为常数，说明金刚石与火成 岩质水晶之间的运动符合ｃｏｕｌｏｍｂ定律描述的滑动摩 擦方式 。 ３２ 金刚石与磨料磨具工程 总第１８８期 善 避 厦 蝴 燃 氍 ：辞 （ａ）顺磨时单颗磨粒法向载荷回归图 专 握 稀 逞 媳 越 蘸 舟 （ｂ）顺磨时单颗磨粒切向载荷回归图 董 框 匡 巡 氍 ：母Ｌ （ｅ）逆磨时单颗磨粒法向载荷回归图 董 逛 瓣 ．叵 翅 氍 ａ 。” ”／（ａｒｍ ／ｓ） （ｄ）逆磨时单颗磨粒切向载荷回归图 １实验结果２拟合结果 图４单颗金刚石磨粒载荷回归方程及图示 （ａ）火成岩顺磨时力比回归图 （ｂ）火成岩逆磨时力比回归图 图５火成岩水晶磨削力比回归图 ３结论 本实验中采用电镀金刚石砂轮对火成岩质水晶进 行平面磨削实验，采取顺磨和逆磨两种磨削方式。通 过测量磨削过程中的磨削水平力和垂直力，得出了磨 削深度、进给速度对磨削力的影响规律，同时分析并讨 论了火成岩质水晶的磨削力比。结论如下： （１）磨削力随着磨削深度的增加而增加，磨削深 度对磨削力的影响较显著；磨削力随着进给速度的增 加而增加，进给速度对磨削力的影响不明显；磨削方式 对磨削力基本无影响。 （２）电镀金刚石砂轮磨削火成岩质水晶的磨削力 比为０．３３～０．３６。对火成岩质水晶材料而言，电镀金 刚石磨粒与火成岩水晶之间的运动符合ｃｏｕｌｏｍｂ定律 描述的滑动摩擦方式。 参考文献 ［１］ 刘华武．点石成晶火成岩水晶民用材料产业化可行性报告［Ｒ］ 天津工业大学，２ＯｌＯ． 第２期 张继东等：电镀金刚石砂轮磨削火成岩质水晶的磨削力研究 ３３ （上接第２８页） ３ 结论 使用３ Ｍ固结式微复制金刚石研磨片ＴＤＴ和传 参考文献 ［１］ ＮＡ Ｔ Ｋ，ＺＨＥＮＧ Ｌ Ｂ．Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｏｆ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｇｌａｓｓ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｕｓｉｎｇ ４Ｓ－４１ｘｍ ３Ｍ Ｔｒｉｚａｃｔ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｔｉｌｅ Ａｂｒａｓｉｖｅ Ｐａｄｓ 统９ ｍ碳化硅浆料作研磨对比试验，选用了康宁金 刚玻璃、钠钙玻璃１、钠钙玻璃２、肖特ＢＫ７玻璃为研 磨对象，对其磨削去除率、亚表面损伤层状态和表面粗 糙度进行分析，得出以下结论： ［Ｊ］．Ｋｅｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１１，４８７：２６３—２６７． ［２］ 王军，李军，朱永伟，等．游离和固结金刚石磨料抛光手机面板 玻璃的试验研究［Ｊ］．金刚石与磨料磨具工程，２００９（２）：１２— １７． （１）３Ｍ ＴＤＴ研磨片可以明显提高磨削去除率，同 时还能保证较低的加工表面粗糙度。对于康宁玻璃，９ ｂｃｍ粒度的ＴＤＴ可以达到９５ ｐ，ｍ／ｍｉｎ的磨削去除率， 可以达到０．３７ ｍ；而２ ｍ粒度的ＴＤＴ磨削去除 率为７ Ｉ￣ｍ／ｍｉｎ，Ｒ。可以达到０．０９ ｍ。 ＷＡＮＧ Ｊｕｎ，ＬＩ Ｊｕｎ，ＺＨＵ Ｙｏｎｇｗｅｉ，ｅｔ ａ１．Ｄｉａｍｏｎｄ＆Ａｂｒａｓｉｖｅｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９（２）：１２—１７． ［３］林魁，朱永伟，李军，等．金刚石固结磨料研磨Ｋ９玻璃的研究 ［Ｊ］．硅酸盐通报，２０１０（１）：６—１１． ＬＩＮ Ｋｕｉ，ＺＨＵ Ｙｏｎｇｗｅｉ，ＬＩ Ｊｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１０（１）：６一ｌ１． （２）通过扫面电镜观察玻璃亚表面状态，发现采 用ＴＤＴ研磨片可以明显减小损伤层，玻璃加工表面也 更加均匀一致，没有划伤，说明ＴＤＴ磨料粒径分布窄， 加工质量均匀一致。 （３）针对不同的应用可以选择不同微复制金刚石 ［４］Ｃｏｍｉｎｇ ＧｏｒｉｌｌａＴ ｐｒｏｄｕｃｔ ｂｒｏｃｈｕｒｅ：Ａ］．Ｃｏｍｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，Ｃｏｍｉｎｇ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，２００９． 作者简介 郑连彬，男，１９７７年生，华南理工大学机械工程硕士，目前为 ３Ｍ华南技术中心资深技术服务工程师。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｚｈｅｎｇ＠ｍｍｍ．ｃｏｍ 研磨片ＴＤＴ。快速的减薄、定厚的粗研磨，可以选用 ２０ ｍ或更粗的ＴＤＴ；而对于表面微细加工，可以选用 ４ ｍ或者更细的２ ｍ ＴＤＴ。 （修回日期：２０１２—０１—１３）
