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專業人士分析:金剛石電鍍砂輪壽命淺的原因及解決方案

更新時間:2016-08-11 14:41:28點擊次數:1580次 字號:T|T

       在砂輪的使用過程中,常常會遇到這樣的問題:"為什麽同樣是同廠的砂輪,壽命波動有成倍數的差異?""為什麽同樣的砂輪不同廠家的壽命差異好幾倍?"仔細想來得知:我們不能把質量、壽命寄托在生產師傅的熟練度或者某個秘方上,一飲一啄豈非前定,任何事物都有其理化特性,磨具當然也不例外。
   帶著這個疑問,結合實際生產中撈到的數據,我們開始了摸索。首先需要搞清楚磨具到底有哪些要素。普通磨具有著上千年的悠久曆史,埃及金字塔的石磚切割,石器時代的器都是磨削的造物。我們需要弄明白什麽叫磨削。磨削是指用磨料磨具切除工件上多餘材料的加工方法,它屬於"去除材料"的加工方法,類似於車刨鑽銑。不同的是磨削加工的切削刃是無數個,車刨鑽銑的切削刃是有限個,磨削沒有類似"前角、後角、主偏角、副偏角、刃斜角"的概念,對於磨具我們一貫用結合劑+磨料+安裝方式來描述,例如樹脂砂輪80目"125X6X22"外徑厚度安裝孔孔徑,照貓畫虎,超硬磨具的命名方式也是如此雷同,一個粒度號包括的信息量就有很大的差別。同樣270/325的金剛石,各個廠家生產的除了在強度(TI、TTI)、雜質含量、晶型、堆積密度上有差異外,"顆粒分布"這個隱藏屬性決定了太多太多磨具特性。所有的關於切削刃的信息都包含在裏麵,這需要我們去解讀。

磨料被結合劑包裹,磨料露出的高度不一


   磨料被結合劑包裹,磨料露出的高度不一,在使用過程中損耗便大不相同。所有的磨料大概有三種切削行為:
       一種為使被加工材料發生彈性形變,然後磨料離開後材料恢複原狀;
       二為材料發生塑性形變,使材料表麵的物資發生滑移;
       三為材料發生塑性變形後繼續克取材料最終帶走被加工材料(完成去除材料加工的動作),磨料的粒度分布和結合劑硬度以及包覆程度決定了這三者的比例。
       一、二兩種磨料的占比多寡決定了被加工表麵的加工質量,三決定了磨具的鋒利與否。磨料顆粒大小決定了磨具高速旋轉經過材料時單粒磨料對被加工材料的壓強,磨料大壓強小,磨料小壓強大(單位加工壓力下),這就是粗粒徑的磨料加工脆性材料容易崩邊的主要原因。

   現在我們來探索磨削過程。磨粒運動到被加工材料表麵時,磨料擠壓材料,材料發生彈性變形,磨粒繼續擠壓材料發生塑性變形,磨料接著擠壓超過屈服強度,材料被磨料"刮走"然後材料粉末隨著磨具旋轉被帶走,這裏要強調一個概念"容屑空間".被刮走的材料碎屑,它們最終會被衝走或者吹走,在產生碎屑和衝走碎屑這段空隙內,碎屑如果沒有空間容納,就會在磨具和被加工材料之間形成一個"三體加工"模型,碎屑充當了磨料的角色,這個時候磨具的結合劑會被磨削掉,如圖:

金剛石磨具的結合劑會被磨削掉


   磨料所在的回轉麵,結合劑凸起,沒有磨料阻隔的回轉麵結合劑凹陷,這樣不利於磨料壽命的發揮,在磨削能力還有富餘時,磨料就會因為結合劑被破壞而提前脫落。

   接下來談一下結合劑硬度的問題,很多技術人員和工廠主都認為硬度越高壽命越長,就瓦特體係的藥水而言,硬度是有極限的,最軟為無添加劑時顯微硬度240-270HV;添加劑足量,最硬570-630HV.對硬度影響最大的因素就是有機添加劑,在無有機添加劑時,諸如稀土、錳、鈷類物質能夠讓硬度增加,但達不到有機添加劑所能達到的程度,在有機添加劑環境中添加這類物質硬度基本不會發生變化。這有一點類似薑湯治療感冒的情形,沒有藥的情況下薑湯對感冒有一定的治療作用,如果吃了感冒藥同時喝不喝薑湯就不重要了。增加再多的鈷和錳鍍層硬度也不會繼續增加。

表1  糖精量與鍍層硬度的關係


   現在問題又來了,同款磨具如砂輪、金剛石一樣,硬度也接近,為何壽命會差別那麽大呢?還有什麽原因能導致壽命不一呢?

   金剛石表麵和電鍍藥水之間的接觸角較大,大約120°左右,如果表麵的活性好,這個角會減小(濕潤性增加);如果金剛石表麵有油汙,這個角會增大,甚至完全不浸潤都有可能。接觸角小就濕潤性好,金剛石與藥水的接觸麵就大,沉積出金屬包裹金剛石的麵積就大,讓金剛石脫離結合劑的外力就大,磨具就會更耐磨。所以磨料的親水性也就是和藥水之間的接觸角同樣很重要。

   話題現在又回到了"容屑空間".磨具結合劑的基麵到磨料最高點之間的淨高度都可看做是廣義的"容屑空間".在電鍍磨具中,這個又被稱作是"包覆率",包覆越高,容屑空間越小,越容易導致堵孔從而讓結合劑非正常磨損,包覆過低又可能導致磨料耐衝擊能力下降,從而提前脫落,看起來很矛盾卻又真實存在著,在低的包覆率下保證足夠的"把持力"就是最理想的狀況。如何來做到這一點呢?下麵筆者介紹一些自己的方法來給大家了解。

   首先需要了解狹義上的"容屑空間",單顆粒磨料周圍的地貌:

垂直光源下的單磨粒模型

 該圖為垂直光源下的單磨粒模型 

非垂直光源下的磨粒照片

       上圖為非垂直光源下的磨粒照片,可以明顯的看到金剛石周圍有一道光圈,因為是漫反射,所以非垂直光源的顯微鏡拍照會看到一個"光圈",垂直光源下觀察不到這個圈,其實它是一個凹陷。

   "極化效應"金剛石的凸起阻礙了各個方向的離子運動,離凸起越遠阻礙越小,沉積的量就越多,原理上就通了。磨料周圍的凹圈形貌到底有哪些影響?筆者無相關理論依據,但影響凹圈形貌的原因卻有跡可察。凹陷與鍍液的極化能力有關,就是通俗說的"均鍍能力".凹陷過深,金剛石周圍包裹它的結合劑質量小易脫落,凹陷過淺可能影響排屑,以上屬於筆者推測。

 

   那麽好的電鍍金剛石工具應該具備哪些屬性呢?

   一,與被加工對象匹配的磨料。(筆者認為沒有最好或者最差的金剛石,隻有最合適的金剛石。)磨料粒度分布集中,尺寸合適,太大易崩邊,太小不利於長效磨削。金剛石衝擊強度適中,能在磨削過程中能出刃,不被擊碎。太硬了不出刃,尖角被磨品後不能出刃,磨具會打滑;太軟磨料被擠壓成粉了,壽命特別短。

   二,機械性能良好的結合劑。內應力低或者為零時,對抗拉強度和伸長率有一定要求,如果沒有足夠的"韌性",結合劑在受衝擊時磨料易被彈出或者擊碎。

   三,合適的包覆率。過高了不鋒利,易打滑,崩邊;過低則容易導致磨料提前脫落。

   四,良好的浸潤性。磨料如果不親水,做出來的磨具有如空中樓閣。磨料"把持力"和磨料親水性成正比。

   五,藥水合適的極化能力。這個能力將確定磨料周圍凹陷的具體形貌。

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