（机械工程专业论文）空心陶瓷球成孔复合结合剂cbn砂轮制备技术研究.pdf

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 摘要 磨削加工已成为钛合金、镍基高温合金等难加工材料高效精密加工的主要方法之一。但是， 现阶段普通树脂、陶瓷、金属结合剂c b n 超硬磨料砂轮均无法满足高效磨削工艺对砂轮工作 层高气孔率与高强度的要求，导致落后的工具与配套工艺技术成为制约难加工材料高效磨削技 术发展的瓶颈问题。有鉴于此，本项目提出氧化铝( a 1 2 0 3 ) 空心陶瓷球颗粒成孔与增强复合结 合剂c b n 砂轮研制构想。其创新思路在于，将氧化铝( a 1 2 0 3 ) 空心陶瓷球颗粒作为成孔材料 与增强相添加到活性胎体合金组成复合结合剂，利用液相烧结过程中c b n 磨粒、a 1 2 0 3 空心陶 瓷球颗粒与胎体合金之间的可控化学连接与三维优化固位制作具有高气孔率与高强度特性的砂 轮工作层。 本文完成的主要工作包括： ( 1 ) 优选了c b n 磨粒、c u - s n - t i 合金粉末、氧化铝( a 1 2 0 3 ) 空心陶瓷球颗粒等砂轮工作 层组元，确立了工作层的制作工艺流程。 ( 2 ) 探讨了烧结工艺、工作层气孔率对节块强度的影响，采用扫描电镜、能谱仪分析了砂 轮工作层节块断口形貌和组元结合界面微结构特征，优化工作层节块烧结工艺为加热温度 8 8 0 、保温时间3 0 m i n 。当工作层气孔率在8 一4 5 变化时，节块强度介于1 0 3 m p a 5 l h 伊a ， 满足c b n 砂轮工作层强度要求。 ( 3 ) 研制出工作层气孔( 即空心陶瓷球颗粒) 规则排布的复合结合剂c m 、i 砂轮，并采用 该型砂轮与陶瓷c b n 砂轮进行了镍基高温合金g h 4 1 6 9 的磨削对比试验，分析了同等条件下的 磨削力与磨削温度，确证了复合结合剂c b n 砂轮的性能优势。 关键词：a 1 2 0 3 空心陶瓷球，活化烧结工艺，界面微结构，气孔规则排布，复合结合剂c b n 砂轮 空心陶瓷球成孔复合结合剂c b n 砂轮制各技术研究 a b s l r c t g r i n d i n gi so n eo f 圮m a i n 妣t l i l i q u e st oh i g i le 伍c i e n c y 硼dp r e c i s i o nm h i n ed i 街c u h - t i d - c u t m a t e r i a l s ，i c n i c k e ls u p e r a l l o y 锄dt i t 柚i u ma l l o y s h o w e v e r ，t l l ec o n v e m i o n a lc b n 鲥n d i n gw h e e l w 油燃i i lb i n d e r ，v i t r i 6 e db i n d 盯0 rm e t a l l i cb i n d e rc o u l d i l ts a l i s 母屺糟q u i 凇n e n t so fh i g l lp 0 瞄蚵 觚d h 讪妣n g i l l f o r 恤w o d d n g l a y e r o f m e 鲥n d i n g w h i s t i l e f e f o r e ，恤l 碾r a r d 泐l 妣l l i l o l o 斟 a n dg r i n d i n g 纰l l i l i q i 圯h a v eb e e nt l l eb 嘣l e n e c kp m b l e mo fr e s t r i c t i n gt h ed e v e l 叩m e n to ft l l e 鲥n d i n gt e c h l o 科f o rd 蕊c u l t - t 0 - c u tm a t e r i a l s 1 i lv i e wo f l i s ，i ti sp u tf o n a r dt od e v e l o pm e c 啪p o s i 钯b 砌盯c b n 咖帕啦w h e e l sw 曲恤附f o r m i n ge 彘c t 觚d 他i n f l o r c e m e n te 彘c t0 f a l 啪i 舱( a 1 2 0 3 ) b u b b l e 舢i cp a n i c i e si nt i l ew o r k j n gl a y e r 1 1 h a ti s ，a l 啪i 舱( a 1 2 0 3 ) b u b b l e c e 飓m i cp a n i c l e sa r ea d d e d 笛p r o f o m i i l gm a t e r i a l 觚d 陀i n l - 0 r c e m 饥tp a r t i c l 镐i n t 0t l l ew o f i 【i i l gl a y e r o f 舭c b n 酣n d i n gw h l s t h ea c t i v a t e ds i n t e r i n gb l o c k s 玳f a b r i c a t e dd e p e n d 吨伽l ec h c m i c a l 心扯t i o n 锄o n ga 1 2 0 3 ，c b na n dc u - s n - t ia l l o ya te l c 、r a t e dt e m p e 栩t u 糟，n l e n ，t h ec o m p o s i t e b i n d e r c b n g r i i l d i n gw h 1w 岫h i 曲p o r o s 时锄dh i g l ls t r 锄g mi sf a l 城c a t e d t h em a i l lc 优l t e n ba 飑舔f o l i o w s ： ( 1 ) 1 1 1 eo p t i m i z 撕o fc m 、a b i i 够i v e ，c u - s n 前a l l o y 锄da l 啪i 舱( a 1 2 0 3 ) b u b b l ep a n i c l e sl 璐 b e e nc a 玎i e do u tf 0 i m ew o r k i n gl a y e ro f 屺酣n d i n gw h e e l t h et e c l l l l o l 画c a lp d 0 c e s so f 雠 w o r k j n gl a y e rw 雒d e t e 姗i i l e d ( 2 ) 1 1 1 ei n f l 鹏眦eo ft l l es i n t e r i n gp 觚咖e t e r s 锄dt l l ep o m s 时锄t 1 1 es 打e n g t t lo f t l l ew ( 尚n gl a y e r w 弱d i s c u s s e d t h e 疗孤棚托m o f p h o l o g ya n di n t e r f - a c em i c r o s t l l j c t u r eo f l ew 讲岫n gl ，e ro f l e 鲥n d i n g 、h l sw e r eo b s e n ，e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，c f 圮r g yd i s p e r s es p e c t r o s c o p y t h e s i m e r i n gt e m p c 仞t u 咒趴dt l l ed w e ut i m ew e 他o p t i m i z e d 弱8 8 0 锄d3 0m i l l w r l l e nt h ep o r o s i t yo f t l l e ，0 i 恼n gl a y e rw 笛瑚g e d 舶m8 0 5 ，廿1 ec o 玎e s p o n d i n gs 骶n g t hw 笛l0 3 51m p a ，w h i c h m e tt l l er e q u i r e m e n t so f t l l e 洲i r 培w h e e l s ( 3 ) 1 1 1 ec o m p o s i t e b i n d e rc b n 鲥n d i n gw h e e lw 曲u n i f o mp o r ed i 矧b 们o no ft h ew o r k i n g l a y e rw 笛d e v e l o p e d c o m p 觚l t i v es t u d yo ft h e 伊i n d i n gp e r f o m a n c eo ft h ec o m p o s i t e - b i n d e rc b n 卯n d i n gw h e e i 锄dv i t r i f j e dc b nc o u n t e 叩a n sw 勰c a r r i e do u t 1 1 蛇g r i n d i n gf 0 r c e 锄dt e m p e r 硪腿 w e 陀m e 笛u r e d 鲫d 锄a l y 跫d t l l ea d v a n t a g eo ft h eg 面d i n gp e r f o m 柚c eo ft h ec o m p o s i t e - b i n d e r c b nw h e e l sh 硒b e p r 0 v e n k e y w o r d s ：a i u m i m ( a 1 2 0 3 ) b u b b l ec e r a m i c 叫i c l e s ，a c t i v a t c ds i n t 嘶n gp 眦e s s ，i n t e 血c i a l m i c r o s t r u c t u r e ，u n j f o mp o r ed i s t r i b u t i o n ，c o m p o s i t e - b i n d e rc b n 掣i n d i n gw h e e l 1 i 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 图2 图2 图2 图2 1 0 图2 1 l 图2 图2 图2 图2 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图清单 复合结合剂c b n 砂轮工作层组织结构示意图6 技术路线7 c u - s n - t i 结合剂与c b n 、a 1 2 0 3 空心陶瓷球结合示意图9 c u s n - 1 1 合金粉末形貌及其成分分析1 l 结合剂硬度测试试样1 l 显微硬度测试仪1 l 不同种类c b n 磨粒形貌。1 2 a 1 2 0 3 空心陶瓷球形貌1 4 s f y r - b 2 0 0 0 音波振动式半自动筛分粒度仪1 5 不同球径范围内的空心陶瓷球1 6 砂轮节块制作工艺流程l6 精密电子天平17 电热鼓风恒温干燥箱。l7 砂轮工作层压制模具17 粉末压片机。1 7 真空烧结炉及砂轮工作层节块l8 c u s n 1 1 合金结合剂差热分析图1 9 三点抗弯强度试验示意图1 9 三点抗弯试验夹具。19 s a n s 万能材料试验机2 0 烧结温度对节块强度的影响。2 0 烧结温度对组元结合界面的影响。2 1 保温时间对节块强度的影响2 2 工作层气孔率对节块强度的影响2 5 不同气孔率砂轮节块断口形貌2 7 节块断口微观形貌2 7 节块中的空心陶瓷球形貌2 7 c b n 磨粒和c u s n t i 合金结合界面2 8 陶瓷球与c u s n t i 结合剂界面微观形貌2 9 v 空心陶瓷球成孔复合结合剂c m q 砂轮制备技术研究 v i 图3 7 结合界面元素分布2 9 图3 8 工作层节块断口处的x 射线衍射谱2 9 图3 9 不同温度下的吉布斯自由能3 0 图4 1陶瓷球有序排布砂轮节块制作流程3 2 图4 2 制作效果示意图3 3 图4 3 矩形试验块表面及断口陶瓷球分布3 3 图4 4 砂轮弧形节块弧面与侧面陶瓷球分布3 3 图4 5 模板规格和形貌3 4 图4 6 弧形节块压制用模具3 6 图4 7 气孔有序排布c b n 砂轮节块。3 6 图4 8 砂轮基体形状3 6 图4 9 吉川6 0 5 0 a 喷砂机3 7 图4 1 0 粘接后的砂轮3 7 图4 1 1 砂轮端面3 7 图5 1 单个节块修整装置3 9 图5 2 节块修整后表面形貌4 0 图5 3 砂轮磨削示意图4 0 图5 4 砂轮回转试验机。4 1 图5 5 磨削试验用数控高速平面磨床4 2 图5 6 修整示意图4 3 图5 7 油石修整示意图4 4 图5 8 修整后砂轮表面4 4 图5 9 磨削试验示意图4 5 图5 1 0k i s t l 盯9 2 7 2 测力仪4 6 图5 1 1电荷放大器。4 6 图5 1 2 砂轮线速度对磨削力的影响4 6 图5 1 3 工件进给速度对磨削力的影响一4 7 图5 1 4 切深对磨削力的影响。4 7 图5 1 5 夹丝半人工热电偶法测温装置示意图。4 8 图5 16 测温试样实物图。4 8 图5 1 7g h 4 1 6 9 康铜温度标定曲线4 8 图5 18 砂轮线速度对磨削温度的影响。4 9 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图5 1 9 工件进给速度对磨削温度的影响4 9 图5 2 0 切深对磨削温度的影响5 0 v i i 空心陶瓷球成孔复合结合剂c 瑚q 砂轮制备技术研究 v i l i 表清单 表2 1 磨粒种类对节块强度的影响1 2 表3 1 不同质量含量陶瓷球颗粒对应的气孔率2 5 表4 1 砂轮节块气孔特征参数与体气孔率和最大面气孔率的对应关系3 5 表5 1 砂轮整形工艺参数3 9 表5 2 砂轮修锐工艺参数3 9 表5 3 修整试验设备的主要参数4 3 表5 4 砂轮修整试验参数4 3 表5 5 油石修整工艺4 4 表5 6 磨削试验条件4 5 表5 7 高温合金g h 4 1 6 9 的成分。4 5 表5 8 高温合金g h 4 1 6 9 的主要物理和力学性能4 5 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 注释表 单位 m m h i s n l i i l i n 口a m v n m m m m m m m m 3 m m 3 蜘m 2 m 口a j m o l j j k - l 中文名称 切深 砂轮线速度 工件进给速度 抗弯强度 热电偶热接点温度 热电势 熔点 试样断裂所需的力 试样有效试验段长度 试样宽度 试样厚度 气孔率 空心陶瓷球颗粒的体积 节块的体积 布氏硬度 屈服强度 吉布斯自由能 反应热效应 反应熵差 l x 枵 吻h 口r uf三6f钿册 笳胆嚣 艏吻?w口r uf三6f册笳胆嚣 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第一章绪论 人造金刚石和c b n ( 立方氮化硼) 等超硬磨料的大批量生产，被称为超硬蘑料领域所完成 的具有历史性意义的革命性工作，由这些磨粒组成的各种工具在其推广运用上具有互补性，其 加工领域基本涵盖了高强韧、高硬脆等难加工材料。这些超硬磨料在加工工具中的运用在很大 程度上提高了制造业的总体水平及能力。特别是由于c b l 呵磨粒的热稳定性大大超过金刚石， 且与铁族金属之间有很大的化学惰性。因此，c b n 超硬砂轮成为现阶段镍基高温合金等高强韧 性难加工材料高效精密加工的重要工具而得到重点发展，年增长速度远高于金刚石砂轮【m 】。 1 1 超硬磨料砂轮的研究现状 c b n 砂轮作为一种加工工具，主要由c b n 磨粒、气孔、结合剂( 胎体材料) 以及砂轮基 体( 轮毂) 四大部分组成。其中，前三部分合称为工作层，是砂轮起磨削作用的部分，而砂轮 基体主要起支承工作层作用【6 7 l 。目前，徐九华、蔡光起等对高效磨削c b n 砂轮的基体设计与 制造技术进行了专题研究，在截面形状与结构尺寸优化方面取得了重要成果，已能提供满足难 加工材料磨削加工要求的高性能砂轮基体网。 1 1 1 超硬磨料砂轮的发展现状 随着不锈钢、高强度钢、钛合金和高温合金等难加工材料在航空航天制造业中的广泛应用， 它们的加工难题也得到了多方关注。其中，为适应以镍基高温合金为代表的高强韧性难加工材 料磨削过程中材料去除率高、负荷重、磨削生成热多的工作状况，理论上c b n 超硬磨料砂轮 应具备高锋利度、高型面稳定性与高耐用度的综合优异性能。因此，c b n 砂轮工作层除需具备 强耐磨性、高磨粒把持力与锋利切削刃外，还必须同时满足高气孔率与高强度的要求。尽管现 阶段广泛使用的传统树脂结合剂、金属结合剂与陶瓷结合剂c b n 砂轮在普通磨削工艺中各具 独特的性能优势，但它们均难以满足对砂轮工作层的高要求【9 】。 目前国内外磨削加工这些难加工材料主要选用的砂轮结合剂类型有：陶瓷基、树脂基和金 属基。这些砂轮都有各有特点： 陶瓷结合剂c b n 砂轮的工作层具有气孔率高、不易堵塞、自锐性好、切削刃锋利、易修整 修锐等优势，但是陶瓷材料不可避免地又具有脆性大，韧性、抗冲击性、抗疲劳性能差的缺点。 这使得陶瓷砂轮工作层受重负荷作用时极易崩边，无法保持型面完整【l 们。 树脂结合剂c b n 砂轮由于胎体材料耐热性差、弹性大、磨削热易导致树脂软化分解而不能 牢固把持磨粒等原因，在重负荷高效磨削中的应用有很大局限性【l 。 空心陶瓷球成孔复合结合剂c b n 砂轮制各技术研究 金属结合剂c m 、l 砂轮主要包括多层烧结与单层电镀。多层烧结砂轮的工作层具有强度高、 韧性好、耐磨性好、能承受重负荷磨削等优点，但其自锐性差、容屑空间不足，磨削金属材料 时工件粘附和砂轮堵塞情况严重，易烧伤工件。为此，必须频繁修整砂轮，然而多层烧结砂轮 的工作层通常为致密结构，整形与修锐非常困难。电镀c b n 砂轮尽管具有型面精度高、砂轮锋 利的优势，但只有单层磨粒，在磨削工艺中砂轮寿命相对较短，并且修整难度大1 1 2 j 。 近年来，为解决上述三类传统超硬磨料砂轮工作层存在的主要问题以满足难加工材料磨削 的高要求，国内外学者分别从提高磨粒把持力、工作层增强、工作层造孔等环节开展了高性能 c b n 超硬磨料砂轮的研究工作，主要包括： ( 1 ) 提高砂轮工作层对超硬磨料的把持力、避免磨粒非正常脱落而导致工具过早失效 王艳辉等开展了以镀钛、镀镍、涂覆刚玉为代表的c b n 磨粒表面处理研究，形成了适应于 不同工具种类和结合剂类型的一系列表面处理工艺技术，在砂轮制造中获得了较佳效果【l 3 1 4 l 。 a k c h a ：t t o p a d l l y a y 、徐九华等将活性钎焊技术应用于金属结合剂砂轮，采用a g - c u - n 活性 钎料实现了c b n 磨粒与金属基体的无热损伤化学连接，制作的单层钎焊砂轮在钛合金t c 4 和镍 基高温合金k 4 2 4 高效磨削加工中未发现磨粒脱落现象，并在扩大砂轮容屑空间和提高工具锋利 度方面产生了积极效果陋1 3 1 。 f a k h a l i d 等人采用c u - s n - t i 钎焊金刚石，实现了钎料与磨粒之间形成良好的润湿和结合界 面，没有出现由于在烧结和冷却过程中的热膨胀系数的差异而出现的开裂或缝隙等不利情况。 而且磨粒和钎料在结合界面处发生了化学反应，生成了新的化合物，这些都提高了钎料对磨粒 的把持力i 例。 阎秋生等人用电镀c b n 砂轮在超硬材料端面磨削沟槽底面时，发现在磨削试验的初期阶段 磨削力呈一种规律性的变化趋势，即先急速上升到一个高点，然后在高点小幅震荡并且随着磨 削体积累积的提高而增大。另外，c b n 磨粒在磨削过程中的破损方式主要有：磨粒的整体或切 削刃破碎，尖端的小块磨损和磨粒的整体脱落等。这些现象说明了电镀c b n 砂轮对磨粒的把持 力不够，导致脱落等现象i 2 0 】。 ( 2 ) 提高砂轮工作层强度的胎体材料改性 卞景盛、李志宏等将磨粒、金属粉末以及适当的陶瓷结合剂材料混合均匀，再在一定温度 下烧结，通过在工作层产生微而韧的微结晶气孔，保护c b n 磨粒的正常韧性微量脱落。但是， 存在脆性大，韧性、抗冲击性、抗疲劳性能差的缺点【2 i 2 2 1 。 徐九华等为解决钎焊砂轮a g c u t i 结合剂层强度偏低、耐磨性不足的问题，开展了t i c 、t i n 和t i b 2 颗粒增强金属结合剂钎焊超硬磨粒研裂2 3 j 。 李大建等人通过加入某些增强元素来增大合金钎料的强度，如f e 、n i 、c r 等。但是在高温 下，这些加入的元素会加快金刚石的石墨化，从而降低了金刚石磨粒的强度。另外，相关研究 2 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 人员构想提高焊剂中的强化相的含量来改善焊剂的相关性能，如t i c 、s i c 、s i 3 n 4 、w c 等，并 取得了一系列良好的结果。但是这种构想又引来了另外的难题，即强化相的含量要得到控制， 从而确保在焊接的过程中能够有充足的液相得到剩余，继而确保其焊接的质量【2 4 1 。 r c 晰l c o x 等人用氧化铝颗粒添加到钎料之中，来充当增强相。通过相关的试验证实：明 显提高了砂轮工作层的强度，取得了良好的效果1 2 卯。 此外，据了解，晰n t e r ( 温特) 、t y r o l i t ( 泰利莱) 等国际知名砂轮制造公司近期推出了陶 瓷颗粒增强胎体合金制作的金属结合剂c b n 与金刚石超硬磨料砂轮样品，在硬质合金刀具刃磨 开槽试验中显示出较佳的磨削性能。 ( 3 ) 提高砂轮工作层的气孔率、增大容屑空间、降低砂轮修整难度 庄司克雄、王先逵等将金属粉末作为添加剂混入到树脂结合剂金刚石微粉砂轮中，在砂轮 修整后进行电解处理，使砂轮表层的金属成分溶解，形成气孔。但是，这种方法工艺复杂，操 作不易1 2 6 j 。 t a l 【a 、苏宏华、戴秋莲等采用烧结方法开展了多孔金属结合剂c b n 与金刚石砂轮研究， 通过使用造孔剂将气孔结构引入金属结合剂砂轮，获得了磨料易出刃、砂轮修整修锐方便的好 效果。但是，存在孔形不理想、孔尺寸不均匀等问题，进而引起砂轮工作层容屑空间不均匀、 强度不够导致容易崩边等不利现象【2 7 2 9 】。 啊m o t h yd d 删i s 等人用临界状态的c 0 2 ( 干冰) 加入砂轮工作层节块中，干压过后，利用 相关工艺来析出c 0 2 成气体散出，留下孔空间。但是这在很大程度上依赖于c 0 2 气流散出的方向 和析出时间；另外，要完成c 0 2 的抽取，需要可靠而成熟的技术和设备支持，这就限制砂轮的 制作删。 同时，这些创新性构想的提出和实践，拓宽了超硬磨料砂轮的研究制造领域，但在气孔形 状一致性与分布均匀性、气孔率精确控制等方面的成效并不显著。由于多孔结构降低了金属结 合剂砂轮工作层型面的强度，导致重负荷磨削过程中工作层发生塌边现象。不仅如此，超硬磨 粒容易被压入较软的胎体合金而无法正常出露，降低了砂轮锋利度，因此砂轮仍需频繁修整。 综上所述，国内外学者为解决超硬磨料砂轮的固有缺陷和弊端开展了多种新技术、新方法 研究，并在利用界面化学反应提高磨粒把持力和工具锋利度方面取得了一定成效。但是，由于 前期研究主要是针对砂轮工作层某一方面的特定要求而开展工作，往往顾此失彼，因而始终无 法同时满足难加工材料磨削对砂轮工作层高气孔率与高强度的综合要求，至今未研制成功集高 锋利度、高型面稳定性、高耐用度于一体的高性能c b n 超硬磨料砂轮。 1 1 2 多孔超硬磨料砂轮制备技术的发展现状 结合剂与磨粒之间的结合强度一直困扰着诸多学者，而金属结合剂砂轮采用不同于传统的 3 空心陶瓷球成孔复合结合剂c b n 砂轮制备技术研究 结合方式，从而改善了结合不牢固的状况。与其它砂轮相比，比如陶瓷砂轮、电镀砂轮等，有 了很大提升。主要有1 3 1 3 3 】： 磨粒和结合剂之问的结合强度高。它们之间是化学连接而不同于其它砂轮，这也是那些 传统砂轮难于与之相媲美的； 金属结合剂砂轮经修整后，其磨粒出露更高，在磨削过程中的磨削温度、力等都会有明 显的下降： 磨粒的利用率增大，增加了砂轮的使用寿命： 金属结合剂砂轮的制作相比电镀砂轮的制作更环保，符合目前绿色制造的主题。 基于此，金属结合剂砂轮的前景被一致看好，是砂轮行业一项具于革命性的研究，在以后 的推广中将产生无可估量的经济、技术效应p 1 。3 引。 赋予金属结合剂砂轮的高加工效率、高寿命等优势，使之在工程领域应用广泛。但是其结 构是致密的，这就给修整和出刃带来了困难，继而严重影响了其磨削性能的进一步提高。国内 外学者为了解决此瓶颈问题，已经研究了许多种砂轮修整方式，如在线修整的相关技术( e l i d ) 以及激光修整技术等。但这些方法普遍工艺复杂、技术难度大、成本高，使其推广受到一定程 度限制；相关研究人员注意到通过改变砂轮工作层致密的组织结构特点来解决以上相关难题， 取得了很好效果【3 4 ，3 5 1 。 来自日本砌协u i 鹏i k 锄u n i v e 巧n y 大学的学者t t a n a l ( a 在1 9 9 2 年提出了一种新的思路并研 制出一款新型砂轮一多孔金属结合剂砂轮。这款新型砂轮的特点是把气孔结构带入到了金属 结合剂砂轮中，从而改变其结构致密的特点，继而改善其修整、出刃难和容屑空间不足等问题。 经过s h t r o u n g 与h t c 忸i 等相关人员的研究，使得对该种砂轮的认识更加深刻，他们认为 此种砂轮有以下优势f 瑚9 】： 砂轮更加锋利，更容易去除材料； 更容易修整、出刃，并提供了一定的容屑空间； 磨削温度比其它砂轮低； 由于砂轮磨削面与工件表面的接触面积减少，从而使磨削力等得到了一定程度的降低。 在此基础上，国内外学者又做了许多相关的改进，发明了其它制作工艺，如松装液相烧结 法、热等静压法、脉冲电流热压烧结法、真空固相烧结法等。并对那些通过这些不同制作工艺 研制出的砂轮进行了相关的磨削试验验证，对其磨削性能有了更深的了解。 ( 1 ) 脉冲电流热压烧结法【4 0 ，4 1 1 多孔砂轮制造所用的结合剂是铸铁，其制作工艺流程如下： 将金刚石磨粒和铸铁粉末混合均匀，在适当的真空度和一定的烧结压力的情况下通过石墨 电极对此混合粉末进行直接脉冲电流热压烧结。先以高的加热速度( 一般为2 0 0 ，m i n ) 加热 4 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 至4 0 0 ，再以相对缓慢的升温速度( 一般为2 0 5 0 m i n ) 加热至预定烧结温度，并保温一段 时间( 一般3 m i n 左右) ，最后自然冷却。该方法关键在于对混合粉末的粒度、烧结压力以及烧 结温度的优化控制从而获得气孔率不同的复合体。另外，其气孔率随着烧结温度与烧结压力的 提升而降低帆4 1 1 。 h 。t o 仃l i 用以上工艺制作的铸铁基多孔砂轮( 砂轮浓度约为2 5 ，磨粒粒度约为1 7 0 2 0 0 ) 进行恒径向力的相关磨削试验( 径向力的取值范围是在o 0 8 0 6 5 m p a 之间，砂轮的线速度定 为1 8 3 r i 以) ，试验加工材料是氮化硅陶瓷。主要探索其气孔率对砂轮的磨削比能、磨削比以及 磨损量的影响。结果表明：随着气孔率的提高，砂轮的磨损量在磨削压力相对较低的情况下增 长比较较缓，而在磨削压力相对较高的情况下增长比较迅速；其中，当气孔率是2 5 时，磨削 比出现最大峰值；另外，磨削比能随着气孔率的提高而降低，当气孔率达到2 5 及以上，磨削 比能的下降相对比较平缓【4 2 】。 ( 2 ) 热等静压法【4 3 】 结合剂同样是用铸铁制作出的多孔砂轮，其工艺相关流程如下： 将金刚石磨粒、铁粉或铸铁粉以及含量为1 的石蜡按适当的比例含量机械的混合均匀； 在压力为lo m p a 的条件下压制混合物并使之成型：然后把节块放在真空炉中( 6 8 0 0 ) 脱 蜡且预烧结；最后在氨气气氛以及适当的炉内条件下进行热等静压烧结一段时间后，再用粘接 的方法将烧结后的节块粘在基体上从而制成多孔砂轮。通过该方法制成的砂轮气孔率在3 5 5 3 之间【4 3 1 。 h t 0 m i i l o 用以上方法制作的多孔砂轮( 砂轮浓度约为2 5 ，磨粒粒度约为1 7 0 2 0 0 ) 进行 恒径向力磨削相关试验( 压力的取值范围是在o 1 2 m p a 之间，砂轮的线速度定为2 2 7 m s ) ， 磨削工件材料是氧化铝陶瓷( 其抗弯强度为5 8 8 m p a ) 。并在相同的磨削工艺下和陶瓷结合剂砂 轮( s d l 2 0 0 f 型) 作对比。研究表明：铸铁基多孔砂轮的结合桥强度较高，某种程度上增加了 结合剂层对磨粒的把持力，从而使磨粒不太容易脱落；另外，当磨削的径向力在l 2 m p a 之间 变化时，工件材料的去除率是铁基多孔砂轮的两倍；而陶瓷结合剂砂轮( s d l 2 0 0 f 型) 即使有 较强的结合桥，但结合桥比较脆，抗冲击的能力比较差，磨料比较容易脱落，在相同的磨削工 艺下，工件材料的去除率仅和铁基多孔砂轮相差不大脚l 。 ( 3 ) 真空固相烧结法f 4 5 ，4 6 l 结合剂用n i c u s n 合金( 或n i c u 合金) 制造出的多孔砂轮，其制作相关工艺如下： 在磨粒的表面沉积或电镀一层薄的n i c u s n 合金( 或n i c u 合金) 金属，然后放在一定的 真空度、温度在7 5 0 1 0 0 0 之间的炉内进行烧结。其中，升温的速度是9 0 0 1 0 0 0 i l ， 保温的时间是2 0 6 0 m i l l 。为提高该方法制作出的多孔砂轮的结合剂桥的强度，在将砂轮节块 进行相关的磷化处理。通过上述t 艺方法制备的多孔砂轮的气孔率一般介于3 5 。5 8 1 4 5 ，拍1 。 5 空心陶瓷球成孔复合结合剂c b n 砂轮制备技术研究 h t o i n i 采用以上工艺方法制备的多孔砂轮( 砂轮浓度约为2 5 左右) ，在工件移动速度 1 2 0 m m ，m i l l 、砂轮线速度2 5 m s 的磨削工艺下对p l o 硬质合金进行磨削试验。高气孔率的多孔 砂轮磨削后工件的表面粗糙度较好，甚者小于l 微米1 4 7 j 。 ( 4 ) 松装液相烧结法【4 8 】 在国内，本课题组曾选择n i c r 合金为结合剂、f e 粉末为骨架相颗粒，运用松装液相烧结 法研制多孔砂轮，其相关工艺流程介绍如下： 将n i - c r 合金粉末、f e 粉、金刚石磨粒以及造孔剂按适当的比例机械的混合均匀，然后将 混合粉末装填在模具中压制成形并真空烧结，最终制得所需的砂轮节块。再通过焊接的方法将 上述砂轮节块连接到基体上，从而制成多孔砂轮。其中，液相n i c r 合金在设定的温度下与金 刚石在结合界面处发生了化学反应。通过此方法制备的砂轮节块除了在保持比较高的抗弯强度 外，其气孔率高达6 0 。另外，气孔的形状及大小也可以适当的加以控制1 4 研。 相关研究人员对采用上述方法制备出的多孔砂轮( 砂轮浓度是2 0 ，粒度是1 4 0 1 7 0 ) 进 行了磨削试验。磨削工艺是：砂轮线速度为2 2 5 m ，s ，工件移动速度为3 m m i n ，切入式顺磨， 工件是a 1 2 0 3 陶瓷。改变单次切深，工件表面的粗糙度值在0 6 1 0 微米之间变化。和树脂结 合剂砂轮进行对比磨削试验，结果表明：通过此工艺制出的多孔砂轮其磨削力小，砂轮更加锋 利，材料的去除率较高。此外，合金粉末与磨粒表面发生的界面反应提高了结合剂层对磨粒的 把持力，使其使用寿命更长【4 9 】。 1 2 空心陶瓷球成孔复合结合剂砂轮的研制构想 针对传统c b n 超硬磨料砂轮无法满足难加工材料高效磨削对砂轮工作层高气孔率与高强 度要求的现状，本课题提出空心陶瓷球成孔与增强的高性能复合结合剂c b n 砂轮研制构想。 其创新思路在于，将氧化铝( a 1 2 0 3 ) 空心陶瓷球颗粒作为成孔材料与增强相添加到活性胎体合 金组成复合结合剂，利用液相烧结过程中c b n 磨粒、a 1 2 0 3 空心陶瓷球颗粒与胎体合金之间的 可控化学连接与三维优化固位制作具有高气孔率与高强度特性的砂轮工作层。通过后续修整工 艺去除工作层表面的结合剂桥和陶瓷颗粒外壳，可使颗粒内孔完全暴露，从而为磨削过程提供 充裕的容屑空间，如图1 1 所示。目前国内外还未见与此研究思路类似的相关报导。 6 胎体台金 空心陶瓷艨鞭粒 雹圈 圈 图1 1复合结合剂c b n 砂轮工作层组织结构示意图 rlfl 基体工格篓 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 本课题拟研制的复合结合剂c b n 砂轮在如下两方面具有明显优势： ( 1 ) 由于空心陶瓷球颗粒外形与内孔的一致性、可控性、可设计性，能够实现复合结合剂 c b n 砂轮工作层气孔尺寸、形状与分布的精确控制；同时，基于磨粒、气孔优化设计与可控排 布思想，依据高效磨削加工要求与用量条件优化设计砂轮工作层的三维组织结构，可真正实现 “依材设刀、依材制刀”，有效克服以参照经验为主、难以顾及各性能参数之间关联性的传统设 计方法的弊端。 ( 2 ) 基于颗粒增强复合材料原理提高砂轮工作层强度，不仅可以形成比致密复合结合剂强 度更高的复合结合剂组织结构，解决多孔结构引入后砂轮工作层强度下降而导致的崩边、塌边 等型面稳定性差问题，而且能够增强工作层对c b n 磨粒的支承能力，避免磨粒被压入工作层 而无法出露，提高砂轮耐用度。同时，复合结合剂c b n 砂轮还具有多孔工作层修整修锐方便 的特点，采用常规精密修整技术即可获得可控的磨粒出刃和容屑空间。 需要指出的是，尽管复合结合剂c b n 砂轮具有同时提高工作层气孔率与强度的综合优势， 但其研制工作仍面临优化设计工作层的组织结构、形成可靠的组元结合界面、制定合理的砂轮 磨损抑制策略等一系列问题迫切需要解决。 1 3 本文主要的研究工作 有鉴于此，为了研制高性能c b n 砂轮以突破制约难加工材料高效磨削技术发展的瓶颈， 本课题拟围绕空心陶瓷球成孔与增强复合结合剂c b n 砂轮的主要基础科学问题开展深入、系 统的 究 r 嚣的h 嚣嚣嚣h 鬻l 内 容 = = ：= 二二：= ：= ：北二= ：= ：= = = ：= 二二：二= ： l 莉碍脚哩卜 工作层液相烧结界 究 面的形成机理与强 l 砂轮的制作l 内 l 腼徽搁卜 化机制 容 二 曼i = i i i i i 毫i i ：= j = = = = 畦i = i = ：i = = = i = i ：- = v 究 i 一整卜l 缳黧龇 一 l 性能评价i 内 容 三 图1 2 技术路线 7 空心陶瓷球成孔复合结合剂c b n 砂轮制各技术研究 主要包括： ( 1 ) 工作层组元含量和烧结工艺对复合结合剂c b n 砂轮工作层强度的影响规律及机理 工作层组元含量和烧结工艺与工作层强度密切相关，是抵抗高效磨削过程中重负荷和离心 力对高速旋转砂轮工作层破坏的可靠保证。为此，只有优化工作层各组元含量和烧结工艺，才 能满足复合结合剂c b n 砂轮高效磨削性能以及所需的工作层强度，继而为提高砂轮的锋利度、 型面稳定性和耐用度提供支持。 ( 2 ) 胎体合金与c b n 磨粒、a 1 2 0 3 空心陶瓷球颗粒之间液相烧结界面微结构 液相活化烧结过程中，c b n 磨粒与a 1 2 0 3 空心陶瓷球颗粒均会与工作层c u - s n n 胎体合金 发生界面化学反应，并形成特定的结合界面微结构。为此，有必要对组元之间的界面微结构及 其形成机理进行探索，为制定相应的控制策略以形成可靠结合界面，充分发挥复合结合剂c m 寸 砂轮高效磨削潜能提供首要条件。 ( 3 ) 砂轮工作层表面容屑空间的形成及性能评价 砂轮修整后，工作层表面容屑空间的正常出露是多孔复合结合剂砂轮可发挥磨削性能优势 的前提。为此，有必要对砂轮工作层修整工艺优化进行研究。在此基础上，同等条件下进行多 孔复合结合剂c b n 砂轮与陶瓷结合剂c b n 砂轮磨削镍基高温合金g h 4 1 6 9 的对比试验，通过 对砂轮磨削性能进行评价，才可确证复合结合剂c b n 砂轮的性能优势。 本课题的研究成果可为设计与制作集高锋利度、高型面稳定性、高耐用度于一体的高性能 复合结合剂c b n 砂轮奠定了基础，对于实现以镍基高温合金为代表的、切削加工性极差的高 强韧性难加工材料高效磨削具有重要的意义。 8 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第二章空心陶瓷球成孔复合结合剂砂轮工作层节块制备 本章将主要探讨空心陶瓷球成孔复合结合剂c b n 砂轮的制备，其中主要包括：活化烧结 的相关理论；砂轮节块的制作流程( 粉末模压成形) ；组成材料( 磨粒、金属合金和成孔材料等) 的选择；活化烧结工艺( 烧结温度和保温时间) 的优化。在真空炉烧结成型后，对砂轮节块的 强度及断口形貌进行了分析，从而优化出活化烧结工艺，完善其制备工艺流程。 2 1 超硬工具液相活化烧结方法 目前，液相活化烧结方法是制作多层金刚石与c b n 超硬磨料工具的常用方法之一。它是 选用含有c r 、t i 等强碳化物( 对金刚石工具) 或t i 等强氮化物和硼化物( 对c b n 工具) 形成 元素的合金粉末，与超硬磨料进行混合后，在中、高温条件下进行烧结。合金粉末变为液态， 与超硬磨料发生界面化学反应，实现对磨粒的牢固把持。同时，烧结过程通常在真空环境下进 行，这样可使烧结过程的去氧化作用增强，烧结反应更充分，液态金属的毛细作用更强1 5 0 1 。 在本项目研究中，将液相活化烧结技术引入到多层复合结合剂c b n 砂轮制作过程。当 c u s n t i 合金粉末加热到合适温度，其中的t i 元素分别与c b n 磨粒和a 1 2 0 3 空心陶瓷球在结 合界面发生原子扩散、并通过化学反应生成新的化合物，继而在其周围形成反应层，使c u s n - t i 合金分别与c b n 磨粒和a 1 2 0 3 空心陶瓷球颗粒之间形成化学连接，以此提高结合剂对磨粒和陶 瓷球颗粒的把持力，避免非正常脱落。其中，在界面反应过