王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所,鄭州 450001)

立方氮化硼砂輪制備技術(shù)的多型性

王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所,鄭州 450001)

該文是一篇包括納米陶瓷結(jié)合劑、消失模鑄造法制備鑄鐵基、成孔陶瓷結(jié)合劑、磨料有序化排布、自潤(rùn)滑單層釬焊、CFPR、熱管等砂輪內(nèi)容的綜述文章。指出：納米陶瓷結(jié)合劑不僅可以解決目前陶瓷結(jié)合劑低熔點(diǎn)與高強(qiáng)度之間的矛盾,且對(duì)于拓寬cBN砂輪的應(yīng)用范圍具有十分重要的意義;分別研究了EPS珠粒的預(yù)發(fā)泡、珠粒熟化和干燥時(shí)間、有機(jī)膠黏劑PVB質(zhì)量濃度;磨粒有序化排布的發(fā)展為解決鈦合金磨削問題提供了新的思路;與無自潤(rùn)滑劑相比,磨削溫度不超過440℃;CFRP砂輪能減少能源消耗,具有較好的經(jīng)濟(jì)環(huán)保特性;熱管砂輪能將磨削弧區(qū)溫度控制在100℃以下。

立方氮化硼砂輪;制備技術(shù);綜述;多型性

由于立方氮化硼具有硬度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好,在高溫下與鐵族材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),已在各類磨削工具中得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪作為一類高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能磨具產(chǎn)品,成為近年來世界磨具研究和產(chǎn)品開發(fā)的重點(diǎn)。

1 納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪

陶瓷結(jié)合劑的開發(fā)研究是陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制造的基本前提。高性能陶瓷結(jié)合劑是制造高性能陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑普遍存在燒結(jié)溫度高、強(qiáng)度低等缺陷[2]。納米陶瓷結(jié)合劑由于其具有粒度小、比表面積大、燒結(jié)溫度低、強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn),有望解決目前傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)溫度和強(qiáng)度之間的矛盾問題,提高陶瓷結(jié)合劑c BN砂輪的性能,進(jìn)一步拓寬cBN砂輪的應(yīng)用范圍。納米陶瓷結(jié)合劑是一種新型的超硬磨具結(jié)合劑,除具有傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑的優(yōu)點(diǎn)之外,還具有如下獨(dú)特的特點(diǎn)[]:

(1)納米陶瓷結(jié)合劑不僅可以用于超細(xì)c BN微粉砂輪的制造,解決常規(guī)陶瓷結(jié)合劑分布不均勻,對(duì)c BN磨料把持力小的問題,而且還可以解決粗顆粒的cBN砂輪容易產(chǎn)生工具強(qiáng)度低和磨粒把持力不足問題。

(2)納米陶瓷結(jié)合劑引入納米級(jí)顆粒、片晶、晶須和纖維等笫二相,不僅降低了cBN磨具的陶瓷溫度,而且結(jié)合劑的韌性大大提高,有效解決了cBN磨料——傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑界面應(yīng)力問題,使得粗顆粒工具的強(qiáng)度大大提高。

(3)納米陶瓷結(jié)合劑比普通結(jié)合劑具有更低的軟化溫度和更好的韌性。低的軟化溫度使得納米陶瓷結(jié)合劑的燒結(jié)比普通結(jié)合劑的燒結(jié)更加致密化,而好的韌性提高了納米結(jié)合劑的拉應(yīng)力承受極限。

與傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑相比,盡管納米陶瓷結(jié)合劑具有強(qiáng)度高、韌性好、燒結(jié)溫度低等優(yōu)點(diǎn),但由于其粒度較小、比表面積大,在cBN砂輪制備過程中還存在一些問題,具體表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)由于納米陶瓷結(jié)合劑的細(xì)粒度及極大比表面積、外觀膨松、密度較低,這可能對(duì)磨具的成型帶來一定的困難。

(2)納米陶瓷結(jié)合劑單組份粉體制備比較容易,但問題是在后續(xù)球磨混合的過程中如何保證其分散性良好且均勻分布。

(3)由于納米顆粒的活性較高,燒結(jié)過程中易出現(xiàn)晶粒的異常長(zhǎng)大且難以致密等缺點(diǎn)。

2 消失模鑄造法制備鑄鐵基cBN砂輪

采用真空消失模鑄造這種液態(tài)成型技術(shù)制備高強(qiáng)度鑄鐵基c BN砂輪,由于液態(tài)金屬凝固時(shí)產(chǎn)生收縮,將有利于增大胎體對(duì)c BN磨粒的機(jī)械把持作用,同時(shí)可能有利于結(jié)合劑和磨粒之間形成牢固的冶金結(jié)合,從而提高胎體對(duì)磨粒的把持作用。消失模鑄造法制備鑄鐵基cBN砂輪的關(guān)鍵技術(shù)之一是制備出合格的cBN/EPS復(fù)合模樣。

cBN/EPS復(fù)合模樣是將c BN磨粒與熟化后的泡沫珠粒按一定比例混合均勻后發(fā)泡而成的一種帶c BN磨粒的泡沫模。先將珠粒粒徑為0.4mm的可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)經(jīng)預(yù)發(fā)與熟化后,再將它們和cBN磨粒按所需要粒度篩選。采用的cBN磨粒粒徑為300μm、濃度為25%。在EPS珠粒和cBN磨粒表面上均勻地涂覆一層有機(jī)膠黏劑PVB,使它們充分混合后放入模具中進(jìn)行發(fā)泡成型,將成型后的復(fù)合模樣烘干備用。

黃毅,戴秋蓮[4]等,對(duì)cBN磨粒在復(fù)合模樣中分布的均勻性、復(fù)合模樣表面的預(yù)融合情況以及模樣尺寸精度等性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明, cBN磨粒在復(fù)合模中分布的均勻性主要受EPS模珠粒預(yù)發(fā)泡時(shí)間和有機(jī)黏劑PVB質(zhì)量濃度的影響;復(fù)合模樣的尺寸收縮率主要受模樣干燥時(shí)間的影響,模樣表面粗糙度主要受珠粒預(yù)發(fā)泡時(shí)間的影響;影響模樣密度較為顯著的因素是珠粒的預(yù)發(fā)泡時(shí)間和珠粒的熟化時(shí)間。

3 成孔陶瓷結(jié)合劑cBN磨具

陶瓷結(jié)合劑cBN磨具由磨料、結(jié)合劑和氣孔組成。氣孔具有容屑、排屑、儲(chǔ)存冷卻液、增強(qiáng)散熱和冷卻的作用,在磨削加工中能減少堵塞和降低工件的燒傷[5-6]。因此,氣孔控制對(duì)磨具結(jié)構(gòu)與性能具有重要影響。

陶瓷結(jié)合劑cBN磨具中的氣孔可以在成型和燒結(jié)中形成,也可以通過添加成孔劑產(chǎn)生。不加成孔劑時(shí),磨具中氣孔的形成是隨機(jī)的,其數(shù)量和分布均為不可控狀態(tài)。加入成孔劑后,可以實(shí)現(xiàn)氣孔的人為調(diào)控,通過調(diào)節(jié)成孔劑的尺寸、含量及其加入方式來控制氣孔的數(shù)量、形態(tài)與分布。

根據(jù)成孔機(jī)理的不同,常見的成孔劑有兩種類型,一種是燃燒類型成孔劑(記為A類),磨具壓制成型過程中自身占有一定尺寸空間,在磨具燒結(jié)過程中碳化燃燒,部分或全部燃盡后形成氣孔,如核桃殼、聚甲基丙烯酸甲脂等,另一種是熱分解類成孔劑(記為B類),本身不能燃燒,但在一定溫度下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng),產(chǎn)生氣體,在磨具燒成時(shí)形成氣泡,冷卻時(shí)保留下來成為氣孔,如CaCO3等。

除上述兩種成孔劑外,候永改,路繼紅等,又探尋一種新的可溶性鹽類成孔劑(記為C),它在磨具成型時(shí)占據(jù)一定的尺寸空間,但在磨具燒成過程中也不分解氧化,在磨具使用過程中,它可溶解于水溶性冷卻液中,自身占有的位置形成氣孔。

候永改,路繼紅[7]等,主要研究成孔劑對(duì)陶瓷結(jié)合劑cBN磨具結(jié)構(gòu)與性能的影響。在陶瓷結(jié)合劑c BN磨具中添加不同類型和含量的成孔劑,通過對(duì)磨具試樣氣孔率、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、微觀形貌等檢測(cè)分析,結(jié)果表明,添加成孔劑A1和C1的磨具試樣氣孔率分布均勻,且與未添加成孔劑的磨具試樣相比,抗彎強(qiáng)度降低不明顯,成孔劑A1的造孔效果比C1的明顯,但加入成孔劑C1能夠增大試樣的沖擊韌性。當(dāng)C1的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí),氣孔率分布均勻,氣孔率為30.82%,抗彎強(qiáng)度為49.89MPa,沖擊韌性為1.73kj/m2,綜合性最佳。

4 磨料有序化排布砂輪

植物莖上的葉子、葵花盤上籽粒的規(guī)則排列是植物的一種非常重要的葉序形式,大量專家學(xué)者都對(duì)這種葉序分布進(jìn)行了研究,Van Iterson[8]提出了柱面葉序排布模型,其圓柱坐標(biāo)式為。

式中n為圓柱表面上點(diǎn)的序;Φ,R和H為n個(gè)點(diǎn)的圓柱坐標(biāo);h為葉序系數(shù);a為發(fā)散角,取黃金分割角137.508°。這種排布實(shí)現(xiàn)了籽粒的軸向和周向非等距錯(cuò)位排布,形成了幾何空間的互補(bǔ),可以實(shí)現(xiàn)空間的最大包裹,保證了籽粒排布的均勻和互補(bǔ)性。

沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院陳晨,王軍[9]等采用的砂輪正是基于上述理論,設(shè)計(jì)時(shí)把每一個(gè)磨粒都看作是一個(gè)種子分布在砂輪圓周上,采用紫外線感光膜作為掩膜感光層來實(shí)現(xiàn)在砂輪表面磨粒的排布,利用光刻技術(shù)和復(fù)合電鍍工藝技術(shù)制備出磨粒葉序排布砂輪[10],同時(shí)利用相同的工藝制備出磨粒錯(cuò)位排布砂輪和無序排布砂輪。

通過對(duì)葉序、錯(cuò)位和無序3種不同磨料排布方式,研究了工件表面平均溫度與進(jìn)給速度和磨削深度的關(guān)系,并對(duì)3種電鍍cBN砂輪磨削工件時(shí)溫度的變化形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,在相同磨削條件下,磨料有序化排布能有效降低TC4的磨削溫度,使用葉序排布磨料砂輪能獲得更低的工件表面溫度

5 潤(rùn)滑單層釬焊cBN砂輪

鈦合金因?yàn)槠鋵?dǎo)熱率較低等原因,在磨削加工時(shí)容易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象,影響工件表面質(zhì)量,因而傳統(tǒng)的磨削加工大量采用磨削液澆注法降低磨削溫度,但是磨削液的使用給環(huán)境和操作者健康帶來了很大的危害,而且增加了磨削液排放回收的成本[11-14]。

為解決上述問題,基于“用固體潤(rùn)滑劑替代磨削液”的思想,研制了單層自潤(rùn)滑釬焊立方氮化硼砂輪?；驹硎菍⒐腆w潤(rùn)滑劑涂敷在砂輪表面,使?jié)櫥瑒┰谀チＥc工件之間形成一層潤(rùn)滑薄膜,從而降低磨粒與工件表面之間的摩擦系數(shù),降低摩擦力以達(dá)到減少磨削熱的產(chǎn)生,從而降低磨削溫度的目的。

吳杰,紫陳燕[15]等通過進(jìn)行干式磨削鈦合金實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為,自潤(rùn)滑砂輪的涂層中石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳值為20%,此時(shí)干磨鈦合金的工件表面溫度最低;另外,與無自潤(rùn)滑劑砂輪相比,磨削溫度均較低,不超過440℃。

6 CFPR砂輪

高速超高速磨削技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用,從根本上顛覆了“磨削效率低”的觀念。高速磨削砂輪技術(shù)作為高速超高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一,正受到越來越多的重視。目前,高速砂輪基體常用的材料為金屬,的如鋼、鋁合金、鈦合金等。但是,金屬基體砂輪的質(zhì)量較大,增加了主軸的負(fù)荷,導(dǎo)致主軸軸承發(fā)熱嚴(yán)重、容易磨損,同時(shí)也增加了主軸的功率消耗,經(jīng)濟(jì)環(huán)保性較差。因此,如何減輕主軸的負(fù)荷,降低砂輪的空耗功率甚至磨削功率顯得尤為重要。

針對(duì)上述問題,CFRP(carbon fiber reionforced polymer,CFRP)砂輪在高速超高速磨削中降低主軸功率消耗的優(yōu)勢(shì)逐漸突顯出來。CFRP作為一種先進(jìn)的樹脂基復(fù)合材料,具有高比強(qiáng)度、高比模量、高疲勞強(qiáng)度、高阻尼、輕質(zhì)、低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn),使其適用于制作高速砂輪基體。

近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者,企業(yè)以CFRP砂輪設(shè)計(jì)制造與使用性能等方面進(jìn)行了一系列研究。Tawakoli等通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了碳纖維基體陶瓷cBN砂輪的動(dòng)靜態(tài)特性對(duì)磨削淬硬鋼過程的影響。結(jié)果表明,CFRP砂輪的彈性模量較低,其接觸剛度相應(yīng)也較低,但CFRP砂輪的比模量高,可以大大降低砂輪的徑向變形。并且,CFRP砂輪具有優(yōu)異的阻尼特性,使得磨削振幅與磨削力降低。

雖然國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)驗(yàn)證了CFRP砂輪的優(yōu)勢(shì),但是其在高速超高速磨削上的潛力還未被充分挖掘。于是,南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院劉勇濤,傅玉燦[16]等通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了CFRP砂輪與了鋼基體砂輪在啟動(dòng)、空耗、磨削三個(gè)階段主軸功率消耗情況,分析了輕質(zhì)CFRP砂輪對(duì)降低磨床主軸功率消耗的作用及其對(duì)高速磨削的影響,并以此探索CFRP砂輪在高速超高速磨削中的發(fā)展前景。并指出,進(jìn)一步的研究,需要從降低磨削力、減小磨削過程中的振動(dòng)、提高材料的去除率、改善加工表面質(zhì)量等方面,對(duì)CFRP砂輪的性能進(jìn)行探索。

7 熱管砂輪

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,只要盡可能多的向磨削弧區(qū)注入冷卻介質(zhì),便可確保對(duì)磨削弧區(qū)的換熱效果,降低磨削溫度?；谏鲜鏊悸?現(xiàn)已開發(fā)了眾多磨削冷卻技術(shù)與方法。但隨著砂輪線速度、磨削深度和材料去除率的不斷提高,磨削弧區(qū)的面積逐漸增大,磨削弧區(qū)密閉程度逐漸提高,致使冷卻介質(zhì)越來越難以進(jìn)入磨削弧區(qū)。因此,探索新的在高效磨削加工過程中的快速疏導(dǎo)磨削熱的方法,強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱,成為避免高溫合金材料出現(xiàn)磨削燒傷,進(jìn)而提高其磨削加工效率的關(guān)鍵。

熱管是一種具有極高傳熱的元件,其傳熱能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種已知金屬。正是基于這一特性,國(guó)外研究者早在上世紀(jì)80年代就有將熱管技術(shù)應(yīng)用在車削、鉆削等加工領(lǐng)域的報(bào)道。但在磨削加工領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者則先于國(guó)外提出了利用熱管技術(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱的構(gòu)想,并己開展了一些探索性的研究工作[17-18]。

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院赫青山,傅玉燦[19]等,根據(jù)熱管技術(shù)可進(jìn)一步強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型磨具——熱管砂輪,并成功制備出能夠用于實(shí)際加工的單層電鍍cBN熱管砂輪。

8 結(jié) 語

(1)為適應(yīng)超高速磨削技術(shù)對(duì)cBN砂輪提出的更高的要求,應(yīng)系統(tǒng)地研究納米陶瓷結(jié)合劑制備的基礎(chǔ)科學(xué)問題,同時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)高性能納米陶瓷結(jié)合劑的研究和開發(fā)工作,加強(qiáng)納米陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪在超高速磨削、航空航天等難加工材料磨削方面的應(yīng)用研究。

(2)與傳統(tǒng)的陶瓷結(jié)合劑相比,對(duì)納米陶瓷結(jié)合劑中氣孔的結(jié)構(gòu)(如形狀、含量和大小)和其性能之間的關(guān)系缺乏系統(tǒng)深入的研究。因此,應(yīng)加強(qiáng)納米陶瓷結(jié)合劑中氣孔的尺寸和含量對(duì)其性能影響規(guī)律的研究。

(3)綜合考慮消失模制造工藝制備c BN/EPS復(fù)合模樣的要求,應(yīng)選擇如下的工藝制備c BN/EPS復(fù)合模樣:有機(jī)膠黏劑PVB質(zhì)量濃度為6%,EPS珠粒預(yù)發(fā)時(shí)間為3min,預(yù)發(fā)珠粒熟化時(shí)間為56h,成型時(shí)間為4min,冷卻水中冷卻時(shí)間為30s,50℃環(huán)境下放置15d。

(4)使用有序化排布磨粒的砂輪能夠?qū)崿F(xiàn)超精密磨削。磨粒有序化排布砂輪在降低表面粗糙度和提高磨削效率等方面效果顯著。但是,哪種排布方式的砂輪能更好地降低磨削溫度,尤其是降低磨削鈦合金等難加工材料的溫度,仍然是一個(gè)需要深入研究的問題。

(5)CFRP具有可設(shè)計(jì)與可制造的特性,這也為不斷優(yōu)化CFRP砂輪的結(jié)構(gòu),提高CFRP砂輪的性能,使其更加適合高速超高速磨削提供了可能性。

(6)使用熱管砂輪能夠?qū)⒛ハ骰^(qū)積聚的熱量通過熱管的傳熱作用進(jìn)一步疏導(dǎo)出去,從而將磨削弧區(qū)強(qiáng)溫度控制在100℃以下。

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Diversity of Manufacturing Technology of cBN Grinding Wheel

Wang Guang-zu
(Zhengzhou Research Institute for Abrasive&Grinding,Zhengzhou 450001)

This paper is an overview about some aspects of grinding wheel such as nano-vitrified bond,iron matrix by evaporative pattern casting process,pore-forming vitrified bond,regular distribution of abrasives,self-lubricating braze of monolayer,CFRP and thermotube.It points out that Nano-vitrified bond can not only solve the contradiction between low melting point and high strength of the current vitrified bond,but also has a great significance for widening the application of CBN grinding wheel;Prefoaming of EPS beads,curing and drying time of the beads and mass concentration of organic adhesive PVB have been studied separately;Development of the regular distribution of abrasives contributes a new idea to solve the grinding problem of titanium alloy;Compared to non self-lubricating technology,the grinding temperature is less than 440℃;CFRP grinding wheel is energy-saving,economical and environmental friendly;Thermotube grinding wheel can keep the temperature in grinding arc zone under 100℃.

c BN grinding wheel;manufacturing technology;overview;diversity

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0043-04

2016-08-10

王光祖(1933-),男,教授,長(zhǎng)期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作,出版多部專著,發(fā)表上百篇學(xué)術(shù)論文。

王光祖.立方氮化硼砂輪制備技術(shù)的多型性[J].超硬材料工程,2017,29(1):43-46.