蔡開達(dá)　趙彪　吳幫?！《∥匿h　徐九華　趙正彩　溫學(xué)兵　李邵鵬　陳清良

關(guān)鍵詞 超聲振動(dòng)輔助釬焊；磨粒工具；微觀形貌；連接強(qiáng)度；磨削性能

中圖分類號(hào) TQ164; TG74; TG58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）05-0568-11

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0190

收稿日期 2022-11-07 修回日期 2023-01-04

釬焊超硬磨粒工具由于具有磨粒結(jié)合強(qiáng)度高、容屑空間大、自銳性好等優(yōu)異性能，在航空航天等難加工材料加工領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1-3]，如釬焊磨粒工具在韌性材料[4-5] 和硬脆材料的磨削加工[6-7] 中都有著廣泛的應(yīng)用。釬焊磨粒工具的磨削性能受到磨粒和釬料合金之間的機(jī)械和物理性能的影響，在傳統(tǒng)的釬焊過(guò)程中，其連接界面內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)大量的氣孔和微裂紋，這會(huì)導(dǎo)致釬焊接頭的力學(xué)性能減弱，從而降低釬焊磨粒工具的使用壽命[8-10]。因此，需要開發(fā)一種新型釬焊方法，以消除不必要的氣孔和微裂紋，最終提高釬焊工具的磨削性能。

目前，超聲振動(dòng)輔助釬焊技術(shù)在各種材料的連接中取得了有益的進(jìn)展。WU 等[11] 研究了超聲振動(dòng)對(duì)鋁/鋼TIG 焊?釬焊接頭的影響，發(fā)現(xiàn)施加超聲振動(dòng)后，接頭出現(xiàn)了Al-Si 共晶球化、Al3FeSi 破碎和鋁基體細(xì)化現(xiàn)象，引入超聲后得到的焊接接頭的剪切強(qiáng)度高于原始接頭，可以達(dá)到41 MPa。在釬焊過(guò)程中，超聲的空化和聲流效應(yīng)可以促進(jìn)液態(tài)釬料合金的化學(xué)冶金反應(yīng)[12]。此外，超聲振動(dòng)輔助釬焊還可以有效提高材料的潤(rùn)濕性，如對(duì)各種陶瓷[13-14]。CHEN 等[15] 使用超聲振動(dòng)輔助釬焊方法，用ZnAlMg 合金制備了SiC 陶瓷樣品，發(fā)現(xiàn)超聲施加時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度有著顯著影響，當(dāng)超聲施加時(shí)間為8 s 時(shí)，接頭強(qiáng)度可達(dá)最大值148 MPa。HUANG等[16] 采用超聲振動(dòng)輔助釬焊方法制備了金剛石端輪，發(fā)現(xiàn)端輪的剪切強(qiáng)度可以提高28.5%，且其斷裂破壞大大減少。然而，利用超聲振動(dòng)輔助釬焊方法制備可用于工件側(cè)面磨削加工的磨粒工具的研究少見報(bào)道。

為了評(píng)價(jià)磨粒工具的性能，楊沁等[17] 對(duì)由高頻感應(yīng)釬焊得到的金剛石磨粒進(jìn)行剪切試驗(yàn)，觀察剪切后釬料合金的表面形貌，得到磨粒剪切力的變化，結(jié)果表明磨粒的剪切失效主要包括磨粒的剪切斷裂和滑移。ZHANG 等[18] 為了研究超聲振動(dòng)對(duì)金剛石連接界面力學(xué)性能的影響，對(duì)無(wú)超聲和施加超聲得到的釬焊金剛石接頭連接界面的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了觀察、測(cè)量和比較， 研究表明： 超聲的施加提高了Cr3C2 和Cr7C3 的結(jié)晶密度，從而提高了金剛石和釬料合金的結(jié)合強(qiáng)度。梁宇紅[19] 開展了釬焊有序排布磨粒工具超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)的研究，通過(guò)模擬仿真、工藝試驗(yàn)等方法對(duì)工具的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；并在此基礎(chǔ)上開展超聲振動(dòng)輔助側(cè)磨試驗(yàn)，驗(yàn)證其磨削加工性能。

將超聲振動(dòng)引入釬焊磨粒工具的制作過(guò)程，進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助釬焊試驗(yàn)以及磨粒剪切試驗(yàn)，研究超聲釬焊的機(jī)理，對(duì)超聲振動(dòng)輔助釬焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，制造出性能良好的磨粒工具。隨后，進(jìn)行磨削對(duì)比試驗(yàn)，從磨削力、磨削溫度以及磨粒工具磨損角度對(duì)超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)選用的磨粒工具基體為Φ8 mm × 50 mm 的316L 不銹鋼圓柱體，所用磨粒為河南富耐克超硬材料股份有限公司生產(chǎn)的40/50 CBN 磨粒，所用釬料為Cu-Sn-Ti 合金，其是由球狀Cu-Sn 合金粉末和不規(guī)則Ti 粉按照9∶1 質(zhì)量比均勻混合而成。試驗(yàn)采用深圳雙平電源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SPG-06AB III 型高頻感應(yīng)電源進(jìn)行加熱，該電源電流頻率f 為1 MHz，電流幅值I可調(diào)范圍為3～28 A。釬焊前，在超聲波清洗機(jī)里用酒精清洗CBN 磨粒和工具基體。

釬焊裝置如圖1 所示。先將超聲振動(dòng)裝置放置在坐標(biāo)滑臺(tái)的適當(dāng)位置，并將工具基體放置在感應(yīng)線圈的中央，隨后，調(diào)整線圈位于基體布有釬料部分下方約10 mm 處。在感應(yīng)釬焊時(shí)，首先緩慢增大電流到7 A，預(yù)熱基體約80 s，為釬焊積累熱量，然后控制感應(yīng)線圈以1.6 mm/s 的速度向上移動(dòng)，當(dāng)觀察到釬料合金處于半固態(tài)時(shí)，立即施加超聲，使用的超聲頻率為30 kHz，最終得到單層釬焊CBN 磨粒工具如圖2 所示。此外，整個(gè)釬焊過(guò)程在氬氣環(huán)境中進(jìn)行。釬焊完成后，使用掃描電子顯微鏡（COXEM 30）分別觀察普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊工具的微觀結(jié)構(gòu)。

為研究超聲振動(dòng)對(duì)釬焊CBN 磨粒連接界面的微觀組織和結(jié)合強(qiáng)度的影響，根據(jù)前期得到的工藝參數(shù)，改變線圈移動(dòng)速度（1.2， 1.6， 2.0， 2.4 mm/s）、超聲施加時(shí)間（2， 4， 6， 8 s）以及超聲振幅（4， 6， 8， 10 μm）進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助釬焊試驗(yàn)，探究超聲釬焊機(jī)理。

在拉伸試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)磨粒剪切試驗(yàn)對(duì)CBN 磨粒連接界面的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。如圖3 所示，磨粒工具被十字虎鉗夾持，在便攜式顯微鏡的輔助下進(jìn)行對(duì)刀，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)夾持的切斷刀進(jìn)行磨粒剪切，拉伸試驗(yàn)機(jī)的速度設(shè)定為1 mm/min。

使用DMG 超聲輔助加工中心進(jìn)行磨削加工驗(yàn)證，對(duì)比分析普通釬焊與超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削力、磨削溫度等，評(píng)價(jià)超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 磨粒工具的磨削性能（見圖4）。

2 結(jié)果與討論

2.1 釬焊CBN 工具的表面形貌

圖5 為釬料合金表面形貌。對(duì)于普通釬焊，釬料合金表面鋪展得不均勻，存在大量氣孔，如圖5a 所示。而超聲振動(dòng)輔助釬焊的釬料合金鋪展更均勻，只存在少量氣孔，如圖5b 所示。此外，使用圖像處理軟件對(duì)氣孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出：2 種釬焊方法得到的釬料合金表面的氣孔直徑均集中在3～9 μm 范圍內(nèi)，與普通釬焊相比，超聲振動(dòng)輔助釬焊在相同面積上的氣孔數(shù)量減少了75%，并且直徑9 μm以上的較大氣孔所占比例變小。

圖7 展示了釬焊氣孔的形成過(guò)程。磨粒通過(guò)黏結(jié)劑黏附在磨粒工具基體上，然后在基體上均勻地鋪上釬料合金。因此，當(dāng)磨粒工具受熱時(shí)，黏結(jié)劑會(huì)揮發(fā)并產(chǎn)生大量氣體，這些氣體需要在液態(tài)釬料合金中移動(dòng)一定距離才能脫離。但由于在感應(yīng)加熱過(guò)程中，加熱速度快，加熱時(shí)間相對(duì)較短，所以揮發(fā)的氣體沒(méi)有足夠的時(shí)間排出。此外，釬焊后的冷卻速度也較快，因此在凝固前，還有相當(dāng)一部分氣體未能與釬料合金分離，這將導(dǎo)致釬料合金內(nèi)部和表面形成大量氣孔。

此外，釬料合金是不同金屬粉末的混合物，雖然在試驗(yàn)之前會(huì)通過(guò)物理振動(dòng)使其混合均勻，但仍會(huì)有一些釬料合金團(tuán)聚在一起，這在釬焊時(shí)也會(huì)導(dǎo)致釬料層疏松且充滿孔洞。同時(shí)，釬料是人工一層一層地鋪在磨粒工具表面上的，因此無(wú)法保證釬料層厚度的均勻性，這也會(huì)導(dǎo)致釬料層結(jié)構(gòu)疏松。這些因素都會(huì)使得釬焊后釬料層表面出現(xiàn)孔洞和凹坑。

然而，超聲振動(dòng)輔助釬焊工具表面形貌保持了良好的狀態(tài)，這種明顯的差異可以歸因于超聲振蕩的運(yùn)動(dòng)、聲流效應(yīng)和空化效應(yīng)。圖8 為超聲振動(dòng)對(duì)釬焊接頭影響示意圖。如圖8 所示：在超聲振蕩的作用下，釬料合金的混合和流動(dòng)增強(qiáng)，因此釬料層趨于均勻平整。此外，超聲振蕩運(yùn)動(dòng)也有利于氣體的逸出。同時(shí)，聲流效應(yīng)對(duì)釬焊過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生有利影響。當(dāng)超聲波在液態(tài)釬料合金中傳播時(shí)，由于超聲波的吸收和衰減，會(huì)從聲源向其傳播方向形成一個(gè)聲壓梯度，從而促進(jìn)液態(tài)釬料的流動(dòng)。此外，當(dāng)超聲振幅增加到一定值時(shí)，這種非周期性運(yùn)動(dòng)將在液態(tài)釬料中產(chǎn)生射流現(xiàn)象，并且其流速大于液態(tài)釬料內(nèi)部熱對(duì)流產(chǎn)生的流速。因此，聲流效應(yīng)也可以加快液態(tài)釬料的流動(dòng)，這不僅使得氣孔減少，而且使得釬料層更平整。

此外，當(dāng)超聲作用于液態(tài)釬料時(shí)，釬料中的微小氣泡會(huì)被拉伸成為空化泡，隨后，這些空化泡將在壓力下崩潰。在此過(guò)程中，液態(tài)釬料中的局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓環(huán)境，表現(xiàn)為不同于宏觀振動(dòng)的強(qiáng)烈沖擊作用。超聲空化引起的高溫、高壓和微射流會(huì)在液態(tài)釬料中產(chǎn)生許多微小的局部反應(yīng)，促進(jìn)釬焊的化學(xué)冶金反應(yīng)。同時(shí)，空化泡的崩潰可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)釬料合金的攪拌作用，其內(nèi)部的氣體更容易逸出。

2.2 超聲振動(dòng)對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響

圖9 顯示了普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊單個(gè)CBN 磨粒的剪切試驗(yàn)結(jié)果。從圖9a 可以看出：普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊的磨粒在剪切力作用下有著相同的斷裂過(guò)程，在車刀接觸到CBN 磨粒時(shí)出現(xiàn)剪切力，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，剪切力迅速增大；當(dāng)?shù)竭_(dá)磨粒斷裂的臨界點(diǎn)時(shí)，剪切力達(dá)到最大，此時(shí)磨粒發(fā)生斷裂，隨后剪切力消失。圖9b 的磨粒剪切結(jié)果表明：不同工藝參數(shù)的超聲振動(dòng)輔助釬焊得到的剪切力的最大值比普通釬焊大16.4%～27.7%，這說(shuō)明引入超聲后，釬料合金對(duì)磨粒的把持力增大。

對(duì)于普通釬焊，當(dāng)CBN 磨粒受到剪切力作用時(shí)，裂紋會(huì)首先出現(xiàn)在釬料合金內(nèi)部氣孔所在位置，這是因?yàn)檫@些氣孔是應(yīng)力集中處，很容易成為裂紋源，當(dāng)剪切力增加時(shí)，這些微裂紋將會(huì)擴(kuò)展成宏觀裂紋，使釬料合金失去對(duì)磨粒的把持，磨粒斷裂失效。因此，這些氣孔的存在將會(huì)弱化釬料合金對(duì)磨粒的把持力。然而，對(duì)于超聲振動(dòng)輔助釬焊，一方面釬料內(nèi)部氣孔較少，受剪切力時(shí)萌生的裂紋源較少；另一方面，超聲空化效應(yīng)會(huì)發(fā)生在液態(tài)釬料的毛細(xì)縫隙處，空化泡的產(chǎn)生、長(zhǎng)大和崩潰會(huì)產(chǎn)生很大的局部壓力和強(qiáng)烈的超聲波沖擊，這會(huì)破碎析出相并且使大塊晶粒破碎，同時(shí)，這些小晶粒會(huì)成為新的形核中心，從而促進(jìn)新晶粒的長(zhǎng)大。因此，超聲振動(dòng)可以細(xì)化晶粒，這在優(yōu)化釬焊組織的同時(shí)可以提高釬料合金對(duì)CBN 磨粒的把持力。

為了深入研究各工藝參數(shù)對(duì)釬焊CBN 磨粒連接界面強(qiáng)度的影響規(guī)律，改變工藝參數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。圖10 為工藝參數(shù)對(duì)CBN 磨粒剪切力的影響。圖10a顯示了超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 磨粒剪切力F 隨線圈移動(dòng)速度v 的變化規(guī)律，可以看出F 隨v 的增加先迅速上升隨后快速下降。當(dāng)v 為1.2 mm/s 時(shí)， F 為26.7 N；隨著v 增至1.6 mm/s，F(xiàn) 上升了21.7% 至32.5 N；當(dāng)v 繼續(xù)增至2.4 mm/s，F(xiàn) 迅速降至23.5 N，相比于v 為2.0 mm/s時(shí)的27.4 N，降幅為14.2%。這是由于感應(yīng)線圈移動(dòng)速度太慢會(huì)使釬焊溫度升高， 過(guò)高的加熱溫度會(huì)造成CBN 磨粒的熱損傷，導(dǎo)致磨粒強(qiáng)度降低，從而剪切力降低；而當(dāng)線圈移動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致釬焊溫度沒(méi)有達(dá)到使釬料完全熔化的溫度，釬焊后的釬料合金呈現(xiàn)出顆粒感，同樣使得釬料對(duì)磨粒的把持力降低。由圖10b可知：剪切力F 隨著超聲施加時(shí)間T 先增大然后快速減小，當(dāng)T 從2 s 增加到4 s 時(shí)，F(xiàn) 從25.4 N 增至32.5 N，增幅達(dá)到28.0%；當(dāng)T 為8 s 時(shí)， F 相比于T 為4 s 時(shí)的減小了16.0% 至27.3 N。這是由于超聲施加時(shí)間過(guò)短時(shí)，釬料處于熔化的初期階段，超聲還沒(méi)來(lái)得及作用于液態(tài)釬料的結(jié)晶過(guò)程就結(jié)束了；而如果超聲施加時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致釬料層鋪展的過(guò)于平整，液態(tài)釬料對(duì)磨粒的爬升作用減弱， 從而降低了結(jié)合強(qiáng)度。由圖10c可知：剪切力F 同樣隨著超聲振幅A 的增大先增大加然后快速減小，F(xiàn) 先從A 為2 μm 的28.5 N 增至A 為4 μm的32.5 N，增幅達(dá)14.0%，隨后，當(dāng)A 增大到8 μm 時(shí)， F迅速降至20.5 N。這是因?yàn)槌曊穹容^小時(shí)，超聲的振蕩運(yùn)動(dòng)、空化作用以及聲流效應(yīng)對(duì)液態(tài)釬料的影響較小，沒(méi)能完全發(fā)揮出超聲對(duì)釬焊過(guò)程的有益效果，而當(dāng)超聲振幅過(guò)大時(shí)，本來(lái)對(duì)釬焊過(guò)程有益的超聲振蕩運(yùn)動(dòng)反而阻礙液態(tài)釬料向CBN 磨粒的爬升，導(dǎo)致只有較少的釬料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒的包裹，這將不可避免地使得釬料對(duì)磨粒的把持力降低。

隨后開展正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)釬焊結(jié)果的分析，確定了最佳的超聲振動(dòng)輔助釬焊工藝參數(shù)：線圈移動(dòng)速度為1.6 mm/s，超聲施加時(shí)間為6 s，超聲振幅為4 μm。使用這個(gè)參數(shù)釬焊得到的磨粒工具的剪切力可達(dá)到35.7 N，而普通釬焊的剪切力僅為27.9 N，引入超聲后磨粒的剪切力提高了28.0%。

2.3 Ti-6Al-4V 鈦合金磨削性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)磨粒工具的性能，使用普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊制備得到的磨粒工具進(jìn)行磨削對(duì)比試驗(yàn)，從磨削力和磨削溫度角度對(duì)磨粒工具的磨削性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。磨削力作為評(píng)價(jià)磨粒工具鋒利程度和工件磨削加工性能的重要參量，其數(shù)值的演變過(guò)程可以從側(cè)面反應(yīng)磨粒工具磨削過(guò)程中的狀態(tài)變化。磨削溫度則對(duì)被加工零件的表面質(zhì)量和磨粒工具的切削性能有很大的影響[20]。

2.3.1 磨削力

磨削參數(shù)對(duì)磨粒工具磨削力的影響如圖11 所示。其中，圖11a 顯示了在進(jìn)給速度vw 為0.35 m/min、磨削深度ap 為0.03 mm 條件下，普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具磨削Ti-6Al-4V 鈦合金時(shí)，磨削力與磨削速度的關(guān)系。結(jié)果表明：采用這2 種磨粒工具磨削鈦合金時(shí)，法向磨削力和切向磨削力都隨著磨削速度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)磨削速度vs 從3.35 m/s 增加到10.05 m/s 時(shí)，普通釬焊磨粒工具磨削鈦合金的法向磨削力從16.1 N 下降到8.4 N，下降了47.8%；超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的法向磨削力從14.5 N 下降到7.0 N，下降了51.7%。對(duì)于切向磨削力來(lái)說(shuō)， 當(dāng)磨削速度vs為3.35 m/s 時(shí)，普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的切向磨削力分別為7.8 N 和7.0 N，當(dāng)磨削速度vs 為10.05 m/s 時(shí)，普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 磨粒工具的切向磨削力分別降至3.0 N 和2.3 N，分別下降了61.5% 和67.1%。分析可知，引起上述磨削力減小的原因是：提高磨削速度使得單顆CBN磨粒切厚減小，從而使得單顆磨粒去除材料的體積減少，磨粒受到的載荷相應(yīng)減小，因此磨削力減小。在相同的磨削用量條件下，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的法向力和切向力比普通釬焊磨粒工具分別降低了9.9%～17.8%和10.5%～26.4%。

圖11b 表示了2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時(shí)，磨削力隨磨削深度的變化情況。在磨削深度增大的過(guò)程中，法向磨削力和切向磨削力都逐漸增大。具體而言，在磨削速度v_s為6.70 m/s，進(jìn)給速度v_w 為0.35 m/min條件下，當(dāng)磨削深度a_p從0.01 mm 提高到0.05 mm 時(shí)，采用普通釬焊的磨粒工具，法向磨削力從5.9 N 增大至17.6 N，增大了198.3%；采用超聲振動(dòng)輔助釬焊的磨粒工具，法向磨削力從4.8 N 增大至15.2 N，增大了216.7%。對(duì)于切向磨削力而言，采用普通釬焊的磨粒工具，切向磨削力從2.5 N 增大加至8.6 N，增大了244%；采用超聲振動(dòng)輔助釬焊的磨粒工具，切向磨削力從2.0 N 增大至7.6 N，增大了280%。這是由于磨削深度的提高，一方面，使得單顆CBN 磨粒的切厚增大，磨粒受到的載荷相應(yīng)增大，從而使得磨削力增大。另一方面，隨著磨削深度的增加，磨粒工具與工件接觸的磨削弧長(zhǎng)加大，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)量增加，因此磨削力增大。在相同的磨削用量條件下，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時(shí)，工具的超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削力低于普通釬焊。具體而言，相比于普通釬焊CBN 工具，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的法向力和切向力分別降低了11.5%～19.6% 和12.3%～22.3%。

圖11c 顯示了在磨削速度vs 為6.7 m/s、磨削深度ap 為0.03 mm 條件下，磨粒工具磨削鈦合金的磨削力與進(jìn)給速度的關(guān)系。由圖11c 可以看出： 2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的法向力和切向力都隨著進(jìn)給速度的增加而逐漸增大。當(dāng)進(jìn)給速度v_w為0.15 m/min 時(shí)，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為6.5 N 和2.9 N，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為5.3 N 和2.2 N。當(dāng)進(jìn)給速度vw 增加到0.55 m/min 時(shí)，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為10.9 N 和6.0 N，分別增大了67.7% 和106.9%；超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為10.3 N 和5.2 N，分別增大了94.3% 和136.4%。這種現(xiàn)象可以歸因于：隨著進(jìn)給速度的提高，單顆CBN 磨粒切厚增大，成屑所需的變形力增大，從而使得磨削力增大。在相同的磨削用量條件下，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的法向力和切向力比普通釬焊分別降低了4.1%～ 18.1% 和8.3%～23.7%。

2.3.2 磨削溫度

圖12a 顯示了在進(jìn)給速度v_w為0.35 m/min、磨削深度a_p為0.03 mm 條件下，普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具磨削Ti-6Al-4V 鈦合金時(shí)，磨削溫度與磨削速度的關(guān)系。與磨削力的變化不同，隨著磨削速度增加，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度顯著增加。當(dāng)磨削速度v_s從3.35 m/s 增加到10.05 m/s 時(shí)，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的磨削溫度從40.3 ℃升至66.7 ℃，升高了65.5%；超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度從37.9 ℃ 升至56.5 ℃， 升高了49.1%。這是因?yàn)樘岣吣ハ魉俣葴p小了單顆CBN 磨粒的切厚，所以去除材料所需的磨削比能增大，同時(shí)，磨削速度的提高使得磨粒工具氣障作用明顯，這削弱了冷卻液的作用，使得大部分熱量來(lái)不及被冷卻液帶走，就傳入了導(dǎo)熱率較小的鈦合金，因此磨削溫度隨著磨削速度的增加而上升。在相同的磨削用量條件下，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度比普通釬焊磨粒工具的降低了6.1%～17.9%。

圖12b 表示了2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時(shí)，磨削溫度隨磨削深度的變化情況。隨著磨削深度的增加，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度逐漸增加。當(dāng)磨削深度a_p從0.01 mm 增大到0.05 mm 時(shí)，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的溫度從37.5 ℃ 升至62.9 ℃，升高了67.7%；超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度從32.4 ℃ 升至56.5 ℃，升高了74.4%。這是由于增大磨削深度使得材料去除率增大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的磨削熱也相應(yīng)增大，因此，磨削溫度上升。在相同的磨削用量條件下，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時(shí)，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度低于普通釬焊工具的。具體而言，相比于普通釬焊CBN 工具，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度降低了10.3%～14.5%。

圖12c 顯示了在磨削速度v_s為6.7 m/s、磨削深度ap 為0.03 mm 條件下，磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度與進(jìn)給速度的關(guān)系。隨著進(jìn)給速度的增加，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度逐漸升高。當(dāng)進(jìn)給速度v_w為0.15 m/min 時(shí)，普通釬焊CBN 工具和超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的磨削溫度分別為42.8 ℃ 和37.7 ℃，當(dāng)進(jìn)給速度v_w為0.55 m/min 時(shí)， 2種磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度分別升至58.0 ℃和54.9 ℃，分別升高了35.5% 和45.6%。這是因?yàn)樘岣哌M(jìn)給速度使得材料去除率增大，同時(shí)磨削溫度會(huì)上升。在相同的磨削用量條件下，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度比普通釬焊降低了5.3%～11.8%。

綜上所述，通過(guò)分析2 種CBN 磨粒工具磨削用量對(duì)磨削力和磨削溫度的影響規(guī)律可知，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 指狀磨具在降低磨削力和磨削溫度方面更具優(yōu)勢(shì)，其磨削力和磨削溫度均小于普通釬焊CBN 指狀磨具的，這種現(xiàn)象的發(fā)生一方面與磨粒工具的地貌有關(guān)，另一方面與磨粒的把持力有關(guān)。

對(duì)于2 種CBN 磨粒工具各統(tǒng)計(jì)50 顆磨粒的出露高度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13 所示，結(jié)果表明普通釬焊磨粒出露高度主要集中在180～240 μm 范圍內(nèi)（圖13a），計(jì)算得到其平均出露高度為207.4 μm；而超聲振動(dòng)輔助釬焊磨粒出露高度主要集中在210～270 μm 范圍內(nèi)（圖13b），其磨粒的平均出露高度為239.6 μm，超聲振動(dòng)輔助釬焊得到的磨粒出露高度比普通釬焊的高出15.6%。這是因?yàn)樵谀チ９ぞ吒袘?yīng)釬焊過(guò)程中，超聲的振蕩作用是沿著工具的軸向作用于液態(tài)釬料的，這將導(dǎo)致液態(tài)釬料合金對(duì)磨粒的爬升作用減弱，表現(xiàn)為釬料層更加平整均勻，同時(shí)磨粒的出露高度更高。

圖14 是2 種釬焊磨粒工具地貌的示意圖。對(duì)于普通釬焊磨粒工具（圖14a），其釬料層鋪展很不均勻，還有部分工具基體沒(méi)有被釬料覆蓋，出現(xiàn)基體出露的現(xiàn)象。這是由于釬料金屬粉末在被布到工具基體上時(shí)厚薄不一，甚至部分區(qū)域沒(méi)有釬料，此外，部分磨粒被釬料合金包裹，無(wú)法露出切削刃或只能露出一小部分切削刃，磨粒的出露高度較低。這是因?yàn)樵诟袘?yīng)釬焊過(guò)程中，化學(xué)冶金反應(yīng)非常劇烈，液態(tài)釬料呈現(xiàn)出沸騰狀態(tài)，因此對(duì)磨粒的爬升比較劇烈，這影響了磨粒的加工性能。在磨削時(shí)，隨著出露高度高的磨粒被磨耗，被釬料合金包裹的磨粒逐漸參與加工，此時(shí)釬料合金與工件會(huì)發(fā)生摩擦，這會(huì)導(dǎo)致磨削力和磨削溫度增加，同時(shí)還會(huì)惡化工件表面加工質(zhì)量。

對(duì)于超聲振動(dòng)輔助釬焊磨粒工具而言（圖14b），釬料層鋪展更均勻，CBN 磨粒的出露高度更高，出露也比較均勻。這是由于在超聲振蕩作用下，液體釬料在向磨粒爬升的同時(shí)被來(lái)回振動(dòng)，這就導(dǎo)致釬料層鋪展得更加均勻，厚度基本保持一致，液態(tài)釬料對(duì)磨粒的爬升也得到一定的控制，磨?？梢猿雎陡?。這使得在磨削加工過(guò)程中，磨粒工具鋒利度增加，參與材料去除的有效磨粒數(shù)更多。此外，由磨粒剪切試驗(yàn)可知，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 磨粒工具釬料合金對(duì)CBN 磨粒的把持力更大，在磨削過(guò)程中磨粒不易脫落，工具磨損比普通釬焊工具的更慢，這也會(huì)使得磨削力降低。磨粒工具的容屑能力將直接影響磨削溫度的變化，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 磨粒工具由于磨粒出露高度高，容屑空間大，所以不易發(fā)生堵塞和黏附，大的容屑空間同時(shí)有利于冷卻液的進(jìn)入，這有利于降低磨削溫度。因此，在鈦合金的磨削過(guò)程中，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 磨粒工具在降低磨削溫度方面同樣具有優(yōu)勢(shì)。

2.4 釬焊CBN 磨粒工具表面磨粒磨損形貌

磨粒工具的磨損直接影響磨削力、磨削溫度和工件表面加工質(zhì)量。圖15 是在材料去除體積為392 mm³時(shí)，普通釬焊和超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 磨粒工具的磨粒磨損形貌。從圖15 中可以看出：普通釬焊CBN 工具的主要磨損形式表現(xiàn)為磨耗、微破碎以及大塊破碎，而超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的主要磨損形式表現(xiàn)為磨耗、微破碎，沒(méi)有磨粒大塊破碎現(xiàn)象發(fā)生。因此，在相同材料去除體積下，普通釬焊CBN 工具比超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨損更加嚴(yán)重。這是由于超聲振動(dòng)輔助釬焊方法使得釬料層更加平整，磨粒出露高度高、出露得更加均勻，參與磨削的有效磨粒數(shù)更多，每顆磨粒受到的載荷減小，磨粒大塊破碎減少，所以超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具比普通磨粒工具更晚進(jìn)入快速磨損階段。因此，相比于普通釬焊CBN 工具，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具顯示出更強(qiáng)的耐磨能力和更長(zhǎng)的使用壽命。

3 結(jié)論

提出了用超聲振動(dòng)輔助釬焊方法制備CBN 超硬磨粒工具，從微觀形貌和力學(xué)性能2 方面對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并通過(guò)與普通釬焊CBN 工具的磨削對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨削性能優(yōu)勢(shì)。結(jié)論如下：

（1）相比于普通釬焊CBN 工具，采用超聲振動(dòng)輔助釬焊方法制備的工具釬料合金分布更均勻，釬料合金內(nèi)部氣孔的尺寸更小，相同面積上的氣孔數(shù)量減少了75%。

（2）超聲振動(dòng)輔助釬焊釬料合金對(duì)磨粒的把持力比普通釬焊更大，單顆CBN 磨粒的剪切力最大值提高了27.7%。

（3）與普通釬焊CBN 工具相比，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具磨削Ti-6Al-4V 鈦合金的磨削力和磨削溫度明顯降低，法向磨削力降低了19.6%～4.1%，切向磨削力降低了26.4%～8.3%，磨削溫度降低了17.9%～5.3%。

（4）與普通釬焊CBN 工具對(duì)比，在相同材料去除體積下，超聲振動(dòng)輔助釬焊CBN 工具的磨損程度降低，磨粒大塊破碎現(xiàn)象明顯減少，顯示出更強(qiáng)的耐磨性與更長(zhǎng)的使用壽命。

作者簡(jiǎn)介

蔡開達(dá)，男，1997 年生，碩士研究生。主要研究方向：高效精密加工技術(shù)。

E-mail：caikaida@nuaa.edu.cn

通信作者： 趙彪，男，1991 年生，博士，講師、碩導(dǎo)。主要研究方向：高效精密加工技術(shù)。

E-mail：zhaobiao@nuaa.edu.cn

（編輯：張貝貝）