成型助劑添加方式對(duì)陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪性能的影響*

王志起， 楊 威, 2， 李鶴南， 穆龍閣， 劉 賓， 席耀輝

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001) (2. 超硬材料磨具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001)

陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪具有鋒利度好、磨削精度高、磨削溫度低、耐用度高、形狀保持性好及耐酸耐堿等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于汽車(chē)、制冷、軸承、機(jī)床等行業(yè)的孔類(lèi)加工中[1-3]。陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪大多是高徑比大的制品，如何實(shí)現(xiàn)砂輪的均勻成型成為研究的重點(diǎn)。機(jī)壓成型時(shí)常采用增加墊鐵和投料次數(shù)的方法來(lái)補(bǔ)償壓制過(guò)程中的壓力傳遞衰減，雖然能提高其成品率，但也只能略微改善砂輪密度的梯度分布，砂輪仍然存在明顯的軟硬差異。李青等[4]研究了等靜壓成型工藝對(duì)陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具性能的影響，表明采用等靜壓成型可顯著提升砂輪的密度和組織均勻性，但該工藝操作復(fù)雜、效率低下，且成型砂輪的廢品率較高。肖冰[5]提出了用“過(guò)氧化氫+穩(wěn)定劑”來(lái)澆注大氣孔陶瓷砂輪的新工藝，并對(duì)影響工藝性能的過(guò)氧化氫、發(fā)泡穩(wěn)定劑、料漿穩(wěn)定劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與探討，按照該工藝澆注的大氣孔砂輪的氣孔率、氣孔形狀、組織均勻性、砂輪強(qiáng)度等指標(biāo)以及磨削使用結(jié)果均優(yōu)于壓制成型大氣孔陶瓷砂輪的，但該工藝對(duì)粗粒度砂輪的適用性還需進(jìn)一步研究。

高分子成型助劑一般用在陶瓷擠出成型、凝膠注模、流延成型等方面，用來(lái)提高成型料的流動(dòng)性和可塑性[6-8]。因此，研究在常規(guī)模壓成型工藝下，高分子成型助劑的不同添加方式對(duì)陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪抗折強(qiáng)度、組織均勻性、顯微結(jié)構(gòu)及磨削性能的影響，可為該工藝在超硬砂輪均勻成型應(yīng)用方面提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及過(guò)程

將顆粒尺寸75～90 μm(粒度代號(hào)170/200)的CBN磨料與陶瓷結(jié)合劑按質(zhì)量比8∶2混合，后添加適量糊精液混合均勻，再將自制的一定量高分子成型助劑(石蠟∶微晶石蠟∶硬脂酸質(zhì)量比=6∶3∶1)以顆粒(尺寸100～150 μm)和熔融2種方式加入并混合均勻，結(jié)合未添加高分子成型助劑的CBN試樣，得到3種配方的樣品，依次用1#(未添加成型助劑)、2#(顆粒添加成型助劑)、3#(熔融添加成型助劑)表示。實(shí)驗(yàn)用陶瓷結(jié)合劑化學(xué)成分如表1所示。

稱取混合均勻的成型料在35 MPa的壓力下，分別壓制成50 mm×5 mm×6 mm的抗折條和1A8 20×41×14的內(nèi)圓磨砂輪，以100 ℃/h的速率升溫到850 ℃，保溫2 h。燒成后用三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)對(duì)試條進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試；沿內(nèi)圓磨砂輪軸向分別標(biāo)出上、中1、中2和下部分，然后用金剛石帶鋸切割成4段，在磨床上磨至同一高度，用分度值0.02 mm的游標(biāo)卡尺分別測(cè)量砂輪段的孔徑、外徑和高度，再用分度值0.01 g的電子天平稱量各段質(zhì)量，計(jì)算各段外徑尺寸極差率(尺寸極差與理論外徑的比值)和密度極差率(密度極差與理論設(shè)計(jì)密度比值)；采用FEI公司的Inspect S50掃描電子顯微鏡觀察不同添加方式成型料制作的內(nèi)圓磨砂輪密度最大處和最小處的斷口形貌；用3種配方的砂輪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)磨削實(shí)驗(yàn)，考察砂輪的實(shí)際使用性能。

表1 陶瓷結(jié)合劑化學(xué)成分Table 1 Composition of vitrified bond

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 添加方式對(duì)砂輪成型料均勻性的影響

陶瓷CBN砂輪成型料一般由CBN磨料、填料、陶瓷結(jié)合劑、助劑、潤(rùn)濕劑等組成，合格的成型料是陶瓷結(jié)合劑均勻包裹CBN磨料和填料表面，混合料均勻，結(jié)合劑和磨料沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。通常在外部條件基本一致的情況下，混合料本身的性質(zhì)決定混合料的均勻程度，這些性質(zhì)包括物料的粒度和粒度分布、密度(或比重)、粒子形狀、粒子的表面特性、流動(dòng)能力、抗結(jié)團(tuán)能力等，其中粒度、粒度分布和密度最主要[9]。

本實(shí)驗(yàn)采用高分子材料為成型助劑，添加的高分子物質(zhì)密度較低，只有正常CBN成型料密度的1/3左右，如何將其在成型料中分散均勻尤為重要。以不同添加方式配成的混合料如圖1所示。

(a) 1#(b) 2#(c) 3#圖1 不同成型料的微觀照片對(duì)比Fig. 1 Comparison of microscopic photos of different mixtures

圖1a中的1#成型料未添加成型助劑，松散性較差，呈濕坨狀分布；圖1b中的高分子添加劑以顆粒形式加入，2#成型料中分布均勻性不好，同時(shí)由于高分子助劑密度較小，混料時(shí)所添加的潤(rùn)濕劑不能有效將高分子助劑與CBN磨料充分黏合在一起，造成高分子添加劑聚集和分散不均勻；圖1c中的添加劑以熔融形式加入，冷卻后其在CBN磨料表面形成均勻包裹，3#成型料經(jīng)過(guò)篩后其松散性和均勻性均較好。

2.2 添加方式對(duì)試條抗折強(qiáng)度的影響

對(duì)采用3種不同配方制作的CBN試條按照自左向右的順序依次進(jìn)行6個(gè)點(diǎn)的抗折強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

(a) 1#(b) 2#(c) 3#圖2 添加方式對(duì)樣品抗折強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of adding mode on bending strength of samples

從圖2可以看出：1#、2#、3#試條的抗折強(qiáng)度6次結(jié)果平均值分別為72.78、72.41和73.68 MPa，彼此相差不大；但6個(gè)測(cè)點(diǎn)的極差值卻相差很大，其中以熔融形式加入的3#試樣的極差值最小，為6.4 MPa。極差值越小說(shuō)明3#試條內(nèi)部各點(diǎn)的組織越均勻。原因是：圖1中的成型料存在均勻性差異；另外，在投料和刮料過(guò)程中由于料的拱橋和堆積現(xiàn)象，使分散料存在一定程度的不均勻性；再者，熔融加入高分子助劑的成型料表層均勻包裹了一層高分子材料，高分子材料冷卻后呈固態(tài)，使單個(gè)磨料或磨料團(tuán)分散開(kāi)來(lái)，料的松散性和流動(dòng)性明顯改善，使投料和壓制過(guò)程中的料更容易達(dá)到均勻分布，因而砂輪燒成后組織更均勻，抗折強(qiáng)度極差值最小。

2.3 添加方式對(duì)砂輪組織均勻性的影響

圖3為不同配方的高徑比為13的陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪燒成后照片，燒成后的砂輪按照?qǐng)D4的標(biāo)識(shí)切割成4段，得到砂輪的均勻性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從圖3a可以明顯看出：未添加成型助劑的1#砂輪上中下顏色深淺不一，中間顏色最淺，下部顏色最深，上部居中。結(jié)合表2的測(cè)量數(shù)據(jù)可知：1#砂輪上、中、下部分的外徑和密度分布不均勻，其中顏色最深的下部外徑和密度最大，中間部分外徑和密度最小，最大處和最小處的尺寸極差率和密度極差率分別為0.54%和5.56%。

圖3 不同陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪照片F(xiàn)ig. 3 Photos of different ceramic CBN internal grinding wheels

圖4 砂輪分段示意圖Fig .4 Segmentation of grinding wheel

從表2中可看出：添加高分子成型助劑后的2個(gè)配方2#和3#砂輪的均勻性較常規(guī)冷壓1#的均有所提升。其中，以熔融形式加入的3#砂輪(圖3c)上中下顏色一致性最好，表2中的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示其尺寸極差值為0.04 mm，密度極差值為0.026 g/cm3，尺寸極差率和密度極差率也僅為0.18%和1.16%，進(jìn)一步驗(yàn)證該砂輪組織均勻性最好。

分析原因，是常規(guī)冷壓成型時(shí)由于粉末顆粒間存在內(nèi)摩擦，粉末顆粒與壓模壁間存在外摩擦，壓力在壓制過(guò)程中傳遞損失較大，引起壓坯密度分布不均勻，離施壓模具壓頭較近部分的密度較高，較遠(yuǎn)部分的密度較低。本實(shí)驗(yàn)雖采用雙向加壓方式成型，可部分改善壓坯的密度梯度分布，但作用不大，壓坯仍是兩頭密度大、中間密度小。添加高分子助劑后，由于壓力作用成型料會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，壓力傳遞由原來(lái)的硬性接觸傳遞變成半塑性傳遞，可明顯降低傳遞過(guò)程的壓力衰減；同時(shí)，高分子成型助劑使粉末顆粒間的內(nèi)摩擦和粉末顆粒與壓模壁間的外摩擦不同程度減小，有效改善砂輪組織的均勻性。況且，以熔融形式加入的高分子助劑使成型料分布均勻，對(duì)其潤(rùn)滑和流動(dòng)性提升效果更好；而以顆粒形式加入時(shí)，高分子在成型料中分布不夠均勻，潤(rùn)滑和減磨作用較小，對(duì)成型料的均勻性提升效果有限。

表2 砂輪均勻性測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of grinding wheel uniformity

2.4 添加方式對(duì)砂輪顯微結(jié)構(gòu)的影響

為了進(jìn)一步觀察不同添加方式對(duì)砂輪內(nèi)部組織形貌的影響，對(duì)圖3的內(nèi)圓磨砂輪斷面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。

圖5a、圖5b顯示：1#砂輪密度最大和最小處的斷口形貌差異明顯，密度最小處的砂輪組織疏松，氣孔較多，結(jié)合劑橋連接不完整；密度最大處的砂輪組織致密，結(jié)合劑與磨料形成的團(tuán)聚體和成型壓力傳遞不均造成的團(tuán)聚體使砂輪組織致密，氣孔較少且大小不一，結(jié)合劑橋完全相交成整體。這些都是導(dǎo)致砂輪強(qiáng)度和密度分布不均的原因。

圖5c、圖5d顯示：當(dāng)以顆粒狀加入高分子成型助劑時(shí)，2#砂輪的組織均勻性明顯提升，密度最小處和最大處的顯微形貌差異較1#砂輪的已有所改善，密度最小處橋連接趨于完整，密度最大處氣孔分布明顯改善。由圖5e、圖5f可知：當(dāng)以熔融形式加入高分子成型助劑時(shí)，3#砂輪的顯微組織均勻性進(jìn)一步提升，密度最大處和最小處的結(jié)合劑橋粗細(xì)均勻、分布完整，氣孔大小較為一致，磨料顆粒分布均勻。這也解釋了添加成型助劑的砂輪抗折強(qiáng)度和組織密度均勻性較未添加時(shí)有所改善的原因。

(a) 1#砂輪密度最小處Minimum density of wheel 1#(b) 1#砂輪密度最大處Maximum density of wheel 1#(c) 2#砂輪密度最小處Minimum density of wheel 2#(d) 2#砂輪密度最大處Maximum density of wheel 2#(e) 3#砂輪密度最小處Minimum density of wheel 3#(f) 3#砂輪密度最大處Maximum density of wheel 3#圖5 不同CBN砂輪斷面形貌Fig. 5 Cross-sectional morphology of different CBN grinding wheel

2.5 添加方式對(duì)砂輪使用性能的影響

為了更直觀地比較不同添加方式砂輪間的差異，選用未添加高分子成型助劑、以顆粒形式加入、熔融加入3種方式制成的規(guī)格為1A1W 20×41×14×62×M6的陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪，分別標(biāo)號(hào)1#、2#、3#，磨削加工葉片泵定子表示。機(jī)床型號(hào)為T(mén)OYO-T-182PG內(nèi)孔曲線磨床，主軸最高轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，加工余量φ0.8 mm；砂輪用電鍍滾輪修整；定子加工要求為：直線度L≤2 μm，光潔度Rz≤2.5 μm。定子的實(shí)際磨削效果見(jiàn)表3，表3中的耐用度是指砂輪2次修整間隔所加工工件的數(shù)量，壽命是指單個(gè)砂輪總共能加工合格工件的數(shù)量。

表3 不同添加方式的內(nèi)圓磨砂輪磨削結(jié)果對(duì)比Table 3 Ground results of CBN internal grinding wheel with different addition mode

從表3中可以看出：3#砂輪的耐用度、使用壽命是3種砂輪中最高的，分別是1#砂輪的2倍，且被加工工件的直線度和粗糙度也明顯高于1#、2#砂輪的，也未出現(xiàn)喇叭口的情況。這是因?yàn)橐匀廴诜绞教砑痈叻肿又鷦┲苽涞奶沾蒀BN砂輪微觀和宏觀組織都比較均勻，當(dāng)砂輪內(nèi)部磨粒和結(jié)合劑橋分布均勻時(shí)，在磨削過(guò)程中其刃口尺寸一致性較好，所加工的工件粗糙度也較低；砂輪不同部位組織的一致性使砂輪的硬度偏差較小，因此加工的工件直線度較好，出現(xiàn)喇叭口的情況也會(huì)減少。

3 結(jié)論

(1)高分子添加劑以熔融方式添加時(shí)，其冷卻后在CBN磨料表面形成均勻包裹，使篩后成型料的松散性和流動(dòng)性明顯改善，在投料和壓制中砂輪組織更容易達(dá)到均勻。

(2)高分子成型助劑以顆粒添加和熔融方式添加時(shí)，制備的陶瓷CBN試條抗折強(qiáng)度極差值分別為16.1和6.4 MPa，較未添加助劑的試條的抗折強(qiáng)度分別降低了34.02%和73.77%；制備的陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪密度極差率分別為2.4%和1.16%，較未添加的砂輪降低了56.83%和79.14%，且砂輪組織結(jié)構(gòu)更均勻。

(3)采用熔融形式加入高分子添加劑制備的陶瓷CBN內(nèi)圓磨砂輪磨削葉片泵定子時(shí)未出現(xiàn)喇叭口，壽命達(dá)2 600～2 800件，耐用度為10～12件，分別較未添加高分子成型助劑的砂輪的壽命和耐用度提升了2倍，且加工工件的粗糙度和直線度也明顯改善。