基于開(kāi)放孔隙的釬焊CBN多孔砂輪研制與磨削加工性能

丁文鋒， 傅玉燦， 趙 彪， 龍偉民， 鐘素娟， 宋曉國(guó)， 賈連輝

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016) (2. 中機(jī)智能裝備創(chuàng)新研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315700) (3. 鄭州機(jī)械研究所有限公司， 鄭州 450001) (4. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001) (5. 中鐵工程裝備有限公司， 鄭州 4500016)

鈦合金具有強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定好、化學(xué)活性強(qiáng)以及耐腐蝕性好等優(yōu)良特性，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。然而，鈦合金加工過(guò)程中存在磨削熱多、易黏附、工具磨損嚴(yán)重、工件表面易燒傷等問(wèn)題，對(duì)工具提出了很高的要求[2]。CBN超硬磨料砂輪憑借自身高強(qiáng)韌性，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及高鋒利度，在難加工材料磨削加工方面得到廣泛關(guān)注[3]。然而，由于CBN磨粒屬于各向異性晶體結(jié)構(gòu)，其磨削過(guò)程中產(chǎn)生的解理破壞和大塊破碎嚴(yán)重影響砂輪整體的加工效率和使用壽命[4]。為達(dá)到效率高、耐磨性好以及加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的目的，延長(zhǎng)磨削工具穩(wěn)定磨損時(shí)間的同時(shí)避免磨?？焖偈Р攀顷P(guān)鍵。因此，研制一種新型的耐磨性好、壽命長(zhǎng)、自銳能力優(yōu)異的CBN超硬磨料砂輪，顯得至關(guān)重要。

另外，由于單層CBN砂輪磨鈍后不易修整，且修整后由于部分磨粒受力發(fā)生大塊破碎，嚴(yán)重影響砂輪壽命[5]。除此之外，由于鈦合金磨削過(guò)程中呈現(xiàn)磨削熱多、易堵塞以及工件表面易燒傷等特點(diǎn)，對(duì)磨削工具的性能又提出很高的要求。SU等[6]發(fā)現(xiàn)采用造孔劑制備砂輪工作層，可以顯著增大砂輪容屑空間，進(jìn)而提升金屬結(jié)合劑砂輪的磨削性能。多孔金屬結(jié)合劑CBN超硬磨料砂輪雖然兼具高孔隙率和高強(qiáng)度等特點(diǎn)，但由于其多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(尺寸、分布等)不可控，導(dǎo)致整體砂輪的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[7]。

目前，學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)主要集中在多孔金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能中[8]。多孔材料的制備工藝主要包括相分離、嵌入空心球和增材制造等技術(shù)[9-10]。周易等[11]認(rèn)為多孔金屬材料的彎曲強(qiáng)度及彈性模量可以通過(guò)改變孔隙率和孔隙排布實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。AMIGO等[12]發(fā)現(xiàn)采用小尺寸的碳酸氫銨顆粒作為造孔劑，多孔TiCP3材料能夠獲得更高的機(jī)械性能，但不規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致多孔材料的強(qiáng)度無(wú)法進(jìn)一步提升。DING等[13-14]借鑒單層磨料釬焊技術(shù)，利用磨料與金屬結(jié)合劑的化學(xué)結(jié)合，有效地提升了磨料把持強(qiáng)度。同時(shí)，采用空心陶瓷球顆粒作為造孔劑引入金屬結(jié)合劑中，能夠形成較大容屑空間以解決砂輪容屑空間不足等問(wèn)題。采用空心陶瓷球制備的多孔結(jié)構(gòu)屬于閉孔結(jié)構(gòu)，切削液難以進(jìn)入磨削弧區(qū)內(nèi)，嚴(yán)重限制砂輪使用壽命和工件加工表面質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

本研究從低成本和易操作的角度，選擇易溶于水的球狀尿素顆粒作為造孔劑，結(jié)合高溫液相釬焊技術(shù)，制備出集高孔隙率、高強(qiáng)度、開(kāi)放孔隙結(jié)構(gòu)、良好自銳性能于一體的CBN多孔砂輪。探究該砂輪的制備工藝，分析磨削用量參數(shù)對(duì)鈦合金加工性能的影響規(guī)律，并揭示其自銳性能及其對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。

1 砂輪制備方法與試驗(yàn)裝置

1.1 多孔CBN砂輪工作層節(jié)塊的制備

如圖1所示，采用Cu-Sn-Ti合金粉末(包含球狀的Cu-Sn合金和不規(guī)則Ti顆粒)、層狀二硫化鉬顆粒、CBN磨粒和球狀尿素顆粒制備多孔CBN砂輪工作層節(jié)塊。

圖1 制備釬焊CBN多孔工作層節(jié)塊原料

為獲取機(jī)械性能最優(yōu)的工作層節(jié)塊，采用4種尺寸(分別為0.2～0.4 mm，0.4～0.6 mm，0.6～0.8 mm和0.8～1.0 mm)和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素顆粒(分別為30%，40%，50%和60%)制備多孔CBN砂輪工作層節(jié)塊。如圖2所示：將合金粉末和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的二硫化鉬顆粒經(jīng)行星球磨機(jī)充分混合制成釬料；將均勻混合好的釬料、CBN磨粒和尿素顆粒按照一定的比例混合均勻，再經(jīng)粉末壓片機(jī)冷壓成型(200 MPa, 30 s)后制備出30 mm×8 mm×6 mm的節(jié)塊。

圖2 釬焊CBN多孔工作層節(jié)塊制備流程示意圖

將上述成型節(jié)塊置于蒸餾水中，通過(guò)水溶法去除節(jié)塊內(nèi)部的尿素顆粒，形成多孔結(jié)構(gòu)，烘干備用。前期研究[15]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溶時(shí)間為240 min時(shí)，可以去除超過(guò)92%尿素顆粒，而且此時(shí)節(jié)塊的彎曲強(qiáng)度最高。最后，對(duì)多孔節(jié)塊進(jìn)行高溫加熱，工藝條件是880 ℃，保溫30 min，節(jié)塊內(nèi)組元之間發(fā)生釬焊界面反映。

1.2 試驗(yàn)裝置

為方便砂輪的制備，將砂輪工作層均勻分為32個(gè)弧形片狀節(jié)塊。對(duì)砂輪基體弧面進(jìn)行噴砂粗化處理，以增大基體弧面與工作層節(jié)塊間粗糙度，保證黏結(jié)強(qiáng)度。采用熱固性樹(shù)脂膠將工作層節(jié)塊黏結(jié)在砂輪基體外弧面，并將其置于150 ℃的環(huán)境中保溫90 min。對(duì)砂輪的外端面和外弧面進(jìn)行修整，使用噴砂修銳的方法對(duì)釬焊CBN多孔砂輪進(jìn)行修銳處理，如圖3所示。

圖3 釬焊CBN多孔砂輪

本次磨削加工試驗(yàn)采用型號(hào)為BLOHM PROFIMAT 408的高速平面磨床，如圖4所示，該機(jī)床配有優(yōu)異的冷卻系統(tǒng)和高速精密電主軸能夠完成鈦合金材料的高速磨削加工試驗(yàn)。

圖4 磨削試驗(yàn)裝置

使用Kistler 9272測(cè)力儀和Mahr粗糙度儀完成磨削力和表面粗糙度的檢測(cè)，磨削方式為順磨，磨削參數(shù)見(jiàn)表1，鈦合金元素組成參考文獻(xiàn)[16]。

表 1 磨削參數(shù)

1.3 彎曲強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)特征

依據(jù)《ASTM B528-12》金屬材料三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)節(jié)塊彎曲強(qiáng)度，并以彎曲強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化出最優(yōu)的孔隙尺寸和孔隙率。隨后，將該節(jié)塊進(jìn)行超聲清洗30 min，烘干備用，利用掃描電鏡獲取斷面微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彎曲強(qiáng)度和微觀形貌

彎曲強(qiáng)度是評(píng)價(jià)金屬黏結(jié)劑與磨粒黏結(jié)強(qiáng)度的重要參數(shù)。根據(jù)前期研究，釬焊CBN多孔節(jié)塊強(qiáng)度需要超過(guò)50 MPa才能滿足高速磨削工藝對(duì)砂輪工作層節(jié)塊的強(qiáng)度要求。圖5顯示了孔隙尺寸和孔隙率對(duì)多孔節(jié)塊彎曲強(qiáng)度的影響。

(a)孔隙尺寸 Pore size(b)孔隙率 Porosity圖5 彎曲強(qiáng)度隨孔隙尺寸和孔隙率的變化 Fig. 5 Effect of pore size and designed porosity on flexural strength of porous samples

由圖5可知：當(dāng)孔隙率為40%時(shí)，彎曲強(qiáng)度隨孔隙尺寸的增大，由65.6 MPa急劇下降至34.2 MPa，降幅為47.9%。這是因?yàn)榻饘俨牧蟽?nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)相當(dāng)于是裂紋初始源，導(dǎo)致材料強(qiáng)度快速下降。而隨著孔隙率從30%增大至60%，材料的彎曲強(qiáng)度從69.2 MPa降至29.2 MPa，降幅為57.8%，呈直線下降的趨勢(shì)?？紤]到工作層節(jié)塊的彎曲強(qiáng)度和容屑空間，確定孔隙尺寸為0.6～0.8 mm以及孔隙率為40%。

圖6為釬焊CBN多孔節(jié)塊斷面SEM微觀結(jié)構(gòu)圖。由水溶法得到的多孔結(jié)構(gòu)以及CBN磨粒能夠清楚地被觀察到。由于采用的均為近球狀的尿素顆粒，所以大部分的孔隙結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)近球狀，而且還能觀察到由于部分相鄰的尿素產(chǎn)生的貫穿孔。這些開(kāi)放孔隙結(jié)構(gòu)有利于提升砂輪的容屑空間及磨削液的滲透能力，進(jìn)而降低磨削弧區(qū)溫度，最終改善加工表面質(zhì)量。

圖6 工作層節(jié)塊斷面微觀結(jié)構(gòu)

2.2 磨削力與力比

圖7揭示磨削力和力比隨著工作臺(tái)進(jìn)給速度vw的變化規(guī)律。如圖7a所示：當(dāng)vs為30 m/s時(shí)，法向磨削力Fn隨vw增大快速增大，由34.8 N增至124.5 N，增幅達(dá)257.8%；而切向磨削力Ft增幅較為緩慢，由71.1 N增至85.5 N，增幅為20.3%。然而，當(dāng)vs為80 m/s時(shí)，F(xiàn)n和Ft呈現(xiàn)類似緩慢上升趨勢(shì)。顯然，高速磨削時(shí)，釬焊CBN多孔砂輪的磨削力更為穩(wěn)定，更適合于鈦合金的磨削加工。

(a)磨削力 Grinding force(b)磨削力比 Grinding force ratio圖7 磨削力與磨削力比隨vw的變化Fig. 7 Grinding force and force ratio versus vw under grinding speeds

由圖7b可知，磨削力比隨vw的增大呈現(xiàn)直線下降的趨勢(shì)。當(dāng)vs為30 m/s時(shí)，磨削力比由2.00降至0.69，降幅為65.5% ；當(dāng)vs為80 m/s時(shí)，磨削力比由2.04降至1.42，降幅僅為30.4%。由此可見(jiàn)，高速時(shí)釬焊CBN多孔砂輪擁有更穩(wěn)定的砂輪鋒利度，且能夠保持砂輪型面穩(wěn)定性，有利于提升砂輪使用壽命，改善加工表面質(zhì)量。

2.3 砂輪磨損特征及加工表面粗糙度

選擇恒定磨削用量：vs= 80 m/s、vw= 3 m/min、ap= 0.1 mm，展開(kāi)釬焊CBN多孔砂輪磨損試驗(yàn)研究，且每增加4 000 mm3的材料去除體積就進(jìn)行表面粗糙度和磨削力的分析，并且拆下砂輪對(duì)其表面形貌進(jìn)行觀察。圖8顯示磨削力與力比隨累計(jì)材料去除體積Vw的變化規(guī)律。當(dāng)Vw由4 000 mm3增至8 000 mm3時(shí)，F(xiàn)n和Ft呈明顯上升的趨勢(shì)，這是砂輪在初期磨損階段時(shí)，磨粒出露高度不一致，出露較高的磨刃承擔(dān)主要的材料去除作用，承受較大的切向力，磨粒頂端會(huì)出現(xiàn)磨耗平臺(tái)，并且磨耗平臺(tái)會(huì)隨著磨損進(jìn)程不斷增大，磨削力隨之增大。隨后，砂輪表面動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)趨于穩(wěn)定，磨削力也較為平穩(wěn)。在整體砂輪磨損過(guò)程中，磨削力比一直保持在2.54～3.23范圍內(nèi)，證明該釬焊CBN多孔砂輪始終保持較高的鋒利度。

圖8 磨削力與磨削力比隨Vw的變化

圖9為砂輪表面形貌隨Vw變化的演變規(guī)律。磨粒隨Vw的增大，呈現(xiàn)磨耗磨損、微破碎、大塊破碎甚至是拔出的形貌演變規(guī)律。很顯然，孔隙結(jié)構(gòu)和磨粒的不斷顯露和消除有利于保證釬焊CBN多孔砂輪的自銳性能，延長(zhǎng)砂輪使用壽命，改善加工表面質(zhì)量。

(a) 原始形貌 Original morphology(b) 8 000 mm3(c) 16 000 mm3(d) 24 000 mm3圖9 釬焊CBN多孔砂輪磨損表面形貌Fig. 9 Wear morphologies on the surface of brazed CBN porous abrasive wheels

圖10為表面粗糙度Ra隨Vw的變化。如圖10所示，當(dāng)Vw從0增大至12 000 mm3時(shí)，Ra由1.85 μm快速降低至0.68 μm，降幅63.2%，隨后趨于穩(wěn)定，在0.65 μm上下浮動(dòng)。釬焊CBN多孔砂輪通過(guò)磨粒微破碎與孔隙形成的容屑空間，實(shí)現(xiàn)砂輪表面磨粒鋒利度和容屑空間的動(dòng)態(tài)平衡，砂輪的自銳能力、磨削性能和使用壽命顯著提升。

圖10 表面粗糙度隨Vw的變化

3 結(jié)論

利用冷壓成型和高溫釬焊技術(shù)，成功研制了集高孔隙率、高強(qiáng)度、開(kāi)放孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)良自銳性能于一體的釬焊CBN多孔超硬磨料砂輪，完成了開(kāi)放孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和砂輪制備，開(kāi)展鈦合金磨削加工性能和磨損試驗(yàn)研究，分析磨削用量參數(shù)對(duì)鈦合金加工性能的影響規(guī)律。得出以下結(jié)論：

(1)綜合評(píng)價(jià)孔隙尺寸和孔隙率對(duì)多孔砂輪工作層節(jié)塊的彎曲強(qiáng)度和容屑空間的影響，孔隙尺寸和孔隙率分別優(yōu)化為0.6～0.8 mm和40%。

(2)相比于vs=30 m/s，多孔砂輪在vs=80 m/s時(shí)，呈現(xiàn)更小磨削力以及更穩(wěn)定的磨削力比。

(3)由于多孔砂輪表面存在磨粒和多孔結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡，有效提升了砂輪的自銳性能和使用壽命。

(4)在磨損加工試驗(yàn)中，當(dāng)Vw增大至12 000 mm3時(shí)，Ra由1.85 μm快速下降至0.68 μm，隨后逐漸保持穩(wěn)定。