強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪制備及磨削性能

石 瑩，王學(xué)智，于天彪，王宛山

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪以其優(yōu)越的磨削性能，被廣泛應(yīng)用于精密加工領(lǐng)域.CBN磨粒與普通磨粒相比，具有更高的耐磨性、導(dǎo)熱性及抗壓強(qiáng)度，同時(shí)陶瓷結(jié)合劑砂輪具有孔隙率可控、自修整性能好、加工效率高、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、磨削工件精度高等優(yōu)點(diǎn)[1-2].在制備陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的過程中，需要限制燒結(jié)溫度，這樣才能保證磨粒的完好性，這使得陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的強(qiáng)度要比普通的高溫陶瓷低一些，另外在結(jié)合劑把持CBN磨粒方面也要比電鍍和釬焊砂輪差一些，因此提高陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪強(qiáng)度一直是陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪研究的重要方面.

目前國內(nèi)外對(duì)砂輪制備研究主要集中在優(yōu)化結(jié)合劑配方、磨粒涂覆隔熱增韌、構(gòu)建特征化組織結(jié)構(gòu)三個(gè)方面.在結(jié)合劑配方優(yōu)化方面，多以添加金屬[3-5]、金屬氧化物[6]、稀土氧化物[7-8]、納米改性添加劑[9-12]為主，通過調(diào)節(jié)添加物的種類和含量來改善陶瓷結(jié)合劑的組織性能.在磨粒涂覆工藝方面，則是通過對(duì)磨粒進(jìn)行涂覆處理，促使涂覆層與結(jié)合劑形成良好的結(jié)合，進(jìn)而提高結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持強(qiáng)度.在砂輪組織結(jié)構(gòu)控制方面，一般通過添加成孔劑來調(diào)節(jié)砂輪氣孔的結(jié)構(gòu)及比率.在控制磨粒分布方面研究主要集中在磨粒的排布和均勻分布，其中對(duì)于磨粒排布的研究，目前主要是針對(duì)電鍍[13]和釬焊砂輪[14]開展，受陶瓷結(jié)合劑砂輪制備方法和工藝的限制，陶瓷結(jié)合劑砂輪中磨粒取向隨機(jī)，且容易出現(xiàn)磨粒聚集現(xiàn)象.

近年來，隨著低溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)磁場(chǎng)被應(yīng)用到材料科學(xué)領(lǐng)域.強(qiáng)磁場(chǎng)能夠改變?cè)雍头肿又g的排列、匹配、遷移等[15].目前采用強(qiáng)磁燒結(jié)技術(shù)來制備陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的相關(guān)研究比較少見，本文將強(qiáng)磁場(chǎng)燒結(jié)工藝引入陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪制備中，在磁場(chǎng)力的作用下，優(yōu)化磨粒取向，并借助強(qiáng)磁場(chǎng)來改善陶瓷結(jié)合劑對(duì)CBN磨粒的結(jié)合特性，提高砂輪的磨削性能.為了驗(yàn)證制備工藝的有效性，對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削力、磨削力比、磨削比能以及磨削后工件的表面形貌進(jìn)行了分析，并與普通砂輪的磨削性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果證實(shí)強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的綜合性能更佳.

1 強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪制備

1.1 磁場(chǎng)作用下自由磨粒取向

CBN磨粒屬于不導(dǎo)磁材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使在強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下CBN磨粒也難以被磁化，更難以表現(xiàn)出極性.為了改善磨粒的導(dǎo)磁性，鍍鎳CBN磨粒被引入，并對(duì)靜磁場(chǎng)下兩種CBN磨粒的取向和分布情況進(jìn)行了對(duì)比觀測(cè)，結(jié)果如圖1所示.

在磁場(chǎng)的作用下，鍍鎳CBN磨粒被磁化，并表現(xiàn)出極性，圖1b中鍍鎳CBN磨粒表現(xiàn)出明顯的取向，磨粒的長軸與磁場(chǎng)方向一致，并且磨粒首尾相連呈鏈?zhǔn)椒植?，這為制備取向優(yōu)良的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪提供了可能性.

圖1 磁場(chǎng)作用下兩種CBN磨粒的取向分布

1.2 磨粒擇優(yōu)取向的陶瓷CBN砂條壓制

自由磨粒在磁場(chǎng)的作用下，容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)和移動(dòng)，但在制備陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的過程中，磨粒需要與結(jié)合劑粉末進(jìn)行混合，然后再壓制成形.要實(shí)現(xiàn)磨粒取向的控制，最好能使CBN磨粒在成形前完成有效的移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，這就要求磨粒能夠在陶瓷結(jié)合劑粉末的束縛下實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和偏轉(zhuǎn).

為了實(shí)現(xiàn)磨粒取向的擇優(yōu)控制，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，施加恒定的磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過低時(shí)，在結(jié)合劑粉末的束縛下，磨粒很難實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)或者移動(dòng)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，磨粒會(huì)出現(xiàn)聚集，不能形成有效的鏈?zhǔn)椒植己腿∠驌駜?yōu).基于此，考慮通過施加交變磁場(chǎng)，使磨粒出現(xiàn)小幅的振動(dòng)，進(jìn)而在陶瓷結(jié)合束縛狀態(tài)下，使鍍鎳CBN磨粒偏轉(zhuǎn)和移動(dòng).為了驗(yàn)證交變磁場(chǎng)對(duì)磨粒取向控制的有效性，分別對(duì)松散狀態(tài)下的鍍鎳CBN磨粒取向分布以及壓制成形后的陶瓷CBN砂條的斷面進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示.

圖2顯示，陶瓷CBN砂條在壓制前后，磨粒均形成了良好的取向，磨粒的長軸與磁場(chǎng)方向一致.在控制磨粒取向的實(shí)驗(yàn)過程中，利用電壓控制器和電磁體產(chǎn)生了交變磁場(chǎng)，可通過調(diào)節(jié)控制器的旋鈕來改變供電電壓，當(dāng)控制器電壓過小時(shí)，鍍鎳CBN磨粒將不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)和移動(dòng)；隨著控制器電壓的增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，鍍鎳CBN磨粒所受的磁場(chǎng)力也隨之增大，當(dāng)控制器的旋鈕調(diào)節(jié)到40時(shí)(控制器電壓為88 V)，可觀測(cè)到鍍鎳CBN磨粒在松散的結(jié)合劑粉末中振動(dòng)，并逐漸形成良好的取向，同時(shí)磨粒形成磁鏈?zhǔn)脚挪迹浑S著控制器電壓進(jìn)一步升高，CBN磨粒移動(dòng)的趨勢(shì)增強(qiáng)，磨粒開始向兩極聚集.

圖2 交變磁場(chǎng)作用下鍍鎳CBN磨粒取向分布

1.3 強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下陶瓷CBN砂條燒結(jié)

陶瓷CBN砂條在壓制成形后，需要進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)燒結(jié)，燒結(jié)實(shí)驗(yàn)在超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)高溫加熱爐中完成.所用超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置為JMTD-12T100，中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為12 T，可通過設(shè)定不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，完成不同強(qiáng)磁場(chǎng)下的陶瓷CBN復(fù)合材料的燒結(jié).

在陶瓷CBN復(fù)合材料燒制的過程中，將壓制好的陶瓷CBN樣條放入不銹鋼坩堝中，并置于超導(dǎo)強(qiáng)磁爐的爐腔當(dāng)中，設(shè)置好燒結(jié)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，待勵(lì)磁結(jié)束后，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，按照設(shè)定好的升溫曲線進(jìn)行燒結(jié).燒結(jié)結(jié)束后，待溫度降至200 ℃以下時(shí)，進(jìn)行降磁操作，待磁場(chǎng)強(qiáng)度降至0，爐溫低于100 ℃時(shí)，即可將陶瓷CBN復(fù)合材料的樣條取出，按照此步驟，并設(shè)定不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度，完成不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下陶瓷CBN復(fù)合材料的燒結(jié).為了進(jìn)一步分析磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)陶瓷CBN復(fù)合材料性能的影響，對(duì)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下燒結(jié)的陶瓷CBN復(fù)合材料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到了試樣的斷裂載荷，通過式(1)計(jì)算了陶瓷CBN復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度，其結(jié)果如圖3所示.利用掃描電鏡對(duì)陶瓷CBN復(fù)合材料的斷口進(jìn)行了觀測(cè)，斷口形貌如圖4所示.

(1)

式中：P為試樣斷裂載荷(N)；L為支架兩支點(diǎn)間的距離(mm)；b為試樣橫截面寬(mm)；h為試樣高度(mm).

圖3 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)陶瓷CBN復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的影響

圖3顯示，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)陶瓷CBN復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度有顯著的影響，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于6 T時(shí)，陶瓷CBN復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大.在磁場(chǎng)的作用下，鍍鎳CBN磨粒的鎳層被磁化，在燒結(jié)的過程中鎳層持續(xù)受磁場(chǎng)力作用，鎳層逐漸向陶瓷結(jié)合劑遷移，磁場(chǎng)的出現(xiàn)使得陶瓷結(jié)合劑對(duì)鎳層的把持力增強(qiáng)，進(jìn)而提高了陶瓷CBN復(fù)合材料的強(qiáng)度.隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大，磁場(chǎng)力對(duì)鎳層的作用持續(xù)加強(qiáng)，鎳層向陶瓷結(jié)合劑遷移的趨勢(shì)進(jìn)一步增強(qiáng)，使鎳層與CBN磨粒之間出現(xiàn)脫殼現(xiàn)象，從而使陶瓷CBN復(fù)合材料的強(qiáng)度降低.從圖4陶瓷CBN復(fù)合材料的斷口形貌可以看出，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為6 T時(shí)，陶瓷CBN復(fù)合材料的斷裂發(fā)生在陶瓷結(jié)合劑與鎳層的結(jié)合處，CBN磨粒被鎳層嚴(yán)密包裹住；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為12 T時(shí)，陶瓷CBN復(fù)合材料的斷口出現(xiàn)了變化，斷裂發(fā)生在鎳層與CBN之間，CBN磨粒裸露在外.研究發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為6 T時(shí)，陶瓷CBN復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到了79.5 MPa.

圖4 陶瓷鍍鎳CBN復(fù)合材料斷口形貌

2 磨削性能研究

為了驗(yàn)證強(qiáng)磁場(chǎng)制備陶瓷CBN砂輪的有效性，本文以鈦合金TC4為加工對(duì)象開展磨削試驗(yàn)，對(duì)不同磨削參數(shù)下的磨削力、磨削比能和磨削表面質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試分析，并與普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪進(jìn)行對(duì)比，完成對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)條件下的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削性能的評(píng)價(jià).兩種砂輪的不同之處在于，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨粒取向進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)采用了強(qiáng)磁場(chǎng)燒結(jié)工藝改善了陶瓷CBN復(fù)合材料的性能.采用多用工具磨床進(jìn)行磨削試驗(yàn)，通過改變磨削加工參數(shù)完成多組磨削試驗(yàn)，并對(duì)其磨削力、磨削力比和磨削比能進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，完成對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削性能的考察，磨削試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，磨削試驗(yàn)條件及加工參數(shù)如表1所示.

圖5 磨削試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 磨削力及磨削力比的對(duì)比

磨削過程是磨粒在被加工工件表面進(jìn)行劃擦、耕犁和切削形成的過程，較高的磨削力會(huì)對(duì)砂

表1 磨削試驗(yàn)條件及加工參數(shù)

輪的使用壽命和工件表面的完整性產(chǎn)生不利影響[16].為了研究強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削性能，利用多用工具磨床，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將砂輪線速度設(shè)定為30 m/s，對(duì)不同切深和不同進(jìn)給速度下的強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪和普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削力進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖6所示.

圖6 兩種砂輪的磨削力和磨削力比

圖6顯示，兩種砂輪的切向磨削力非常接近，隨著進(jìn)給速度的增大，單位磨削力隨之增大；另外，在進(jìn)給速度約為2.5 m/min時(shí)，兩種砂輪的切向磨削力變化曲線出現(xiàn)了交叉；在進(jìn)給速度低于2.5 m/min時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的切向磨削力要略高于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，這是因?yàn)閺?qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪經(jīng)取向優(yōu)化后，磨削時(shí)有效磨粒數(shù)要多一些；在進(jìn)給速度超過2.5 m/min時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的切向磨削力反而低于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，這是因?yàn)?，?qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪具有優(yōu)越的磨粒取向，切削刃角鋒利，這時(shí)強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的優(yōu)越性開始顯露.在法向磨削力和磨削力比方面，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪均高于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪.

2.2 磨削比能對(duì)比

為了全面分析強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削比能，分析了最大未變形切削厚度對(duì)磨削比能的影響，結(jié)果如圖7所示.最大未變形切屑厚度agmax是影響磨削力及磨削比能的重要參數(shù)，單顆磨粒最大未變形切屑厚度agmax可以按照切削層平均體積確定.

(2)

式中：L為有效磨粒間距(123.96 μm);lc為接觸弧長;ds為砂輪直徑(200 mm);ap為磨削深度;vw為工件進(jìn)給速度;vs為磨削速度.

圖7 磨削比能對(duì)比

圖7表明，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削比能要略低于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，最大未變形切削厚度越小，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的優(yōu)越性越好.隨著最大未變形切削厚度的增大，磨削比能逐漸下降，兩種砂輪在磨削比能上的差別逐漸減小，最終穩(wěn)定在30 J/mm3左右.另外，可以發(fā)現(xiàn)，最大未變形切削厚度與砂輪的磨削比能并非一一對(duì)應(yīng)，磨削加工參數(shù)不同時(shí)，即使最大未變形切削厚度相同，磨削比能也未必相同.

2.3 磨削表面形貌對(duì)比

為了進(jìn)一步研究強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削性能，分別對(duì)兩種砂輪磨削后的表面形貌進(jìn)行了對(duì)比分析.磨削加工參數(shù)設(shè)定為vs=30 m/s，vw=2 m/min，ap=10 μm，磨削后的工件的表面形貌如表2所示.

表2 工件磨削表面形貌

在砂輪新修整后，兩種砂輪磨削工件的表面形貌相近，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削情況略好于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪；當(dāng)砂輪磨損后，兩種砂輪的磨削性能都有所下降，磨削工件的表面形貌的平整度和光滑度下降，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削的鈦合金表面紋理依然清晰，普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削的鈦合金表面則出現(xiàn)了多條黏著磨損區(qū).

3 結(jié) 論

1)合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠有效控制鍍鎳CBN磨粒的取向，并使之呈磁鏈?zhǔn)椒植?

2)強(qiáng)磁場(chǎng)能夠促使導(dǎo)磁性材料鎳的遷移，可以有效提高鎳層與陶瓷結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度，但是磁場(chǎng)強(qiáng)度過大會(huì)使鎳層與CBN磨粒出現(xiàn)脫殼現(xiàn)象.

3)當(dāng)進(jìn)給速度較小時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的有效磨粒數(shù)多于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，切向磨削力稍大于普通陶瓷CBN砂輪，隨著進(jìn)給速度的增大，在進(jìn)給速度達(dá)到2.5 m/min時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的優(yōu)越性開始顯露.

4)磨削加工參數(shù)相同時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的磨削比能略低于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的比能，磨損后的磨削性能優(yōu)于普通陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪.