熱壓成型砂輪基體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

時云鵬 ?？P 張 毅 閆道恒 陳曉強(qiáng)

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

金屬結(jié)合劑金剛石砂輪具有高硬度、高耐磨、耐高溫、對磨料的把持力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃、陶瓷、寶石等高硬度脆性材料。傳統(tǒng)的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪普遍采用高溫?zé)Y(jié)成型，由于金剛石的石墨化溫度較低，在900℃左右即有較大的熱損傷，導(dǎo)致磨削性能急劇下降，所以日常生產(chǎn)多采用熱壓成型燒結(jié)工藝來進(jìn)行制備。熱壓成型燒結(jié)是一種十分有效的成型方法，其燒結(jié)溫度比常壓成型燒結(jié)低100～150℃。溫度的降低不僅可以防止金剛石石墨化，還可以縮短燒結(jié)時間，抑制晶粒的過分長大，獲得良好的力學(xué)性能。

常規(guī)熱壓燒結(jié)工藝多采用先燒制磨料層，后續(xù)與基體組裝配合的制備流程，但該制備工藝存在著如下缺點(diǎn)：（1）燒結(jié)完畢的磨料層必須在400～500℃高溫下及時卸模，若卸模不及時磨料層會因隨著冷卻收縮將會卡在模具型芯上，導(dǎo)致無法卸模，造成報廢。（2）高溫狀態(tài)下砂輪環(huán)組織內(nèi)部存在有不規(guī)則的內(nèi)應(yīng)力，卸模后內(nèi)應(yīng)力的釋放會導(dǎo)致砂輪環(huán)沿徑向產(chǎn)生一定程度的不規(guī)則變形，導(dǎo)致在后期與基體組裝配合時會存在有較大的縫隙，影響砂輪環(huán)與基體的結(jié)合強(qiáng)度，變形嚴(yán)重者在后期使用過程中存在有砂輪環(huán)脫落的風(fēng)險。所以如何實現(xiàn)磨料層與基體的良好配合，保證結(jié)合強(qiáng)度，是熱壓燒結(jié)工藝的難點(diǎn)。帶基體熱壓工藝作為熱壓燒結(jié)的一種，其特點(diǎn)在于將含有磨料的砂輪工作層與基體同時放于模具中進(jìn)行燒結(jié)，既具備熱壓工藝的優(yōu)點(diǎn)，又解決了磨料層與基體的配合問題。

目前關(guān)于金屬結(jié)合劑金剛石砂輪帶基體熱壓燒結(jié)工藝方面的研究多數(shù)聚焦于配方、燒結(jié)曲線等方面的研究，缺少對磨料層與基體結(jié)合強(qiáng)度，磨料層厚度控制等工藝方面的相關(guān)研究。本文通過對模具設(shè)計、基體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行研究來控制磨料層的厚度，提升批量產(chǎn)品組織性能的穩(wěn)定性；通過對基體與磨料層結(jié)合面的結(jié)構(gòu)設(shè)計、基體表面處理進(jìn)行研究，提高基體與磨料層間結(jié)合強(qiáng)度，提升砂輪的安全性能，滿足了高速磨削的使用要求。

1 模具設(shè)計及基體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 模具設(shè)計

模具的尺寸直接決定著燒結(jié)后磨料層的尺寸，直接影響砂輪環(huán)內(nèi)部組織的致密性，對砂輪的磨削性能起著關(guān)鍵作用，所以合理的模具材料及模具結(jié)構(gòu)是金屬結(jié)合劑金剛石砂輪帶基體熱壓成型工藝研究的基礎(chǔ)。

石墨的熔點(diǎn)為38℃50℃±50℃，膨脹系數(shù)也很小，石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在高溫下仍可以保持原有的尺寸精度。除此之外，石墨高溫下析出一氧化碳，對金剛石與結(jié)合劑均有防氧化的作用，故選取其作為模具材料。然后在熱壓燒結(jié)常用的模具基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化得到帶基體熱壓燒結(jié)的專用組合模具。

該組合模具由模套、上下壓環(huán)、上下型芯、芯棒組組成。通過芯棒與基體的配合定位來保證基體的同心度，防止燒結(jié)后磨料層偏心；通過保證型芯與壓環(huán)厚度的一致性，來保證燒結(jié)后磨料層的厚度達(dá)到設(shè)計要求。

1.2 基體結(jié)構(gòu)設(shè)計

實際燒結(jié)過程中，模具內(nèi)中心區(qū)域溫度高達(dá)600～800℃，石墨本身不易膨脹，但鋼基體受熱膨脹后產(chǎn)生的軸向壓力會阻礙上下壓頭向磨料層方向移動，影響磨料層厚度的有效控制。如何通過基體結(jié)構(gòu)優(yōu)化來減少在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的阻力，是控制磨料層厚度的關(guān)鍵。

本研究將基體與型芯的接觸面進(jìn)行部分減薄處理（見圖1）來減少燒結(jié)過程中基體膨脹產(chǎn)生的軸向阻力，到達(dá)控制厚度的目的。具體試驗方案如下。

圖1 基體改進(jìn)前結(jié)構(gòu)

圖2 基體改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

（1）對從國內(nèi)某廠商采購的電解銅粉、錫粉金屬粉料進(jìn)行過篩處理，放入三維混料機(jī)進(jìn)行均勻混合，加入濕潤劑制粒，干燥后放入電子除濕柜中保存。

（2）對從國內(nèi)某廠商采購的45鋼按照改造前后進(jìn)行車削，規(guī)格型號為14E1 100×8×20×4。

（3）組裝好相應(yīng)的模具，放在加熱設(shè)備上按照對應(yīng)的燒結(jié)曲線進(jìn)行燒結(jié)，壓強(qiáng)為200～500 kg/cm。

（4）燒結(jié)完畢后及時卸掉型芯，然后放在空氣中自然冷卻。待溫度降至室溫后，取出燒結(jié)半成品，打磨掉磨料層上的毛刺，使用千分尺測量磨料層上的厚度尺寸，尺寸精確到0.001 mm。

按照上述過程，分別對改進(jìn)結(jié)構(gòu)前后的基體進(jìn)行兩輪試燒，每輪分別燒制三次，取其厚度平均值，最后對基體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的厚度值進(jìn)行對比。

改進(jìn)前未進(jìn)行減薄處理的基體平均燒結(jié)厚度高于設(shè)計值0.10 mm，不滿足設(shè)計要求；改進(jìn)后進(jìn)行部分減薄處理的基體則整體接近設(shè)計值，確實達(dá)到了減少燒結(jié)阻力的效果，滿足設(shè)計要求。

2 基體與磨料層結(jié)合面結(jié)構(gòu)設(shè)計及表面處理

2.1 基體與磨料層結(jié)合面結(jié)構(gòu)設(shè)計

在實際燒結(jié)過程中，基體與磨料層的結(jié)合方式以機(jī)械嚙合為主、化學(xué)結(jié)合為輔，合理的基體結(jié)構(gòu)對磨料層與基體的高強(qiáng)度結(jié)合起著至關(guān)重要的作用。所以如何通過基體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計來提高磨料層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，是本研究的重點(diǎn)。

本研究通過對基體與磨料層結(jié)合面的槽型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，來達(dá)到提高基體與磨料層結(jié)合強(qiáng)度的目的，保證高速磨削下砂輪使用的安全性，滿足市場需求，具體方案如下：

（1）在CS6150 普通車床上分別采用相同的轉(zhuǎn)速及進(jìn)刀量車削加工三種槽型的基體，每種一片，結(jié)合面厚度為4 mm，基體規(guī)格號為14E1 100 mm×8 mm×20 mm×4 mm。

（2）按1.2 試驗過程進(jìn)行試燒，燒成后用線切割對燒成半成品砂輪進(jìn)行六等分。

（3）每種槽型結(jié)構(gòu)取三個試塊進(jìn)行徑向拉伸強(qiáng)度測試。

按照上述過程，分別對三種槽型結(jié)構(gòu)的基體樣塊進(jìn)行徑向拉伸強(qiáng)度測試，取其抗拉強(qiáng)度平均值進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表1 所示。

從表1 數(shù)據(jù)中可知，U 型槽結(jié)構(gòu)下，磨料層與基體的機(jī)械嚙合程度最強(qiáng)，結(jié)合強(qiáng)度最高，滿足設(shè)計要求（常規(guī)熱壓燒結(jié)工藝中基體與磨料層基體結(jié)合強(qiáng)度在50 N/mm，故以此為設(shè)計值）。

表1 不同槽型拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果

2.2 基體與磨料層結(jié)合面表面處理

薄基體（厚度2 mm 及以下）與磨料層接觸面積過小，機(jī)械嚙合的把持力不足，槽型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對其結(jié)合強(qiáng)度的提高作用有限。所以如何提高該類砂輪基體與磨料層的結(jié)合強(qiáng)度是研究的難點(diǎn)。

本研究通過對加工后的基體進(jìn)行表面改性處理，增加基體與磨料層的冶金結(jié)合強(qiáng)度。實現(xiàn)薄基體、窄接觸面前提下，磨料層與基體結(jié)合強(qiáng)度的提高，保證砂輪安全性能，滿足高速磨削的使用要求。具體方案如下。

（1）加工兩片U 型槽基體，結(jié)合面厚度為2 mm，基體規(guī)格型號為14E1 100 mm×8 mm×20 mm×2 mm。

（2）使用噴砂機(jī)對其中一片基體結(jié)合面進(jìn)行鈍化處理，另一片不做表面處理直接燒結(jié)。

（3）將鈍化后的基體放置超聲波清洗劑中除油后，放在電鍍槽中對結(jié)合面進(jìn)行鍍銅處理。

（4）按照1.2 試驗過程進(jìn)行燒結(jié)半成品的試做，燒成后使用線切割對兩片燒成半成品砂輪進(jìn)行六等分。

（5）每種取三個試塊進(jìn)行徑向拉伸強(qiáng)度測試。

按照上述過程，將經(jīng)表面處理的基體與未經(jīng)處理的基體數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表2 所示。

從表2 數(shù)據(jù)可知，經(jīng)表面改性處理的基體燒結(jié)后與磨料層的結(jié)合強(qiáng)度較未經(jīng)處理的基體高43%，效果明顯，且均值大于50 N/mm，滿足設(shè)計要求（常規(guī)熱壓燒結(jié)工藝中基體與磨料層基體結(jié)合強(qiáng)度在50 N/mm，故以此為設(shè)計值）。

表2 基體表面處理前后結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

（1）基體與型芯的接觸面部分的減薄處理可以減少燒結(jié)過程中基體膨脹產(chǎn)生的軸向阻力，實現(xiàn)磨料層的厚度控制，保證磨料層內(nèi)部的組織性能滿足設(shè)計要求。

（2）基體與砂輪結(jié)合面的槽型結(jié)構(gòu)對磨料層與基體的結(jié)合強(qiáng)度有重要作用，其中U 型槽結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于V 型槽、梯形槽。

（3）基體與砂輪結(jié)合面的鈍化、鍍銅處理工藝可以明顯提高薄基體（2mm 以內(nèi)）的磨料層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。