空氣氣氛燒結(jié)金剛石磨頭的制備

周博堃，霍文國(guó)

（1.天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

不同結(jié)合劑下燒結(jié)的金剛石磨頭有不同的結(jié)構(gòu)特征，金剛石燒結(jié)磨頭在高溫下受氧氣的影響程度也是不相同[1]。金屬結(jié)合劑的結(jié)構(gòu)雖然致密，但是氧分子非常不容易進(jìn)入到金剛石內(nèi)部，與此同時(shí)金屬粉末中的氧會(huì)對(duì)金剛石造成一定的影響[2]。另外，陶瓷結(jié)合劑制品為多孔結(jié)構(gòu)，燒結(jié)溫度比較高，而且陶瓷結(jié)合劑中的金屬氧化物含有大量的氧離子，在燒結(jié)時(shí)對(duì)金剛石的影響也比較較大[3]。陶瓷結(jié)合劑可以使金剛石粉末體現(xiàn)出十分卓越的性能，在加工過(guò)程中可以提高磨削精度以及磨削效率，并且導(dǎo)熱性較好[4-5]。近些年，通過(guò)添加添加劑來(lái)優(yōu)化陶瓷結(jié)合劑成為很大的熱點(diǎn)，如添加氧化鋰等堿性金屬氧化物、氧化鎂等堿土金屬氧化物、氧化鋁、氧化磞和氧化鉻等[6-10]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者也對(duì)金剛石磨粒的形貌進(jìn)行研究，主要集中在磨粒出刃高和有效磨粒數(shù)兩方面[11-12]。與顆粒金剛石相比，微粉金剛石更容易受到燒結(jié)空氣氣氛中氧分子的影響，尤其體現(xiàn)在多孔金屬氧化物陶瓷結(jié)合劑中。 本文使用金剛石微粉和陶瓷結(jié)合劑來(lái)制作性能更好的金剛石磨頭，以充分發(fā)揮金剛石微粉和陶瓷結(jié)合劑的優(yōu)勢(shì)，使制作的金剛石磨頭磨削性能更好，在干磨削時(shí)，不用添加更多的結(jié)合劑以及磨削液，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和節(jié)省成本。

該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.9842，判定系數(shù)R2為0.9687，經(jīng)調(diào)整后的判定系數(shù)R2為0.9683，F(xiàn)=2221.46，F(xiàn)0.05(5,364)=2.23878，F(xiàn)﹥F0.05，顯著水平為0.05，預(yù)測(cè)精度可達(dá)97.25%。

1 燒結(jié)金剛石磨頭模具及磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 金剛石磨頭模具介紹

本文設(shè)計(jì)的金剛石模具采用3D 打印技術(shù)打印成型，可用于燒制金剛石磨頭，具體模具實(shí)物圖如圖1 所示。

圖1 模具實(shí)物圖

具體裝配過(guò)程如下：將底座放在外筒最下面，然后在底座上放上燒結(jié)平臺(tái)，最后將帶孔壓棒放在最上面，即可裝配成功，具體裝配圖如圖1 中（e）所示。

1.2 金剛石磨頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的金剛石磨頭根據(jù)上述模具燒結(jié)平臺(tái)的外徑為30 mm，內(nèi)徑為9 mm，所以設(shè)計(jì)的磨頭尺寸內(nèi)半徑約為8 mm，外徑約為28 mm，高度約為12 mm。金剛石粉末的密度約為3.53 g/cm3，根據(jù)圓柱體的計(jì)算公式可以求出金剛石磨頭體積約為2.532 cm3，用體積乘以密度就可以計(jì)算出金剛石磨頭的重量為8.3 g。采用的金剛石磨料的磨度約為180-240#，磨料的濃度約為75%～95%。

2 金剛石磨頭的制備

2.1 配方選擇

通過(guò)金剛石磨頭的制備以及磨削試驗(yàn)的結(jié)果，得到如下結(jié)論：

2.2 金剛石磨頭的冷壓成型

采用冷壓模具進(jìn)行制作成型，使用壓片機(jī)進(jìn)行壓模，保壓時(shí)間為5 min，壓制力約為980 N。然后進(jìn)行脫模，具體冷壓成型后的磨頭如圖2 所示。

圖2 冷壓成型金剛石磨頭

2.3 金剛石磨頭的燒結(jié)

為研究金剛石磨頭的燒結(jié)溫度與時(shí)間的關(guān)系，確定具體燒結(jié)工藝為：磨頭進(jìn)入燒結(jié)爐的時(shí)候溫度控制在室溫20 ℃，然后經(jīng)過(guò)10 min，燒結(jié)至爐內(nèi)溫度達(dá)到50 ℃，然后保溫30 min，然后經(jīng)過(guò)80 min 燒結(jié)至300 ℃，并保溫30 min，然后經(jīng)過(guò)70 min 燒結(jié)至500 ℃，在經(jīng)過(guò)30 min 的保溫并冷卻180 min 后，爐內(nèi)溫度恢復(fù)至初始溫度20 ℃，即可取出磨頭。

由圖5 可以看出，在磨削60 個(gè)行程后，磨頭磨粒清晰，而磨削100 個(gè)行程后，對(duì)比60 個(gè)行程，磨頭表面的晶體數(shù)量變少、晶體飽滿度有所下降。這是因?yàn)?，隨著磨削進(jìn)程的加長(zhǎng)，內(nèi)部有一部分磨粒被磨掉。隨著磨削時(shí)間以及磨削進(jìn)程的加長(zhǎng)，磨頭的磨削性能稍有下降。但是磨頭整體結(jié)構(gòu)以及晶體結(jié)構(gòu)依然保持完整且磨頭沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂痕，磨頭表面整體質(zhì)量依舊良好。而工件表面劃痕明顯。通過(guò)測(cè)力計(jì)反饋的數(shù)據(jù)看，在磨削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，磨削力的最大數(shù)值850 N。根據(jù)磨頭磨削100 個(gè)行程后的表現(xiàn)預(yù)計(jì)該磨頭還有一定的使用壽命，還可以繼續(xù)進(jìn)行磨削。

2.4 空氣氣氛燒結(jié)成型后的金剛石磨頭

在“116號(hào)文”中，永久交通工程有兩種處理方式：一是列入主體建筑工程細(xì)部結(jié)構(gòu)，如路面工程；二是列入交通工程，如上壩、進(jìn)廠、對(duì)外等場(chǎng)內(nèi)外交通工程。按前者規(guī)定，水庫(kù)加固工程中的壩頂路面、堤防工程中的堤頂路面應(yīng)包括在細(xì)部結(jié)構(gòu)中，如單獨(dú)列項(xiàng)計(jì)算，也應(yīng)是列在主體建筑工程中，但在審查時(shí)一些部門或?qū)＜覄t要求列入交通工程。

圖3 燒結(jié)成型金剛石磨頭

3 磨頭的磨削性能實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

3.1 磨削實(shí)驗(yàn)的介紹

所介紹的磨削實(shí)驗(yàn)是用上述的金剛石磨頭與上述工件進(jìn)行磨削，探究磨頭的磨削性能以及被磨削后工件的表面情況，具體的實(shí)驗(yàn)方案是將工件固定在銑床上，將磨頭使用自制的夾緊裝置與機(jī)床主軸夾緊，具體操作為：在螺桿外面包上一層鋁皮，將螺桿與機(jī)床主軸上的夾頭夾緊。然后啟動(dòng)機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min，勻速搖動(dòng)機(jī)床y軸方向的手輪，保證進(jìn)給量的同時(shí)完成磨削實(shí)驗(yàn)。在磨削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，全程使用測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)力，時(shí)刻關(guān)注磨削力的變化。

圖4 自制磨頭夾具

3.2 磨削實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案

選擇銑床進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，具體型號(hào)是SZ-1800V。被磨削工件是一塊45#鋼的鋼板，鋼板的具體尺寸為：長(zhǎng)72 mm、寬43 mm、高10 mm，刀具選擇的是上述的金剛石磨頭。并自制了磨削實(shí)驗(yàn)夾具，自制的磨削實(shí)驗(yàn)夾具如圖4 所示。

3.3 磨頭和工件的表面磨損形貌

（1）經(jīng)過(guò)空氣氣氛燒結(jié)后，金剛石磨頭的體積變小，質(zhì)量變輕，因?yàn)槟チ现械拇罅垦踉乇幌摹?/p>

圖5 磨頭和工件的磨削微觀圖

“這時(shí)我已經(jīng)崩潰、失去理智了”，曾先生承認(rèn)，當(dāng)時(shí)他就和網(wǎng)上流傳的視頻中一樣，把背包向地下一扔，然后向前撲倒在地上嚎叫，“我當(dāng)時(shí)沒(méi)有辦法思考這種方式是否妥當(dāng)，我只是想控訴警察的作為，并向路人求助?！币舱窃诖藭r(shí)，曾先生喊出了類似“快來(lái)看，瑞典警察殺人了”等語(yǔ)音，試圖吸引路人注意。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合劑玻璃粉放置為總重量的40%，約為3.32 g，型號(hào)是NC-45。造孔劑選擇的是碳酸氫鈉，用量約占總質(zhì)量的15%，約為1.245 g，石墨粉用量為總質(zhì)量的5%，約為0.415 g。磨料金剛石粉末用量為總質(zhì)量的25%，約為2.075 g。成型劑為聚乙烯醇，用量為總質(zhì)量的10%，約為0.83 g。最后在滴入幾滴型號(hào)為PE-100 的潤(rùn)濕劑，用量占總重量的5%，約為0.415 g。

所設(shè)計(jì)的磨削實(shí)驗(yàn)的磨削時(shí)間為30 min、50 min。為了對(duì)比不同磨削時(shí)間下的磨削性能設(shè)計(jì)了兩組磨削時(shí)間。該被磨削件的長(zhǎng)度72 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)磨削一個(gè)行程所需要的時(shí)間約為30 s。所以本磨削實(shí)驗(yàn)探究的是磨削60 個(gè)行程100 個(gè)行程后磨頭表面的變化，根據(jù)表面變化，觀察磨頭的磨損情況，顯微鏡的放大倍數(shù)為400 倍，具體磨削微觀圖如圖5 中所示。

采用的燒結(jié)爐為KF1100 的燒結(jié)爐，其工作溫度約為1000 ℃，最高溫度可達(dá)1100 ℃，功率和電壓為1.2 kW 和220 V，采用上述燒結(jié)方法燒結(jié)后，磨頭質(zhì)量稍微小于8.3 g，因?yàn)橛胁糠盅醴肿颖幌摹＞唧w燒結(jié)成型的金剛石磨頭如圖3 所示。

[16]Astika,G.G.(1993).Analytical assessment of foreign students’ writing．RELC Journal,24，6l-72.

（2）空氣氣氛燒結(jié)會(huì)比其他的燒結(jié)方式更加綠色，不用添加大量的添加劑，綠色環(huán)保，節(jié)省成本。

（3）隨著磨削試驗(yàn)進(jìn)程的增加，晶體的數(shù)量以及飽滿度、清晰度都會(huì)下降。磨頭磨削性能變?nèi)酢?/p>

課堂教學(xué)由于受到時(shí)間、空間的限制，無(wú)法復(fù)制重現(xiàn)，針對(duì)學(xué)習(xí)難點(diǎn)開(kāi)發(fā)微課程，有助于幫助在課堂學(xué)習(xí)中不能及時(shí)理解把握學(xué)習(xí)要點(diǎn)的學(xué)生突破學(xué)習(xí)瓶頸.如，數(shù)學(xué)重難點(diǎn)概念教學(xué).我們可以從概念產(chǎn)生的背景、內(nèi)涵外延、應(yīng)用、概念之間的關(guān)聯(lián)，并輔以適合初中學(xué)生的有趣的教學(xué)方式錄制微課，讓他們重復(fù)、有選擇性的學(xué)習(xí).從邏輯學(xué)的角度講，概念是一種思維形式，而且是最基本的思維形式，掌握好概念的學(xué)習(xí)，有利于促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展[2].

（4）經(jīng)過(guò)磨削實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論，本切削模型賦予的最大切削力為800 ～850 N 之間，磨削時(shí)間控制在50 min，可以保證磨頭表面質(zhì)量良好。