立方氮化硼砂轮制备技术的多型性

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所,郑州 450001)

立方氮化硼砂轮制备技术的多型性

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所,郑州 450001)

该文是一篇包括纳米陶瓷结合剂、消失模铸造法制备铸铁基、成孔陶瓷结合剂、磨料有序化排布、自润滑单层钎焊、CFPR、热管等砂轮内容的综述文章。指出：纳米陶瓷结合剂不仅可以解决目前陶瓷结合剂低熔点与高强度之间的矛盾,且对于拓宽cBN砂轮的应用范围具有十分重要的意义;分别研究了EPS珠粒的预发泡、珠粒熟化和干燥时间、有机胶黏剂PVB质量浓度;磨粒有序化排布的发展为解决钛合金磨削问题提供了新的思路;与无自润滑剂相比,磨削温度不超过440℃;CFRP砂轮能减少能源消耗,具有较好的经济环保特性;热管砂轮能将磨削弧区温度控制在100℃以下。

立方氮化硼砂轮;制备技术;综述;多型性

由于立方氮化硼具有硬度高、耐磨性好、热稳定性好,在高温下与铁族材料不发生化学反应等优点,已在各类磨削工具中得到了广泛的应用。陶瓷结合剂cBN砂轮作为一类高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能磨具产品,成为近年来世界磨具研究和产品开发的重点。

1 纳米陶瓷结合剂cBN砂轮

陶瓷结合剂的开发研究是陶瓷结合剂cBN砂轮制造的基本前提。高性能陶瓷结合剂是制造高性能陶瓷结合剂cBN砂轮的关键[1]。传统的陶瓷结合剂普遍存在烧结温度高、强度低等缺陷[2]。纳米陶瓷结合剂由于其具有粒度小、比表面积大、烧结温度低、强度高、韧性好等优点,有望解决目前传统陶瓷结合剂烧结温度和强度之间的矛盾问题,提高陶瓷结合剂c BN砂轮的性能,进一步拓宽cBN砂轮的应用范围。纳米陶瓷结合剂是一种新型的超硬磨具结合剂,除具有传统陶瓷结合剂的优点之外,还具有如下独特的特点[]:

(1)纳米陶瓷结合剂不仅可以用于超细c BN微粉砂轮的制造,解决常规陶瓷结合剂分布不均匀,对c BN磨料把持力小的问题,而且还可以解决粗颗粒的cBN砂轮容易产生工具强度低和磨粒把持力不足问题。

(2)纳米陶瓷结合剂引入纳米级颗粒、片晶、晶须和纤维等笫二相,不仅降低了cBN磨具的陶瓷温度,而且结合剂的韧性大大提高,有效解决了cBN磨料——传统陶瓷结合剂界面应力问题,使得粗颗粒工具的强度大大提高。

(3)纳米陶瓷结合剂比普通结合剂具有更低的软化温度和更好的韧性。低的软化温度使得纳米陶瓷结合剂的烧结比普通结合剂的烧结更加致密化,而好的韧性提高了纳米结合剂的拉应力承受极限。

与传统的陶瓷结合剂相比,尽管纳米陶瓷结合剂具有强度高、韧性好、烧结温度低等优点,但由于其粒度较小、比表面积大,在cBN砂轮制备过程中还存在一些问题,具体表现在以下几方面:

(1)由于纳米陶瓷结合剂的细粒度及极大比表面积、外观膨松、密度较低,这可能对磨具的成型带来一定的困难。

(2)纳米陶瓷结合剂单组份粉体制备比较容易,但问题是在后续球磨混合的过程中如何保证其分散性良好且均匀分布。

(3)由于纳米颗粒的活性较高,烧结过程中易出现晶粒的异常长大且难以致密等缺点。

2 消失模铸造法制备铸铁基cBN砂轮

采用真空消失模铸造这种液态成型技术制备高强度铸铁基c BN砂轮,由于液态金属凝固时产生收缩,将有利于增大胎体对c BN磨粒的机械把持作用,同时可能有利于结合剂和磨粒之间形成牢固的冶金结合,从而提高胎体对磨粒的把持作用。消失模铸造法制备铸铁基cBN砂轮的关键技术之一是制备出合格的cBN/EPS复合模样。

cBN/EPS复合模样是将c BN磨粒与熟化后的泡沫珠粒按一定比例混合均匀后发泡而成的一种带c BN磨粒的泡沫模。先将珠粒粒径为0.4mm的可发性聚苯乙烯(EPS)经预发与熟化后,再将它们和cBN磨粒按所需要粒度筛选。采用的cBN磨粒粒径为300μm、浓度为25%。在EPS珠粒和cBN磨粒表面上均匀地涂覆一层有机胶黏剂PVB,使它们充分混合后放入模具中进行发泡成型,将成型后的复合模样烘干备用。

黄毅,戴秋莲[4]等,对cBN磨粒在复合模样中分布的均匀性、复合模样表面的预融合情况以及模样尺寸精度等性能的影响规律进行了研究。结果表明, cBN磨粒在复合模中分布的均匀性主要受EPS模珠粒预发泡时间和有机黏剂PVB质量浓度的影响;复合模样的尺寸收缩率主要受模样干燥时间的影响,模样表面粗糙度主要受珠粒预发泡时间的影响;影响模样密度较为显著的因素是珠粒的预发泡时间和珠粒的熟化时间。

3 成孔陶瓷结合剂cBN磨具

陶瓷结合剂cBN磨具由磨料、结合剂和气孔组成。气孔具有容屑、排屑、储存冷却液、增强散热和冷却的作用,在磨削加工中能减少堵塞和降低工件的烧伤[5-6]。因此,气孔控制对磨具结构与性能具有重要影响。

陶瓷结合剂cBN磨具中的气孔可以在成型和烧结中形成,也可以通过添加成孔剂产生。不加成孔剂时,磨具中气孔的形成是随机的,其数量和分布均为不可控状态。加入成孔剂后,可以实现气孔的人为调控,通过调节成孔剂的尺寸、含量及其加入方式来控制气孔的数量、形态与分布。

根据成孔机理的不同,常见的成孔剂有两种类型,一种是燃烧类型成孔剂(记为A类),磨具压制成型过程中自身占有一定尺寸空间,在磨具烧结过程中碳化燃烧,部分或全部燃尽后形成气孔,如核桃壳、聚甲基丙烯酸甲脂等,另一种是热分解类成孔剂(记为B类),本身不能燃烧,但在一定温度下会发生分解反应,产生气体,在磨具烧成时形成气泡,冷却时保留下来成为气孔,如CaCO3等。

除上述两种成孔剂外,候永改,路继红等,又探寻一种新的可溶性盐类成孔剂(记为C),它在磨具成型时占据一定的尺寸空间,但在磨具烧成过程中也不分解氧化,在磨具使用过程中,它可溶解于水溶性冷却液中,自身占有的位置形成气孔。

候永改,路继红[7]等,主要研究成孔剂对陶瓷结合剂cBN磨具结构与性能的影响。在陶瓷结合剂c BN磨具中添加不同类型和含量的成孔剂,通过对磨具试样气孔率、抗弯强度、冲击韧性、微观形貌等检测分析,结果表明,添加成孔剂A1和C1的磨具试样气孔率分布均匀,且与未添加成孔剂的磨具试样相比,抗弯强度降低不明显,成孔剂A1的造孔效果比C1的明显,但加入成孔剂C1能够增大试样的冲击韧性。当C1的加入质量分数为8%时,气孔率分布均匀,气孔率为30.82%,抗弯强度为49.89MPa,冲击韧性为1.73kj/m2,综合性最佳。

4 磨料有序化排布砂轮

植物茎上的叶子、葵花盘上籽粒的规则排列是植物的一种非常重要的叶序形式,大量专家学者都对这种叶序分布进行了研究,Van Iterson[8]提出了柱面叶序排布模型,其圆柱坐标式为。

式中n为圆柱表面上点的序;Φ,R和H为n个点的圆柱坐标;h为叶序系数;a为发散角,取黄金分割角137.508°。这种排布实现了籽粒的轴向和周向非等距错位排布,形成了几何空间的互补,可以实现空间的最大包裹,保证了籽粒排布的均匀和互补性。

沈阳理工大学机械工程学院陈晨,王军[9]等采用的砂轮正是基于上述理论,设计时把每一个磨粒都看作是一个种子分布在砂轮圆周上,采用紫外线感光膜作为掩膜感光层来实现在砂轮表面磨粒的排布,利用光刻技术和复合电镀工艺技术制备出磨粒叶序排布砂轮[10],同时利用相同的工艺制备出磨粒错位排布砂轮和无序排布砂轮。

通过对叶序、错位和无序3种不同磨料排布方式,研究了工件表面平均温度与进给速度和磨削深度的关系,并对3种电镀cBN砂轮磨削工件时温度的变化形态进行了对比。结果表明,在相同磨削条件下,磨料有序化排布能有效降低TC4的磨削温度,使用叶序排布磨料砂轮能获得更低的工件表面温度

5 润滑单层钎焊cBN砂轮

钛合金因为其导热率较低等原因,在磨削加工时容易产生烧伤现象,影响工件表面质量,因而传统的磨削加工大量采用磨削液浇注法降低磨削温度,但是磨削液的使用给环境和操作者健康带来了很大的危害,而且增加了磨削液排放回收的成本[11-14]。

为解决上述问题,基于“用固体润滑剂替代磨削液”的思想,研制了单层自润滑钎焊立方氮化硼砂轮。基本原理是将固体润滑剂涂敷在砂轮表面,使润滑剂在磨粒与工件之间形成一层润滑薄膜,从而降低磨粒与工件表面之间的摩擦系数,降低摩擦力以达到减少磨削热的产生,从而降低磨削温度的目的。

吴杰,紫陈燕[15]等通过进行干式磨削钛合金实验研究认为,自润滑砂轮的涂层中石墨质量分数最佳值为20%,此时干磨钛合金的工件表面温度最低;另外,与无自润滑剂砂轮相比,磨削温度均较低,不超过440℃。

6 CFPR砂轮

高速超高速磨削技术的产生、发展与应用,从根本上颠覆了“磨削效率低”的观念。高速磨削砂轮技术作为高速超高速磨削的关键技术之一,正受到越来越多的重视。目前,高速砂轮基体常用的材料为金属,的如钢、铝合金、钛合金等。但是,金属基体砂轮的质量较大,增加了主轴的负荷,导致主轴轴承发热严重、容易磨损,同时也增加了主轴的功率消耗,经济环保性较差。因此,如何减轻主轴的负荷,降低砂轮的空耗功率甚至磨削功率显得尤为重要。

针对上述问题,CFRP(carbon fiber reionforced polymer,CFRP)砂轮在高速超高速磨削中降低主轴功率消耗的优势逐渐突显出来。CFRP作为一种先进的树脂基复合材料,具有高比强度、高比模量、高疲劳强度、高阻尼、轻质、低热膨胀系数等特点,使其适用于制作高速砂轮基体。

近年来,国内外学者,企业以CFRP砂轮设计制造与使用性能等方面进行了一系列研究。Tawakoli等通过理论与实验相结合的方法研究了碳纤维基体陶瓷cBN砂轮的动静态特性对磨削淬硬钢过程的影响。结果表明,CFRP砂轮的弹性模量较低,其接触刚度相应也较低,但CFRP砂轮的比模量高,可以大大降低砂轮的径向变形。并且,CFRP砂轮具有优异的阻尼特性,使得磨削振幅与磨削力降低。

虽然国内外一些学者已经验证了CFRP砂轮的优势,但是其在高速超高速磨削上的潜力还未被充分挖掘。于是,南京航空航天大学机电学院刘勇涛,傅玉灿[16]等通过实验测量了CFRP砂轮与了钢基体砂轮在启动、空耗、磨削三个阶段主轴功率消耗情况,分析了轻质CFRP砂轮对降低磨床主轴功率消耗的作用及其对高速磨削的影响,并以此探索CFRP砂轮在高速超高速磨削中的发展前景。并指出,进一步的研究,需要从降低磨削力、减小磨削过程中的振动、提高材料的去除率、改善加工表面质量等方面,对CFRP砂轮的性能进行探索。

7 热管砂轮

传统观点认为,只要尽可能多的向磨削弧区注入冷却介质,便可确保对磨削弧区的换热效果,降低磨削温度。基于上述思路,现已开发了众多磨削冷却技术与方法。但随着砂轮线速度、磨削深度和材料去除率的不断提高,磨削弧区的面积逐渐增大,磨削弧区密闭程度逐渐提高,致使冷却介质越来越难以进入磨削弧区。因此,探索新的在高效磨削加工过程中的快速疏导磨削热的方法,强化磨削弧区换热,成为避免高温合金材料出现磨削烧伤,进而提高其磨削加工效率的关键。

热管是一种具有极高传热的元件,其传热能力已经远远超过任何一种已知金属。正是基于这一特性,国外研究者早在上世纪80年代就有将热管技术应用在车削、钻削等加工领域的报道。但在磨削加工领域,国内相关学者则先于国外提出了利用热管技术进一步强化磨削弧区换热的构想,并己开展了一些探索性的研究工作[17-18]。

南京航空航天大学机电学院赫青山,傅玉灿[19]等,根据热管技术可进一步强化磨削弧区换热的特点,设计了一种新型磨具——热管砂轮,并成功制备出能够用于实际加工的单层电镀cBN热管砂轮。

8 结 语

(1)为适应超高速磨削技术对cBN砂轮提出的更高的要求,应系统地研究纳米陶瓷结合剂制备的基础科学问题,同时继续加强高性能纳米陶瓷结合剂的研究和开发工作,加强纳米陶瓷结合剂cBN砂轮在超高速磨削、航空航天等难加工材料磨削方面的应用研究。

(2)与传统的陶瓷结合剂相比,对纳米陶瓷结合剂中气孔的结构(如形状、含量和大小)和其性能之间的关系缺乏系统深入的研究。因此,应加强纳米陶瓷结合剂中气孔的尺寸和含量对其性能影响规律的研究。

(3)综合考虑消失模制造工艺制备c BN/EPS复合模样的要求,应选择如下的工艺制备c BN/EPS复合模样:有机胶黏剂PVB质量浓度为6%,EPS珠粒预发时间为3min,预发珠粒熟化时间为56h,成型时间为4min,冷却水中冷却时间为30s,50℃环境下放置15d。

(4)使用有序化排布磨粒的砂轮能够实现超精密磨削。磨粒有序化排布砂轮在降低表面粗糙度和提高磨削效率等方面效果显著。但是,哪种排布方式的砂轮能更好地降低磨削温度,尤其是降低磨削钛合金等难加工材料的温度,仍然是一个需要深入研究的问题。

(5)CFRP具有可设计与可制造的特性,这也为不断优化CFRP砂轮的结构,提高CFRP砂轮的性能,使其更加适合高速超高速磨削提供了可能性。

(6)使用热管砂轮能够将磨削弧区积聚的热量通过热管的传热作用进一步疏导出去,从而将磨削弧区强温度控制在100℃以下。

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Diversity of Manufacturing Technology of cBN Grinding Wheel

Wang Guang-zu
(Zhengzhou Research Institute for Abrasive&Grinding,Zhengzhou 450001)

This paper is an overview about some aspects of grinding wheel such as nano-vitrified bond,iron matrix by evaporative pattern casting process,pore-forming vitrified bond,regular distribution of abrasives,self-lubricating braze of monolayer,CFRP and thermotube.It points out that Nano-vitrified bond can not only solve the contradiction between low melting point and high strength of the current vitrified bond,but also has a great significance for widening the application of CBN grinding wheel;Prefoaming of EPS beads,curing and drying time of the beads and mass concentration of organic adhesive PVB have been studied separately;Development of the regular distribution of abrasives contributes a new idea to solve the grinding problem of titanium alloy;Compared to non self-lubricating technology,the grinding temperature is less than 440℃;CFRP grinding wheel is energy-saving,economical and environmental friendly;Thermotube grinding wheel can keep the temperature in grinding arc zone under 100℃.

c BN grinding wheel;manufacturing technology;overview;diversity

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0043-04

2016-08-10

王光祖(1933-),男,教授,长期从事超硬材料及制品的研发工作,出版多部专著,发表上百篇学术论文。

王光祖.立方氮化硼砂轮制备技术的多型性[J].超硬材料工程,2017,29(1):43-46.