空气气氛烧结金刚石磨头的制备

周博堃，霍文国

（1.天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222；2.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

0 引言

不同结合剂下烧结的金刚石磨头有不同的结构特征，金刚石烧结磨头在高温下受氧气的影响程度也是不相同[1]。金属结合剂的结构虽然致密，但是氧分子非常不容易进入到金刚石内部，与此同时金属粉末中的氧会对金刚石造成一定的影响[2]。另外，陶瓷结合剂制品为多孔结构，烧结温度比较高，而且陶瓷结合剂中的金属氧化物含有大量的氧离子，在烧结时对金刚石的影响也比较较大[3]。陶瓷结合剂可以使金刚石粉末体现出十分卓越的性能，在加工过程中可以提高磨削精度以及磨削效率，并且导热性较好[4-5]。近些年，通过添加添加剂来优化陶瓷结合剂成为很大的热点，如添加氧化锂等碱性金属氧化物、氧化镁等碱土金属氧化物、氧化铝、氧化磞和氧化铬等[6-10]。国内外众多学者也对金刚石磨粒的形貌进行研究，主要集中在磨粒出刃高和有效磨粒数两方面[11-12]。与颗粒金刚石相比，微粉金刚石更容易受到烧结空气气氛中氧分子的影响，尤其体现在多孔金属氧化物陶瓷结合剂中。 本文使用金刚石微粉和陶瓷结合剂来制作性能更好的金刚石磨头，以充分发挥金刚石微粉和陶瓷结合剂的优势，使制作的金刚石磨头磨削性能更好，在干磨削时，不用添加更多的结合剂以及磨削液，实现绿色环保和节省成本。

该模型的复相关系数R为0.9842，判定系数R2为0.9687，经调整后的判定系数R2为0.9683，F=2221.46，F0.05(5,364)=2.23878，F﹥F0.05，显著水平为0.05，预测精度可达97.25%。

1 烧结金刚石磨头模具及磨头结构设计

1.1 金刚石磨头模具介绍

本文设计的金刚石模具采用3D 打印技术打印成型，可用于烧制金刚石磨头，具体模具实物图如图1 所示。

图1 模具实物图

具体装配过程如下：将底座放在外筒最下面，然后在底座上放上烧结平台，最后将带孔压棒放在最上面，即可装配成功，具体装配图如图1 中（e）所示。

1.2 金刚石磨头的结构设计

本文设计的金刚石磨头根据上述模具烧结平台的外径为30 mm，内径为9 mm，所以设计的磨头尺寸内半径约为8 mm，外径约为28 mm，高度约为12 mm。金刚石粉末的密度约为3.53 g/cm3，根据圆柱体的计算公式可以求出金刚石磨头体积约为2.532 cm3，用体积乘以密度就可以计算出金刚石磨头的重量为8.3 g。采用的金刚石磨料的磨度约为180-240#，磨料的浓度约为75%～95%。

2 金刚石磨头的制备

2.1 配方选择

通过金刚石磨头的制备以及磨削试验的结果，得到如下结论：

2.2 金刚石磨头的冷压成型

采用冷压模具进行制作成型，使用压片机进行压模，保压时间为5 min，压制力约为980 N。然后进行脱模，具体冷压成型后的磨头如图2 所示。

图2 冷压成型金刚石磨头

2.3 金刚石磨头的烧结

为研究金刚石磨头的烧结温度与时间的关系，确定具体烧结工艺为：磨头进入烧结炉的时候温度控制在室温20 ℃，然后经过10 min，烧结至炉内温度达到50 ℃，然后保温30 min，然后经过80 min 烧结至300 ℃，并保温30 min，然后经过70 min 烧结至500 ℃，在经过30 min 的保温并冷却180 min 后，炉内温度恢复至初始温度20 ℃，即可取出磨头。

由图5 可以看出，在磨削60 个行程后，磨头磨粒清晰，而磨削100 个行程后，对比60 个行程，磨头表面的晶体数量变少、晶体饱满度有所下降。这是因为，随着磨削进程的加长，内部有一部分磨粒被磨掉。随着磨削时间以及磨削进程的加长，磨头的磨削性能稍有下降。但是磨头整体结构以及晶体结构依然保持完整且磨头没有发现裂痕，磨头表面整体质量依旧良好。而工件表面划痕明显。通过测力计反馈的数据看，在磨削实验进行中，磨削力的最大数值850 N。根据磨头磨削100 个行程后的表现预计该磨头还有一定的使用寿命，还可以继续进行磨削。

2.4 空气气氛烧结成型后的金刚石磨头

在“116号文”中，永久交通工程有两种处理方式：一是列入主体建筑工程细部结构，如路面工程；二是列入交通工程，如上坝、进厂、对外等场内外交通工程。按前者规定，水库加固工程中的坝顶路面、堤防工程中的堤顶路面应包括在细部结构中，如单独列项计算，也应是列在主体建筑工程中，但在审查时一些部门或专家则要求列入交通工程。

图3 烧结成型金刚石磨头

3 磨头的磨削性能实验与测试

3.1 磨削实验的介绍

所介绍的磨削实验是用上述的金刚石磨头与上述工件进行磨削，探究磨头的磨削性能以及被磨削后工件的表面情况，具体的实验方案是将工件固定在铣床上，将磨头使用自制的夹紧装置与机床主轴夹紧，具体操作为：在螺杆外面包上一层铝皮，将螺杆与机床主轴上的夹头夹紧。然后启动机床，主轴转速设定为500 r/min，匀速摇动机床y轴方向的手轮，保证进给量的同时完成磨削实验。在磨削实验进行时，全程使用测力计进行测力，时刻关注磨削力的变化。

图4 自制磨头夹具

3.2 磨削实验的实验方案

选择铣床进行磨削实验，具体型号是SZ-1800V。被磨削工件是一块45#钢的钢板，钢板的具体尺寸为：长72 mm、宽43 mm、高10 mm，刀具选择的是上述的金刚石磨头。并自制了磨削实验夹具，自制的磨削实验夹具如图4 所示。

3.3 磨头和工件的表面磨损形貌

（1）经过空气气氛烧结后，金刚石磨头的体积变小，质量变轻，因为磨料中的大量氧元素被消耗。

图5 磨头和工件的磨削微观图

“这时我已经崩溃、失去理智了”，曾先生承认，当时他就和网上流传的视频中一样，把背包向地下一扔，然后向前扑倒在地上嚎叫，“我当时没有办法思考这种方式是否妥当，我只是想控诉警察的作为，并向路人求助。”也正是在此时，曾先生喊出了类似“快来看，瑞典警察杀人了”等语音，试图吸引路人注意。

4 结语

结合剂玻璃粉放置为总重量的40%，约为3.32 g，型号是NC-45。造孔剂选择的是碳酸氢钠，用量约占总质量的15%，约为1.245 g，石墨粉用量为总质量的5%，约为0.415 g。磨料金刚石粉末用量为总质量的25%，约为2.075 g。成型剂为聚乙烯醇，用量为总质量的10%，约为0.83 g。最后在滴入几滴型号为PE-100 的润湿剂，用量占总重量的5%，约为0.415 g。

所设计的磨削实验的磨削时间为30 min、50 min。为了对比不同磨削时间下的磨削性能设计了两组磨削时间。该被磨削件的长度72 mm，经过计时磨削一个行程所需要的时间约为30 s。所以本磨削实验探究的是磨削60 个行程100 个行程后磨头表面的变化，根据表面变化，观察磨头的磨损情况，显微镜的放大倍数为400 倍，具体磨削微观图如图5 中所示。

采用的烧结炉为KF1100 的烧结炉，其工作温度约为1000 ℃，最高温度可达1100 ℃，功率和电压为1.2 kW 和220 V，采用上述烧结方法烧结后，磨头质量稍微小于8.3 g，因为有部分氧分子被消耗。具体烧结成型的金刚石磨头如图3 所示。

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

（2）空气气氛烧结会比其他的烧结方式更加绿色，不用添加大量的添加剂，绿色环保，节省成本。

（3）随着磨削试验进程的增加，晶体的数量以及饱满度、清晰度都会下降。磨头磨削性能变弱。

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（4）经过磨削实验，可以得出结论，本切削模型赋予的最大切削力为800 ～850 N 之间，磨削时间控制在50 min，可以保证磨头表面质量良好。