自潤滑金屬結合劑CBN砂輪干式磨削特性分析

霍文國 徐九華 傅玉燦 戚厚軍

1.天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津，300222

2.天津職業技術師范大學，天津，300222 3.南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

鈦合金具有密度小、比強度高、熱穩定性好、抗腐蝕性好等優點，因此在航空航天、艦船和化工等行業得到了廣泛的應用［1］，由于鈦合金導熱系數低、彈性模量小、在較高溫度下的化學活性大，因此鈦合金磨削加工時，很容易發生較嚴重的砂輪黏附磨損，產生磨削燒傷［2－3］。

任敬心等［4］通過不同磨粒、硬度和粒度的砂輪磨削鈦合金實驗研究，發現砂輪黏附程度明顯不同，采用CBN磨料砂輪和浸滲固體潤滑劑的砂輪可以抑制鈦合金的黏附。Xu等［5］通過對SiC、Al2O3和CBN砂輪磨削鈦合金的研究發現：采用SiC、Al2O3砂輪磨削時，磨粒發生擴散磨損，磨削溫度迅速升高，進而使磨粒與工件發生嚴重的黏附磨損，而CBN砂輪磨削時以磨耗磨損為主，在溫度較高的情況下CBN磨粒仍具有很高的穩定性。Golabczak［6］認為采用CBN超硬磨料砂輪能夠提升砂輪磨削性能，減少功率消耗，延長砂輪壽命。Yang等［7］開展了單層釬焊CBN砂輪成形磨削鈦合金的研究，結果表明：釬焊CBN砂輪具有良好的動態鋒利性，加工精度和表面質量均得到明顯改善。安慶龍等［8］在解決鈦合金磨削燒傷問題時，提出了采用低溫氣動噴霧射流沖擊冷卻技術磨削鈦合金的思路，并開發出一套低溫氣動噴霧射流沖擊冷卻系統，將其應用于鈦合金的磨削加工中。Teicher等［9］通過對比干磨、油冷卻和涂附MoS2輔助磨削等冷卻方式的磨削試驗研究，發現改進鈦合金磨削的冷卻潤滑條件可以抑制磨削燒傷。唐建設等［10］，史興寬等［11］和李偉等［12］提出將化學添加劑及固體潤滑劑等物質滲浸至砂輪孔隙中研制“化學滲浸砂輪”的設想，對浸漬砂輪干磨削鈦合金的研究發現：浸漬砂輪可以起到減小磨削力、降低磨削弧區溫度及防止砂輪表面黏附的作用。

本文基于綠色制造理念，結合CBN砂輪技術和固體潤滑技術開展固體自潤滑金屬結合劑CBN砂輪干式磨削鈦合金的研究，以期實現鈦合金的綠色磨削加工。

1 自潤滑金屬結合劑CBN砂輪制備

1.1 材料的選擇

CBN具有高強度、高硬度、顆粒形狀好、良好的導熱性和較低的熱膨脹系數等優異特性，非常適合作為磨料。本文選擇牌號CBN－982，粒度為140／170目CBN磨料，砂輪的CBN濃度為0.66g／cm3。石墨是一種性能優良的固體潤滑劑材料，選用300目的石墨粉末作為固體潤滑添加劑。自潤滑金屬結合劑CBN砂輪選擇Cu－Sn－Ti合金作為結合劑。

1.2 制備工藝

首先將石墨粉末、Cu－Sn－Ti粉末混合并加入適量成形劑后攪拌均勻，然后再加入磨料混合，再次加入適量成形劑后攪拌均勻。將粉末填裝進專用模具中，由769YP－24B型粉末壓片機在20MPa模壓壓力下壓制成形。將成形的砂輪粉末壓坯放在150℃的烘箱內保持1h，選擇適當的溫度工藝使磨料與金屬粉末在VAF－20真空退火爐內發生冶金反應，保溫溫度為1030℃，保溫一定時間后隨爐冷卻，再將制備好的砂輪體與砂輪柄焊接在一起。加工出的砂輪工具如圖1所示。

圖1 自潤滑金屬結合劑CBN砂輪

1.3 砂輪試樣強度測試

砂輪抗彎強度σw是反映砂輪性能的一個重要參數。不同石墨質量分數下的CBN砂輪試樣的三點抗彎試驗結果如圖2所示。

圖2 自潤滑金屬結合劑CBN砂輪抗彎強度與石墨含量的關系

由圖2可見，隨著w的增大，砂輪試樣的σw減小。砂輪試樣的σw減小的主要原因是，石墨是一種很軟的礦物，具有良好的滑移性，容易造成材料整體強度的減小。

2 微觀組織分析

石墨質量分數為10%的自潤滑金屬結合劑CBN砂輪斷面形貌如圖3所示，由圖可見，磨粒之間存在一定的孔隙，結合劑沒有將CBN完全包住，磨粒之間存在結合橋，這種結構利于強化結合劑對磨粒的把持力。

圖3 自潤滑金屬結合劑CBN砂輪微觀組織

單顆CBN磨粒周圍的微觀形貌結構如圖3b所示，由圖可見，結合劑與CBN磨粒之間發生了良好的浸潤反應。結合面的線掃描結果如圖4所示，由圖可見，石墨大都是以游離態的形式存在的，銅和錫在結合界面處出現一個峰值，CBN磨粒表層的鈦元素含量明顯增大，據此，可判定砂輪中的粉末冶金材料與CBN磨粒發生了化學冶金結合，且結合劑在制備過程中與CBN發生了良好的浸潤反應。

為進一步分析砂輪內部的石墨存在形式，對砂輪內部石墨處進行了點掃描分析，圖5是砂輪斷面石墨能譜定量分析圖，由圖可見，該處碳元素比例明顯高于砂輪內部的其他元素，由此可以推斷：該處的石墨是游離態的石墨，亦即CBN砂輪內部存在著一定量的游離態石墨，因在高溫焊接時液相的結合劑會將一部分石墨包裹住，所以電鏡下難以發現其蹤跡。

圖4 CBN與結合劑結合界面能譜分析

圖5 砂輪斷面石墨能譜定量分析

3 自潤滑CBN砂輪干式磨削特性

3.1 試樣制備

用Ti6Al4V（TC4）板材作為磨削試樣，其化學成分符合GB／T3620.1－1994標準，試樣尺寸為150mm×40mm×8mm，磨削面尺寸為150mm×8mm。其室溫下的主要力學性能為：抗拉強度925MPa，屈服強度870MPa，延伸率12%，維氏顯微硬度3100MPa。

3.2 試驗方法

試驗在MMD7125精密平面磨床和GD0800C牧田電磨試驗裝置上進行（圖6）。選用的自潤滑金屬結合劑CBN砂輪的各項技術參數為：粒度140／170目，砂輪外徑12mm，其石墨的質量分數為15%；綠色碳化硅砂輪（GC60P7V）的技術參數和修整工藝為：陶瓷結合劑，粒度140／170目，砂輪外徑12mm，磨削加工前采用金剛石筆對砂輪進行修銳。

圖6 試驗裝置

采用美國FEI公司生產的Quanta 200型掃描電鏡（SEM）觀察試驗砂輪表面形貌；試驗采用單因素法進行，磨削方式為平面干式逆磨，選用的磨削參數為：砂輪速度vs為4～18m／s，工件進給速度vw為2～10m／min，磨削深度ap為0.005～0.025mm。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 砂輪磨損表面形貌

綠色碳化硅砂輪在 vs＝15m／s、vw＝4 m／min、ap＝0.01mm條件下干式磨削鈦合金200行程后的砂輪表面形貌如圖7a所示，由圖可見，碳化硅砂輪表面有大塊鈦合金黏附物，黏附物的表面有明顯的磨削痕跡，據此可知，鈦合金黏附物比較牢固地黏在了砂輪表面，參與了后續的磨削過程。由于砂輪黏附物參與磨削，使磨削力和工件表層溫度進一步增大和提高。砂輪表面黏附物能譜分析如圖7b所示，由圖可見，黏附物的主要成分為鈦，表明砂輪表面的黏附物主要為鈦合金磨屑。

圖7 碳化硅砂輪表面形貌

CBN砂輪磨削磨損表面形貌如圖8所示，由圖可見，CBN磨料砂輪因其超硬磨料本身的化學穩定性好，不易和鈦合金發生親和黏附，加上良好的固體自潤滑條件，使自潤滑CBN砂輪磨料的鋒利度得以長時間保持。即使經過較長時間的磨削，砂輪表面也未見明顯的鈦合金黏附和堵塞。

3.3.2 磨削工件表面形貌

綠色碳化硅砂輪和自潤滑金屬結合劑CBN砂輪磨削鈦合金工件表面形貌如圖9所示，由圖可見，在較小磨削用量下磨削時，普通綠色碳化硅砂輪磨削工件表面出現魚鱗狀疊摺和劇烈塑性變形的金屬熔融物，說明局部的溫度已經非常高；而自潤滑金屬結合劑CBN砂輪在磨削深度為0.025mm下磨削時，工件的表面無明顯黏附物，表面劃痕較為均勻，表明自潤滑金屬結合劑CBN砂輪具有良好的切削加工性能，砂輪磨粒動態鋒利度得以長時間保持，易獲得較好的工件表面形貌。

3.3.3 磨削工件斷面金相組織

不同砂輪磨削鈦合金工件的斷面顯微組織如圖10所示，合金是α＋β相的共晶組織，由圖可見，自潤滑金屬結合劑CBN砂輪磨削工件表層顯微組織與基體的顯微組織相比較，晶粒沒有發生明顯的變化，而由綠色碳化硅砂輪加工的工件表面表層出現了大量的塊狀α相，表明砂輪切削性能對工件表層組織產生了明顯的影響。

圖8 CBN砂輪磨削磨損表面形貌

圖9 不同類型砂輪磨削鈦合金的表面形貌

圖10 工件表層斷面組織

3.3.4 磨削工件斷面顯微硬度

不同類型砂輪磨削的鈦合金工件縱切面顯微硬度如圖11所示，由圖可見，自潤滑金屬結合劑CBN砂輪在磨削鈦合金時沿斷面的顯微硬度變化很小且不規則，最大硬度值小于基體硬度值的10%，硬化層深度小于40μm，沒有明顯的加工軟化層；采用綠色碳化硅砂輪磨削的工件斷面表層硬化層的顯微硬度高于自潤滑CBN砂輪磨削的斷面表層硬化層的顯微硬度，且在距表層深度80～160μm區間形成一個加工軟化層。

圖11 磨削工件斷面的顯微硬度曲線

4 結論

（1）以CBN、銅錫鈦（Cu－Sn－Ti）合金粉末及固體潤滑劑（石墨）為原料，利用相關工藝制備了自潤滑金屬結合劑CBN砂輪，砂輪中磨粒分布均勻，砂輪強度滿足加工要求，磨粒與結合劑反應形成化學冶金結合，砂輪內部存在游離態石墨。

（2）在 vs＝15m／s、vw＝2m／min、ap＝0.01mm用量組合的情況下，與普通綠色碳化硅砂輪相比，自潤滑金屬結合劑CBN砂輪具有良好的干式磨削鈦合金的加工性能，加工的工件表面質量及性能良好，無明顯金相組織和顯微硬度變化。

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