釬焊砂輪磨削氧化鋯陶瓷的實驗研究＊

張 貝 李躍松 蘇宏華 徐鴻鈞

(①河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽471000;②南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京210016)

傳統意義上講磨削與修整不可分割［1］，在某些專家眼中，磨削幾乎就是修整［2］。砂輪的主要消耗中修整消耗占據了相當多的部分。在磨削工作間，磨削勞動強度最大的部分也就是修整，磨削操作師的技術水平與修整的水平密切相關，甚至磨削質量的高低也與修整直接相關。

采用磨粒高出露的釬焊砂輪，使砂輪可以連續工作，砂輪在磨削過程中由于磨粒的高度出露而無需進行較多的修整，打破了傳統意義上磨削與修整相互交替的工作模式。這樣不但節省了額外的修整時間，而且解決了修整工具與磨削工件工位頻繁互換的問題，降低了磨削操作師對于修整技術的嚴格要求。氧化鋯這類高性能材料的磨削將會因這種高鋒利度砂輪的應用而降低磨削加工的難度，促進該類精密陶瓷零件的產業化。本文基于以上考慮擬選用自制的單層釬焊金剛石砂輪對氧化鋯陶瓷材料進行磨削實驗，通過砂輪的制作、預修整，然后對氧化鋯陶瓷材料進行了磨削實驗。希望能夠為氧化鋯陶瓷材料的精密加工提供可供參考的一種新的加工工藝。

1 實驗條件和實驗方法

1.1 砂輪制作

本實驗制作的單層釬焊金剛石砂輪采用砂輪制作專利技術［3］。釬料選用AgCuTi 合金粉，粉粒粒度200/230，釬料添加劑TiC 微米粉;金剛石磨粒選用YK-9，粒徑355 ～425 μm。釬焊為高溫真空釬焊［4］，釬焊設備為真空退火爐VAF -20。釬焊工藝為二次焊［5］，磨粒排布采用模板有序排布，磨粒間距1 mm。釬焊最高溫度920 ℃，保溫4 min。

釬焊砂輪成品外觀如圖1 所示，釬焊砂輪圓周有線切割狹縫以減小釬焊應力造成的砂輪表面不圓度。釬焊砂輪磨粒排布宏觀表面如圖2 所示，磨粒排布整齊均勻，磨粒列與砂輪軸線交角約45°，砂輪去應力槽沒有明顯改變砂輪磨粒的周向間距。釬焊磨粒微觀形貌如圖3 所示，釬焊磨粒出露充分，金剛石磨粒截面呈六邊形，磨粒之間由山脈狀釬料帶連接。磨粒沿山脈狀釬料帶的45°交角方向為磨削速度方向，該方向上的磨粒邊沿鋒利尖銳。

1.2 砂輪預修整

釬焊砂輪制作完成后，磨粒高度出露，此時砂輪表面磨粒出露高度不平度較大，磨削表面較粗糙。為了改善磨削工件的表面質量，本文對原始砂輪進行初期的微細預修整以改善砂輪表面磨粒出露高度的不平度。預修整可采用在線修整的形式，即將砂輪安裝到磨床HZ-150 主軸上，采用釬焊砂輪往復磨削修整工具的形式對砂輪進行修整。修整方法如圖4 所示，砂輪修整用量如表1 所示。

砂輪表面修整磨粒的微觀形貌在修整前后的變化如圖5 所示。

表1 砂輪修整用量

從圖5a 可以看出，磨粒列呈45°角度排列，磨粒列間距基本相等，但由于磨粒在釬焊的過程中發生微量位移而出現少數磨粒偏移原始排布位置的現象。修整前磨粒晶型完整鋒利，從圖5b可以看出，修整后個別磨粒出現部分破碎(如圖中圓圈所示磨粒)。這說明即使修整用量采用微量切深，金剛石磨粒也會因為相互碰撞而產生脆性的磨損，但未出現磨粒脫落的現象，大部分磨粒頂端有刮擦的痕跡?？梢酝茢嗖捎眠@種修整方法是有效、可靠的。

1.3 氧化鋯陶瓷的磨削

實驗在精密磨床HZ -Y150 上進行，所用的磨削用量如表2 所示，磨削方式為橫向進給往復磨削。

表2 磨削用量

磨削工件材料為部分穩定氧化鋯，工件的材料性能如表3 所示。工件原始表面微觀形貌如圖6 所示，從圖6 可以看出燒結成形的材料表面平整，有等軸晶型的晶界斷面。

表3 氧化鋯工件物理性能

2 實驗結果

2.1 磨削表面粗糙度

采用釬焊砂輪磨削氧化鋯工件所得表面粗糙度結果如圖7 所示，圖7a 為表面粗糙度Ra的結果，圖7b 為表面粗糙度Rz的結果。從圖7 可以看出Ra在0.2 ～0.42 μm 之間變化，Rz在1.2 ～3.14 μm 之間變化。表面粗糙度值隨著工件走刀速度的增大而增大。表面粗糙度數值的重復性隨工件走刀速度的增大而變差。

2.2 磨削表面微觀形貌

磨削表面微觀形貌如圖8 所示，圖8a 所示為低倍放大，圖8b 所示為高倍放大。從圖8a 可以看出磨削表面有明顯的磨痕紋理，從圖8b 可以看出在磨痕紋理的中間存在有大量顏色較暗的不規則形狀坑點缺陷。磨痕紋理證明了即使脆性材料也能磨削出像金屬一樣光滑且有金屬光澤的表面，表面的坑點缺陷恰恰又證明了磨削去除的脆性模式［6］。

3 討論

普通砂輪為多層，磨粒包埋在結合劑中，當磨粒與結合劑在砂輪表面沒有高度差時就需要修整來產生這種高度差，這種高度差正是用來容納磨屑的。而本實驗中的磨粒高出露砂輪只是在磨削前進行預修整，其目的并不是產生磨粒與結合劑之間的高度差，而是為了減小磨粒出露高度的不平度，改善磨削表面質量。從圖9 可以看出，金剛石磨粒幾乎是全出露，結合劑只是在磨粒的根部起到支撐和固定磨粒的作用。

普通砂輪工作時往往由于砂輪磨損沒有容屑空間而必須進行間斷式的修整，這樣砂輪的工作制就是斷續工作制，特別是陶瓷類硬質難加工材料，修整砂輪甚至造成短時工作制。采用本實驗中所用的磨粒高出露砂輪，砂輪的工作制就從斷續工作制或者短時工作制變成連續工作制，減少了砂輪修整的時間以及工件與修整工具切換工位的時間。磨削的效率將會大大提高。

4 結語

本文采用自制的單層釬焊金剛石砂輪對氧化鋯陶瓷進行了磨削實驗，因為砂輪磨粒的高出露，所以大大減少了砂輪的修整次數，提高了磨削效率。

該砂輪磨削氧化鋯的表面粗糙度絕大部分在Ra0.4 μm 以下，磨削氧化鋯材料的微觀表面有規則連續的磨痕紋理，也存在部分脆性去除的特征。實驗證明，砂輪完全可以實現陶瓷等硬質材料的精密磨削加工。

［1］任敬心，華定安. 磨削原理［M］. 西安:西北工業大學出版社，1988，130 -168.

［2］Wegener K，Hoffmeister H W，Karpuschewski B，et al. Conditioning and monitoring of grinding wheels［J］. CIRP Annals - Manufacturing Technology，2011，60:757-777.

［3］徐鴻鈞，傅玉燦，肖冰，等. CN 1528565A 具有優化地貌的單層釬焊金剛石固結磨料工具的工藝方法［J］.磨料磨具通訊，2006(8):17-18.

［4］羅格夏特. 高溫釬焊［M］. 北京:國防工業出版社，1989，6-9.

［5］丁蘭英，傅玉燦，陳燕，等. Ag-Cu-Ti/TiC 復合釬料釬焊細粒度金剛石的研究［J］. 人工晶體學報，2013，42(8):1509-1514.

［6］Malkin S ，Hwang TW. Grinding mechanisms for ceramics［J］. Annals of the CIRP，1996，45(2):569 -580.