陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊的研制及其性能研究*

柳炳恒， 肖 冰， 孟祥龍， 趙鵬程， 王樹義

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

隨著軌道交通的飛快發(fā)展，對(duì)鐵路鋼軌的打磨維護(hù)變得十分重要，需要通過(guò)磨削加工去除一定的鋼軌表面材料，將已經(jīng)變形的鋼軌輪廓修復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的廓形。鐵路鋼軌打磨作業(yè)的特殊性和有限的打磨時(shí)間使得鋼軌打磨變得很困難，但這也促進(jìn)了鋼軌打磨技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的快速跟進(jìn)[1-3]。

現(xiàn)階段使用的鋼軌打磨工具主要為樹脂砂輪[4]，但樹脂砂輪存在磨削火花大易引發(fā)火災(zāi)，結(jié)合劑揮發(fā)產(chǎn)生大量粉塵，高寒條件下砂輪易破碎等缺點(diǎn)。研究綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全的新型砂輪[5]用于鋼軌打磨具有非常重要的意義。釬焊超硬磨料工具以其優(yōu)異的性能得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，目前已有CBN砂輪用于鋼軌打磨的研究[6]。采用釬焊超硬磨料工具替代當(dāng)前主要使用的樹脂砂輪具有非常可觀的市場(chǎng)前景。

本研究中，在釬焊超硬磨料的基礎(chǔ)上，結(jié)合陶瓷相和合金釬料相的優(yōu)點(diǎn)，研制出一種新型陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊，并進(jìn)行對(duì)比磨削試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 陶瓷結(jié)合劑的制備

本試驗(yàn)選用的基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的主要化學(xué)組成如表1所示。原料的配比直接決定陶瓷結(jié)合劑的性能，稱量時(shí)應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)配方稱取各組分物質(zhì)，本試驗(yàn)使用精密電子天平稱量，稱量精度為0.01 g。

表1 基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的主要組成

將配好的陶瓷結(jié)合劑原料填裝進(jìn)聚氨酯球磨罐內(nèi)。為防止在混料的過(guò)程中引入鐵磁物質(zhì)，采用氧化鋁陶瓷球，為了防止混料不均勻以及發(fā)生“偏析”現(xiàn)象，所使用的陶瓷球球徑為10 mm、20 mm和30 mm，數(shù)量百分比分別為70%、20%和10%。設(shè)定球磨轉(zhuǎn)速為113 r/min，球磨時(shí)間為134 min。

將已經(jīng)混合均勻的陶瓷結(jié)合劑原料放入1.6 L坩堝中，然后置于高溫熔塊爐中，在350～500 ℃時(shí)有氣體產(chǎn)生，750～850 ℃時(shí)原料激烈分解。為了防止溶化后的陶瓷結(jié)合劑溢出，在850 ℃下保溫60 min。待結(jié)合劑反應(yīng)不再激烈后繼續(xù)升溫，加熱至1 400 ℃并保溫60 min。繼續(xù)升溫至1 450 ℃以防止熔融的結(jié)合劑堵塞坩堝流料口。

達(dá)到保溫時(shí)間后，拔出氧化鋁棒塞，將熔融料從坩堝直接流入放置在流料口下的水桶內(nèi)。為了除去水淬后黏附在玻璃料上的水分，將水淬后的玻璃料用鐵盤盛放置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在80 ℃下干燥8 h。

將干燥后的玻璃料放入聚氨酯球磨罐中，然后倒入球徑為10 mm、20 mm和30 mm，數(shù)量百分比分別是70%、20%和10%的混合陶瓷球。以300 r/min的轉(zhuǎn)速球磨6 h，最后把球磨后的料過(guò)200目篩(孔徑75 μm)，制得陶瓷結(jié)合劑。

1.2 結(jié)塊的制備

試驗(yàn)采用二次混合法。先把立方氮化硼磨料和少量石蠟液置于球磨罐內(nèi)干混，直至混合均勻，然后取出留用；另外把陶瓷結(jié)合劑和合金釬料置于球磨罐內(nèi)干混，直到混合均勻；最后把磨粒混合物和結(jié)合劑混合物混合在一起，加入少許糊精液，充分球磨、攪拌。

使用結(jié)塊模具進(jìn)行壓制。經(jīng)裝料、壓制、脫模等3個(gè)步驟后得到壓制好的結(jié)塊坯體。

釬焊共有4個(gè)過(guò)程：①抽真空至5×10-2Pa；②根據(jù)溫度曲線進(jìn)行加熱；③保溫，溫度設(shè)定為950 ℃，保溫30 min；④隨爐冷卻，在爐內(nèi)溫度降低至400 ℃后，采用純度99.9%的氮?dú)廨o助冷卻。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

磨削性能試驗(yàn)采用自行搭建的磨拋加工試驗(yàn)平臺(tái)，主要由固定平臺(tái)、結(jié)塊夾具和磨削設(shè)備等3部分組成。通過(guò)固定在工作臺(tái)上的角磨機(jī)提供工件轉(zhuǎn)速，再通過(guò)結(jié)塊夾具上的杠桿施加壓力。磨拋平臺(tái)參數(shù)如表2所示。磨削試驗(yàn)如圖1所示。

表2 磨拋平臺(tái)參數(shù)

試驗(yàn)采用K型鎧裝熱電偶來(lái)測(cè)量磨削溫度，測(cè)溫示意圖如圖2所示。通過(guò)夾具用2塊超硬磨料節(jié)塊夾持鎧裝熱電偶的熱端，冷端通過(guò)UNI-T325信號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)連接，信號(hào)采集器每0.1 s會(huì)采集并實(shí)時(shí)記錄一次磨削溫度數(shù)據(jù)。

圖2 添加測(cè)溫裝置后的設(shè)備

打磨試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)單個(gè)打磨周期的打磨時(shí)間為5 s，間隔時(shí)間為25 s，30 s為1個(gè)打磨周期。通過(guò)夾具杠桿尾端來(lái)控制打磨時(shí)間，再在夾具杠桿首端加砝碼來(lái)控制打磨壓力。磨削溫度的測(cè)量試驗(yàn)工藝參數(shù)如表3所示。試驗(yàn)?zāi)ゾ叻謩e為陶瓷-金屬CBN結(jié)塊(A)、含有空心球的陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊(B)和樹脂鋯剛玉結(jié)塊(C)，其中B結(jié)塊只用于測(cè)試磨削溫度。

表3 磨削溫度的測(cè)量試驗(yàn)工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 材料去除率

以材料去除率(單位時(shí)間內(nèi)材料去除量)來(lái)衡量結(jié)塊的磨拋效率，材料去除率越高則對(duì)應(yīng)的磨拋效率就越高。材料去除率Q計(jì)算公式如(1)所示：

Q=(M1-M2)/t

(1)

其中：M1為開始時(shí)工件的質(zhì)量，g；M2為測(cè)試完成后工件的質(zhì)量，g；t為測(cè)試用時(shí)，min。

試驗(yàn)過(guò)程中，單個(gè)測(cè)試時(shí)間段設(shè)定為1 min。在單個(gè)測(cè)試階段開始前使用精密電子天平稱量工件的初始質(zhì)量，等到單個(gè)測(cè)試階段完成后再次稱量工件質(zhì)量，記錄每組數(shù)據(jù)后按照公式(1)分別計(jì)算出陶瓷-金屬CBN結(jié)塊和樹脂鋯剛玉結(jié)塊的材料去除率。

圖3是A和C磨具的材料去除率。從圖3能夠看出：陶瓷-金屬CBN結(jié)塊的材料去除率明顯更高。陶瓷-金屬CBN結(jié)塊的材料去除率約為1.10 g/min，而樹脂鋯剛玉結(jié)塊的材料去除率約為0.49 g/min；前者比后者提高了124%。

圖3 材料去除率對(duì)比圖

2.2 磨屑分析

在磨具磨削加工的過(guò)程中，因磨具磨粒在被加工工件表面的滑擦、耕犁和切削等3個(gè)過(guò)程的不斷進(jìn)行，會(huì)形成各種形態(tài)和尺寸的磨屑，反映出磨削過(guò)程中材料的加工硬化、塑性變形、發(fā)熱以及氧化程度等，因此對(duì)磨屑的分析也是衡量磨削性能的一個(gè)指標(biāo)。

從打磨試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)收集2種結(jié)塊打磨后的磨屑，其分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4a可以看到：樹脂鋯剛玉結(jié)塊打磨后，一部分磨屑形成了粒徑不同的金屬球。造成這種現(xiàn)象的原因是鋯剛玉磨粒加工過(guò)程中，工件表面溫度迅速升高，磨屑在高溫下易被燒熔成為球狀金屬。同時(shí)還可以看到細(xì)而長(zhǎng)的切屑，這是由于樹脂結(jié)塊中的鋯剛玉磨粒出露高度比較低，磨粒最大的切削厚度又比較小，因此得到的切屑形狀又薄又細(xì)長(zhǎng)。

從圖4b可以看出：陶瓷-金屬CBN結(jié)塊打磨所得磨屑的體型較大，其中多數(shù)是擠裂切屑，少數(shù)是結(jié)塊，基本無(wú)球狀磨屑出現(xiàn)。這是因?yàn)镃BN刃口鋒利，在加工過(guò)程中能大量去除被加工工件材料，得到的磨屑體積較大。同時(shí)，磨屑中熔融狀金屬球很少，這表明其打磨過(guò)程中的溫度更低。

2.3 磨削溫度分析

圖5是利用熱電偶測(cè)得的在磨拋工件過(guò)程中前2次打磨周期的磨削溫度變化。從圖5中能看出：在1個(gè)打磨周期內(nèi)，盡管打磨壓力不同，但是磨削溫度的變

(a) 9.8 N

化趨勢(shì)卻是一樣的，即磨削溫度在1個(gè)周期里先快速升高，隨后迅速降低，溫度曲線呈現(xiàn)出尖峰。造成這種現(xiàn)象的原因是磨削過(guò)程產(chǎn)生的磨削熱量?jī)H15%左右被磨屑帶走，剩余的大多數(shù)熱量傳入了磨具和工件，致使磨削區(qū)溫度快速上升。停止磨削的冷卻過(guò)程時(shí)，磨具表面溫度和周圍環(huán)境溫差較大，這時(shí)熱傳導(dǎo)率很高，致使溫度迅速降低而后下降趨勢(shì)減緩。

表4是2次打磨周期里測(cè)得的磨削溫度最大值的平均值。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，對(duì)陶瓷-金屬CBN結(jié)塊(A)，含空心球的陶瓷-金屬CBN結(jié)塊(B)，樹脂鋯剛玉結(jié)塊(C)打磨試驗(yàn)中的磨削溫度最大值進(jìn)行對(duì)比分析，得如圖6所示的對(duì)比圖。

表4 試驗(yàn)測(cè)得磨削溫度最大值

圖6 不同磨具在3種打磨壓力下的磨削溫度最大值

由表4可知：不同打磨壓力下，陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊在打磨試驗(yàn)中的磨削溫度最大值均低于樹脂結(jié)合劑鋯剛玉結(jié)塊的，其中含有空心球的陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊具有較好的容屑排屑能力，溫度最低。陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊能有效降低磨削溫度，從表4可算得磨削溫度最大值降低了15～50 ℃。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制作了鋼軌打磨用陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊，經(jīng)打磨對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(1)陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊的材料去除率約1.10 g/min，比樹脂鋯剛玉結(jié)塊的材料去除率(約0.49 g/min)提高了124%。此結(jié)論也得到了磨屑分布規(guī)律的支持，即陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊打磨后產(chǎn)生的磨屑體型較大，其中多數(shù)是擠裂切屑，少量是節(jié)狀，基本無(wú)球狀磨屑出現(xiàn)。

(2)陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊的磨削溫度最大值全都低于樹脂結(jié)合劑鋯剛玉結(jié)塊的，降低了15～50 ℃。其中含有空心球的陶瓷-金屬結(jié)合劑CBN結(jié)塊在打磨試驗(yàn)過(guò)程中的磨削溫度最大值最低。