一種拉刀用陶瓷結合劑cBN砂輪的制備及應用

劉宏偉，李 濤 ，呂升東

(沈陽中科超硬磨具磨削研究所，遼寧沈陽 110179)

1 前言

隨著21世紀機械裝備制造業技術的迅猛發展，帶動了自動化技術的飛速發展，磨削加工的工件精密化程度也越來越高。陶瓷結合劑cBN砂輪因為其優良的磨削性能，在超高速、高速磨削難以加工的工件材料等加工領域中得到了廣泛的應用。陶瓷結合劑cBN砂輪是將陶瓷結合劑與cBN磨料、造孔劑混合均勻按規定尺寸壓制成型并經特定適宜的溫度曲線燒結而成的固結磨具。目前，國內研究的陶瓷結合劑cBN砂輪與國際先進產品在使用性能上還存在著一定的差距。而另一方面，隨著裝備機械零部件的生產效率與加工精密度的產品要求越來越高，也使得國內的拉削加工與刀具技術得以迅速發展。

當今拉削加工技術正快速向高速高效精密加工方向發展，高性能磨具是加強高速效精密拉刀拉削加工的關鍵和保障。金剛石(DIAMOND)和立方氮化硼(cBN)是迄今為止已工業應用的兩種超硬材料［1］。這兩種超硬材料由于其硬度、強度很高，用其制造的砂輪具有磨削效率高，磨削精度高，磨具磨損小，形狀保持性好以及使用壽命長等優點，所以其在磨削加工拉刀方面顯示了很大的優勢。因此，在磨具制造和磨削應用方面，世界上日益呈現B(cBN/cubic boron nitride)取代A(剛玉/aluminum oxide)、D(金剛石/diamond)取代C(碳化硅/silicon carbide)的趨勢，超硬材料磨具的發展速度較快［2-4］。

本研究采用氣氛(抽真空通氮氣)燒結技術，通過控制特定溫度曲線來調節陶瓷結合劑的晶型轉變，使得陶瓷結合劑cBN砂輪對拉刀刀具容屑槽、分屑槽及齒面等的磨削加工能力改善，能極大提高對拉刀的加工效率及刀面質量，大大降低了磨削燒傷的產生。

2 實驗

2.1 實驗方案

本實驗研究的陶瓷結合劑cBN砂輪為Y2O3－Na2O－Li2O－Al2O3－B2O3－SiO2硼鋁硅酸鹽微晶玻璃體系，實驗分別測定了其硬度、磨削拉刀性能等。通過磨削加工高速鋼、硬質合金鋼材質拉刀，有望通過科學的研究方法制備出磨削加工拉刀優質的陶瓷結合劑cBN砂輪。

2.1.1 實驗儀器及設備

實驗的儀器及設備見表1。

表1 實驗儀器及設備Table 1 Experimental instruments and equipment

2.2 砂輪制備

本實驗砂輪結合劑部分使用分析純原料并采用高溫熔融水淬制得，砂輪制備工藝步驟如下:

(1)先將 Y2O3－Na2O－Li2O－Al2O3－B2O3－SiO2硼鋁硅酸鹽微晶玻璃體系的原料按一定比例在高溫電阻爐中熔融水淬后經過研磨過篩處理;

(2)按一定比例將陶瓷結合劑與造孔劑(50μm的PMMA微球)、cBN磨料140/170及臨時粘結劑等放入物料混合機中混合充分;

(3)將混好的物料按一定比例添加適量潤濕劑充分潤濕均勻;

(4)放入砂輪模具中攤平，用適當壓力在壓機上壓制成型;

(5)將壓制好的砂輪坯體放入通風良好的干燥室內干燥，等待干燥完畢;

(6)將干燥好的砂輪坯體放入SG－XQL1200型箱式真空氣氛爐中按適當的溫度曲線進行燒結;

(7)將燒結完畢冷卻到室溫的砂輪部分與金屬基體進行粘膠固化處理;將粘膠好的砂輪放入真空干燥箱中(80℃)干燥;

(8)將干燥好的砂輪放在萬用磨床上修正后，砂輪制備完成。

3 實驗過程結果與分析

3.1 砂輪結構硬度結果與分析

本實驗砂輪采用NEMESIS 9800型布洛維硬度計分別測定砂輪與砂輪基體的洛氏硬度，選取理想砂輪作為本次研究對象，砂輪與基體分別選取32個點進行洛氏硬度測試，通過這些點分析砂輪的過程能力指數CPK。CPK(Process capability index制程能力指數/工序能力指數/過程能力指數)，表示制程能力滿足技術標準的程度。其中過程能力指數的值越大，表明產品的離散程度相對于技術標準的公差范圍越小，因而過程能力就越高;過程能力指數的值越小，表明產品的離散程度相對公差范圍越大，因而過程能力就越低。因此，可以從過程能力指數的數值大小來判斷能力的高低。從經濟和質量兩方面的要求來看，過程能力指數數值并非越大越好，而應在一個適當的范圍內取值［5］。

3.1.1 砂輪基體硬度結果與分析

砂輪基體硬度HRB(4組8元)數據見表2:

表2 砂輪基體硬度HRB(4組8元)數據Table 2 Hard disk matrix hardness HRB(4 groups of 8 yuan)data

砂輪基體硬度CPK見下圖1:

圖1 砂輪基體硬度過程能力圖Fig.1 Hardness process diagram of grinding wheel base

通過表2可知，砂輪基體硬度范圍在33～35HRB之間，通過對其過程能力進行測試，如上圖1，砂輪基體的CPK值為1.36，大于1.33，可知工序在一定的時間范圍內，砂輪基體在穩定狀態下的硬度滿足產品質量標準化的要求。

3.1.2 砂輪硬度結果與分析

砂輪硬度HRA(4組8元)數據見表3:

砂輪硬度CPK見圖2:

表3 砂輪硬度HRB(4組8元)數據Table 3 Hard wheel hardness HRB(4 groups of 8 yuan)data

圖2 砂輪硬度過程能力圖Fig.2 The process capability diagram of grinding wheel hardness

通過表3可知，選取的砂輪基體硬度范圍在23～24HRA之間，通過對其過程能力進行測試，如上圖2，砂輪基體的CPK值為1.40，大于1.33，可知工序在一定的時間范圍內，砂輪基體在穩定狀態下的硬度滿足產品質量標準化的要求。為了砂輪更能夠適應精細化發展，需要砂輪的硬度穩定性能再次提升。

3.2 陶瓷結合劑cBN砂輪顯微組織結構與分析

陶瓷結合劑cBN砂輪的SEM形貌見圖3:

圖3 陶瓷結合劑cBN砂輪SEM圖Fig.3 the SEM of ceramic bond CBN grinding wheel

如圖3所示，圖3中(a)、(b)、(c)為陶瓷結合劑cBN砂輪的不同放大倍數XRD圖，(d)為陶瓷結合劑與砂輪相同溫度曲線燒結后的SEM圖。從圖中可以明顯看出陶瓷結合劑cBN砂輪的顯微組織結構，如陶瓷結合劑、cBN磨料、氣孔。其中氣孔是由PMMA微球通過高溫熔融揮發后形成的，陶瓷結合劑經過熔融開始附著于cBN磨料表面，當熔融液相逐漸在cBN磨料表面向固相轉變時，開始有晶核產生，隨著不同的析晶與晶核生長，增強了cBN與cBN間的粘結能力。cBN磨粒經過鍍鎳處理表面形成樹突狀毛刺結構，增大了磨粒的比表面積，因此增大了與陶瓷結合劑的接觸面積，亦增強了陶瓷結合劑cBN砂輪的結構穩定性，使砂輪在有大氣孔的條件下磨粒同時具備高的把持力，增大了砂輪的耐磨性。

3.3 陶瓷結合劑cBN砂輪磨削拉刀的結果與分析

本課題研究特種陶瓷結合劑cBN砂輪作用于拉刀刀具的刃面磨與刀槽磨削，選用的機床為日本NACHI不二越拉刀刃磨床，在磨床上用同一片砂輪磨削不同組拉刀工件所得磨削數據(表面粗糙度、拉刀齒尺寸公差)如表4、5所示，結果表明，該種陶瓷結合劑cBN砂輪適宜磨削拉刀的花鍵槽，磨削精度高，能大大提高磨削的效率。

針對上述陶瓷結合劑cBN砂輪精密的磨削問題，我們以平面拉刀為研究對象，通過對陶瓷結合劑cBN砂輪制備與磨削拉刀槽刃及其刃面表面粗糙度、拉刀刃間的尺寸公差的測量結果，從拉刀加工工藝的角度去研究和探索，最終提出一套工藝改進的方案，設計出一款既能保證質量，又能提高生產效率與精密度的陶瓷結合劑cBN砂輪。

3.3.1 拉刀刀刃面的表面粗糙度結果與分析

選取5組相同拉刀在相同砂輪機床上進行磨削加工，每組拉刀樣品中測量40個拉刀刀刃面的表面粗糙度Ra(μm)值，數據見表4。

表4 拉刀刀刃面的表面粗糙度Ra值(μm)Table 4 Surface roughness Ra value of the broach blade surface(μm)

用表4所得數據通過軟件Minitab進行畫圖，計算出拉刀刃面的表面粗糙度過程能力，如圖4所示。

結合表4及圖4可知，選取的拉刀刃面表面粗糙度范圍在0.25 ～0.31μm 之間，通過對其過程能力進行測試，陶瓷結合劑cBN砂輪對拉刀刃面磨削所測的粗糙度CPK值為1.80，大于1.67，可知工序在一定的時間范圍內，拉刀刃面表面粗糙度在穩定狀態下滿足產品質量標準化的要求。

3.3.2 拉刀刃間的尺寸公差結果與分析

選取5組相同拉刀在相同砂輪機床上進行磨削加工，每組拉刀樣品中測量40個拉刀刀刃間的尺寸公差值(μm)，見數據表5。

圖4 拉刀刃面的表面粗糙度過程能力報告Fig.4 Surface roughness process capability report of the blade face

表5 拉刀刃間的尺寸公差值(μm)Table 5 Dimension tolerance values between the blades(μm)

續表5

表5數據用軟件Minitab進行畫圖，計算出刃間的尺寸公差過程能力，見圖5。

圖5 拉刀刃間的尺寸公差過程能力報告Fig.5 The process capability report of dimensional tolerance between the blades

結合表5及圖5可知，上圖中選取的拉刀刃間的尺寸公差范圍在 0.013～0.019μm 之間，通過對其過程能力進行測試，陶瓷結合劑cBN砂輪對拉刀刃面磨削所測的拉刀刃間的尺寸公差CPK值為1.91，大于1.67，可知工序在一定的時間范圍內，拉刀刃間的尺寸公差在穩定狀態下滿足產品質量標準化的要求。

4 結論

因為超硬磨料本身具有極高的硬度和耐磨性等優點，使得陶瓷結合劑cBN砂輪本身具備了磨削能力優、耐磨性強和使用壽命長等優點。通過本研究中的砂輪在磨削拉刀方面的應用，不僅使磨削效率得到了提高，也使得磨削加工精度和表面磨削質量得到了提高。通過本實驗的研究，當砂輪的硬度質量CPK均在1.33以上時，砂輪表面穩定性優良，使得砂輪在磨削工件拉刀時所測量的刃面粗糙度及刀刃間的尺寸公差CPK均大于1.67，可以看出砂輪磨削后的拉刀一致性非常優秀，達到了國際先進水平，生產的拉刀可替代國外進口產品。隨著高精尖磨削設備不斷地研究出現與推廣應用，陶瓷結合劑cBN砂輪的優越性能應用于汽車、軸承、機床、空調、冰箱、軍工、航空、電子產品等許多領域部件的磨削加工中。并且這類陶瓷結合劑cBN砂輪產品在成型磨削、高效高精磨削等各類磨削領域中的應用也越來越強。