成型助劑添加方式對陶瓷CBN內圓磨砂輪性能的影響*

王志起， 楊 威, 2， 李鶴南， 穆龍閣， 劉 賓， 席耀輝

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001) (2. 超硬材料磨具國家重點實驗室， 鄭州 450001)

陶瓷CBN內圓磨砂輪具有鋒利度好、磨削精度高、磨削溫度低、耐用度高、形狀保持性好及耐酸耐堿等一系列優點，被廣泛用于汽車、制冷、軸承、機床等行業的孔類加工中[1-3]。陶瓷CBN內圓磨砂輪大多是高徑比大的制品，如何實現砂輪的均勻成型成為研究的重點。機壓成型時常采用增加墊鐵和投料次數的方法來補償壓制過程中的壓力傳遞衰減，雖然能提高其成品率，但也只能略微改善砂輪密度的梯度分布，砂輪仍然存在明顯的軟硬差異。李青等[4]研究了等靜壓成型工藝對陶瓷結合劑金剛石磨具性能的影響，表明采用等靜壓成型可顯著提升砂輪的密度和組織均勻性，但該工藝操作復雜、效率低下，且成型砂輪的廢品率較高。肖冰[5]提出了用“過氧化氫+穩定劑”來澆注大氣孔陶瓷砂輪的新工藝，并對影響工藝性能的過氧化氫、發泡穩定劑、料漿穩定劑進行了實驗與探討，按照該工藝澆注的大氣孔砂輪的氣孔率、氣孔形狀、組織均勻性、砂輪強度等指標以及磨削使用結果均優于壓制成型大氣孔陶瓷砂輪的，但該工藝對粗粒度砂輪的適用性還需進一步研究。

高分子成型助劑一般用在陶瓷擠出成型、凝膠注模、流延成型等方面，用來提高成型料的流動性和可塑性[6-8]。因此，研究在常規模壓成型工藝下，高分子成型助劑的不同添加方式對陶瓷CBN內圓磨砂輪抗折強度、組織均勻性、顯微結構及磨削性能的影響，可為該工藝在超硬砂輪均勻成型應用方面提供依據。

1 實驗材料及過程

將顆粒尺寸75～90 μm(粒度代號170/200)的CBN磨料與陶瓷結合劑按質量比8∶2混合，后添加適量糊精液混合均勻，再將自制的一定量高分子成型助劑(石蠟∶微晶石蠟∶硬脂酸質量比=6∶3∶1)以顆粒(尺寸100～150 μm)和熔融2種方式加入并混合均勻，結合未添加高分子成型助劑的CBN試樣，得到3種配方的樣品，依次用1#(未添加成型助劑)、2#(顆粒添加成型助劑)、3#(熔融添加成型助劑)表示。實驗用陶瓷結合劑化學成分如表1所示。

稱取混合均勻的成型料在35 MPa的壓力下，分別壓制成50 mm×5 mm×6 mm的抗折條和1A8 20×41×14的內圓磨砂輪，以100 ℃/h的速率升溫到850 ℃，保溫2 h。燒成后用三點抗彎強度試驗機對試條進行抗折強度測試；沿內圓磨砂輪軸向分別標出上、中1、中2和下部分，然后用金剛石帶鋸切割成4段，在磨床上磨至同一高度，用分度值0.02 mm的游標卡尺分別測量砂輪段的孔徑、外徑和高度，再用分度值0.01 g的電子天平稱量各段質量，計算各段外徑尺寸極差率(尺寸極差與理論外徑的比值)和密度極差率(密度極差與理論設計密度比值)；采用FEI公司的Inspect S50掃描電子顯微鏡觀察不同添加方式成型料制作的內圓磨砂輪密度最大處和最小處的斷口形貌；用3種配方的砂輪進行現場磨削實驗，考察砂輪的實際使用性能。

表1 陶瓷結合劑化學成分Table 1 Composition of vitrified bond

2 實驗結果與分析

2.1 添加方式對砂輪成型料均勻性的影響

陶瓷CBN砂輪成型料一般由CBN磨料、填料、陶瓷結合劑、助劑、潤濕劑等組成，合格的成型料是陶瓷結合劑均勻包裹CBN磨料和填料表面，混合料均勻，結合劑和磨料沒有明顯的團聚現象。通常在外部條件基本一致的情況下，混合料本身的性質決定混合料的均勻程度，這些性質包括物料的粒度和粒度分布、密度(或比重)、粒子形狀、粒子的表面特性、流動能力、抗結團能力等，其中粒度、粒度分布和密度最主要[9]。

本實驗采用高分子材料為成型助劑，添加的高分子物質密度較低，只有正常CBN成型料密度的1/3左右，如何將其在成型料中分散均勻尤為重要。以不同添加方式配成的混合料如圖1所示。

(a) 1#(b) 2#(c) 3#圖1 不同成型料的微觀照片對比Fig. 1 Comparison of microscopic photos of different mixtures

圖1a中的1#成型料未添加成型助劑，松散性較差，呈濕坨狀分布；圖1b中的高分子添加劑以顆粒形式加入，2#成型料中分布均勻性不好，同時由于高分子助劑密度較小，混料時所添加的潤濕劑不能有效將高分子助劑與CBN磨料充分黏合在一起，造成高分子添加劑聚集和分散不均勻；圖1c中的添加劑以熔融形式加入，冷卻后其在CBN磨料表面形成均勻包裹，3#成型料經過篩后其松散性和均勻性均較好。

2.2 添加方式對試條抗折強度的影響

對采用3種不同配方制作的CBN試條按照自左向右的順序依次進行6個點的抗折強度測試，測試結果如圖2所示。

(a) 1#(b) 2#(c) 3#圖2 添加方式對樣品抗折強度的影響Fig. 2 Effect of adding mode on bending strength of samples

從圖2可以看出：1#、2#、3#試條的抗折強度6次結果平均值分別為72.78、72.41和73.68 MPa，彼此相差不大；但6個測點的極差值卻相差很大，其中以熔融形式加入的3#試樣的極差值最小，為6.4 MPa。極差值越小說明3#試條內部各點的組織越均勻。原因是：圖1中的成型料存在均勻性差異；另外，在投料和刮料過程中由于料的拱橋和堆積現象，使分散料存在一定程度的不均勻性；再者，熔融加入高分子助劑的成型料表層均勻包裹了一層高分子材料，高分子材料冷卻后呈固態，使單個磨料或磨料團分散開來，料的松散性和流動性明顯改善，使投料和壓制過程中的料更容易達到均勻分布，因而砂輪燒成后組織更均勻，抗折強度極差值最小。

2.3 添加方式對砂輪組織均勻性的影響

圖3為不同配方的高徑比為13的陶瓷CBN內圓磨砂輪燒成后照片，燒成后的砂輪按照圖4的標識切割成4段，得到砂輪的均勻性測試結果見表2。

從圖3a可以明顯看出：未添加成型助劑的1#砂輪上中下顏色深淺不一，中間顏色最淺，下部顏色最深，上部居中。結合表2的測量數據可知：1#砂輪上、中、下部分的外徑和密度分布不均勻，其中顏色最深的下部外徑和密度最大，中間部分外徑和密度最小，最大處和最小處的尺寸極差率和密度極差率分別為0.54%和5.56%。

圖3 不同陶瓷CBN內圓磨砂輪照片Fig. 3 Photos of different ceramic CBN internal grinding wheels

圖4 砂輪分段示意圖Fig .4 Segmentation of grinding wheel

從表2中可看出：添加高分子成型助劑后的2個配方2#和3#砂輪的均勻性較常規冷壓1#的均有所提升。其中，以熔融形式加入的3#砂輪(圖3c)上中下顏色一致性最好，表2中的測量數據顯示其尺寸極差值為0.04 mm，密度極差值為0.026 g/cm3，尺寸極差率和密度極差率也僅為0.18%和1.16%，進一步驗證該砂輪組織均勻性最好。

分析原因，是常規冷壓成型時由于粉末顆粒間存在內摩擦，粉末顆粒與壓模壁間存在外摩擦，壓力在壓制過程中傳遞損失較大，引起壓坯密度分布不均勻，離施壓模具壓頭較近部分的密度較高，較遠部分的密度較低。本實驗雖采用雙向加壓方式成型，可部分改善壓坯的密度梯度分布，但作用不大，壓坯仍是兩頭密度大、中間密度小。添加高分子助劑后，由于壓力作用成型料會產生一定的塑性變形，壓力傳遞由原來的硬性接觸傳遞變成半塑性傳遞，可明顯降低傳遞過程的壓力衰減；同時，高分子成型助劑使粉末顆粒間的內摩擦和粉末顆粒與壓模壁間的外摩擦不同程度減小，有效改善砂輪組織的均勻性。況且，以熔融形式加入的高分子助劑使成型料分布均勻，對其潤滑和流動性提升效果更好；而以顆粒形式加入時，高分子在成型料中分布不夠均勻，潤滑和減磨作用較小，對成型料的均勻性提升效果有限。

表2 砂輪均勻性測試結果Table 2 Test results of grinding wheel uniformity

2.4 添加方式對砂輪顯微結構的影響

為了進一步觀察不同添加方式對砂輪內部組織形貌的影響，對圖3的內圓磨砂輪斷面形貌進行觀察，結果如圖5所示。

圖5a、圖5b顯示：1#砂輪密度最大和最小處的斷口形貌差異明顯，密度最小處的砂輪組織疏松，氣孔較多，結合劑橋連接不完整；密度最大處的砂輪組織致密，結合劑與磨料形成的團聚體和成型壓力傳遞不均造成的團聚體使砂輪組織致密，氣孔較少且大小不一，結合劑橋完全相交成整體。這些都是導致砂輪強度和密度分布不均的原因。

圖5c、圖5d顯示：當以顆粒狀加入高分子成型助劑時，2#砂輪的組織均勻性明顯提升，密度最小處和最大處的顯微形貌差異較1#砂輪的已有所改善，密度最小處橋連接趨于完整，密度最大處氣孔分布明顯改善。由圖5e、圖5f可知：當以熔融形式加入高分子成型助劑時，3#砂輪的顯微組織均勻性進一步提升，密度最大處和最小處的結合劑橋粗細均勻、分布完整，氣孔大小較為一致，磨料顆粒分布均勻。這也解釋了添加成型助劑的砂輪抗折強度和組織密度均勻性較未添加時有所改善的原因。

(a) 1#砂輪密度最小處Minimum density of wheel 1#(b) 1#砂輪密度最大處Maximum density of wheel 1#(c) 2#砂輪密度最小處Minimum density of wheel 2#(d) 2#砂輪密度最大處Maximum density of wheel 2#(e) 3#砂輪密度最小處Minimum density of wheel 3#(f) 3#砂輪密度最大處Maximum density of wheel 3#圖5 不同CBN砂輪斷面形貌Fig. 5 Cross-sectional morphology of different CBN grinding wheel

2.5 添加方式對砂輪使用性能的影響

為了更直觀地比較不同添加方式砂輪間的差異，選用未添加高分子成型助劑、以顆粒形式加入、熔融加入3種方式制成的規格為1A1W 20×41×14×62×M6的陶瓷CBN內圓磨砂輪，分別標號1#、2#、3#，磨削加工葉片泵定子表示。機床型號為TOYO-T-182PG內孔曲線磨床，主軸最高轉速為30 000 r/min，加工余量φ0.8 mm；砂輪用電鍍滾輪修整；定子加工要求為：直線度L≤2 μm，光潔度Rz≤2.5 μm。定子的實際磨削效果見表3，表3中的耐用度是指砂輪2次修整間隔所加工工件的數量，壽命是指單個砂輪總共能加工合格工件的數量。

表3 不同添加方式的內圓磨砂輪磨削結果對比Table 3 Ground results of CBN internal grinding wheel with different addition mode

從表3中可以看出：3#砂輪的耐用度、使用壽命是3種砂輪中最高的，分別是1#砂輪的2倍，且被加工工件的直線度和粗糙度也明顯高于1#、2#砂輪的，也未出現喇叭口的情況。這是因為以熔融方式添加高分子助劑制備的陶瓷CBN砂輪微觀和宏觀組織都比較均勻，當砂輪內部磨粒和結合劑橋分布均勻時，在磨削過程中其刃口尺寸一致性較好，所加工的工件粗糙度也較低；砂輪不同部位組織的一致性使砂輪的硬度偏差較小，因此加工的工件直線度較好，出現喇叭口的情況也會減少。

3 結論

(1)高分子添加劑以熔融方式添加時，其冷卻后在CBN磨料表面形成均勻包裹，使篩后成型料的松散性和流動性明顯改善，在投料和壓制中砂輪組織更容易達到均勻。

(2)高分子成型助劑以顆粒添加和熔融方式添加時，制備的陶瓷CBN試條抗折強度極差值分別為16.1和6.4 MPa，較未添加助劑的試條的抗折強度分別降低了34.02%和73.77%；制備的陶瓷CBN內圓磨砂輪密度極差率分別為2.4%和1.16%，較未添加的砂輪降低了56.83%和79.14%，且砂輪組織結構更均勻。

(3)采用熔融形式加入高分子添加劑制備的陶瓷CBN內圓磨砂輪磨削葉片泵定子時未出現喇叭口，壽命達2 600～2 800件，耐用度為10～12件，分別較未添加高分子成型助劑的砂輪的壽命和耐用度提升了2倍，且加工工件的粗糙度和直線度也明顯改善。