基于開放孔隙的釬焊CBN多孔砂輪研制與磨削加工性能

丁文鋒， 傅玉燦， 趙 彪， 龍偉民， 鐘素娟， 宋曉國， 賈連輝

(1. 南京航空航天大學 機電學院， 南京 210016) (2. 中機智能裝備創新研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315700) (3. 鄭州機械研究所有限公司， 鄭州 450001) (4. 哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150001) (5. 中鐵工程裝備有限公司， 鄭州 4500016)

鈦合金具有強度高、熱穩定好、化學活性強以及耐腐蝕性好等優良特性，在航空航天領域應用廣泛[1]。然而，鈦合金加工過程中存在磨削熱多、易黏附、工具磨損嚴重、工件表面易燒傷等問題，對工具提出了很高的要求[2]。CBN超硬磨料砂輪憑借自身高強韌性，優異的熱穩定性及高鋒利度，在難加工材料磨削加工方面得到廣泛關注[3]。然而，由于CBN磨粒屬于各向異性晶體結構，其磨削過程中產生的解理破壞和大塊破碎嚴重影響砂輪整體的加工效率和使用壽命[4]。為達到效率高、耐磨性好以及加工表面質量優良的目的，延長磨削工具穩定磨損時間的同時避免磨粒快速失效才是關鍵。因此，研制一種新型的耐磨性好、壽命長、自銳能力優異的CBN超硬磨料砂輪，顯得至關重要。

另外，由于單層CBN砂輪磨鈍后不易修整，且修整后由于部分磨粒受力發生大塊破碎，嚴重影響砂輪壽命[5]。除此之外，由于鈦合金磨削過程中呈現磨削熱多、易堵塞以及工件表面易燒傷等特點，對磨削工具的性能又提出很高的要求。SU等[6]發現采用造孔劑制備砂輪工作層，可以顯著增大砂輪容屑空間，進而提升金屬結合劑砂輪的磨削性能。多孔金屬結合劑CBN超硬磨料砂輪雖然兼具高孔隙率和高強度等特點，但由于其多孔結構參數(尺寸、分布等)不可控，導致整體砂輪的結構和機械性能無法準確預測[7]。

目前，學術界研究的重點主要集中在多孔金屬材料的微觀結構和機械性能中[8]。多孔材料的制備工藝主要包括相分離、嵌入空心球和增材制造等技術[9-10]。周易等[11]認為多孔金屬材料的彎曲強度及彈性模量可以通過改變孔隙率和孔隙排布實現精準控制。AMIGO等[12]發現采用小尺寸的碳酸氫銨顆粒作為造孔劑，多孔TiCP3材料能夠獲得更高的機械性能，但不規則的孔隙結構導致多孔材料的強度無法進一步提升。DING等[13-14]借鑒單層磨料釬焊技術，利用磨料與金屬結合劑的化學結合，有效地提升了磨料把持強度。同時，采用空心陶瓷球顆粒作為造孔劑引入金屬結合劑中，能夠形成較大容屑空間以解決砂輪容屑空間不足等問題。采用空心陶瓷球制備的多孔結構屬于閉孔結構，切削液難以進入磨削弧區內，嚴重限制砂輪使用壽命和工件加工表面質量的進一步提升。

本研究從低成本和易操作的角度，選擇易溶于水的球狀尿素顆粒作為造孔劑，結合高溫液相釬焊技術，制備出集高孔隙率、高強度、開放孔隙結構、良好自銳性能于一體的CBN多孔砂輪。探究該砂輪的制備工藝，分析磨削用量參數對鈦合金加工性能的影響規律，并揭示其自銳性能及其對工件表面質量的影響。

1 砂輪制備方法與試驗裝置

1.1 多孔CBN砂輪工作層節塊的制備

如圖1所示，采用Cu-Sn-Ti合金粉末(包含球狀的Cu-Sn合金和不規則Ti顆粒)、層狀二硫化鉬顆粒、CBN磨粒和球狀尿素顆粒制備多孔CBN砂輪工作層節塊。

圖1 制備釬焊CBN多孔工作層節塊原料

為獲取機械性能最優的工作層節塊，采用4種尺寸(分別為0.2～0.4 mm，0.4～0.6 mm，0.6～0.8 mm和0.8～1.0 mm)和不同質量分數的尿素顆粒(分別為30%，40%，50%和60%)制備多孔CBN砂輪工作層節塊。如圖2所示：將合金粉末和質量分數為7.5%的二硫化鉬顆粒經行星球磨機充分混合制成釬料；將均勻混合好的釬料、CBN磨粒和尿素顆粒按照一定的比例混合均勻，再經粉末壓片機冷壓成型(200 MPa, 30 s)后制備出30 mm×8 mm×6 mm的節塊。

圖2 釬焊CBN多孔工作層節塊制備流程示意圖

將上述成型節塊置于蒸餾水中，通過水溶法去除節塊內部的尿素顆粒，形成多孔結構，烘干備用。前期研究[15]發現，當水溶時間為240 min時，可以去除超過92%尿素顆粒，而且此時節塊的彎曲強度最高。最后，對多孔節塊進行高溫加熱，工藝條件是880 ℃，保溫30 min，節塊內組元之間發生釬焊界面反映。

1.2 試驗裝置

為方便砂輪的制備，將砂輪工作層均勻分為32個弧形片狀節塊。對砂輪基體弧面進行噴砂粗化處理，以增大基體弧面與工作層節塊間粗糙度，保證黏結強度。采用熱固性樹脂膠將工作層節塊黏結在砂輪基體外弧面，并將其置于150 ℃的環境中保溫90 min。對砂輪的外端面和外弧面進行修整，使用噴砂修銳的方法對釬焊CBN多孔砂輪進行修銳處理，如圖3所示。

圖3 釬焊CBN多孔砂輪

本次磨削加工試驗采用型號為BLOHM PROFIMAT 408的高速平面磨床，如圖4所示，該機床配有優異的冷卻系統和高速精密電主軸能夠完成鈦合金材料的高速磨削加工試驗。

圖4 磨削試驗裝置

使用Kistler 9272測力儀和Mahr粗糙度儀完成磨削力和表面粗糙度的檢測，磨削方式為順磨，磨削參數見表1，鈦合金元素組成參考文獻[16]。

表 1 磨削參數

1.3 彎曲強度和微觀結構特征

依據《ASTM B528-12》金屬材料三點彎曲標準方法檢測節塊彎曲強度，并以彎曲強度為評價指標優化出最優的孔隙尺寸和孔隙率。隨后，將該節塊進行超聲清洗30 min，烘干備用，利用掃描電鏡獲取斷面微觀形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 彎曲強度和微觀形貌

彎曲強度是評價金屬黏結劑與磨粒黏結強度的重要參數。根據前期研究，釬焊CBN多孔節塊強度需要超過50 MPa才能滿足高速磨削工藝對砂輪工作層節塊的強度要求。圖5顯示了孔隙尺寸和孔隙率對多孔節塊彎曲強度的影響。

(a)孔隙尺寸 Pore size(b)孔隙率 Porosity圖5 彎曲強度隨孔隙尺寸和孔隙率的變化 Fig. 5 Effect of pore size and designed porosity on flexural strength of porous samples

由圖5可知：當孔隙率為40%時，彎曲強度隨孔隙尺寸的增大，由65.6 MPa急劇下降至34.2 MPa，降幅為47.9%。這是因為金屬材料內部孔隙結構相當于是裂紋初始源，導致材料強度快速下降。而隨著孔隙率從30%增大至60%，材料的彎曲強度從69.2 MPa降至29.2 MPa，降幅為57.8%，呈直線下降的趨勢。考慮到工作層節塊的彎曲強度和容屑空間，確定孔隙尺寸為0.6～0.8 mm以及孔隙率為40%。

圖6為釬焊CBN多孔節塊斷面SEM微觀結構圖。由水溶法得到的多孔結構以及CBN磨粒能夠清楚地被觀察到。由于采用的均為近球狀的尿素顆粒，所以大部分的孔隙結構也呈現近球狀，而且還能觀察到由于部分相鄰的尿素產生的貫穿孔。這些開放孔隙結構有利于提升砂輪的容屑空間及磨削液的滲透能力，進而降低磨削弧區溫度，最終改善加工表面質量。

圖6 工作層節塊斷面微觀結構

2.2 磨削力與力比

圖7揭示磨削力和力比隨著工作臺進給速度vw的變化規律。如圖7a所示：當vs為30 m/s時，法向磨削力Fn隨vw增大快速增大，由34.8 N增至124.5 N，增幅達257.8%；而切向磨削力Ft增幅較為緩慢，由71.1 N增至85.5 N，增幅為20.3%。然而，當vs為80 m/s時，Fn和Ft呈現類似緩慢上升趨勢。顯然，高速磨削時，釬焊CBN多孔砂輪的磨削力更為穩定，更適合于鈦合金的磨削加工。

(a)磨削力 Grinding force(b)磨削力比 Grinding force ratio圖7 磨削力與磨削力比隨vw的變化Fig. 7 Grinding force and force ratio versus vw under grinding speeds

由圖7b可知，磨削力比隨vw的增大呈現直線下降的趨勢。當vs為30 m/s時，磨削力比由2.00降至0.69，降幅為65.5% ；當vs為80 m/s時，磨削力比由2.04降至1.42，降幅僅為30.4%。由此可見，高速時釬焊CBN多孔砂輪擁有更穩定的砂輪鋒利度，且能夠保持砂輪型面穩定性，有利于提升砂輪使用壽命，改善加工表面質量。

2.3 砂輪磨損特征及加工表面粗糙度

選擇恒定磨削用量：vs= 80 m/s、vw= 3 m/min、ap= 0.1 mm，展開釬焊CBN多孔砂輪磨損試驗研究，且每增加4 000 mm3的材料去除體積就進行表面粗糙度和磨削力的分析，并且拆下砂輪對其表面形貌進行觀察。圖8顯示磨削力與力比隨累計材料去除體積Vw的變化規律。當Vw由4 000 mm3增至8 000 mm3時，Fn和Ft呈明顯上升的趨勢，這是砂輪在初期磨損階段時，磨粒出露高度不一致，出露較高的磨刃承擔主要的材料去除作用，承受較大的切向力，磨粒頂端會出現磨耗平臺，并且磨耗平臺會隨著磨損進程不斷增大，磨削力隨之增大。隨后，砂輪表面動態有效磨刃數趨于穩定，磨削力也較為平穩。在整體砂輪磨損過程中，磨削力比一直保持在2.54～3.23范圍內，證明該釬焊CBN多孔砂輪始終保持較高的鋒利度。

圖8 磨削力與磨削力比隨Vw的變化

圖9為砂輪表面形貌隨Vw變化的演變規律。磨粒隨Vw的增大，呈現磨耗磨損、微破碎、大塊破碎甚至是拔出的形貌演變規律。很顯然，孔隙結構和磨粒的不斷顯露和消除有利于保證釬焊CBN多孔砂輪的自銳性能，延長砂輪使用壽命，改善加工表面質量。

(a) 原始形貌 Original morphology(b) 8 000 mm3(c) 16 000 mm3(d) 24 000 mm3圖9 釬焊CBN多孔砂輪磨損表面形貌Fig. 9 Wear morphologies on the surface of brazed CBN porous abrasive wheels

圖10為表面粗糙度Ra隨Vw的變化。如圖10所示，當Vw從0增大至12 000 mm3時，Ra由1.85 μm快速降低至0.68 μm，降幅63.2%，隨后趨于穩定，在0.65 μm上下浮動。釬焊CBN多孔砂輪通過磨粒微破碎與孔隙形成的容屑空間，實現砂輪表面磨粒鋒利度和容屑空間的動態平衡，砂輪的自銳能力、磨削性能和使用壽命顯著提升。

圖10 表面粗糙度隨Vw的變化

3 結論

利用冷壓成型和高溫釬焊技術，成功研制了集高孔隙率、高強度、開放孔隙結構和優良自銳性能于一體的釬焊CBN多孔超硬磨料砂輪，完成了開放孔隙結構設計和砂輪制備，開展鈦合金磨削加工性能和磨損試驗研究，分析磨削用量參數對鈦合金加工性能的影響規律。得出以下結論：

(1)綜合評價孔隙尺寸和孔隙率對多孔砂輪工作層節塊的彎曲強度和容屑空間的影響，孔隙尺寸和孔隙率分別優化為0.6～0.8 mm和40%。

(2)相比于vs=30 m/s，多孔砂輪在vs=80 m/s時，呈現更小磨削力以及更穩定的磨削力比。

(3)由于多孔砂輪表面存在磨粒和多孔結構的動態平衡，有效提升了砂輪的自銳性能和使用壽命。

(4)在磨損加工試驗中，當Vw增大至12 000 mm3時，Ra由1.85 μm快速下降至0.68 μm，隨后逐漸保持穩定。