單層CBN砂輪感應釬焊溫度的優選方法研究 *

李奇林, 丁 凱, 雷衛寧, 單大平

(1. 江蘇理工學院, 江蘇 常州 213001) (2. 中國航發動力股份有限公司, 西安 710021)

立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬磨料，具有較好的熱穩定性和化學穩定性，尤其是與鐵族元素不結合，具有較好的化學惰性，相對于金剛石砂輪，CBN砂輪更適合加工鈦合金等高強韌難加工材料[1-2]。目前，常見的CBN砂輪有多層燒結、單層電鍍以及單層釬焊3種形式。近幾十年的研究結果表明：單層釬焊CBN砂輪在容屑空間、鋒利度以及砂輪壽命等方面相對于前兩者更具優勢，其根本原因是釬料合金與CBN磨粒、砂輪基體之間實現了高強度的化學結合，提高了砂輪基體對CBN磨粒的把持力[3]。

溫度是影響釬焊產品質量的重要因素之一。CHATTOPADHYAY等[4]采用Ag-Cu-Ti釬料，在Ar氣保護氛圍下釬焊CBN磨粒，試驗發現在釬焊溫度為900 ℃時實現了釬料與CBN之間的牢固結合。DING等[5]采用Ag-Cu-Ti釬料在890～920 ℃條件下釬焊CBN-AlN復合磨粒，結果顯示：當釬焊溫度為900 ℃時，釬焊接頭具有最佳的結合性能。FAN等[6]采用Cu-Sn-Ti合金釬焊CBN磨粒，試驗顯示最佳的釬焊溫度為950 ℃；當釬焊溫度較低時釬料與磨粒的界面反應不充分，不能形成牢固的化學結合；而過高的釬焊溫度則會引起磨粒微裂紋等熱損傷。任慧中等[7]采用高頻感應釬焊CBN砂輪，研究了不同釬焊溫度條件下砂輪的界面結構和磨削性能，結果表明釬焊溫度為940 ℃時，砂輪具有最佳的磨削性能。

總之，現有研究均采用探討若干個釬焊溫度條件下的界面結構與磨削性能等方法，來優選出其中一個最佳釬焊溫度。考慮到研究中的溫度序列的離散性，會導致基于試驗結果的最佳釬焊溫度并不一定是實際中最優的釬焊溫度。因此，提出一種單層CBN砂輪釬焊溫度的評價模型，以釬焊溫度為自變量，以砂輪鋒利度和砂輪壽命2個磨削性能為目標，優選出最佳釬焊溫度。

1 評價方法與試驗過程

1.1 單層CBN砂輪釬焊溫度評價模型

針對當前CBN砂輪釬焊溫度優選方法不精確的缺陷，提出以溫度為自變量的單層釬焊CBN砂輪磨削性能評價函數，在一系列溫度條件下采用感應釬焊方法制備多組單層釬焊CBN砂輪，通過磨削試驗獲得的磨削力和材料去除總量來分別表征砂輪的鋒利度和砂輪壽命，獲取評價函數的最大值，以優選出最佳釬焊溫度。其具體過程詳述如下：

首先，在等間隔的n+1個溫度(T0，T1，…，Tn)下采用感應釬焊方法制備多組單層釬焊CBN磨料砂輪試樣，對每組砂輪試樣在恒定磨削用量條件下進行磨損試驗直至其失效。砂輪失效標準為：根據實時測量的磨削力，計算磨削過程中工件的法向力與切向力力比；當力比逐漸增大至初始力比的2.5倍時，即達到失效標準。

后通過磨削參數與磨削行程可以計算出各組砂輪的工件材料去除總量Q：

Q=ap·l·w·p

(1)

式中：ap為切深，l為工件長度，w為工件寬度，p為砂輪失效時磨削的總行程數。

再以溫度為自變量建立單層釬焊CBN砂輪磨削性能的評價值f(T)：

f(T)=Q/FT

(2)

式中：FT表示釬焊溫度T條件下制備的CBN砂輪試驗中的穩定切向磨削力。評價值f(T)越大，表示該溫度條件下的釬焊CBN砂輪磨削性能越好。

由于釬焊溫度T及其對應的磨削性能評價值f(T)是離散的，為了獲得最優的釬焊溫度，需要對評價值f(T)進行連續化。三次樣條插值法是工程上常用的一種離散數據函數化方法，該方法通過分段構造三次多項式來形成平滑曲線對離散數據進行插值擬合，具有收斂性好、穩定性高、曲線光滑度好等優點[8]。

對于上述離散函數yi=f(Ti)(i=0,1，…，n)，其三次樣條曲線S(T)滿足如下條件：(1)S(T)是分段曲線，在每一個分段區間內部的[Ti,Ti+1],S(T)=Si(T)是一個三次曲線;(2)在每一個Ti處，S(Ti)=yi;(3)S(T)的一階導數S′(T)和二階導數S〃(T)在整個區間[T0,Tn]內連續。

對任意區間[Ti,Ti+1]，該區間上S(T)的三次樣條插值函數為：

Si(T)=ai+bi(T-Ti)+ci(T-Ti)2+di(T-Ti)3

(3)

式中：i=0,…,n-1;ai，bi，ci，di分別為該函數待定的系數。

如果記hi=Ti+1-Ti，S(T)二階導數S〃(T)=Mi，可推導出式(3)中的系數分別為：

ai=yi

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

從式(8)可以看出：公式左側的系數矩陣為嚴格對角占優矩陣，方程具有唯一解，從而可得到函數S(T)的系數矩陣[ai，bi，ci，di]。最后求解出S(T)在區間[T0,Tn]內的最大值，即得到最佳釬焊溫度Toptimal。

1.2 試驗過程

選擇粒度代號為80/100(磨粒基礎粒徑為150～180 mm)無鍍膜CBN磨粒，釬料為Ag-Cu-Ti合金粉末，其主要組分為96(72Ag-28Cu)-4Ti (質量分數，%)。采用高頻感應釬焊制作單層釬焊CBN砂輪，砂輪直徑6 mm，釬焊裝置如圖1所示。

(a)示意圖

(b)釬焊裝置

試驗中，采用德國OPTRIS PI230型紅外熱像儀實時測溫，控制釬焊溫度在880～1 000 ℃，每間隔20 ℃釬焊1個試樣，共釬焊7組試樣。需要指出的是，受熱像儀精度限制，實際的釬焊溫度會有2～3 ℃的偏差。試驗中，每組試樣保溫時間均為10 s，氬氣流量控制在40 L/min。

對上述7組釬焊試樣進行恒定磨削用量條件下的TC4鈦合金磨削試驗，鈦合金尺寸為50 mm×5 mm×100 mm，磨削試驗裝置如圖2所示。磨削方式為切入式順磨，切削液為質量分數5%的水基乳化液，磨削參數為：砂輪線速度vc=6 m/s, 切深ap=0.01 mm，進給速度vw=600 mm/min。采用KISTLER 9272三相壓電晶體測力傳感器+KISTLER 5070A電荷放大器對磨削過程中的磨削力進行測量，利用Dyno Ware軟件對試驗測得的磨削力原始信號進行濾波和溫漂補償。

圖2 磨削試驗裝置

2 試驗結果與討論

2.1 釬焊溫度對砂輪磨削性能的影響

7組試樣在穩定磨削狀態下的切向磨削力FT，砂輪失效時的磨削總行程數p，工件材料去除總量Q以及磨削性能評價值f(T)結果如表1所示。

因此，通過對淺表工程勘探及生產范圍內成礦元素及伴生元素，地球化學異常空間組合規律的研究，結合深部的物探特征，對深部礦化前景及有利地段進行預測評價，實現找礦突破。

表1 磨削試驗結果

從表1可以看出：釬焊溫度升高，砂輪切向磨削力FT整體呈上升趨勢，但在920～940 ℃出現下降，而此時砂輪的磨削總行程數p、材料去除總量Q仍然在增加，導致磨削性能評價值f(T)在920 ℃時產生較大增幅，并在940 ℃到達峰值；而后隨釬焊溫度繼續升高，磨削力繼續上升，但磨削總行程數、材料去除總量和磨削性能評價值隨之下降。

需要指出的是，由于每個釬焊溫度下的磨削試驗僅使用了1個試樣，存在偶然因素造成的一定誤差，但這個誤差理論上來說屬于隨機誤差，不會對試驗的整體結果造成本質影響。

圖3所示為釬焊溫度對切向磨削力FT以及材料去除總量Q的影響。從圖3和表1可以看出：隨著釬焊溫度上升，釬焊砂輪磨削鈦合金的材料去除總量首先增加，當釬焊溫度為940 ℃時材料的去除總量Q達到最大值115 mm3，隨后緩慢下降；而砂輪的切向磨削力FT在小幅度增大之后又輕微減小，在釬焊溫度達到920～940 ℃時基本維持不變，隨后隨溫度升高又逐漸增大。因此，就鈦合金材料磨削時較大的Q和較小的FT來說，920～940 ℃的釬焊溫度為CBN磨粒釬焊理想的溫度范圍。

圖3 釬焊溫度對切向磨削力以及材料去除總量的影響

圖4為不同溫度釬焊后的CBN磨粒形貌。由圖4可以看出：釬焊溫度為880 ℃時，CBN磨粒表面新生化合物較少；隨著釬焊溫度升高，磨粒表面新生化合物逐漸增多；當釬焊溫度為1 000 ℃時，在CBN磨粒表面可觀察到明顯的裂紋。

(a)880 ℃(b)940 ℃(c)1 000 ℃ 圖4 不同溫度釬焊后的CBN磨粒形貌Fig. 4 Morphology of CBN grains under different brazing temperatures

當釬焊溫度較低時，釬料中的活性元素與CBN磨粒界面處元素相互擴散和化合的速度較慢，導致磨粒與釬料之間不能形成牢固的冶金結合，基體、釬料與磨粒三者之間的結合強度較低，磨粒在磨削過程中易脫落引起砂輪磨損失效。適當提高釬焊溫度有利于提高基體、釬料與磨粒三者之間的結合強度，從而提高砂輪使用壽命。然而，當釬焊溫度過高時，CBN磨粒在高溫下容易產生裂紋等熱損傷[7]，導致磨粒機械力學性能下降；另一方面，隨著釬焊溫度升高，磨粒棱角由于界面能較高而被化學反應消耗，從而導致磨粒的鋒利度降低，使砂輪的磨削力逐漸增大。

2.2 基于三次樣條插值方法優選的最佳釬焊溫度

將表1的試驗獲得的釬焊溫度T和對應的磨削性能評價值f(T)代入式(4)～式(8)，求得S(T)的系數矩陣，最終6個分段函數的矩陣形式表達式為：

(i=0,…,5;T∈[880,1 000])

(9)

對該分段函數在定義域內求得理論預測最大值S2(T) = 27.72，此時Toptimal= 936.5 ℃，即為最佳預測釬焊溫度值。

2.3 釬焊溫度試驗驗證

受溫度控制精度以及熱像儀測溫精度的限制，采用高頻感應釬焊工藝，在約936 ℃時釬焊單層CBN砂輪，重復1.2節的磨削試驗過程，獲得最佳釬焊溫度下的磨削性能評價試驗值為28.66，如圖5所示。

圖5 磨削性能評價函數值及試驗驗證值

圖5中：f(T)為表1中的磨削性能評價值，是離散量；曲線為樣條插值函數式(9)的擬合曲線。從圖5中可以看出：試驗獲得的磨削性能評價值相對樣條插值函數的理論預測值偏高約3.4%，其原因可能是砂輪在一個磨削行程中間已達到失效標準，但計算材料去除總量時取了整個行程的長度，造成了材料去除總量實際值偏高，從而導致實際的磨削性能評價值大于理論值。此外，紅外熱像儀的測溫誤差也是造成上述偏差的原因之一。

圖6所示為不同溫度條件下感應釬焊的單層CBN砂輪磨損形貌。從圖6a可以看出：在釬焊溫度為900 ℃時，砂輪表面的磨粒整顆脫落，釬料層被工件材料嚴重磨耗。圖6b顯示：在釬焊溫度為936 ℃時，釬料對CBN磨粒的把持效果好，砂輪表面的CBN磨粒只以破碎的形式失效，殘留的磨粒根部仍然固定在釬料層中，說明釬料層與磨粒的結合強度大于CBN磨粒本身的強度[9]。此外，砂輪表面未發現工件材料黏附現象，其主要原因是相對于電鍍砂輪，單層釬焊砂輪具有較高的磨粒結合強度和容屑空間，在加工鈦合金等材料時可有效降低磨削力和磨削溫度[1]，從而避免了砂輪堵塞與磨削燒傷現象產生。

(a)900 ℃(b)936 ℃ 圖6 不同釬焊溫度下的CBN砂輪磨損形貌Fig. 6 Wear morphology of CBN wheel under different brazing temperatures

3 結論

(1)針對當前釬焊溫度優選方法不精確的缺陷，提出一種以釬焊溫度為自變量，以砂輪鋒利度和砂輪壽命2個磨削性能指標為目標的評價模型，為優選單層CBN砂輪最佳釬焊溫度提供了新方法。

(2)在磨削試驗數據基礎上，采用三次樣條插值方法獲得單層CBN砂輪釬焊溫度評價函數，優選出最佳釬焊溫度為936.5 ℃。

(3)在936 ℃左右高頻感應釬焊制作CBN砂輪，在恒定磨削用量條件下開展TC4鈦合金磨削試驗，磨削性能評價函數的試驗值相對其理論預測值僅偏高約3.4%，表明該單層CBN砂輪釬焊溫度評價模型與釬焊溫度優選方法具有可靠性。