熱壓成型砂輪基體結構設計優化

時云鵬 ?？P 張 毅 閆道恒 陳曉強

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

金屬結合劑金剛石砂輪具有高硬度、高耐磨、耐高溫、對磨料的把持力強等優點，被廣泛用于磨削硬質合金、光學玻璃、陶瓷、寶石等高硬度脆性材料。傳統的金屬結合劑金剛石砂輪普遍采用高溫燒結成型，由于金剛石的石墨化溫度較低，在900℃左右即有較大的熱損傷，導致磨削性能急劇下降，所以日常生產多采用熱壓成型燒結工藝來進行制備。熱壓成型燒結是一種十分有效的成型方法，其燒結溫度比常壓成型燒結低100～150℃。溫度的降低不僅可以防止金剛石石墨化，還可以縮短燒結時間，抑制晶粒的過分長大，獲得良好的力學性能。

常規熱壓燒結工藝多采用先燒制磨料層，后續與基體組裝配合的制備流程，但該制備工藝存在著如下缺點：（1）燒結完畢的磨料層必須在400～500℃高溫下及時卸模，若卸模不及時磨料層會因隨著冷卻收縮將會卡在模具型芯上，導致無法卸模，造成報廢。（2）高溫狀態下砂輪環組織內部存在有不規則的內應力，卸模后內應力的釋放會導致砂輪環沿徑向產生一定程度的不規則變形，導致在后期與基體組裝配合時會存在有較大的縫隙，影響砂輪環與基體的結合強度，變形嚴重者在后期使用過程中存在有砂輪環脫落的風險。所以如何實現磨料層與基體的良好配合，保證結合強度，是熱壓燒結工藝的難點。帶基體熱壓工藝作為熱壓燒結的一種，其特點在于將含有磨料的砂輪工作層與基體同時放于模具中進行燒結，既具備熱壓工藝的優點，又解決了磨料層與基體的配合問題。

目前關于金屬結合劑金剛石砂輪帶基體熱壓燒結工藝方面的研究多數聚焦于配方、燒結曲線等方面的研究，缺少對磨料層與基體結合強度，磨料層厚度控制等工藝方面的相關研究。本文通過對模具設計、基體結構設計進行研究來控制磨料層的厚度，提升批量產品組織性能的穩定性；通過對基體與磨料層結合面的結構設計、基體表面處理進行研究，提高基體與磨料層間結合強度，提升砂輪的安全性能，滿足了高速磨削的使用要求。

1 模具設計及基體結構設計

1.1 模具設計

模具的尺寸直接決定著燒結后磨料層的尺寸，直接影響砂輪環內部組織的致密性，對砂輪的磨削性能起著關鍵作用，所以合理的模具材料及模具結構是金屬結合劑金剛石砂輪帶基體熱壓成型工藝研究的基礎。

石墨的熔點為38℃50℃±50℃，膨脹系數也很小，石墨強度隨溫度提高而加強，在高溫下仍可以保持原有的尺寸精度。除此之外，石墨高溫下析出一氧化碳，對金剛石與結合劑均有防氧化的作用，故選取其作為模具材料。然后在熱壓燒結常用的模具基礎上進行改進優化得到帶基體熱壓燒結的專用組合模具。

該組合模具由模套、上下壓環、上下型芯、芯棒組組成。通過芯棒與基體的配合定位來保證基體的同心度，防止燒結后磨料層偏心；通過保證型芯與壓環厚度的一致性，來保證燒結后磨料層的厚度達到設計要求。

1.2 基體結構設計

實際燒結過程中，模具內中心區域溫度高達600～800℃，石墨本身不易膨脹，但鋼基體受熱膨脹后產生的軸向壓力會阻礙上下壓頭向磨料層方向移動，影響磨料層厚度的有效控制。如何通過基體結構優化來減少在燒結過程中產生的阻力，是控制磨料層厚度的關鍵。

本研究將基體與型芯的接觸面進行部分減薄處理（見圖1）來減少燒結過程中基體膨脹產生的軸向阻力，到達控制厚度的目的。具體試驗方案如下。

圖1 基體改進前結構

圖2 基體改進后結構

（1）對從國內某廠商采購的電解銅粉、錫粉金屬粉料進行過篩處理，放入三維混料機進行均勻混合，加入濕潤劑制粒，干燥后放入電子除濕柜中保存。

（2）對從國內某廠商采購的45鋼按照改造前后進行車削，規格型號為14E1 100×8×20×4。

（3）組裝好相應的模具，放在加熱設備上按照對應的燒結曲線進行燒結，壓強為200～500 kg/cm。

（4）燒結完畢后及時卸掉型芯，然后放在空氣中自然冷卻。待溫度降至室溫后，取出燒結半成品，打磨掉磨料層上的毛刺，使用千分尺測量磨料層上的厚度尺寸，尺寸精確到0.001 mm。

按照上述過程，分別對改進結構前后的基體進行兩輪試燒，每輪分別燒制三次，取其厚度平均值，最后對基體結構改進前后的厚度值進行對比。

改進前未進行減薄處理的基體平均燒結厚度高于設計值0.10 mm，不滿足設計要求；改進后進行部分減薄處理的基體則整體接近設計值，確實達到了減少燒結阻力的效果，滿足設計要求。

2 基體與磨料層結合面結構設計及表面處理

2.1 基體與磨料層結合面結構設計

在實際燒結過程中，基體與磨料層的結合方式以機械嚙合為主、化學結合為輔，合理的基體結構對磨料層與基體的高強度結合起著至關重要的作用。所以如何通過基體結構的合理設計來提高磨料層與基體的結合強度，是本研究的重點。

本研究通過對基體與磨料層結合面的槽型結構進行改進，來達到提高基體與磨料層結合強度的目的，保證高速磨削下砂輪使用的安全性，滿足市場需求，具體方案如下：

（1）在CS6150 普通車床上分別采用相同的轉速及進刀量車削加工三種槽型的基體，每種一片，結合面厚度為4 mm，基體規格號為14E1 100 mm×8 mm×20 mm×4 mm。

（2）按1.2 試驗過程進行試燒，燒成后用線切割對燒成半成品砂輪進行六等分。

（3）每種槽型結構取三個試塊進行徑向拉伸強度測試。

按照上述過程，分別對三種槽型結構的基體樣塊進行徑向拉伸強度測試，取其抗拉強度平均值進行對比，數據如表1 所示。

從表1 數據中可知，U 型槽結構下，磨料層與基體的機械嚙合程度最強，結合強度最高，滿足設計要求（常規熱壓燒結工藝中基體與磨料層基體結合強度在50 N/mm，故以此為設計值）。

表1 不同槽型拉伸強度測試結果

2.2 基體與磨料層結合面表面處理

薄基體（厚度2 mm 及以下）與磨料層接觸面積過小，機械嚙合的把持力不足，槽型結構的改進對其結合強度的提高作用有限。所以如何提高該類砂輪基體與磨料層的結合強度是研究的難點。

本研究通過對加工后的基體進行表面改性處理，增加基體與磨料層的冶金結合強度。實現薄基體、窄接觸面前提下，磨料層與基體結合強度的提高，保證砂輪安全性能，滿足高速磨削的使用要求。具體方案如下。

（1）加工兩片U 型槽基體，結合面厚度為2 mm，基體規格型號為14E1 100 mm×8 mm×20 mm×2 mm。

（2）使用噴砂機對其中一片基體結合面進行鈍化處理，另一片不做表面處理直接燒結。

（3）將鈍化后的基體放置超聲波清洗劑中除油后，放在電鍍槽中對結合面進行鍍銅處理。

（4）按照1.2 試驗過程進行燒結半成品的試做，燒成后使用線切割對兩片燒成半成品砂輪進行六等分。

（5）每種取三個試塊進行徑向拉伸強度測試。

按照上述過程，將經表面處理的基體與未經處理的基體數據進行對比，數據如表2 所示。

從表2 數據可知，經表面改性處理的基體燒結后與磨料層的結合強度較未經處理的基體高43%，效果明顯，且均值大于50 N/mm，滿足設計要求（常規熱壓燒結工藝中基體與磨料層基體結合強度在50 N/mm，故以此為設計值）。

表2 基體表面處理前后結合強度數據

3 結語

（1）基體與型芯的接觸面部分的減薄處理可以減少燒結過程中基體膨脹產生的軸向阻力，實現磨料層的厚度控制，保證磨料層內部的組織性能滿足設計要求。

（2）基體與砂輪結合面的槽型結構對磨料層與基體的結合強度有重要作用，其中U 型槽結構明顯優于V 型槽、梯形槽。

（3）基體與砂輪結合面的鈍化、鍍銅處理工藝可以明顯提高薄基體（2mm 以內）的磨料層與基體的結合強度。