CBN超硬磨粒工具的超聲振動輔助釬焊結合界面微觀組織和力學性能

蔡開達　趙彪　吳幫福　丁文鋒　徐九華　趙正彩　溫學兵　李邵鵬　陳清良

關鍵詞 超聲振動輔助釬焊；磨粒工具；微觀形貌；連接強度；磨削性能

中圖分類號 TQ164; TG74; TG58 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）05-0568-11

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0190

收稿日期 2022-11-07 修回日期 2023-01-04

釬焊超硬磨粒工具由于具有磨粒結合強度高、容屑空間大、自銳性好等優異性能，在航空航天等難加工材料加工領域受到了越來越多的關注[1-3]，如釬焊磨粒工具在韌性材料[4-5] 和硬脆材料的磨削加工[6-7] 中都有著廣泛的應用。釬焊磨粒工具的磨削性能受到磨粒和釬料合金之間的機械和物理性能的影響，在傳統的釬焊過程中，其連接界面內部會出現大量的氣孔和微裂紋，這會導致釬焊接頭的力學性能減弱，從而降低釬焊磨粒工具的使用壽命[8-10]。因此，需要開發一種新型釬焊方法，以消除不必要的氣孔和微裂紋，最終提高釬焊工具的磨削性能。

目前，超聲振動輔助釬焊技術在各種材料的連接中取得了有益的進展。WU 等[11] 研究了超聲振動對鋁/鋼TIG 焊?釬焊接頭的影響，發現施加超聲振動后，接頭出現了Al-Si 共晶球化、Al3FeSi 破碎和鋁基體細化現象，引入超聲后得到的焊接接頭的剪切強度高于原始接頭，可以達到41 MPa。在釬焊過程中，超聲的空化和聲流效應可以促進液態釬料合金的化學冶金反應[12]。此外，超聲振動輔助釬焊還可以有效提高材料的潤濕性，如對各種陶瓷[13-14]。CHEN 等[15] 使用超聲振動輔助釬焊方法，用ZnAlMg 合金制備了SiC 陶瓷樣品，發現超聲施加時間對接頭強度有著顯著影響，當超聲施加時間為8 s 時，接頭強度可達最大值148 MPa。HUANG等[16] 采用超聲振動輔助釬焊方法制備了金剛石端輪，發現端輪的剪切強度可以提高28.5%，且其斷裂破壞大大減少。然而，利用超聲振動輔助釬焊方法制備可用于工件側面磨削加工的磨粒工具的研究少見報道。

為了評價磨粒工具的性能，楊沁等[17] 對由高頻感應釬焊得到的金剛石磨粒進行剪切試驗，觀察剪切后釬料合金的表面形貌，得到磨粒剪切力的變化，結果表明磨粒的剪切失效主要包括磨粒的剪切斷裂和滑移。ZHANG 等[18] 為了研究超聲振動對金剛石連接界面力學性能的影響，對無超聲和施加超聲得到的釬焊金剛石接頭連接界面的微觀組織和力學性能進行了觀察、測量和比較， 研究表明： 超聲的施加提高了Cr3C2 和Cr7C3 的結晶密度，從而提高了金剛石和釬料合金的結合強度。梁宇紅[19] 開展了釬焊有序排布磨粒工具超聲振動輔助磨削技術的研究，通過模擬仿真、工藝試驗等方法對工具的相關參數進行了設計；并在此基礎上開展超聲振動輔助側磨試驗，驗證其磨削加工性能。

將超聲振動引入釬焊磨粒工具的制作過程，進行超聲振動輔助釬焊試驗以及磨粒剪切試驗，研究超聲釬焊的機理，對超聲振動輔助釬焊工藝進行優化，制造出性能良好的磨粒工具。隨后，進行磨削對比試驗，從磨削力、磨削溫度以及磨粒工具磨損角度對超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削性能進行評價。

1 試驗條件與方法

試驗選用的磨粒工具基體為Φ8 mm × 50 mm 的316L 不銹鋼圓柱體，所用磨粒為河南富耐克超硬材料股份有限公司生產的40/50 CBN 磨粒，所用釬料為Cu-Sn-Ti 合金，其是由球狀Cu-Sn 合金粉末和不規則Ti 粉按照9∶1 質量比均勻混合而成。試驗采用深圳雙平電源技術有限公司生產的SPG-06AB III 型高頻感應電源進行加熱，該電源電流頻率f 為1 MHz，電流幅值I可調范圍為3～28 A。釬焊前，在超聲波清洗機里用酒精清洗CBN 磨粒和工具基體。

釬焊裝置如圖1 所示。先將超聲振動裝置放置在坐標滑臺的適當位置，并將工具基體放置在感應線圈的中央，隨后，調整線圈位于基體布有釬料部分下方約10 mm 處。在感應釬焊時，首先緩慢增大電流到7 A，預熱基體約80 s，為釬焊積累熱量，然后控制感應線圈以1.6 mm/s 的速度向上移動，當觀察到釬料合金處于半固態時，立即施加超聲，使用的超聲頻率為30 kHz，最終得到單層釬焊CBN 磨粒工具如圖2 所示。此外，整個釬焊過程在氬氣環境中進行。釬焊完成后，使用掃描電子顯微鏡（COXEM 30）分別觀察普通釬焊和超聲振動輔助釬焊工具的微觀結構。

為研究超聲振動對釬焊CBN 磨粒連接界面的微觀組織和結合強度的影響，根據前期得到的工藝參數，改變線圈移動速度（1.2， 1.6， 2.0， 2.4 mm/s）、超聲施加時間（2， 4， 6， 8 s）以及超聲振幅（4， 6， 8， 10 μm）進行超聲振動輔助釬焊試驗，探究超聲釬焊機理。

在拉伸試驗機上通過磨粒剪切試驗對CBN 磨粒連接界面的強度進行評估。如圖3 所示，磨粒工具被十字虎鉗夾持，在便攜式顯微鏡的輔助下進行對刀，使用拉伸試驗機夾持的切斷刀進行磨粒剪切，拉伸試驗機的速度設定為1 mm/min。

使用DMG 超聲輔助加工中心進行磨削加工驗證，對比分析普通釬焊與超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削力、磨削溫度等，評價超聲振動輔助釬焊CBN 磨粒工具的磨削性能（見圖4）。

2 結果與討論

2.1 釬焊CBN 工具的表面形貌

圖5 為釬料合金表面形貌。對于普通釬焊，釬料合金表面鋪展得不均勻，存在大量氣孔，如圖5a 所示。而超聲振動輔助釬焊的釬料合金鋪展更均勻，只存在少量氣孔，如圖5b 所示。此外，使用圖像處理軟件對氣孔進行統計，結果如圖6 所示。從圖6 中可以看出：2 種釬焊方法得到的釬料合金表面的氣孔直徑均集中在3～9 μm 范圍內，與普通釬焊相比，超聲振動輔助釬焊在相同面積上的氣孔數量減少了75%，并且直徑9 μm以上的較大氣孔所占比例變小。

圖7 展示了釬焊氣孔的形成過程。磨粒通過黏結劑黏附在磨粒工具基體上，然后在基體上均勻地鋪上釬料合金。因此，當磨粒工具受熱時，黏結劑會揮發并產生大量氣體，這些氣體需要在液態釬料合金中移動一定距離才能脫離。但由于在感應加熱過程中，加熱速度快，加熱時間相對較短，所以揮發的氣體沒有足夠的時間排出。此外，釬焊后的冷卻速度也較快，因此在凝固前，還有相當一部分氣體未能與釬料合金分離，這將導致釬料合金內部和表面形成大量氣孔。

此外，釬料合金是不同金屬粉末的混合物，雖然在試驗之前會通過物理振動使其混合均勻，但仍會有一些釬料合金團聚在一起，這在釬焊時也會導致釬料層疏松且充滿孔洞。同時，釬料是人工一層一層地鋪在磨粒工具表面上的，因此無法保證釬料層厚度的均勻性，這也會導致釬料層結構疏松。這些因素都會使得釬焊后釬料層表面出現孔洞和凹坑。

然而，超聲振動輔助釬焊工具表面形貌保持了良好的狀態，這種明顯的差異可以歸因于超聲振蕩的運動、聲流效應和空化效應。圖8 為超聲振動對釬焊接頭影響示意圖。如圖8 所示：在超聲振蕩的作用下，釬料合金的混合和流動增強，因此釬料層趨于均勻平整。此外，超聲振蕩運動也有利于氣體的逸出。同時，聲流效應對釬焊過程也會產生有利影響。當超聲波在液態釬料合金中傳播時，由于超聲波的吸收和衰減，會從聲源向其傳播方向形成一個聲壓梯度，從而促進液態釬料的流動。此外，當超聲振幅增加到一定值時，這種非周期性運動將在液態釬料中產生射流現象，并且其流速大于液態釬料內部熱對流產生的流速。因此，聲流效應也可以加快液態釬料的流動，這不僅使得氣孔減少，而且使得釬料層更平整。

此外，當超聲作用于液態釬料時，釬料中的微小氣泡會被拉伸成為空化泡，隨后，這些空化泡將在壓力下崩潰。在此過程中，液態釬料中的局部區域會產生瞬時的高溫高壓環境，表現為不同于宏觀振動的強烈沖擊作用。超聲空化引起的高溫、高壓和微射流會在液態釬料中產生許多微小的局部反應，促進釬焊的化學冶金反應。同時，空化泡的崩潰可以實現對液態釬料合金的攪拌作用，其內部的氣體更容易逸出。

2.2 超聲振動對界面結合強度的影響

圖9 顯示了普通釬焊和超聲振動輔助釬焊單個CBN 磨粒的剪切試驗結果。從圖9a 可以看出：普通釬焊和超聲振動輔助釬焊的磨粒在剪切力作用下有著相同的斷裂過程，在車刀接觸到CBN 磨粒時出現剪切力，隨著時間的延長，剪切力迅速增大；當到達磨粒斷裂的臨界點時，剪切力達到最大，此時磨粒發生斷裂，隨后剪切力消失。圖9b 的磨粒剪切結果表明：不同工藝參數的超聲振動輔助釬焊得到的剪切力的最大值比普通釬焊大16.4%～27.7%，這說明引入超聲后，釬料合金對磨粒的把持力增大。

對于普通釬焊，當CBN 磨粒受到剪切力作用時，裂紋會首先出現在釬料合金內部氣孔所在位置，這是因為這些氣孔是應力集中處，很容易成為裂紋源，當剪切力增加時，這些微裂紋將會擴展成宏觀裂紋，使釬料合金失去對磨粒的把持，磨粒斷裂失效。因此，這些氣孔的存在將會弱化釬料合金對磨粒的把持力。然而，對于超聲振動輔助釬焊，一方面釬料內部氣孔較少，受剪切力時萌生的裂紋源較少；另一方面，超聲空化效應會發生在液態釬料的毛細縫隙處，空化泡的產生、長大和崩潰會產生很大的局部壓力和強烈的超聲波沖擊，這會破碎析出相并且使大塊晶粒破碎，同時，這些小晶粒會成為新的形核中心，從而促進新晶粒的長大。因此，超聲振動可以細化晶粒，這在優化釬焊組織的同時可以提高釬料合金對CBN 磨粒的把持力。

為了深入研究各工藝參數對釬焊CBN 磨粒連接界面強度的影響規律，改變工藝參數進行單因素試驗。圖10 為工藝參數對CBN 磨粒剪切力的影響。圖10a顯示了超聲振動輔助釬焊CBN 磨粒剪切力F 隨線圈移動速度v 的變化規律，可以看出F 隨v 的增加先迅速上升隨后快速下降。當v 為1.2 mm/s 時， F 為26.7 N；隨著v 增至1.6 mm/s，F 上升了21.7% 至32.5 N；當v 繼續增至2.4 mm/s，F 迅速降至23.5 N，相比于v 為2.0 mm/s時的27.4 N，降幅為14.2%。這是由于感應線圈移動速度太慢會使釬焊溫度升高， 過高的加熱溫度會造成CBN 磨粒的熱損傷，導致磨粒強度降低，從而剪切力降低；而當線圈移動速度過快時，會導致釬焊溫度沒有達到使釬料完全熔化的溫度，釬焊后的釬料合金呈現出顆粒感，同樣使得釬料對磨粒的把持力降低。由圖10b可知：剪切力F 隨著超聲施加時間T 先增大然后快速減小，當T 從2 s 增加到4 s 時，F 從25.4 N 增至32.5 N，增幅達到28.0%；當T 為8 s 時， F 相比于T 為4 s 時的減小了16.0% 至27.3 N。這是由于超聲施加時間過短時，釬料處于熔化的初期階段，超聲還沒來得及作用于液態釬料的結晶過程就結束了；而如果超聲施加時間過長，會導致釬料層鋪展的過于平整，液態釬料對磨粒的爬升作用減弱， 從而降低了結合強度。由圖10c可知：剪切力F 同樣隨著超聲振幅A 的增大先增大加然后快速減小，F 先從A 為2 μm 的28.5 N 增至A 為4 μm的32.5 N，增幅達14.0%，隨后，當A 增大到8 μm 時， F迅速降至20.5 N。這是因為超聲振幅比較小時，超聲的振蕩運動、空化作用以及聲流效應對液態釬料的影響較小，沒能完全發揮出超聲對釬焊過程的有益效果，而當超聲振幅過大時，本來對釬焊過程有益的超聲振蕩運動反而阻礙液態釬料向CBN 磨粒的爬升，導致只有較少的釬料可以實現對磨粒的包裹，這將不可避免地使得釬料對磨粒的把持力降低。

隨后開展正交試驗，通過對釬焊結果的分析，確定了最佳的超聲振動輔助釬焊工藝參數：線圈移動速度為1.6 mm/s，超聲施加時間為6 s，超聲振幅為4 μm。使用這個參數釬焊得到的磨粒工具的剪切力可達到35.7 N，而普通釬焊的剪切力僅為27.9 N，引入超聲后磨粒的剪切力提高了28.0%。

2.3 Ti-6Al-4V 鈦合金磨削性能評價

為了評價磨粒工具的性能，使用普通釬焊和超聲振動輔助釬焊制備得到的磨粒工具進行磨削對比試驗，從磨削力和磨削溫度角度對磨粒工具的磨削性能進行評價。磨削力作為評價磨粒工具鋒利程度和工件磨削加工性能的重要參量，其數值的演變過程可以從側面反應磨粒工具磨削過程中的狀態變化。磨削溫度則對被加工零件的表面質量和磨粒工具的切削性能有很大的影響[20]。

2.3.1 磨削力

磨削參數對磨粒工具磨削力的影響如圖11 所示。其中，圖11a 顯示了在進給速度vw 為0.35 m/min、磨削深度ap 為0.03 mm 條件下，普通釬焊和超聲振動輔助釬焊CBN 工具磨削Ti-6Al-4V 鈦合金時，磨削力與磨削速度的關系。結果表明：采用這2 種磨粒工具磨削鈦合金時，法向磨削力和切向磨削力都隨著磨削速度的增加呈現下降趨勢。當磨削速度vs 從3.35 m/s 增加到10.05 m/s 時，普通釬焊磨粒工具磨削鈦合金的法向磨削力從16.1 N 下降到8.4 N，下降了47.8%；超聲振動輔助釬焊CBN 工具的法向磨削力從14.5 N 下降到7.0 N，下降了51.7%。對于切向磨削力來說， 當磨削速度vs為3.35 m/s 時，普通釬焊和超聲振動輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的切向磨削力分別為7.8 N 和7.0 N，當磨削速度vs 為10.05 m/s 時，普通釬焊和超聲振動輔助釬焊CBN 磨粒工具的切向磨削力分別降至3.0 N 和2.3 N，分別下降了61.5% 和67.1%。分析可知，引起上述磨削力減小的原因是：提高磨削速度使得單顆CBN磨粒切厚減小，從而使得單顆磨粒去除材料的體積減少，磨粒受到的載荷相應減小，因此磨削力減小。在相同的磨削用量條件下，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的法向力和切向力比普通釬焊磨粒工具分別降低了9.9%～17.8%和10.5%～26.4%。

圖11b 表示了2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時，磨削力隨磨削深度的變化情況。在磨削深度增大的過程中，法向磨削力和切向磨削力都逐漸增大。具體而言，在磨削速度v_s為6.70 m/s，進給速度v_w 為0.35 m/min條件下，當磨削深度a_p從0.01 mm 提高到0.05 mm 時，采用普通釬焊的磨粒工具，法向磨削力從5.9 N 增大至17.6 N，增大了198.3%；采用超聲振動輔助釬焊的磨粒工具，法向磨削力從4.8 N 增大至15.2 N，增大了216.7%。對于切向磨削力而言，采用普通釬焊的磨粒工具，切向磨削力從2.5 N 增大加至8.6 N，增大了244%；采用超聲振動輔助釬焊的磨粒工具，切向磨削力從2.0 N 增大至7.6 N，增大了280%。這是由于磨削深度的提高，一方面，使得單顆CBN 磨粒的切厚增大，磨粒受到的載荷相應增大，從而使得磨削力增大。另一方面，隨著磨削深度的增加，磨粒工具與工件接觸的磨削弧長加大，單位時間內參與磨削的磨粒數量增加，因此磨削力增大。在相同的磨削用量條件下，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時，工具的超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削力低于普通釬焊。具體而言，相比于普通釬焊CBN 工具，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的法向力和切向力分別降低了11.5%～19.6% 和12.3%～22.3%。

圖11c 顯示了在磨削速度vs 為6.7 m/s、磨削深度ap 為0.03 mm 條件下，磨粒工具磨削鈦合金的磨削力與進給速度的關系。由圖11c 可以看出： 2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的法向力和切向力都隨著進給速度的增加而逐漸增大。當進給速度v_w為0.15 m/min 時，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為6.5 N 和2.9 N，超聲振動輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為5.3 N 和2.2 N。當進給速度vw 增加到0.55 m/min 時，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為10.9 N 和6.0 N，分別增大了67.7% 和106.9%；超聲振動輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的法向力和切向力分別為10.3 N 和5.2 N，分別增大了94.3% 和136.4%。這種現象可以歸因于：隨著進給速度的提高，單顆CBN 磨粒切厚增大，成屑所需的變形力增大，從而使得磨削力增大。在相同的磨削用量條件下，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的法向力和切向力比普通釬焊分別降低了4.1%～ 18.1% 和8.3%～23.7%。

2.3.2 磨削溫度

圖12a 顯示了在進給速度v_w為0.35 m/min、磨削深度a_p為0.03 mm 條件下，普通釬焊和超聲振動輔助釬焊CBN 工具磨削Ti-6Al-4V 鈦合金時，磨削溫度與磨削速度的關系。與磨削力的變化不同，隨著磨削速度增加，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度顯著增加。當磨削速度v_s從3.35 m/s 增加到10.05 m/s 時，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的磨削溫度從40.3 ℃升至66.7 ℃，升高了65.5%；超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度從37.9 ℃ 升至56.5 ℃， 升高了49.1%。這是因為提高磨削速度減小了單顆CBN 磨粒的切厚，所以去除材料所需的磨削比能增大，同時，磨削速度的提高使得磨粒工具氣障作用明顯，這削弱了冷卻液的作用，使得大部分熱量來不及被冷卻液帶走，就傳入了導熱率較小的鈦合金，因此磨削溫度隨著磨削速度的增加而上升。在相同的磨削用量條件下，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度比普通釬焊磨粒工具的降低了6.1%～17.9%。

圖12b 表示了2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時，磨削溫度隨磨削深度的變化情況。隨著磨削深度的增加，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度逐漸增加。當磨削深度a_p從0.01 mm 增大到0.05 mm 時，普通釬焊CBN 工具磨削鈦合金的溫度從37.5 ℃ 升至62.9 ℃，升高了67.7%；超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度從32.4 ℃ 升至56.5 ℃，升高了74.4%。這是由于增大磨削深度使得材料去除率增大，單位時間內產生的磨削熱也相應增大，因此，磨削溫度上升。在相同的磨削用量條件下，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金時，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度低于普通釬焊工具的。具體而言，相比于普通釬焊CBN 工具，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度降低了10.3%～14.5%。

圖12c 顯示了在磨削速度v_s為6.7 m/s、磨削深度ap 為0.03 mm 條件下，磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度與進給速度的關系。隨著進給速度的增加，2 種CBN 磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度逐漸升高。當進給速度v_w為0.15 m/min 時，普通釬焊CBN 工具和超聲振動輔助釬焊CBN 工具磨削鈦合金的磨削溫度分別為42.8 ℃ 和37.7 ℃，當進給速度v_w為0.55 m/min 時， 2種磨粒工具磨削鈦合金的磨削溫度分別升至58.0 ℃和54.9 ℃，分別升高了35.5% 和45.6%。這是因為提高進給速度使得材料去除率增大，同時磨削溫度會上升。在相同的磨削用量條件下，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削溫度比普通釬焊降低了5.3%～11.8%。

綜上所述，通過分析2 種CBN 磨粒工具磨削用量對磨削力和磨削溫度的影響規律可知，超聲振動輔助釬焊CBN 指狀磨具在降低磨削力和磨削溫度方面更具優勢，其磨削力和磨削溫度均小于普通釬焊CBN 指狀磨具的，這種現象的發生一方面與磨粒工具的地貌有關，另一方面與磨粒的把持力有關。

對于2 種CBN 磨粒工具各統計50 顆磨粒的出露高度，統計結果如圖13 所示，結果表明普通釬焊磨粒出露高度主要集中在180～240 μm 范圍內（圖13a），計算得到其平均出露高度為207.4 μm；而超聲振動輔助釬焊磨粒出露高度主要集中在210～270 μm 范圍內（圖13b），其磨粒的平均出露高度為239.6 μm，超聲振動輔助釬焊得到的磨粒出露高度比普通釬焊的高出15.6%。這是因為在磨粒工具感應釬焊過程中，超聲的振蕩作用是沿著工具的軸向作用于液態釬料的，這將導致液態釬料合金對磨粒的爬升作用減弱，表現為釬料層更加平整均勻，同時磨粒的出露高度更高。

圖14 是2 種釬焊磨粒工具地貌的示意圖。對于普通釬焊磨粒工具（圖14a），其釬料層鋪展很不均勻，還有部分工具基體沒有被釬料覆蓋，出現基體出露的現象。這是由于釬料金屬粉末在被布到工具基體上時厚薄不一，甚至部分區域沒有釬料，此外，部分磨粒被釬料合金包裹，無法露出切削刃或只能露出一小部分切削刃，磨粒的出露高度較低。這是因為在感應釬焊過程中，化學冶金反應非常劇烈，液態釬料呈現出沸騰狀態，因此對磨粒的爬升比較劇烈，這影響了磨粒的加工性能。在磨削時，隨著出露高度高的磨粒被磨耗，被釬料合金包裹的磨粒逐漸參與加工，此時釬料合金與工件會發生摩擦，這會導致磨削力和磨削溫度增加，同時還會惡化工件表面加工質量。

對于超聲振動輔助釬焊磨粒工具而言（圖14b），釬料層鋪展更均勻，CBN 磨粒的出露高度更高，出露也比較均勻。這是由于在超聲振蕩作用下，液體釬料在向磨粒爬升的同時被來回振動，這就導致釬料層鋪展得更加均勻，厚度基本保持一致，液態釬料對磨粒的爬升也得到一定的控制，磨粒可以出露更高。這使得在磨削加工過程中，磨粒工具鋒利度增加，參與材料去除的有效磨粒數更多。此外，由磨粒剪切試驗可知，超聲振動輔助釬焊CBN 磨粒工具釬料合金對CBN 磨粒的把持力更大，在磨削過程中磨粒不易脫落，工具磨損比普通釬焊工具的更慢，這也會使得磨削力降低。磨粒工具的容屑能力將直接影響磨削溫度的變化，超聲振動輔助釬焊CBN 磨粒工具由于磨粒出露高度高，容屑空間大，所以不易發生堵塞和黏附，大的容屑空間同時有利于冷卻液的進入，這有利于降低磨削溫度。因此，在鈦合金的磨削過程中，超聲振動輔助釬焊CBN 磨粒工具在降低磨削溫度方面同樣具有優勢。

2.4 釬焊CBN 磨粒工具表面磨粒磨損形貌

磨粒工具的磨損直接影響磨削力、磨削溫度和工件表面加工質量。圖15 是在材料去除體積為392 mm³時，普通釬焊和超聲振動輔助釬焊CBN 磨粒工具的磨粒磨損形貌。從圖15 中可以看出：普通釬焊CBN 工具的主要磨損形式表現為磨耗、微破碎以及大塊破碎，而超聲振動輔助釬焊CBN 工具的主要磨損形式表現為磨耗、微破碎，沒有磨粒大塊破碎現象發生。因此，在相同材料去除體積下，普通釬焊CBN 工具比超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨損更加嚴重。這是由于超聲振動輔助釬焊方法使得釬料層更加平整，磨粒出露高度高、出露得更加均勻，參與磨削的有效磨粒數更多，每顆磨粒受到的載荷減小，磨粒大塊破碎減少，所以超聲振動輔助釬焊CBN 工具比普通磨粒工具更晚進入快速磨損階段。因此，相比于普通釬焊CBN 工具，超聲振動輔助釬焊CBN 工具顯示出更強的耐磨能力和更長的使用壽命。

3 結論

提出了用超聲振動輔助釬焊方法制備CBN 超硬磨粒工具，從微觀形貌和力學性能2 方面對其進行了評價，并通過與普通釬焊CBN 工具的磨削對比試驗，驗證了超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨削性能優勢。結論如下：

（1）相比于普通釬焊CBN 工具，采用超聲振動輔助釬焊方法制備的工具釬料合金分布更均勻，釬料合金內部氣孔的尺寸更小，相同面積上的氣孔數量減少了75%。

（2）超聲振動輔助釬焊釬料合金對磨粒的把持力比普通釬焊更大，單顆CBN 磨粒的剪切力最大值提高了27.7%。

（3）與普通釬焊CBN 工具相比，超聲振動輔助釬焊CBN 工具磨削Ti-6Al-4V 鈦合金的磨削力和磨削溫度明顯降低，法向磨削力降低了19.6%～4.1%，切向磨削力降低了26.4%～8.3%，磨削溫度降低了17.9%～5.3%。

（4）與普通釬焊CBN 工具對比，在相同材料去除體積下，超聲振動輔助釬焊CBN 工具的磨損程度降低，磨粒大塊破碎現象明顯減少，顯示出更強的耐磨性與更長的使用壽命。

作者簡介

蔡開達，男，1997 年生，碩士研究生。主要研究方向：高效精密加工技術。

E-mail：caikaida@nuaa.edu.cn

通信作者： 趙彪，男，1991 年生，博士，講師、碩導。主要研究方向：高效精密加工技術。

E-mail：zhaobiao@nuaa.edu.cn

（編輯：張貝貝）