不同造孔劑樹脂金剛石砂輪對(duì)硬質(zhì)合金球閥的精密研磨

摘要 為改善硬質(zhì)合金球閥的加工效果，在樹脂金剛石砂輪中引入造孔劑，對(duì)其力學(xué)性能、微觀形貌及磨削性能進(jìn)行分析，研究空心玻璃球和塑料球造孔劑對(duì)樹脂金剛石砂輪性能的影響。結(jié)果表明：隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)增加，樹脂砂輪的抗折強(qiáng)度逐漸下降，且2種造孔劑對(duì)抗折強(qiáng)度的影響基本一致；砂輪的硬度隨造孔劑體積分?jǐn)?shù)的增加亦逐漸下降，但空心玻璃球造孔劑對(duì)砂輪硬度的影響顯著大于塑料球的；加入造孔劑明顯提升了砂輪的鋒利性，空心玻璃球體造孔劑體積分?jǐn)?shù)為15%和塑料球造孔劑體積分?jǐn)?shù)為20%的砂輪綜合

性能最好，且后者的綜合性能優(yōu)于前者的。

關(guān)鍵詞 硬質(zhì)合金球閥；造孔劑；磨削性能；精密磨削；樹脂金剛石砂輪

中圖分類號(hào) TG74; TG58; TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2024）02-0199-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0116

收稿日期 2023-05-19 修回日期 2023-08-17

為了提高球閥的耐磨性、耐高溫性，通常會(huì)對(duì)其 表面進(jìn)行鍍鉻、堆焊耐腐蝕層、等離子氮化或超音速 噴涂金屬離子等處理，使其成為硬密封球閥[1]，而大多數(shù)涂層材料為鈷類合金、碳化硅或者其他陶瓷材料。尚玉來(lái)等[2]采用超音速火焰噴涂（high velocity oxygen fuel，HVOF ）工藝并結(jié)合物理氣象沉積（physical va- por deposition，PVD ）技術(shù)，制備了高溫耐磨球閥。隨 著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，硬密封球閥雖具有良好的 耐磨性、耐高溫性，被廣泛用于石油煉制、長(zhǎng)輸管線、化工、水利等，但仍存在磨損快、壽命短等缺點(diǎn)。為滿 足更高的使用要求，球閥中用整體硬質(zhì)合金球體代替 硬密封球體，顯著提高了球閥球體的耐磨性，延長(zhǎng)了其 使用壽命[3-5]。

雖然硬質(zhì)合金的研磨加工已經(jīng)很成熟，但球閥的特點(diǎn)導(dǎo)致硬質(zhì)合金球閥難加工且加工效率低，這極大地阻礙了硬質(zhì)合金球閥在市場(chǎng)上的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的硬密封球閥加工工藝為粗加工成型、噴涂超硬密封材料、密封面研磨和拋光[3]，且多采用游離的研磨液進(jìn)行球閥中球體的研磨和拋光[6-10]，不僅效率低，還會(huì)造成環(huán)境污染。 YUAN 等[11-14]發(fā)明了如圖1所示的雙自動(dòng)研磨機(jī)構(gòu)，其雖然提高了研磨效率，但不適用于大型球閥中球體的研磨加工。針對(duì)大口徑球閥球體的加工，何文平[15]提出了行星輪系研具片組的加工方式，但此方式工藝較煩瑣。行星式研具布置示意圖如圖2所示。

因硬質(zhì)合金硬度高、耐磨性好，屬于難加工材料，使用研磨液進(jìn)行研磨拋光時(shí)的效率低，需耗費(fèi)大量的 人力；而采用金剛石砂輪進(jìn)行研磨拋光成為加工硬質(zhì) 合金材料的主要方式[16-19]。雖然文獻(xiàn)[20-22]提到了硬質(zhì)合金在球閥中的應(yīng)用和硬質(zhì)合金球閥的加工工藝，且蘇偉等[3]也提出采用球磨機(jī)滾磨的方式加工硬質(zhì)合金球閥能夠取得較高的精度，但未發(fā)現(xiàn)固結(jié)樹脂金剛石砂輪在硬質(zhì)合金球閥球體研磨拋光中應(yīng)用的具體文獻(xiàn)和報(bào)導(dǎo)。

樹脂金剛石砂輪因具有一定的彈性，磨削效率較 高，常被用于硬質(zhì)合金及硬脆材料的半精加工、精加 工、拋光等。為提高硬質(zhì)合金球閥球體加工的效率，用樹脂金剛石砂輪對(duì)其進(jìn)行研磨和拋光，以提升其加 工效率。同時(shí)，在樹脂金剛石砂輪制造時(shí)添加不同的 造孔劑，研究其對(duì)砂輪性能的影響以及對(duì)硬質(zhì)合金球 閥球體加工效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1 原材料

樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪用酚醛樹脂粉、彈性拋光體、綠碳化硅（ GC ）、氧化鉻（ Cr2O3）為結(jié)合劑，其組分見表1；以粒度標(biāo)記為 M 5/10的金剛石微粉為磨料，其濃度為100%。其中：酚醛樹脂粉為日本住友公 司生產(chǎn)，主要起黏結(jié)作用和砂輪骨架作用；彈性拋光體為日本進(jìn)口，其粒徑為30～40μm，密度為1.2 g/cm3； GC 由淮安利泰碳化硅微粉有限公司生產(chǎn)，其粒度代號(hào)為 J3000；金剛石微粉由中南鉆石有限公司生產(chǎn)。

同時(shí)，為改善樹脂金剛石砂輪的鋒利性，在結(jié)合劑中加入不同的造孔劑，研究不同體積分?jǐn)?shù)造孔劑下砂輪性能的變化。造孔劑有2種：一是市購(gòu)空心玻璃微球，其粒徑為30～40μm，壁厚為2～3μm；二是日本某公司產(chǎn)實(shí)心 PMMA 塑料球，其粒徑為40～50μm，耐熱溫度為300℃， 受熱時(shí)膨脹，冷卻后收縮至本身原有的尺寸，依靠與酚醛樹脂粉之間不粘結(jié)、易脫落而成孔。

1.2 樣品制備

將結(jié)合劑中的各種組分混合均勻后，再與金剛石微粉充分混合均勻，然后按配方設(shè)計(jì)加入造孔劑，混合均勻后熱壓成形。制備60 mm ×10 mm ×10 mm 的長(zhǎng)方體試樣條，測(cè)量其力學(xué)性能；制備6V590×30×40×8×10樹脂金剛石拋光砂輪，并測(cè)量其磨削性能。試樣及砂輪混料用設(shè)備為 SYH-100三維混料機(jī)；成形熱壓機(jī)為鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產(chǎn)的 MY-63T 熱壓機(jī)，成形溫度為175℃， 成形時(shí)間為30 min，單位成形壓強(qiáng)為20 MPa。

1.3 分析方法與性能測(cè)試

用 HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)量試樣的硬度，每組試樣測(cè)量10個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值。用 JDL-100KN 型數(shù)顯式萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣的抗折強(qiáng)度，每組 試樣測(cè)量5個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值。采用日立 JSM- 5611LV 型掃描電子顯微鏡表征試樣斷面的微觀組織 及形貌。采用改造的球閥球體研磨設(shè)備進(jìn)行硬質(zhì)合金 球閥球體磨削測(cè)試，并用 IGT-MPD-S2.4磨削測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)量磨削時(shí)磨削設(shè)備的功率以表征砂輪的鋒利性。在 相同的磨削參數(shù)下，設(shè)備功率越大，則磨削時(shí)負(fù)載越高，砂輪的鋒利性越差；設(shè)備功率越小，則磨削時(shí)負(fù)載越低，砂輪的鋒利性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 造孔劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響

采用同樣的結(jié)合劑和金剛石微粉磨料制備試樣，研究不同造孔劑以及造孔劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響。圖3為不同造孔劑及其不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響。由圖3可以得出：造孔劑的加入明顯降低了試樣的抗折強(qiáng)度，且隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)增加，試樣抗折強(qiáng)度下降較多。這主要是因?yàn)樵炜讋w積分?jǐn)?shù)越大，試樣中單位體積內(nèi)的氣孔率越高，作為主要固結(jié)組分的結(jié)合劑體積分?jǐn)?shù)越少，所以試樣抗折強(qiáng)度越低[23]。由圖3還可以得出：當(dāng)玻璃空心球和塑料球造孔劑體積分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%和25%時(shí)，其對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響基本一致，沒有明顯區(qū)別；當(dāng)空心玻璃球造孔劑體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，其對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響明顯大于塑料球造孔劑對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響。這可能與空心玻璃球與塑料球造孔的原理不同有關(guān)，雖然二者都是占位造孔，但空心玻璃球壁很薄，依靠在結(jié)合劑中的薄壁破裂后形成氣孔，而塑料球是實(shí)心球，則是依靠在結(jié)合劑中的脫落形成氣孔。

2.2 造孔劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)試樣硬度的影響

圖4為不同造孔劑及其不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)試樣硬 度的影響。由圖4可知：造孔劑的加入明顯降低了試 樣的硬度，且隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)的增加，試樣硬度下 降越多。當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)≤10%時(shí)，空心玻璃球造 孔劑和塑料球造孔劑對(duì)試樣硬度的影響較小且基本一 致；當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)＞10%時(shí)，隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù) 的增加，空心玻璃球造孔試樣的硬度下降顯著大于塑 料球造孔試樣的。由圖4還可知：隨著造孔劑體積分 數(shù)增加，塑料球造孔試樣的硬度基本呈線性下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)較緩慢、平穩(wěn)；而對(duì)于空心玻璃球造孔試 樣，當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)≤15%時(shí)，試樣的硬度基本呈線 性下降趨勢(shì)。當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)為15%～20%時(shí)，試 樣的硬度變化不大。當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)＞20%時(shí)，試樣的硬度急劇下降。這可能是因?yàn)榭招牟Ａ蛞灼扑?，隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)增加，試樣中破碎的空心玻璃球 組分增多，大量破碎的組分影響結(jié)合劑的致密性，使結(jié) 合劑的硬度下降較明顯，從理論上降低了結(jié)合劑對(duì)磨 料的把持力。

2.3 不同造孔劑在試樣中的微觀形貌

圖5為造孔劑體積分?jǐn)?shù)均為15%時(shí)，不同造孔劑在試樣中放大2000倍的形貌圖。由圖5可知：空心玻璃球造孔劑在試樣中與結(jié)合劑緊密結(jié)合在一起，所形成的孔形狀不規(guī)則，且有大量破碎的空心球球壁分散在結(jié)合劑中，說(shuō)明空心玻璃球是通過(guò)孔壁的破碎成孔的；而塑料球造孔劑與結(jié)合劑間有明顯的縫隙，說(shuō)明塑料球在試樣中是通過(guò)整顆脫落形成空洞，從而起到造孔的作用。

2.4 造孔劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)試樣微觀形貌的影響

圖6、圖7分別為不同體積分?jǐn)?shù)空心玻璃球造孔劑和塑料球造孔劑制備的試樣的微觀形貌。

由圖6和圖7可知：隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)的增加，試樣中孔的數(shù)量明顯增多，且孔的分布相對(duì)均勻。由 圖6可知：當(dāng)空心玻璃球造孔劑的體積分?jǐn)?shù)≥20%時(shí)，試樣中的孔出現(xiàn)明顯聚體現(xiàn)象，且有較多的連孔；試樣中也明顯有大量破碎的空心球組織，這也使試樣的組織比空心玻璃球體積分?jǐn)?shù)lt;20%時(shí)的組織明顯疏松，這與圖4中空心玻璃球造孔劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)試樣硬度影響的結(jié)果一致。由圖7可知：隨著塑料球造孔劑體積分?jǐn)?shù)的增加，試樣中孔的數(shù)量越來(lái)越多，但其組織結(jié)構(gòu)整 體較致密；當(dāng)塑料球體積分?jǐn)?shù)≥20%時(shí)雖然孔較密集，但并沒有明顯的連孔，這與圖4中塑料球造孔劑體積 分?jǐn)?shù)對(duì)試樣硬度影響的結(jié)果相一致。對(duì)比圖6和圖7，當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，含空心玻璃球造孔劑的試 樣組織明顯比含塑料球造孔劑的試樣組織疏松，且隨 著造孔劑體積分?jǐn)?shù)增加，其疏松程度越明顯。

2.5 造孔劑對(duì)樹脂金剛石砂輪磨削性能的影響

由以上分析可知：造孔劑的體積分?jǐn)?shù)較小，對(duì)試樣 的力學(xué)性能影響不大；當(dāng)造孔劑的體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度較低，影響砂輪的強(qiáng)度；且試樣的硬度 較低，尤其是含空心玻璃球造孔劑的試樣，會(huì)影響結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力。因此，選用體積分?jǐn)?shù)為10%、15%、20%的造孔劑制備6V5形狀砂輪，進(jìn)行硬質(zhì)合金球閥 球體磨削實(shí)驗(yàn)。磨削用設(shè)備為自行改造，球閥球體磨 削圖如圖8所示，磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2，磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可以得出：當(dāng)造孔劑體積分?jǐn)?shù)為10%～20%時(shí)，隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)增加，砂輪磨削時(shí)的功率逐漸下降，說(shuō)明造孔劑的加入能提高砂輪的鋒利性；且在相 同的條件下，含空心玻璃球造孔劑砂輪的鋒利性基本 上都優(yōu)于含塑料球造孔劑砂輪的。同時(shí)，隨著造孔劑 體積分?jǐn)?shù)增加，工件的表面粗糙度逐漸增大。含空心 玻璃球造孔劑的砂輪加工工件的表面粗糙度在其體積分?jǐn)?shù)≤15%時(shí)，與未含造孔劑的砂輪相比略有增加，但變化不大；當(dāng)空心玻璃球的體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，工件的 表面粗糙度顯著增大，這可能是造孔劑體積分?jǐn)?shù)過(guò)多，且有大量的空心球破碎，導(dǎo)致砂輪組織較疏松，使得結(jié) 合劑對(duì)磨料的把持力下降，從而使加工工件的表面粗 糙度變大。對(duì)于含塑料球造孔劑的砂輪，隨著造孔劑 體積分?jǐn)?shù)的增加，其鋒利性逐漸增加，工件的表面粗糙 度雖然也逐步增大，但其變化量并不明顯，主要是因?yàn)?塑料球造孔劑在砂輪中通過(guò)自身的脫落形成氣孔，提升了砂輪的鋒利性，且其對(duì)砂輪致密性的影響不明顯，此點(diǎn)在圖4可以證明，故結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力影響 不大。

總之，空心玻璃球造孔劑體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)的砂輪與塑料球造孔劑體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)的砂輪綜合性能較好，且后者的綜合性能明顯優(yōu)于前者的。

3 結(jié)論

通過(guò)分析造孔劑對(duì)樹脂金剛石砂輪性能的影響，得出如下結(jié)論：

（1）添加造孔劑后，砂輪的抗折強(qiáng)度和硬度降低，且降低程度隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。空心 玻璃球造孔劑與塑料球造孔劑，對(duì)砂輪抗折強(qiáng)度的影 響基本一致；但隨著造孔劑體積分?jǐn)?shù)的增加，空心玻璃 球造孔劑對(duì)砂輪硬度的影響明顯大于塑料球造孔劑對(duì) 砂輪硬度的影響。

（2）造孔劑的添加能提升砂輪的鋒利性，隨著其 體積分?jǐn)?shù)的增加，砂輪的磨削功率下降幅度逐漸增大，即砂輪鋒利性逐漸提高。

（3）空心玻璃球造孔劑體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)的砂輪與塑料球造孔劑體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)的砂輪綜合性能較好，但后者的綜合性能明顯優(yōu)于前者的。

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作者簡(jiǎn)介

朱延鑫，男，1988年生，研究生、工程師。主要研究方向：閥門產(chǎn)品研發(fā)、工藝研究。

E-mail：provalves@163.com

Precision grinding of cemented carbide ball valves by resin diamond wheels withdifferent pore-forming agents

ZHU Yanxin1，ZHAO Feng2

（1. Zhejiang ConexB?nninger Flow Control Co.， Ltd.， Jiaxin 314305， Zhejiang， China）

（2. Shandong ZhongLi High Pressure Valve Co.， Ltd.， Zaozhuang 277000， Shandong， China）

Abstract To improve the machining effect of cemented carbide ball valves， pore-forming agents were introduced into resin diamond wheels. The mechanical properties， microstructures， and grinding performances of the wheels were ana- lyzed， and the effects of hollow glass ball pore-forming agent and plastic ball pore-forming agent on the performances of resin diamond wheels were studied. The results show that the bending strength of the grinding wheel decreases gradu- ally with the increase in the content of pore-forming agent， and the influence of the two pore-forming agents on bending strength is basically the same. The hardness of the grinding wheel also decreases with the increase in pore-forming agent content， but the influence of the hollow glass ball pore-forming agent on the hardness of the grinding wheel is signific- antly greater than that of the plastic ball. The addition of pore-forming agent significantly improves the sharpness of the grinding wheel. The comprehensive performance of the grinding wheels is best when the volume fraction of hollow glass balls is 15% and the volume fraction of plastic balls is 20%， but the latter has better overall performance than the former.

Key words carbide ball valve；pore-forming agent；grinding performance；precision grinding；resin diamond wheel