一種拉刀用陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的制備及應(yīng)用

劉宏偉，李 濤 ，呂升東

(沈陽中科超硬磨具磨削研究所，遼寧沈陽 110179)

1 前言

隨著21世紀(jì)機(jī)械裝備制造業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，磨削加工的工件精密化程度也越來越高。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪因?yàn)槠鋬?yōu)良的磨削性能，在超高速、高速磨削難以加工的工件材料等加工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪是將陶瓷結(jié)合劑與cBN磨料、造孔劑混合均勻按規(guī)定尺寸壓制成型并經(jīng)特定適宜的溫度曲線燒結(jié)而成的固結(jié)磨具。目前，國(guó)內(nèi)研究的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品在使用性能上還存在著一定的差距。而另一方面，隨著裝備機(jī)械零部件的生產(chǎn)效率與加工精密度的產(chǎn)品要求越來越高，也使得國(guó)內(nèi)的拉削加工與刀具技術(shù)得以迅速發(fā)展。

當(dāng)今拉削加工技術(shù)正快速向高速高效精密加工方向發(fā)展，高性能磨具是加強(qiáng)高速效精密拉刀拉削加工的關(guān)鍵和保障。金剛石(DIAMOND)和立方氮化硼(cBN)是迄今為止已工業(yè)應(yīng)用的兩種超硬材料［1］。這兩種超硬材料由于其硬度、強(qiáng)度很高，用其制造的砂輪具有磨削效率高，磨削精度高，磨具磨損小，形狀保持性好以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以其在磨削加工拉刀方面顯示了很大的優(yōu)勢(shì)。因此，在磨具制造和磨削應(yīng)用方面，世界上日益呈現(xiàn)B(cBN/cubic boron nitride)取代A(剛玉/aluminum oxide)、D(金剛石/diamond)取代C(碳化硅/silicon carbide)的趨勢(shì)，超硬材料磨具的發(fā)展速度較快［2-4］。

本研究采用氣氛(抽真空通氮?dú)?燒結(jié)技術(shù)，通過控制特定溫度曲線來調(diào)節(jié)陶瓷結(jié)合劑的晶型轉(zhuǎn)變，使得陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪對(duì)拉刀刀具容屑槽、分屑槽及齒面等的磨削加工能力改善，能極大提高對(duì)拉刀的加工效率及刀面質(zhì)量，大大降低了磨削燒傷的產(chǎn)生。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)研究的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪為Y2O3－Na2O－Li2O－Al2O3－B2O3－SiO2硼鋁硅酸鹽微晶玻璃體系，實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了其硬度、磨削拉刀性能等。通過磨削加工高速鋼、硬質(zhì)合金鋼材質(zhì)拉刀，有望通過科學(xué)的研究方法制備出磨削加工拉刀優(yōu)質(zhì)的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的儀器及設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備Table 1 Experimental instruments and equipment

2.2 砂輪制備

本實(shí)驗(yàn)砂輪結(jié)合劑部分使用分析純?cè)喜⒉捎酶邷厝廴谒阒频?，砂輪制備工藝步驟如下:

(1)先將 Y2O3－Na2O－Li2O－Al2O3－B2O3－SiO2硼鋁硅酸鹽微晶玻璃體系的原料按一定比例在高溫電阻爐中熔融水淬后經(jīng)過研磨過篩處理;

(2)按一定比例將陶瓷結(jié)合劑與造孔劑(50μm的PMMA微球)、cBN磨料140/170及臨時(shí)粘結(jié)劑等放入物料混合機(jī)中混合充分;

(3)將混好的物料按一定比例添加適量潤(rùn)濕劑充分潤(rùn)濕均勻;

(4)放入砂輪模具中攤平，用適當(dāng)壓力在壓機(jī)上壓制成型;

(5)將壓制好的砂輪坯體放入通風(fēng)良好的干燥室內(nèi)干燥，等待干燥完畢;

(6)將干燥好的砂輪坯體放入SG－XQL1200型箱式真空氣氛爐中按適當(dāng)?shù)臏囟惹€進(jìn)行燒結(jié);

(7)將燒結(jié)完畢冷卻到室溫的砂輪部分與金屬基體進(jìn)行粘膠固化處理;將粘膠好的砂輪放入真空干燥箱中(80℃)干燥;

(8)將干燥好的砂輪放在萬用磨床上修正后，砂輪制備完成。

3 實(shí)驗(yàn)過程結(jié)果與分析

3.1 砂輪結(jié)構(gòu)硬度結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)砂輪采用NEMESIS 9800型布洛維硬度計(jì)分別測(cè)定砂輪與砂輪基體的洛氏硬度，選取理想砂輪作為本次研究對(duì)象，砂輪與基體分別選取32個(gè)點(diǎn)進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，通過這些點(diǎn)分析砂輪的過程能力指數(shù)CPK。CPK(Process capability index制程能力指數(shù)/工序能力指數(shù)/過程能力指數(shù))，表示制程能力滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的程度。其中過程能力指數(shù)的值越大，表明產(chǎn)品的離散程度相對(duì)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的公差范圍越小，因而過程能力就越高;過程能力指數(shù)的值越小，表明產(chǎn)品的離散程度相對(duì)公差范圍越大，因而過程能力就越低。因此，可以從過程能力指數(shù)的數(shù)值大小來判斷能力的高低。從經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量?jī)煞矫娴囊髞砜矗^程能力指數(shù)數(shù)值并非越大越好，而應(yīng)在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)取值［5］。

3.1.1 砂輪基體硬度結(jié)果與分析

砂輪基體硬度HRB(4組8元)數(shù)據(jù)見表2:

表2 砂輪基體硬度HRB(4組8元)數(shù)據(jù)Table 2 Hard disk matrix hardness HRB(4 groups of 8 yuan)data

砂輪基體硬度CPK見下圖1:

圖1 砂輪基體硬度過程能力圖Fig.1 Hardness process diagram of grinding wheel base

通過表2可知，砂輪基體硬度范圍在33～35HRB之間，通過對(duì)其過程能力進(jìn)行測(cè)試，如上圖1，砂輪基體的CPK值為1.36，大于1.33，可知工序在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，砂輪基體在穩(wěn)定狀態(tài)下的硬度滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

3.1.2 砂輪硬度結(jié)果與分析

砂輪硬度HRA(4組8元)數(shù)據(jù)見表3:

砂輪硬度CPK見圖2:

表3 砂輪硬度HRB(4組8元)數(shù)據(jù)Table 3 Hard wheel hardness HRB(4 groups of 8 yuan)data

圖2 砂輪硬度過程能力圖Fig.2 The process capability diagram of grinding wheel hardness

通過表3可知，選取的砂輪基體硬度范圍在23～24HRA之間，通過對(duì)其過程能力進(jìn)行測(cè)試，如上圖2，砂輪基體的CPK值為1.40，大于1.33，可知工序在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，砂輪基體在穩(wěn)定狀態(tài)下的硬度滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的要求。為了砂輪更能夠適應(yīng)精細(xì)化發(fā)展，需要砂輪的硬度穩(wěn)定性能再次提升。

3.2 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪顯微組織結(jié)構(gòu)與分析

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的SEM形貌見圖3:

圖3 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪SEM圖Fig.3 the SEM of ceramic bond CBN grinding wheel

如圖3所示，圖3中(a)、(b)、(c)為陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的不同放大倍數(shù)XRD圖，(d)為陶瓷結(jié)合劑與砂輪相同溫度曲線燒結(jié)后的SEM圖。從圖中可以明顯看出陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的顯微組織結(jié)構(gòu)，如陶瓷結(jié)合劑、cBN磨料、氣孔。其中氣孔是由PMMA微球通過高溫熔融揮發(fā)后形成的，陶瓷結(jié)合劑經(jīng)過熔融開始附著于cBN磨料表面，當(dāng)熔融液相逐漸在cBN磨料表面向固相轉(zhuǎn)變時(shí)，開始有晶核產(chǎn)生，隨著不同的析晶與晶核生長(zhǎng)，增強(qiáng)了cBN與cBN間的粘結(jié)能力。cBN磨粒經(jīng)過鍍鎳處理表面形成樹突狀毛刺結(jié)構(gòu)，增大了磨粒的比表面積，因此增大了與陶瓷結(jié)合劑的接觸面積，亦增強(qiáng)了陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使砂輪在有大氣孔的條件下磨粒同時(shí)具備高的把持力，增大了砂輪的耐磨性。

3.3 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪磨削拉刀的結(jié)果與分析

本課題研究特種陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪作用于拉刀刀具的刃面磨與刀槽磨削，選用的機(jī)床為日本NACHI不二越拉刀刃磨床，在磨床上用同一片砂輪磨削不同組拉刀工件所得磨削數(shù)據(jù)(表面粗糙度、拉刀齒尺寸公差)如表4、5所示，結(jié)果表明，該種陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪適宜磨削拉刀的花鍵槽，磨削精度高，能大大提高磨削的效率。

針對(duì)上述陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪精密的磨削問題，我們以平面拉刀為研究對(duì)象，通過對(duì)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制備與磨削拉刀槽刃及其刃面表面粗糙度、拉刀刃間的尺寸公差的測(cè)量結(jié)果，從拉刀加工工藝的角度去研究和探索，最終提出一套工藝改進(jìn)的方案，設(shè)計(jì)出一款既能保證質(zhì)量，又能提高生產(chǎn)效率與精密度的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪。

3.3.1 拉刀刀刃面的表面粗糙度結(jié)果與分析

選取5組相同拉刀在相同砂輪機(jī)床上進(jìn)行磨削加工，每組拉刀樣品中測(cè)量40個(gè)拉刀刀刃面的表面粗糙度Ra(μm)值，數(shù)據(jù)見表4。

表4 拉刀刀刃面的表面粗糙度Ra值(μm)Table 4 Surface roughness Ra value of the broach blade surface(μm)

用表4所得數(shù)據(jù)通過軟件Minitab進(jìn)行畫圖，計(jì)算出拉刀刃面的表面粗糙度過程能力，如圖4所示。

結(jié)合表4及圖4可知，選取的拉刀刃面表面粗糙度范圍在0.25 ～0.31μm 之間，通過對(duì)其過程能力進(jìn)行測(cè)試，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪對(duì)拉刀刃面磨削所測(cè)的粗糙度CPK值為1.80，大于1.67，可知工序在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，拉刀刃面表面粗糙度在穩(wěn)定狀態(tài)下滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

3.3.2 拉刀刃間的尺寸公差結(jié)果與分析

選取5組相同拉刀在相同砂輪機(jī)床上進(jìn)行磨削加工，每組拉刀樣品中測(cè)量40個(gè)拉刀刀刃間的尺寸公差值(μm)，見數(shù)據(jù)表5。

圖4 拉刀刃面的表面粗糙度過程能力報(bào)告Fig.4 Surface roughness process capability report of the blade face

表5 拉刀刃間的尺寸公差值(μm)Table 5 Dimension tolerance values between the blades(μm)

續(xù)表5

表5數(shù)據(jù)用軟件Minitab進(jìn)行畫圖，計(jì)算出刃間的尺寸公差過程能力，見圖5。

圖5 拉刀刃間的尺寸公差過程能力報(bào)告Fig.5 The process capability report of dimensional tolerance between the blades

結(jié)合表5及圖5可知，上圖中選取的拉刀刃間的尺寸公差范圍在 0.013～0.019μm 之間，通過對(duì)其過程能力進(jìn)行測(cè)試，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪對(duì)拉刀刃面磨削所測(cè)的拉刀刃間的尺寸公差CPK值為1.91，大于1.67，可知工序在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，拉刀刃間的尺寸公差在穩(wěn)定狀態(tài)下滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

4 結(jié)論

因?yàn)槌材チ媳旧砭哂袠O高的硬度和耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，使得陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪本身具備了磨削能力優(yōu)、耐磨性強(qiáng)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過本研究中的砂輪在磨削拉刀方面的應(yīng)用，不僅使磨削效率得到了提高，也使得磨削加工精度和表面磨削質(zhì)量得到了提高。通過本實(shí)驗(yàn)的研究，當(dāng)砂輪的硬度質(zhì)量CPK均在1.33以上時(shí)，砂輪表面穩(wěn)定性優(yōu)良，使得砂輪在磨削工件拉刀時(shí)所測(cè)量的刃面粗糙度及刀刃間的尺寸公差CPK均大于1.67，可以看出砂輪磨削后的拉刀一致性非常優(yōu)秀，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，生產(chǎn)的拉刀可替代國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。隨著高精尖磨削設(shè)備不斷地研究出現(xiàn)與推廣應(yīng)用，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的優(yōu)越性能應(yīng)用于汽車、軸承、機(jī)床、空調(diào)、冰箱、軍工、航空、電子產(chǎn)品等許多領(lǐng)域部件的磨削加工中。并且這類陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪產(chǎn)品在成型磨削、高效高精磨削等各類磨削領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越強(qiáng)。