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陶瓷结合剂CBN 砂轮特性及其制备

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摘要:陶瓷结合剂CBN 砂轮作为一类高速高效高精磨削的首选工具,在一系列高效精密磨削中得到越来越广泛的应用。文章介绍了陶瓷结合剂立方氮化硼( CBN) 砂轮的特点,陶瓷结合剂立方氮化硼( CBN)砂轮的制备原则、以及一些典型的磨削用途,指出了这类砂轮的应用发展方向和趋势。

 

关键词:陶瓷结合剂;立方氮化硼;砂轮;制备;应用

 

1 前言

 

现代机械加工技术正加速向高速高效高精加工方向发展。在加工技术各要素中,高性能磨具是实现高速高效高精加工的关键和保证。金刚石( DIAMOND) 和立方氮化硼( CBN) 是当今世界上已经工业应用的两种超硬材料。这两种材料由于其硬度很高,强度很高,用其制造的磨削工具磨削能力很强,磨削效率高,磨具磨损小,形状保持性好,使用寿命长,所以其在磨削加工方面显示了很大的优势。因此,在磨具制造和磨削应用方面,世界上日益呈现B( CBN,borazon) 取代A( aluminum oxide) 、D( diamond) 取代C( silicon carbide) 的趋势,超硬材料磨具的发展速度较快。在各类磨具中,砂轮是最常见、应用最广泛、应用量最大的磨具形式和类别。其中,CBN磨料因为惰性高,不与钢铁材料发生某些化学反应,所以CBN砂轮应用范围更加广泛。按照结合剂划分,CBN 砂轮有金属结合剂CBN 砂轮、树脂结合剂CBN 砂轮、陶瓷结合剂CBN砂轮三类。其中,陶瓷结合剂CBN砂轮的性能更加优越,发展最快,特别适合对磨具形状保持性要求很高的成型磨削生产和对磨具寿命要求很高的自动化生产。本文结合我们对陶瓷结合剂CBN 砂轮的研究实践,就陶瓷结合剂CBN 砂轮的特点、制备原则及我们研制的陶瓷结合剂CBN 砂轮在主要磨削应用中的情况作简要介绍。

 

2 陶瓷结合剂CBN 砂轮的特点

 

与其它结合剂CBN 相比,陶瓷结合剂CBN 砂轮具有如下特性:

 

(1) 陶瓷结合剂CBN 砂轮具有可控的气孔率。气孔对磨具是重要的,尤其对磨削钢铁的CBN砂轮是非常重要的。陶瓷结合剂CBN砂轮表面的气孔能够为磨屑提供容屑和排屑空间,有利于磨屑从磨削区排除而避免砂轮的堵塞和由此产生的摩擦热。砂轮表面的气孔同时能为冷却液提供通道,使冷却液在磨削接触区及其附近广泛分布。因而使磨削温度较低,减少或避免磨削烧伤。

 

(2) 陶瓷结合剂CBN 砂轮的开放式结构使磨粒能够最佳暴露突出而保证砂轮具有极好的自由切削性能和高的工件材料去除速率。砂轮磨削力小,比磨削能低,磨削性能好。

 

(3) 陶瓷结合剂良好的耐热性能使CBN磨料得到充分利用,砂轮使用寿命较长。而树脂结合剂在200℃左右就不能有效地保持磨粒。

 

(4) 陶瓷结合剂CBN 砂轮热膨胀系数较小,刚性好,磨削时让刀小,适合高精度低粗糙度磨削。

 

(5) 陶瓷结合剂CBN砂轮容易修整,修正和修锐可一次完成,维护费用较低。

 

(6) 陶瓷结合剂CBN 砂轮自锐性较好,修整间隔较长,减少了修整频度。

 

(7) 陶瓷结合剂CBN砂轮化学稳定性好,对磨削液的适应范围较广。

 

(8) 陶瓷结合剂CBN砂轮磨削工件表面完整性好,工件质量高,使用寿命长。

 

由于陶瓷结合剂CBN砂轮具有上述一系列优点,因而受到世界范围内的广泛关注,成为世界上磨具产品研究开发的热点。先进陶瓷结合剂CBN砂轮磨削被视为磨加工领域中的高新技术。陶瓷结合剂CBN砂轮作为一类高速、高效、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具产品,它代表了当今磨具产品的一个主要发展方向,应用前景十分广阔。

 

3 陶瓷结合剂CBN砂轮的制备

 

陶瓷结合剂CBN砂轮从宏观组成上来看,属于由CBN磨料、辅助磨料、结合剂等材料构成的多组分陶瓷基复合材料。作为磨削加工特定应用的陶瓷基复合材料,我们认为,陶瓷结合剂CBN砂轮的制备一方面应以复合材料的理论为指导,另一方面应以磨削加工理论为指导。从复合材料角度,应该注意陶瓷结合剂与CBN磨料及其它组成材料之间的物理和化学相容性: 陶瓷结合剂与CBN磨料及辅助磨料之间热膨胀系数应该相匹配,从而保证相互之间的牢固结合; 陶瓷结合剂与CBN磨料之间不能有明显化学反应,从而避免CBN磨料表面结构的损坏及硬度等主要性能的劣化; 在砂轮制备条件下,CBN磨料及主要材料的性能不能产生退化。从磨削理论角度来看,陶瓷CBN砂轮制备,应根据磨削工件材料的性能( 如材质、硬度等) 、加工方式、加工余量、加工节拍、加工精度要求等因素,来合理选择CBN磨料的种类、粒度、浓度和砂轮硬度,以适应特定的磨削要求。

 

陶瓷结合剂是陶瓷结合剂CBN砂轮制备的首要关键因素。我们总结出了结合剂的制备与选择的基本原则: 结合剂耐火度及烧成温度要低; 结合剂的强度要高; 结合剂的热膨胀系数与磨料的热膨胀系数要匹配; 高温润湿性要好; 结合剂与磨料之间要无明显的化学反应; 结合剂要具有较好的导热性; 具有良好的工艺性能,较高的干坯湿坯强度,较小的收缩率,较好的高温稳定性,较宽的烧结温度范围,不易出现变形、开裂、发泡等废品。性能良好的陶瓷结合剂是制备高质量陶瓷结合剂CBN砂轮的重要保证。

 

我们课题组从1990 年起开始研究CBN磨具用低温陶瓷结合剂,并提出采用化工原料和试剂原料精确配比的方法来实现结合剂组成和性能的可控性,并研制成功适合CBN磨具制备的结合剂。随后课题组对陶瓷结合剂、CBN磨具用结合剂的组成设计、结合剂制备工艺、结合剂的改性、CBN 磨具组成及结构设计、结合剂性能对磨具性能影响等多方面进行了系统研究,并开发出了新的陶瓷结合剂,完善了CBN砂轮关键制备工艺,形成了具有自主知识产权的CBN磨具制造技术。我们研究的陶瓷结合剂CBN砂轮已经实现产业化,在许多领域得到成功应用。

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