自润滑金属结合剂CBN砂轮干式磨削特性分析_霍文国
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任敬心等 通 ［４］ 过 不 同 磨 粒、硬 度 和 粒 度 的 砂 轮磨削钛合金实 验 研 究，发 现 砂 轮 黏 附 程 度 明 显 不同，采用 ＣＢＮ 磨料砂轮和浸渗固体润滑剂的砂 轮可以抑制钛 合 金 的 黏 附。Ｘｕ 等 通 ［５］ 过 对 ＳｉＣ、 Ａｌ２Ｏ３和 ＣＢＮ 砂轮磨 削 钛 合 金 的 研 究 发 现：采 用 ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３砂轮磨削 时，磨 粒 发 生 扩 散 磨 损，磨 削 温度迅速升高，进 而 使 磨 粒 与 工 件 发 生 严 重 的 黏 附磨损，而 ＣＢＮ 砂 轮 磨 削 时 以 磨 耗 磨 损 为 主，在 温度较高的情况 下 ＣＢＮ 磨 粒 仍 具 有 很 高 的 稳 定
摘 要 ：针 对 钛 合 金 难 磨 削 加 工 性 ，提 出 了 自 润 滑 金 属 结 合 剂 砂 轮 ，综 合 液 相 烧 结 与 钎 焊 工 艺 制 备 了 自
润滑 金 属 结 合 剂 立 方 氮 化 硼（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ，ＣＢＮ）砂 轮 ，分 析 了 砂 轮 强 度 和 微 观 组 织 ，完 成 了 自 润 滑
自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性分析———霍文国 徐九华 傅玉灿等
自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性分析
霍 文 国１，２ 徐 九 华３ 傅 玉 灿３ 戚 厚 军２
１．天 津 市 高 速 切 削 与 精 密 加 工 重 点 实 验 室 ，天 津 ，３００２２２ ２．天 津 职 业 技 术 师 范 大 学 ，天 津 ，３００２２２ ３．南 京 航 空 航 天 大 学 ，南 京 ，２１００１６
０ 引 言
钛合金具有密 度 小、比 强 度 高、热 稳 定 性 好、 抗 腐 蚀 性 好 等 优 点 ，因 此 在 航 空 航 天 、舰 船 和 化 工 等行业得到了 广 泛 的 应 用［１］，由 于 钛 合 金 导 热 系 数低、弹 性 模 量 小、在 较 高 温 度 下 的 化 学 活 性 大， 因此钛合金磨削 加 工 时，很 容 易 发 生 较 严 重 的 砂 轮黏附磨损，产生磨削烧伤 。 ［２－３］
首 先 将 石 墨 粉 末 、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ粉 末 混 合 并 加 入 适 量 成 形 剂 后 搅 拌 均 匀 ，然 后 再 加 入 磨 料 混 合 ， 再次加入适量成形剂后搅拌均匀。将粉末填装进 专用 模 具 中，由 ７６９ＹＰ－２４Ｂ 型 粉 末 压 片 机 在 ２０ＭＰａ模压 压 力 下 压 制 成 形。 将 成 形 的 砂 轮 粉 末压坯放在１５０℃ 的 烘 箱 内 保 持 １ｈ，选 择 适 当 的 温度工艺使磨料与金属粉末在 ＶＡＦ－２０ 真空 退 火炉 内 发 生 冶 金 反 应，保 温 温 度 为 １０３０℃，保 温 一定时间后随炉 冷 却，再 将 制 备 好 的 砂 轮 体 与 砂 轮柄 焊 接 在 一 起。加 工 出 的 砂 轮 工 具 如 图 １ 所示。
ＣＢＮ 砂轮与碳化硅砂轮干式磨削钛合金的性能试验。通过砂轮磨损、工件表面形貌、金相显微组织和显微
硬度等特性研究表明：自润滑 ＣＢＮ 砂 轮 干 式 磨 削 钛 合 金 切 削 性 能 明 显 优 于 绿 色 碳 化 硅 砂 轮，在ｖｓ＝１５
ｍ／ｓ，ｖｗ＝２ｍ／ｍｉｎ，ａｐ＝０．０２５ｍｍ 磨削条件下，自润滑金属结合剂砂轮具有较好的磨削性能。
１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ ＆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００２２２ ２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００２２２
３．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｂｌｉｔｉｙ ｏｆ ｓｅｌｆ－ ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ ｗｈｅｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｏｎ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｗｅａｒ，ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏｐｏｇｒａ－ ｐｈｙ，ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｎ ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ Ｔｉ６Ａｌ４Ｖｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ＳｉＣ ｗｈｅｅｌ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ ｗｈｅｅｌ ｓｈｏｗ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍ－ ａｎｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ．Ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ １５ｍ／ｓ，ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｓｐｅｅｄ ２ｍ／ ｍｉｎ，ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｃｕｔ ０．０２５ｍｍ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｇｏｏｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ；ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ；ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ（ＣＢＮ）ｗｈｅｅｌ；ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ
（ａ）线 扫 描 位 置
时液相的结合剂 会 将 一 部 分 石 墨 包 裹 住，所 以 电 镜下难以发现其踪迹。
３ 自润滑 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性
３．１ 试 样 制 备 用 Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ（ＴＣ４）板 材 作 为 磨 削 试 样，其 化
学成分 符 合 ＧＢ／Ｔ３６２０．１－１９９４ 标 准，试 样 尺 寸 为１５０ｍｍ×４０ｍｍ×８ｍｍ，磨削面尺寸为 １５０ｍｍ ×８ｍｍ。其室温下的 主 要 力 学 性 能 为：抗 拉 强 度 ９２５ＭＰａ，屈服强度８７０ＭＰａ，延伸率１２％，维 氏显 微 硬 度 ３１００ＭＰａ。 ３．２ 试 验 方 法
１．１ 材 料 的 选 择 ＣＢＮ 具有高强度、高硬 度、颗 粒 形 状 好、良 好
的导热性和较低 的 热 膨 胀 系 数 等 优 异 特 性，非 常 适合作为 磨 料。 本 文 选 择 牌 号 ＣＢＮ－９８２，粒 度 为１４０／１７０ 目 ＣＢＮ 磨 料，砂 轮 的 ＣＢＮ 浓 度 为 ０．６６ｇ／ｃｍ３。石墨是一种 性 能 优 良 的 固 体 润 滑 剂 材料，选 用 ３００ 目 的 石 墨 粉 末 作 为 固 体 润 滑 添 加 剂。自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮选择 Ｃｕ－Ｓｎ－ Ｔｉ合 金 作 为 结 合 剂 。 １．２ 制 备 工 艺
为进一步分析 砂 轮 内 部 的 石 墨 存 在 形 式，对 砂轮内部石墨处 进 行 了 点 扫 描 分 析，图 ５ 是 砂 轮 断 面 石 墨 能 谱 定 量 分 析 图 ，由 图 可 见 ，该 处 碳 元 素 比例明显高于砂 轮 内 部 的 其 他 元 素，由 此 可 以 推
自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性分析———霍文国 徐九华 傅玉灿等
由图２可见，随着ｗ 的增大，砂轮试样的σｗ 减 小。砂 轮 试 样 的σｗ 减 小 的 主 要 原 因 是，石 墨 是 一 种 很 软 的 矿 物 ，具 有 良 好 的 滑 移 性 ，容 易 造 成 材 料 整体强度的减小。
２ 微 观 组 织 分 析
石墨 质 量 分 数 为 １０％ 的 自 润 滑 金 属 结 合 剂 ＣＢＮ 砂轮断面 形 貌 如 图 ３ 所 示，由 图 可 见，磨 粒 之间存在一定的孔隙，结合剂没有将 ＣＢＮ 完全包 住 ，磨 粒 之 间 存 在 结 合 桥 ，这 种 结 构 利 于 强 化 结 合 剂对磨粒的把持力。
（ａ）ＣＢＮ 砂轮内部典型形貌
图１ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮
１．３ 砂 轮 试 样 强 度 测 试 砂轮抗弯强度σｗ 是 反 映 砂 轮 性 能 的 一 个 重
要参数。不同石墨质量分数下的 ＣＢＮ 砂轮试样的 三点抗弯试验结果如图２所示。
图２ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮 抗弯强度与石墨含量的关系
性。Ｇｏｌａｂｃｚａｋ［６］认为采用 ＣＢＮ 超 硬 磨 料 砂 轮 能 够 提 升 砂 轮 磨 削 性 能 ，减 少 功 率 消 耗 ，延 长 砂 轮 寿 命。Ｙａｎｇ等 开 ［７］ 展了单层钎焊 ＣＢＮ 砂轮成形磨 削钛合金的研究，结 果 表 明：钎 焊 ＣＢＮ 砂 轮 具 有 良好的动态锋利 性，加 工 精 度 和 表 面 质 量 均 得 到 明显改善。安庆龙等 在 ［８］ 解决钛合金磨削烧 伤 问 题时，提出了采用 低 温 气 动 喷 雾 射 流 冲 击 冷 却 技 术磨削钛合金的 思 路，并 开 发 出 一 套 低 温 气 动 喷 雾射流冲击冷却 系 统，将 其 应 用 于 钛 合 金 的 磨 削 加工中。Ｔｅｉｃｈｅｒ等 通 ［９］ 过对比干磨、油冷却 和 涂 附 ＭｏＳ２辅助 磨 削 等 冷 却 方 式 的 磨 削 试 验 研 究， 发现改进钛合金磨削的冷却润滑条件可以抑制磨 削烧伤 。唐 建 设 等［１０］，史 兴 宽 等 和 ［１１］ 李 伟 等［１２］ 提出将化学添加剂及固体润滑剂等物质渗浸至砂 轮孔隙中研制“化 学 渗 浸 砂 轮”的 设 想，对 浸 渍 砂 轮干磨削钛合金 的 研 究 发 现：浸 渍 砂 轮 可 以 起 到 减小磨削力、降低 磨 削 弧 区 温 度 及 防 止 砂 轮 表 面 黏附的作用。
本文基于绿色制造理念，结合 ＣＢＮ 砂轮技术 和固体润滑技术开展固体自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削钛合金的研究，以 期 实 现 钛 合
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中 国 机 械 工 程 第 ２来自 卷 第 ２３ 期 ２０１２ 年 １２ 月 上 半 月
金的绿色磨削加工。
１ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮制备
收 稿 日 期 ：２０１１—０８—２５ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１０７５２９８）；江 苏 省 自 然 科学基金资助重点 项 目 （ＢＫ２００６７２３）；天 津 职 业 技 术 师 范 大 学 博士启动基金资助项目（ＫＹＱＤ１１００４）；天津职业技术 师 范 大 学 校 级 资 助 项 目 （ＫＪＹ１１－０３）
关键词：自润滑；金属结合剂；ＣＢＮ 砂轮；干式磨削
中 图 分 类 号 ：ＴＧ５８０．６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１２．２３．００１
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ Ｗｈｅｅｌ ｄｕｒｉｎｇ Ｄｒｙ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ Ｈｕｏ Ｗｅｎｇｕｏ１，２ Ｘｕ Ｊｉｕｈｕａ３ Ｆｕ Ｙｕｃａｎ３ Ｑｉ Ｈｏｕｊｕｎ２
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（ｂ）单颗 ＣＢＮ 磨粒周围的微观形貌 图３ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮微观组织
单颗 ＣＢＮ 磨粒周围的微观形貌结构 如 图 ３ｂ 所示，由图可见，结 合 剂 与 ＣＢＮ 磨 粒 之 间 发 生 了 良好的浸润反应。结合面的线扫描结果如图４所 示，由 图 可 见，石 墨 大 都 是 以 游 离 态 的 形 式 存 在 的，铜和锡在 结 合 界 面 处 出 现 一 个 峰 值，ＣＢＮ 磨 粒 表 层 的 钛 元 素 含 量 明 显 增 大 ，据 此 ，可 判 定 砂 轮 中的粉末冶金材 料 与 ＣＢＮ 磨 粒 发 生 了 化 学 冶 金 结合，且结合剂在制备过程中与 ＣＢＮ 发生了良好 的浸润反应。
摘 要 ：针 对 钛 合 金 难 磨 削 加 工 性 ，提 出 了 自 润 滑 金 属 结 合 剂 砂 轮 ，综 合 液 相 烧 结 与 钎 焊 工 艺 制 备 了 自
润滑 金 属 结 合 剂 立 方 氮 化 硼（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ，ＣＢＮ）砂 轮 ，分 析 了 砂 轮 强 度 和 微 观 组 织 ，完 成 了 自 润 滑
自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性分析———霍文国 徐九华 傅玉灿等
自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性分析
霍 文 国１，２ 徐 九 华３ 傅 玉 灿３ 戚 厚 军２
１．天 津 市 高 速 切 削 与 精 密 加 工 重 点 实 验 室 ，天 津 ，３００２２２ ２．天 津 职 业 技 术 师 范 大 学 ，天 津 ，３００２２２ ３．南 京 航 空 航 天 大 学 ，南 京 ，２１００１６
０ 引 言
钛合金具有密 度 小、比 强 度 高、热 稳 定 性 好、 抗 腐 蚀 性 好 等 优 点 ，因 此 在 航 空 航 天 、舰 船 和 化 工 等行业得到了 广 泛 的 应 用［１］，由 于 钛 合 金 导 热 系 数低、弹 性 模 量 小、在 较 高 温 度 下 的 化 学 活 性 大， 因此钛合金磨削 加 工 时，很 容 易 发 生 较 严 重 的 砂 轮黏附磨损，产生磨削烧伤 。 ［２－３］
首 先 将 石 墨 粉 末 、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ粉 末 混 合 并 加 入 适 量 成 形 剂 后 搅 拌 均 匀 ，然 后 再 加 入 磨 料 混 合 ， 再次加入适量成形剂后搅拌均匀。将粉末填装进 专用 模 具 中，由 ７６９ＹＰ－２４Ｂ 型 粉 末 压 片 机 在 ２０ＭＰａ模压 压 力 下 压 制 成 形。 将 成 形 的 砂 轮 粉 末压坯放在１５０℃ 的 烘 箱 内 保 持 １ｈ，选 择 适 当 的 温度工艺使磨料与金属粉末在 ＶＡＦ－２０ 真空 退 火炉 内 发 生 冶 金 反 应，保 温 温 度 为 １０３０℃，保 温 一定时间后随炉 冷 却，再 将 制 备 好 的 砂 轮 体 与 砂 轮柄 焊 接 在 一 起。加 工 出 的 砂 轮 工 具 如 图 １ 所示。
ＣＢＮ 砂轮与碳化硅砂轮干式磨削钛合金的性能试验。通过砂轮磨损、工件表面形貌、金相显微组织和显微
硬度等特性研究表明：自润滑 ＣＢＮ 砂 轮 干 式 磨 削 钛 合 金 切 削 性 能 明 显 优 于 绿 色 碳 化 硅 砂 轮，在ｖｓ＝１５
ｍ／ｓ，ｖｗ＝２ｍ／ｍｉｎ，ａｐ＝０．０２５ｍｍ 磨削条件下，自润滑金属结合剂砂轮具有较好的磨削性能。
１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ ＆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００２２２ ２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００２２２
３．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｂｌｉｔｉｙ ｏｆ ｓｅｌｆ－ ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ ｗｈｅｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｏｎ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｗｅａｒ，ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏｐｏｇｒａ－ ｐｈｙ，ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｎ ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ Ｔｉ６Ａｌ４Ｖｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ＳｉＣ ｗｈｅｅｌ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ ｗｈｅｅｌ ｓｈｏｗ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍ－ ａｎｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ．Ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅｅｌ ｓｐｅｅｄ １５ｍ／ｓ，ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｓｐｅｅｄ ２ｍ／ ｍｉｎ，ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｃｕｔ ０．０２５ｍｍ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｇｏｏｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ；ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｅｄ；ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ（ＣＢＮ）ｗｈｅｅｌ；ｄｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ
（ａ）线 扫 描 位 置
时液相的结合剂 会 将 一 部 分 石 墨 包 裹 住，所 以 电 镜下难以发现其踪迹。
３ 自润滑 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性
３．１ 试 样 制 备 用 Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ（ＴＣ４）板 材 作 为 磨 削 试 样，其 化
学成分 符 合 ＧＢ／Ｔ３６２０．１－１９９４ 标 准，试 样 尺 寸 为１５０ｍｍ×４０ｍｍ×８ｍｍ，磨削面尺寸为 １５０ｍｍ ×８ｍｍ。其室温下的 主 要 力 学 性 能 为：抗 拉 强 度 ９２５ＭＰａ，屈服强度８７０ＭＰａ，延伸率１２％，维 氏显 微 硬 度 ３１００ＭＰａ。 ３．２ 试 验 方 法
１．１ 材 料 的 选 择 ＣＢＮ 具有高强度、高硬 度、颗 粒 形 状 好、良 好
的导热性和较低 的 热 膨 胀 系 数 等 优 异 特 性，非 常 适合作为 磨 料。 本 文 选 择 牌 号 ＣＢＮ－９８２，粒 度 为１４０／１７０ 目 ＣＢＮ 磨 料，砂 轮 的 ＣＢＮ 浓 度 为 ０．６６ｇ／ｃｍ３。石墨是一种 性 能 优 良 的 固 体 润 滑 剂 材料，选 用 ３００ 目 的 石 墨 粉 末 作 为 固 体 润 滑 添 加 剂。自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮选择 Ｃｕ－Ｓｎ－ Ｔｉ合 金 作 为 结 合 剂 。 １．２ 制 备 工 艺
为进一步分析 砂 轮 内 部 的 石 墨 存 在 形 式，对 砂轮内部石墨处 进 行 了 点 扫 描 分 析，图 ５ 是 砂 轮 断 面 石 墨 能 谱 定 量 分 析 图 ，由 图 可 见 ，该 处 碳 元 素 比例明显高于砂 轮 内 部 的 其 他 元 素，由 此 可 以 推
自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削特性分析———霍文国 徐九华 傅玉灿等
由图２可见，随着ｗ 的增大，砂轮试样的σｗ 减 小。砂 轮 试 样 的σｗ 减 小 的 主 要 原 因 是，石 墨 是 一 种 很 软 的 矿 物 ，具 有 良 好 的 滑 移 性 ，容 易 造 成 材 料 整体强度的减小。
２ 微 观 组 织 分 析
石墨 质 量 分 数 为 １０％ 的 自 润 滑 金 属 结 合 剂 ＣＢＮ 砂轮断面 形 貌 如 图 ３ 所 示，由 图 可 见，磨 粒 之间存在一定的孔隙，结合剂没有将 ＣＢＮ 完全包 住 ，磨 粒 之 间 存 在 结 合 桥 ，这 种 结 构 利 于 强 化 结 合 剂对磨粒的把持力。
（ａ）ＣＢＮ 砂轮内部典型形貌
图１ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮
１．３ 砂 轮 试 样 强 度 测 试 砂轮抗弯强度σｗ 是 反 映 砂 轮 性 能 的 一 个 重
要参数。不同石墨质量分数下的 ＣＢＮ 砂轮试样的 三点抗弯试验结果如图２所示。
图２ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮 抗弯强度与石墨含量的关系
性。Ｇｏｌａｂｃｚａｋ［６］认为采用 ＣＢＮ 超 硬 磨 料 砂 轮 能 够 提 升 砂 轮 磨 削 性 能 ，减 少 功 率 消 耗 ，延 长 砂 轮 寿 命。Ｙａｎｇ等 开 ［７］ 展了单层钎焊 ＣＢＮ 砂轮成形磨 削钛合金的研究，结 果 表 明：钎 焊 ＣＢＮ 砂 轮 具 有 良好的动态锋利 性，加 工 精 度 和 表 面 质 量 均 得 到 明显改善。安庆龙等 在 ［８］ 解决钛合金磨削烧 伤 问 题时，提出了采用 低 温 气 动 喷 雾 射 流 冲 击 冷 却 技 术磨削钛合金的 思 路，并 开 发 出 一 套 低 温 气 动 喷 雾射流冲击冷却 系 统，将 其 应 用 于 钛 合 金 的 磨 削 加工中。Ｔｅｉｃｈｅｒ等 通 ［９］ 过对比干磨、油冷却 和 涂 附 ＭｏＳ２辅助 磨 削 等 冷 却 方 式 的 磨 削 试 验 研 究， 发现改进钛合金磨削的冷却润滑条件可以抑制磨 削烧伤 。唐 建 设 等［１０］，史 兴 宽 等 和 ［１１］ 李 伟 等［１２］ 提出将化学添加剂及固体润滑剂等物质渗浸至砂 轮孔隙中研制“化 学 渗 浸 砂 轮”的 设 想，对 浸 渍 砂 轮干磨削钛合金 的 研 究 发 现：浸 渍 砂 轮 可 以 起 到 减小磨削力、降低 磨 削 弧 区 温 度 及 防 止 砂 轮 表 面 黏附的作用。
本文基于绿色制造理念，结合 ＣＢＮ 砂轮技术 和固体润滑技术开展固体自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮干式磨削钛合金的研究，以 期 实 现 钛 合
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中 国 机 械 工 程 第 ２来自 卷 第 ２３ 期 ２０１２ 年 １２ 月 上 半 月
金的绿色磨削加工。
１ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮制备
收 稿 日 期 ：２０１１—０８—２５ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１０７５２９８）；江 苏 省 自 然 科学基金资助重点 项 目 （ＢＫ２００６７２３）；天 津 职 业 技 术 师 范 大 学 博士启动基金资助项目（ＫＹＱＤ１１００４）；天津职业技术 师 范 大 学 校 级 资 助 项 目 （ＫＪＹ１１－０３）
关键词：自润滑；金属结合剂；ＣＢＮ 砂轮；干式磨削
中 图 分 类 号 ：ＴＧ５８０．６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１２．２３．００１
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｂｏｎｄｅｄ ＣＢＮ Ｗｈｅｅｌ ｄｕｒｉｎｇ Ｄｒｙ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ Ｈｕｏ Ｗｅｎｇｕｏ１，２ Ｘｕ Ｊｉｕｈｕａ３ Ｆｕ Ｙｕｃａｎ３ Ｑｉ Ｈｏｕｊｕｎ２
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（ｂ）单颗 ＣＢＮ 磨粒周围的微观形貌 图３ 自润滑金属结合剂 ＣＢＮ 砂轮微观组织
单颗 ＣＢＮ 磨粒周围的微观形貌结构 如 图 ３ｂ 所示，由图可见，结 合 剂 与 ＣＢＮ 磨 粒 之 间 发 生 了 良好的浸润反应。结合面的线扫描结果如图４所 示，由 图 可 见，石 墨 大 都 是 以 游 离 态 的 形 式 存 在 的，铜和锡在 结 合 界 面 处 出 现 一 个 峰 值，ＣＢＮ 磨 粒 表 层 的 钛 元 素 含 量 明 显 增 大 ，据 此 ，可 判 定 砂 轮 中的粉末冶金材 料 与 ＣＢＮ 磨 粒 发 生 了 化 学 冶 金 结合，且结合剂在制备过程中与 ＣＢＮ 发生了良好 的浸润反应。