金刚石精珩铸铁内孔珩磨工具研究

2008届毕业生毕业论文题 目: 金刚石精珩铸铁内孔珩磨工具研究 院系名称：材料科学与工程 专业班级： 超硬0402 学生姓名： 杨妮妮 学 号： 20062470115 指导教师： 左宏森 教师职称： 副教授 2008 年 6 月 16 日III 摘 要金刚石珩磨所加工的铸铁材质具有很高的硬脆性,根据具体的珩磨工艺要求以及珩磨设备性能等情况,针对其磨削机理和工艺特点,在确定合适的金刚石磨料的情况下,合理选择结合剂类型,采用合适的结合剂成分,通过测定抗折强度和硬度，对试验分析研究,优化设计出最佳的结合剂配方。根据被加工对象材质特性及珩磨工艺要求,为了保证金刚石珩磨油石具有较高的磨削效率和较长的使用寿命,就必须合理选择结合剂类型和成分及配比,使得金刚石珩磨油石在磨削时结合剂的性能与金刚石磨料以及珩磨工艺相适应。为此,我们进行了大量试验和分析研究。第一轮进行正交实验设计，根据实验结果正交分析出较优配方，最后选定Cu78Sn20Fe6Co6和Cu80Sn10Fe8Co2为最佳配方，并可在工厂进行试用。关键词： 珩磨机理 内孔加工 正交实验 抗折强度 硬度Title Research In diamond fine top cast iron hole honing tool AbstractDiamond processing by honing the cast iron is very hard and brittle material, According to the honing of specific requirements and honing equipment performance, for itsgrinding mechanism and process characteristics, In determining the appropriate diamond abrasive circumstances, a reasonable choice of agent types, using the right combination of elements, Determination by bending strength and hardness, the test analysis and study, designed to optimize the combination of the best formula. According to the processing of material objects and honing technical requirements, To ensure that diamond honing Whetstone has a high grinding efficiency and longer service life, we must combine a reasonable choice of type and composition and ratio, makes diamond grinding, honing Whetstone in combination with the performance of diamond abrasive and honing process Line. To this end, we conducted a lot of testing and analysis. The first round of orthogonal experimental design，According to results of the orthogonal optimum formula, the final selection Cu78Sn20Fe6Co6 and Cu80Sn10Fe8Co2 as the best formula, and in the plant for trial.Keywords Honing Mechanism Hole in the processing Orthogonal test Bending strength Hardness目 录1 引言111 珩磨内孔加工机理112 珩磨加工铸铁现状213本文研究的内容22 试验方法及试验内容321试验材料及设备仪器322试验设计思路423试验数据93 实验数据分析113.1第一轮实验结果分析113.2第二轮实验结果分析163.3第三轮实验结果分析16结 论17致 谢18参 考 文 献19 毕业设计（论文）1 引言随着我国工业技术水平的飞速发展,为了满足日益增长的汽车、拖拉机、航空、工程机械、机床等工业生产的需要,近几年来,我国一些厂家从德国、美国、日本等国家引进一大批性能先进的珩磨机,用来加工汽车缸套、连杆、喷油嘴、柱塞套、齿轮、液压阀等。珩磨加工作为一种提高工件内孔圆度、直线度和表面粗糙度的精加工方法,广泛应用于汽车制造、航空航天、机械机床、军事国防等领域生产之中。随着珩磨加工技术的发展进步,我国珩磨加工已经由一种低效的精加工方法发展成为一种高效率、高精度、高光洁度、高寿命的新型加工方法。在这一重大进展中,除了珩磨机床、珩磨工艺的不断改进和发展外,珩磨油石的发展和更新换代也起着非常重要的作用。特别在引进的自动化程度较高的珩磨机上,普通碳化硅油石已不能满足自动化大批量生产的需要。因此,我们必须根据珩磨机工作特性和珩磨工艺以及产品质量要求,尽快研制出与之配套的高质量金刚石珩磨油石,以取代传统的碳化硅油石,以促进我国珩磨技术的发展和金刚石制品生产经济效益的提高。11 珩磨内孔加工机理珩磨是用油石进行精密机械加工的一种方法,它是增加油石与工件表面的加工接触面积,以一定的进给方式来完成工件表面的精加工。 图1金刚石油石珩磨内孔的示意图珩磨是由珩磨机上的带胀缩装置的珩磨头的油石,在主轴带动下,作低速回转和直线往复的复合运动,在一定的压力和磨削液不断冲洗下,完成对工件表面的精密加工作业形式。珩磨普遍地应用于各种内孔的精密加工,图1即为金刚石油石珩磨内孔的示意图.从中还可以看出金刚石珩磨油石的结构和安装形式。珩磨其实就是一种磨削过程,在珩磨每一个行程中,切削力对金刚石磨粒的方向是不断改变的。因此,金刚石破碎的机会较多,结合剂接触摩擦面积较大,油石在磨削过程中金刚石出刃良好并能保持较长时间的锋利度,单位时间的金属切除率高。要保证油石具有良好的磨削效率和使用寿命,就要求油石结合剂能在磨削不同材料时能保证金刚石有良好的出刃和对金刚石具有较强的把持力。另外，在珩磨过程中，珩磨速度较慢，工作面上接触点多，每个金刚石磨粒垂直负荷较小，仅为一般磨削的1/501/100。12 珩磨加工铸铁现状通过珩磨工艺、磨削机理的深入研究和大量分析，可以看出,在金刚石珩磨油石生产中烧结拆模后,有时出现珩磨条发生轴向弯曲变形,这种微小变形是由于材料烧结冷却后内部热应力分布不均所致,为了避免这种现象还有待于进一步调整和完善生产工艺。另外在加工铸铁时,其磨削效果还不够理想,在加工的过程中由于铸铁的硬脆性，并且珩磨加工的工艺速度比较慢,所以在加工的过程中铸铁容易裂,而且金刚石自锐性不是很好，金刚石颗粒不能很好的表现出其磨削性能，所以有待于进一步研究调整工艺配方,研究出与不同材料相适应的系列结合剂配方,不断提高金刚石珩磨油石的适应性和质量指标,增加产品品种系列,扩大金刚石珩磨铸铁的效率。13本文研究的内容通过珩磨工艺、磨削机理的深入研究和大量分析，可以看出, 金刚石的硬度很高耐磨性能好，珩磨加工的压力比磨削加工小，对磨料的磨蚀钝化作用较小，为了充分发挥金刚石的切削作用，提高它的利用率，应当选择一种结合强度高、把持力强、耐磨性好的结合剂与之匹配，而金属结合剂正是由于具有这一特点使之适合与金刚石或立方氮化硼磨料匹配制成珩磨油石，此外金属结合剂无论配方如何，都可以被压制成接近于100的密度，从而减少了由于封闭气孔所引起的性能变化，使油石的各种性能得到稳定的再现。针对以上的情况我们将设计采用改变油石的结合剂的配方来进行解决,试验过程我们采用正交试验的方法来研制出新型的珩磨油石，本次的研究主要是针对油石在珩磨各类铸铁所存在的有关结合剂的配方中的缺点和磨削过程中所出现的问题来进行研究。主要的研究手段和解决方法本次采用的是铜基的金属结合剂,其主要成份为:铜,钴,锡, ,铁等金属。我们采用石墨磨具进行热压成型的工艺，来进行研制珩磨条，主要是提高珩磨过程中油石的磨削自锐性，增强磨削的效果。2 试验方法及试验内容21试验材料及设备仪器2.1.1试验原材料铜粉：400目、密度：8.90g/cm3、 熔点：1083、纯度99.75锡粉：300目、密度：7.31g/cm3、 熔点：232、纯度99.6铁粉：300目、密度：7.89g/cm3、 熔点：1534、钴粉：300目、密度：8.90g/cm3、 熔点：金刚石: 粒度 100/120 2.1.2试验设备及仪器（1） RYJ-2000k型真空烧结压机，如图2-1所示。额定压力：250KN; 加热功率：60KVA; 额定油压：20MPa； 电机功率:1.1+0.55KW；活塞直径:125mm; 模具高度：180240mm； 电源：AC380V；压头尺寸：250*250mm（2） 电子天平:型号：BS-600H； 最大量程：600g ; d=0.01（3） 模具：石墨模具： 图2-1 RYJ-2000k型真空烧结压机上压头：65303 mm； 数量：9；下压头：65273 mm； 数量: 9； 隔 板： 65605 mm； 数量：11；外 框： 99608 mm； 数量：2； 样 条： 6553.5mm； 数量：9；模具总共6套模 框： 铸 铁； 数量：1；（4） 微机控制电子式万能试验机：型号：CMT4504； 规格：50KN 精度等级：1级（5） 游标卡尺： 精确到0.02mm （6） 洛氏硬度计，如图2-2所示型号：HR-150A 规格：HRA、HRB、HRC； 图2-2 洛氏硬度计22试验设计思路2.2.1试验方案配方设计工艺设计试验方案结果第一轮试验第二轮试验结果第三轮试验结果原料选择图2-3 试验方案图在通过大量的科技文献的查阅和对于加工的对象的特点，我们现对结合剂的性能进行分析，我们的实验过程分为三轮来安排实验。第一轮主要是对与结合剂不同的含量和不同的烧结温度情况下对于试样的抗折强度和硬度的影响；第二轮主要是对于第一轮实验结果的基础上，找出比较好的实验配方和温度，再进行实验比较，为第三轮实验做准备工作；第三轮实验是在第二轮的基础上找到较好的试样来进行加入超硬材料金刚石来做成品进行综合性能的研究分析。如图2-3所示。使用石墨模具，加工的工件尺寸为6553.5mm，石墨模具一模为9块，每个实验号做3块。2.2.2试样制备 珩磨油石的制备是采用石墨模具在真空热压烧结机中烧结成型，具体的制备流程如图2-4所示。原料的检查称料混料检查模具组装模具称量单重投料摊料冷却装压头刮平设定工艺打磨毛刺卸模测量试样热压成型机械性能检测图2-4 珩磨条制备流程图（1）原料检查：主要是检查原材料是否被污染，是否氧化，所需要的原料是否齐全，原材料的粒度是是否与要求的相符合，如果发现又被氧化或被污染的原材料我们应当及时的进行处理。（2）称料：我们的投料比按照1.02来进行，称取的原料要精确，不能多也不能少，否则会大大的影响实验的结果和成型密度，并有可能造成模具的压坏。每次称量3个试样的原料。（3）混料：把所有的原料称量完毕后放入研钵中，在研钵中研磨5分钟是原料混合均匀，并在其中加入一滴润湿剂进行研磨，然后过筛使原料更加均匀。（4）检查模具：查看磨具是否完整，并准备装模所用的工具，垫铁，石棉板等物品。（5）组装模具：先组装石墨模具，按照相互紧扣的原则来进行组装，然后装入模框中，用扳手紧固，检查磨具是否有空隙，进行调整。（6）称量单重：按照每一个试样的重量进行称量，按照1.01的投料比进行称量。（7）投料：根据称量的单重进行投料，投料过程中一定要求小心防止料的流失。（8）摊料：用金属丝在料中来回的走动，使料在模具中均匀的分布，使料在其中摊平。（9）刮平：用刮料刀在模具中来回的刮，使料在模具中平整。（10）装压头：把上压头装入模具中，尽量的压平，压头一定要放正。（11）设定工艺：在真空热压烧结机中输入预先设计的曲线。（12）热压成型：把装好的模具装入热压机中，并用红外测温器对准进行测温，在 预先输入的曲线工艺下进行烧结。（13）冷却：要求模具冷却到100度左右时才进行卸模，防止在高温的时候卸模造成工件的高温卸模开裂。（14）卸模：要求卸模的时候把试样的序列号记下来，防止在卸模的时候出现混乱而是实验失败。（15）打磨毛刺：把压制出来试样在砂纸上进行打磨，去除毛刺，防止在做抗弯强度和硬度的时候产生影响，也对后期的称量和尺寸的测量做好准备。（16）测量尺寸重量：打磨好的试样用游标卡尺进行测量，包括长、宽、高，然后 用电子天平称量其重量。（17）机械性能检测：用CMT4504微机控制电子式万能试验机测量试样的抗弯强度，用HR-150A型洛氏硬度计测量试样的硬度。2.2.3工艺设计 在下图的图2-5中烧结终温为550，在400是保温1分钟，升温速率为100/min，在400540升温速率为50/min,在540保温1分钟，在550保温3分钟，然后降温至400卸压，冷却到100左右卸模。压力为：3.5Mpa。图2-6、图2-7、图2-8分别是在终温分别为600、630，650时的烧结曲线，其压力相同，终压为5.0Mpa，保温时间都为3分钟，温度与压力同步增加。 23试验数据2.3.1第一轮实验设计在不加入磨料的情况下对铜基结合剂进行性能的对比分析，主要是考虑到超硬材料金刚石价格比较高，而且在前期的实验主要是对金属结合剂的抗折强度和硬度的研究，通过正交实验对影响铜基结合剂的主要元素找出，并分析出符合我们加工的对象性能的配方。我们采用正交实验，考虑四因素四水平，采用16个实验方案。所考虑的因素为：温度、锡、铁、钴，如表2-1所示。实验水平如表2-2所示。通过对性能的研究我们考虑的因子设计出了实验方案。如表2-3所示。表2-1实验因子水平表因子温度SnFeCo水平标准550-65010-252-82-8 表2-2实验因子及水平水平号A（温度/）B（Sn/%)C（Fe/%)D（Co/%)15501022260015443630206646502588 表2-3实验方案序号配方温度/Sn/%Fe/%Co/%Cu/1A1B1C11B2C2D25501544813A1B3C3D35502066684A1B4C4D45502588595A2B1C2D36001046806A2B2C1D46001528757A2B3C4D16002082708A2B4C3D26002564659A3B1C3D463010687610A3B2C4D363015867111A3B3C1D263020247412A3B4C2D163025426913A4B1C4D265010847814A4B2C3D165015627715A4B3C2D465020486816A4B4C1D36502526672.3.2第二轮实验设计通过对第一轮实验的结果进行正交综合分析，选取了几个较优配方，按选取的较优配方进行第二轮实验，实验因子水平表如2-4所示。实验方案如表2-5所示。表2-4实验水平因子表实验条件温度/Sn/%Fe/%Co/%Cu/1550206668255010828035501028804600152875表2-5实验方案配方号温度/Sn/gFe/gCo/gCu/g15502.010.600.606.4225503.062.450.618.1635503.090.622.488.2846004.590.612.457.652.3.3第三轮实验经过前两轮的实验我们在这一轮中加入磨料金刚石根据计算我们设计出实验方案，试验中磨料的浓度为65%。如表2-6实验方案所示表2-6实验方案 实验号温度/Sn/gFe/gCo/gCu/gCBN/g15501.630.490.496.350.6425500.800.640.166.430.643 实验数据分析3.1第一轮实验结果分析第一轮实验所得珩磨油石的质量指标，如表3-1所示表3-1 第一轮的实验结果实验号温度/Sn/%Fe/%Co/%抗折强度/Mpa硬度/HR1258.6525501544423.2255.4535502066287.5281.3245502588182.2669.3756001046475.0351.4766001528332.1795.1176002082177.36105.5286002564104.0656.8496301068218.41115.25106301586135.781.85116302024132.982.0112630254289.25110.88136501084311.7176.62146501562154.0971.3615502048237.17106.02166502526108.25108.87 由第一轮结果绘出各因素对结合剂性能的影响曲线图。如下图所示：图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6，依次表示：温度对强度的影响、锡含量对强度的影响、铁含量对强度的影响、钴含量对强度的影响、温度对硬度的影响、锡含量对硬度的影响。 经过我们的正交分析，更具数据的对比分析，我们找到了发现锡金属含量对于铜基结合剂有很大影响。如图3-2和图3-5所示。这是由于锡含量小于6%时，合金塑性很大，且随着锡含量的增加，强度和硬度都增大。当锡含量大于6%时，合金中出现 相，塑性急剧下降，硬度提高，此时强度继续提高，当锡含量大于20%后合金组织中有大量相，使合金变得很脆，强度由最高峰值急剧下降。磨具结合剂用的锡青铜，要求强度和硬度都较高但不是越高越好，同时还希望有较高的脆性，因此结合剂中锡用量都较高，一般大于10%。很好的控制合金的性能，除了调整配比，还要制定合理的工艺条件，温度过高，合金中相较少，脆性很低，会导致自锐性差，因此，如图3-1所示当温度高于550时强度出现下降的趋势，因此温度在550较合适。如图3-3和图3-4所示可以看出，铁和钴金属对结合剂的强的等性能影响不是很明显，在实验所给范围内影响趋势在一定范围内较平缓，实验中加入铁和钴，可以提高强度和耐磨性，铁和钴都能在一定程度上浸润金刚石，因而加入它们，有利于提高结合剂对金刚石的结合强度，防止金刚石过早脱落，从而延长磨具使用寿命。第一轮实验结果分析：对于上面我们得到的第一轮数据进行正交分析，从中得到最佳的配方和工艺参数。抗折强度的实验数据分析如表3-2所示。表3-2抗折强度正交分析结果实验号温度/Sn/%Fe/%Co/%Cu/抗折强度/Mpa硬度/HRB综合评分1550102286442.1258.6580.612550154481423.2255.4576.293550206668287.5281.3291.244550258859182.2669.3759.305600104680475.0351.4767.716600152875332.1795.1191.317600208270177.36105.5266.698600256465104.0656.8442.939630106876218.41115.2566.6410630158671135.781.8560.0511630204474132.982.0159.781263025226989.25110.8852.8013650108478311.7176.6280.8714650156277154.0971.3656.8215650204868237.17106.0273.8516650252667108.25108.8756.2376.873.9671.9864.2367.1671.1267.6664.9759.8272.8964.4168.8166.9452.8266.7372.78R17.0421.147.578.55 由以上结果分析可知，各含量对强度和硬度的影响。由于本课题是研究珩磨铸铁的，根据铸铁的特性取珩磨条强度400Mp，硬度90左右为适，并以次为标准进行综合评分后，第一轮实验的36号配方得分最高，束较优配方，同时，比较各水平得分，温度在一水平下综合性能较好，锡含量和铁含量也都是在各自一水平下综合性能较好，而钴含量在四水平下样条性能较好，由此选出了四个较优的配方进行第二轮的实验，以便得到最优配方。3.2第二轮实验结果分析表3-4 第二轮实验结果结果实验号温度/Sn/%Fe/%Co/%Cu/硬度/HRB抗折强度/Mpa1550206668105481.26255010828096.5423.74355010288097452.794600152875103603.57 通过对第二轮的结果进行比较分析，可以看出硬度和强度趋于平稳，由于这次实验采用了新模具，且实验时烧结机处于最佳工作状态，此次结果值较第一轮都较高，比较四个配方，12号配方的样条效果较好，断面色泽均匀，可定为更佳方案。3.3第三轮实验结果分析经过第二轮的实验，我们选择了第二轮的两种方案进行加入超硬材料金刚石做成成品的珩磨条，送入工厂进行实际操作实验。18 结 论本文通过对珩磨条实验，对影响珩磨条性能的四个主要因素分别进行了正交实验，在进行多次实验的基础上对影响因素做出了全面的分析，最终找出性能较好的配方，在此基础上加入超硬材料金刚石进行综合性能的测试。由于我们在实验过程中的诸多原因，实验有很多不足之处。通过金属结合剂中个成分的含量的分析，和烧结工艺的研究我们得到结论如下：1. sn的含量应当控制在10%-20%左右，这样可以得到较好的强度和硬度，在其他性能不变的情况下，随着Sn的含量的增加强度和硬度值逐渐增加。2. 烧结工艺也应当多加注意温度应当控制在550，这样有利于结合剂的性能稳定。3. 结合三轮实验结果，当取Cu78Sn20Fe6Co6是强度值和硬度值综合指标比较适合珩磨铸铁。致 谢本论文在我的指导老师左宏森的精心指导下完成的，在整个的毕业设计阶段左老师都给于我大量的帮助，并且到工厂里亲自指导我的设计过程中的每一个细节。他在整个的设计中都严格的要求我们，以其渊博的知识，科学的态度和思维方法以及严谨的治学态度教导着我们，这一切都将在我以后的工作和学习当中产生深远的影响，在此我特向左老师表示衷心的感谢，和崇高的敬意！同时，也要感谢实习中心的宋诚老师，和李宝膺老师在实验过程中给于我的大力支持和对于设备的提供。感谢和我一起进行毕业设计的郑勇翔，韩丹丹，蔡培，白小康等同学给我提供的大量帮助。另外，也要特别向材料学院的各位领导在大学四年对于我的支持和帮助，以及关心和帮助过我的所有的老师和同学