金刚石珩磨条的研制

1、金刚石珩磨条的研制金刚石珩磨条的研制 摘要 珩磨是一种高效、精密的加工工艺，它具有加工精度高，表面质量好，加工范围广，切削余量小，纠孔能力强等特点，而且随着珩磨工艺的技术成熟，可以预感到珩磨工艺将会与计算机系统结合起来，通过科学的推理和准确的判断，引导人们采用先进科学的珩磨工艺，排除人工操作的不利影响因素，获得理想的珩磨网纹结构，实现珩磨技 术的飞跃。由于珩磨工作压力和加工质量的要求，必须保证珩磨条的粒度准确和硬度均匀，不但磨粒均匀分布，不允许含有杂质和混有个别粗磨粒，并要让珩磨条切削部分具有一定硬度、弹性和耐磨性，使其保证具备较好的加工效益、获得较高的加工精度。 介绍了珩磨工艺的特点、现状及

2、发展前景，着重阐述了金刚石珩磨条磨粒、结合剂配方的选择，以及在压制过程中通过正交实验法对所出问题进行分析，力图在有限的条件下作出优质的符合生产要求的金刚石珩磨条。 关键词 珩磨 金刚石 正交试验法 结合剂 1 绪论 1.1 珩磨的定义 珩磨是一种面接触的低速磨削，以被加工面作为导向定位面，在一定进给压力下，通过珩磨条和零件的相对运动去除余量，其切削轨迹为交叉网纹的高效、精密加工工艺。 1.2 珩磨加工特点 1.2.1 加工精度高 特别是一些中小型的通孔，其圆柱度可达 0.001mm 以内。一些壁厚不均匀的零件，如连杆，其圆度能达到 0.002mm。对于大孔（孔径在 200mm 以上），圆度也可

3、达 0.005mm，如果没有环槽或径向孔等，直线度达到 0.01mm/1m 以内也是有可能的。珩磨以磨削加工精度高，磨削时支撑砂轮的轴承位于被珩孔之外，会产生偏差，特别是小孔加工，磨削比珩磨精度更差。 1.2.2 表面质量好 表面为交叉网纹，有利于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支承率（孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比），因此能承受较到载荷，耐磨损，从而提高了产品的使用寿命。珩磨速度低（是磨削速度的几十分之一），且油石与孔是面接触，因此每一个磨粒的平均磨削压力小，这样珩磨时，工件的发热量很小，工件表面几 乎无热损伤和变质层，变形小，珩磨加工面几乎无嵌砂和挤压硬质层。 1.2.3

4、 加工范围广 主要加工各种圆柱形孔、通孔，轴向和径向有间断的孔，如有径向孔或槽孔、键槽孔、花键孔、盲孔、多台阶孔等，用外圆珩磨工具可以珩磨圆柱体，但其去除的余量远远小于内圆珩磨的余量。珩磨几乎可以加工任何材料，特别是金刚石和立方氮化硼磨粒的应用，进一步拓展了珩磨的运用领域。同时也大大提高了珩磨加工的效率。 1.2.4 切削余量小 珩磨加工是所有加工方法中去除余量最少的一种加工方法。在珩磨加工中，珩磨工具是以工件作为导向来切除工件多余的余量而达到工件所需要的精度。珩磨时，珩磨工具先珩工件中需去余量最大的地方，然后逐渐珩去其余需去除余量最大的地方，直至珩至需去除余量最少的地方。 1.2.5 纠孔能

5、力强 由于其余各种加工工艺方面存在不足，致使在加工过程中会出现一些加工缺陷。而采用珩磨工艺加工可以通过去除最少加工余量而极大地改善孔和外圆的尺寸精度、圆度、直线度、圆柱度和表面粗糙度。 1.3 珩磨工艺的现状及发展前景 当前，在发达国家，对珩磨技术方面的研究主要侧重于新型珩磨技术研发，如德国拉格尔公司研制的双向双进给平顶珩磨，德国格林公司最新研制的激光珩磨，美国善能公司新开发的涮珩技术。 我国珩磨技术的研发，主要还停留在国际引进，只局限于珩磨条制作、珩磨切削参数选择，以及砂轮选择研究等的较低层次，综观国内采用珩磨工艺的各制造厂家，能生产出合格的平顶珩磨网纹也还只有少数几家，目前还无法达到国际先

6、进水平。 对于珩磨工艺的发展，未来将会侧重于新型珩磨技术研发，并且把珩磨工艺和计算机系统结合起来，通过科学的推理和准确的判断，引导人们采用先进科学的珩磨工艺，排除人工操作的不利影响因素，获得理想的珩磨网络结构，实现珩磨技术的飞跃。 2 珩磨条性能要求及原材料选择 2.1 性能要求 由于珩磨工作压力和加工质量的要求，必须保证珩磨条的粒度准确和硬度均匀。不但磨粒均匀分布，不允许含有 杂质和混有个别粗磨粒，并要让珩磨条切削部分具有一定硬度、弹性和耐磨性，使其保证具备较好的加工效益。故确定珩磨条性能要求如表 1 表 1珩磨条性能要求 性能要求备注 硬度 82 HRB 强度 400-500MPa 结合剂

7、 220MPa 加金刚石 浓度 120-150% 2.2 磨粒的准备 2.2.1 磨粒的选择 由于金刚石珩磨条使用寿命长，耐磨性强，不用经常更换和休整，便于自动测量控制，从成本上考虑，它比较适合于粗珩、半精珩加工，所以此设计选用金刚石作为磨粒。 2.2.2 粒度的选择 磨粒粒度一般影响加工效率和工件表面光洁度，在满足光洁度要求的前提下，应尽可能选择较粗的粒度，这样有利于提高效率。通过对比，此设计选择了 180#的金刚石。 2.2.3 品级的选择 一般说来，在金刚石珩磨条的制作时，高品级的磨粒不一定理想，低、中品级的磨粒制作的不一定不好用，这不但与磨削工艺、珩磨条结合剂有很大关系，另外，加工工件

8、的材质，加工工艺参数，机床性能都有一定的影响，所以，此设计选择了 MBD6 型金刚石。 2.2.4 浓度的选择 浓度对磨削效率和磨削工序加工成本有很大影响。浓度过低，磨削效率不高，浓度过高，很多磨粒过早脱落，使用很不经济，造成浪费。此设计中金刚石浓度选用 120%。 2.3 结合剂的准备 结合剂是把许多细小的磨粒粘在一起而组成磨具的材料。它使磨具具有一定的形状和必要的强度。磨削时，磨粒在结合剂的支持下，可以对工件进行切削。当磨粒磨钝时，同样又能使磨粒及时破裂或脱落，暴露出新磨粒，继续工作，保持珩磨条有良好的切削性能。 选择结合剂远材料的原则是：保证磨削时结合剂烧结胎体的磨损要与钢套材质、金刚石

9、磨粒相适应。此外，希望结合剂原材料具有良好的压制性，烧结性和对金刚石磨粒 的把持性。此设计采用的结合剂原材料有：Cu、Sn、Co、W、Ni、Fe。其技术条件见表 2 表 2 各金属粉末的技术条件 金属粉末 制取方法 纯度（%） 粒度（目） 色泽 Cu 电解 99.5 300 目以细 粉红 Sn 还原 99.5 300 目以细 银白兰 Co 还原 99.4 300 目以细 青灰 W 还原 99.5 300 目以细 青灰 Ni 还原 99.5 300 目以细 铁灰 Fe 还原 99 300 目以细 银灰 3 设备、器具的准备 3.1 烧结设备 此设计中用到的为郑州磨料磨具磨削研究所生产的 RVJ-

10、2000K 型烧结压机。其主要参数见表 3 表 3 烧结设备主要参数 RVJ-2000K 型烧结压机 额定压力 250KN 额定轴压 20MPa 活塞直径 125mm 电机功率 1.1+0.55KW 加热功率 60KVA 模具高度 180-240mm 压头尺寸 250250mm 图 1 RVJ-2000K 型烧结压机 3.2 性能检测设备 3.2.1 万能强度测定仪 图 2 C MT4504 万能强度测定仪器 3.2.2 洛式硬度机 图 3HR-150 洛式硬度机 3.3 成型模具 为保证金刚石珩磨条的成型质量，同时便于精整，我们将模具设计成组合式。其主要部件材质见表 4 表 4 热压模具材质

11、 件号 名称 材质 备注 1 框架模板 高强度致密石墨 抗压强度 35-45MPa 2 模腔 - 装入冷压好的压头 3 纵隔板 高强度致密石墨 抗压强度 35-45MPa 4 横隔板 高强度致密石墨 抗压强度 35-45MPa 5 固定螺栓 钢 - 6 绝缘隔板 高强度耐火绝缘板 强度高，绝缘性能好 7 模框 45 号钢或铸铁 3.4 其它器具 配制成型料需要用到精度达到 0.01g 的电子秤、研钵、毛刷、药匙、石棉手套等。 4 实验及数据处理 4.1 工艺流程 图 4 金刚石珩磨条烧结工艺流程 4.2 混料工艺 图 5 珩磨条混料工艺 4.3 模具设计及尺寸 图 6 模具装配图 br / 表

12、 5 模具尺寸 部件 尺寸 纵隔板 71.46010 横隔板 456010 中间隔板 35560 上压头 303.335 下压头 27.53.335 4.4 热压烧结曲线 图 7 珩磨条热压烧结曲线 4.5 结合剂配方设计 因为受金刚石珩磨条性能所限，对结合剂也有特殊要求。故我们选用铜基 结合剂。根据金属学知识和经验知道，三个组元的合适含量一般应在下述的大致范围内：Sn 4%-14%，Co 2%-6%，W 5%-15%。为了看出各组元对性能影响的趋势，每个组元至少取三个水平，所以根据正交实验的规律，选用 L9 正交表安排 9 次实验，见表 6 表 6 四水平三因素的正交实验表 实验号 1 2

13、3 4 Sn/% Co/% W/% T1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 123 52231 62312 7&nbs p; 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 按正交实验的规律，对 9 组配方进行了统计，具体配方见表 7 表 7 运用正交实验所得配方 实验号 Sn/% Co/% W/% T 1 4 2 5 660 2 4 4 10 720 3 4 6 15 780 4 10 2 10 780 5 10 4 15 660 6 10 6 5 720 7 14 2 15 720 8 14 4 5 780 9 14 6 10 660 从正交实

14、验所得出的结果，在第九组配方 的基础上调整了配方，其中主要提高了 Co 的含量，而 Cu和 Sn 的含量相应的以 5：1 的比例降低，W 含量暂时不变，具体配方见表 8 表 8 第二轮实验配方 实验号 Cu/% Sn/% Co/% W/% T 1 68 14 8 10 780 2 66 14 10 10 780 3 65 13 12 10 780 4 63 13 14 10 780 5 62 12 16 10 780 在第二轮实验中，因为在第 4，第 5 组配方中出现流料而导致的硬度不匀现象，为分析其原因及验证其是否为偶然性，又对第 4，第 5 组配方进行了重做，但流料现象仍然存在。 在第二轮

15、实验的后期，把配方中的 Co 含量相应的提高到了 20%，但还有流料现象。具体配方见表 9 表 9 第二轮实验重新调整后配方 实验号 Cu/% Sn/% Co/% &nb sp;W/%T 158102012&n bsp; 760 在第二轮实验的基础上，即 Co 含量 20%不变的情况下，又相应的增加了 Ni和 Fe。具体配方见表 10 表 10 第三轮实验配方 实验号 Cu/% Sn/% Ni/% Co/% W/% Fe/% 1 43 10 10 20 12 5 2 49 10 4 20 15 2 5 问题及讨论 5.1 结合剂中主要组元对珩磨条性能的影响 5.1.1 Cu 在

16、结合剂中的优点： 电解铜粉成型性能好广泛用于冷压成型后烧结，压坯不易塌落。 某些元素的微量加入可以使铜对碳材料从不湿润变成湿润。 纯铜对碳化物和骨架材料的相容性很好，如 W，Wc 等。 纯铜的耐磨性优于青铜，可烧结性好。 铜可与 Sn、Zn、Mn、Ni、Ti 等制成性能优异的合金。 Cu 的不足： 纯铜的变形性大，不宜制成高质量的工具，铜基合金会有某种程度上的改观。 铜、铁见的互溶性不好，彼此溶解度很低，这将对铁基结合剂的应用和推广带来一定的麻烦。 由于铜的强度低，对碳材料的润湿性差，所以对金刚石的把持力和粘结力都不高。 铜与锡、钛在大气中的可烧结性不好，氧化严重，必须在真空或保护气氛下烧结，

17、使工具成本增加。 5.1.2 Co 在结合剂中的优点： 钴的抗弯强度高，钴也可提高铜基胎体的抗弯强度。 钴具有易磨损性，或者说钴具有适度的磨损性能，使综合切割性能大幅度的提高。 br / 钴对碳材料和骨架材料都具有较低的接触角和较大的附着功，略次于铁和镍，即和金刚石有较大的亲和力。 钴和镍相比，钴的存在有利于 WC 的生成，钴、钨也可与金刚石生成 M6C 型碳化物。 钴和钴基胎体的变形性小（饶度小），提高切磨加工质量。 还原钴粉的可烧结性，成型性好，适于激光焊接片。 由于钴具有易磨损性能和小的变形性，纯钴和钴基工具更具有广谱性。 Co 的不足： 价格昂贵，松比太小必须制粒。 5.1.3 W 在

18、结合剂中的优点 与铁、铜、钴、镍都有良好的相溶性。 钨在金刚石表面可以和金刚石发生碳化物生成反应，发生反应的热力学条件并不苛刻，750以上就有碳化物生成。 在金刚石表面生成的 WC，用酸是煮不掉的，金刚石表面不发生石墨化。 增加胎体耐磨性，减少变形性。 W 的不足： 烧结坯的孔隙度大。 要达到设计的密度必须加大能耗，即提高温度和压力。 5.2 烧结参数对珩磨条性能的影响 5.2.1 烧结温度对性能的影响 烧结温度是影响烧结的最主要因素。提高烧结温度能促进多元化粉末烧结的合金化，对一些能形成金属间化合物的多组元烧结，升高温度还有利于化合反应，从而也促进了烧结。当然，烧结温度也不能过高，不然会使制

19、品产生歪曲和变形，粘结金属大量挥发，改变了最终制品的成分和合金组织。 5.2.2 成型压力对性能的影响 成型压力对烧结的影响主要表现在压力增大时，坯体中颗粒堆积就较紧密，接触面积增大，同时颗粒表面氧化膜产生变形和破坏，从而加速了烧结过程，烧结密度也随着明显变化。 5.3 实验结果分析 表 11 运用正交实验所得配方的相关结果 实验号 Sn/% Co/% W/% T 硬度 强度 1 4 2 ;566042326.56 24410720&nb sp; 64.6 450.94 3 4 6 15 780 68.6 508.38 4 10 2 10 780 57.3 616.158 5 10 4

20、 15 660 68.3 439.29 6 10 6 5 720 54 550.4 7 14 2 15 720 &nbs p; 33.3 412.87 8 14 4 5 780 20 282.52 9 14 6 10 660 83.9 625.90 58.4 44.2 38.67 64.7 59.87 55.9 68.6 50.6 45.73 68.8 56.73 48.6 极差 14.74 24.6 29.93 16.1 428.6 451.9 386.5 463.9 535.3 390.9 564.3 471.9 440.4 561.54 453.5 469.0 极差 106.6

21、170.6 177.8 7.47 从表 11 可以看出，此结合剂中的 W 含量对性能影响最大，Co 含量影响次之。其中，Co 含量在 2%-6%的范围内，强度和硬度是相应提高的，而 W 在 5%-10%的范围 内，W 在 10%时强度和硬度达到高峰，低于或高于 10%时，强度和硬度都明显降低。 表 12 第二轮实验相关结果 实验号 Cu/%Sn/%Co/%W/%T强度 ; 硬度 现象 %1 68 14 8 10 780 539.9 78.8 断裂 92.1 2 66 14 10 10 780 546.5 79.7 断裂 94.4 3 65 13 12 10 780 558.5 78.9 断裂

22、94.8 4 63 13 14 10 780 497.9 不匀 弯曲 89.2 5 62 12 16 10 780 440.9 不匀 弯曲 85.4 4 63 13 14 10 780 475.3 74.5 断裂 92.1 5 62 12 16 10 780 488.9 77.6 断裂 & nbsp;91.8 从表 12 可以看出，因为在此轮实验中，只提高了 Co 的含量，而把 Cu 和 Sn 的含量按 5：1 相应减少。故可以看出，在 8%-16%的范围内，随着 Co 含量的提高，硬度和强度也相应提高。至于出现流料现象，可能有以下三个原因： 烧结温度过高 因为烧结温度过高，会造成固相

23、颗粒大量溶解，液相数量增多，使液态金属从制品中渗出。 模具使用过度 因为模具在高温高压下多次使用后，容易产生缝隙和缺陷，甚至在装模和卸模时，可能由于操作不小心，产生缺口和裂缝，所以在压制过程中，也可能产生流料。 升温速度过快 因为升温速度过快，可能会当某一组元熔化时而其他组元尚未熔化，这样可能就难以形成合金，从而使先熔化的金属溢出来。 表 13 第三轮实验相关结果和性能 实验号 Cu/% Sn/% Ni/% Co/% W/% Fe/% T 强度 硬度 现象 %1 43 10 10 20 12 5 690 449.5 89.5 断裂 87.3 2 49 10 4 20 15 2 690 381.

24、5 82.8 断裂 86.7 从表 13 可以看出，加入 Fe 和 Ni之后，节块的硬度稳步提高，强度也符合要求，而且压制过程中也无流料现象。通过比较这两个配方，第二个配方较为合适，所以在第二个配方的基础上加金刚石，加金刚石的节块结果和性能如表 14 所示 表 14 加金刚石节块结果和性能 实验号 Cu/% Sn/% Ni/% Co/% W/% Fe/% T 强度 硬度 ;现象 %单晶 4910420152690174.882.3 断裂 86.6 镀镍 49 10 4 20 15 2 690 275.8 81.9 断裂 87.6 从表 14 可以看出，加入金刚石之后，珩磨条硬度不大，但强度下降

25、。并且加单晶金刚石的那组配方强度过低，不符合珩磨条性能要求，所以把单晶金刚石换成了镀 Ni 的金刚石，因为金刚石表面镀覆的 Ni 镀层与结合剂容易形成合金，结合力明显增强，从而使强度得到了有限的提高，使强度达到了金刚石珩磨条所需强度性能要求。 六 结论 1 应用正交实验法可以用较少的实验次数就能取得多因素所水平实验结果，能在较短时间内设计出一套完整的工艺参数，对磨具产品的研制、开发具有十分重要的意义。 2 在此设计的配方中，在一定的范围内，W、Co 的含量对金刚石珩磨条的强度、硬度有很高的提升作用。 3 当单晶金刚石作为珩磨条的磨粒时，如果强度不能达到性能要求，可以选择用与结合剂更容易形成合金的镀覆金刚石。 4 压制过程出现的流料现象与烧结温度过高，升温速率过高，模具过度使用有关。 七 参考文献 1 王秦生 金刚石烧结制品 中国标准出版社 2000 2 徐海涛 王秦生 磨料磨具技术手册第九篇 兵器工业出版社 1993 3 方啸虎 超硬材料科学与技术 1998 4 王秦生 左宏森 郑州机械专科学校校报 &nbs p; 1992 5 左宏森，王春华，硬质材料在金刚石工具胎体中的应用，金刚石磨料磨具工程 致谢 在这次毕业实习过程中，得到了左宏森老师的精心指导和校工厂老师的热心帮助，使得这次实习能完