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目前，在航空和航天領域中，多孔超硬磨料砂輪對磨削高強度和高韌性材料（例如鎳和鈦基合金）的需求不斷增加。此外，由于其優異的負載能力、高電阻、較大的切屑空間和較高的粘結強度，因此在研磨硬加工材料時可以實現理想的加工性能。

南京航空航天大學趙標等使用氧化鋁氣泡（直徑0.25-0.30 mm）為造孔劑，制備了具有理想孔隙率（大約50 vol.％）和優異磨削性能的多孔金屬結合劑cBN砂輪（以下簡稱多孔砂輪），并與陶瓷cBN砂輪（以下簡稱陶瓷砂輪）進行磨削性能測試。 

1、多孔砂輪的制造

圖1為多孔cBN復合材料的模板堆積方法和制造工藝流程圖。將含石墨的混合物分成幾等份，然后將一部分混合物首先在模具底部壓制。然后將cBN磨粒和氧化鋁氣泡交替放置在模板的相應位置作為第二層（圖1a–c）。粒距間隔設置為2 mm，多孔cBN砂輪的磨料濃度定義為100％。隨后，將一部分混合物均勻地鋪展并壓制成第三層。重復上述操作，直到儲備的原材料用完為止。在300 MPa下冷單軸壓制30 s后，完成了具有高孔隙率（約50 vol。％）的生坯（圖1d）。壓縮后，在高真空環境（低于10-2 Pa；圖1e）中，以5°C / min的加熱和冷卻速率在880°C下燒結生坯30分鐘。

圖1. cBN晶粒和氧化鋁氣泡3D均勻分布的多孔cBN輪的模板堆疊方法和制造工藝流程圖

       制造完成后，使用單組分熱固化環氧粘合劑將32個段均勻地組裝到AISI 1045鋼基底的外表面上（圖1f）。隨后，使用專用工具和周向螺釘將AISI 1045鋼基底和32個分段連接起來，進行固定。 在外部圓柱和表面修整之前，多孔cBN砂輪應在150°C下執行90分鐘，以增強多孔cBN鏈段與鋼基底之間的結合強度。此外，在進行靜態平衡之后，應在安全測試機中對多孔cBN砂輪進行運行測試，以免在磨削過程中產生振動和不穩定因素。因此，多孔cBN砂輪通過3D均勻分布技術具有多層可控的孔隙，晶粒分布和孔隙率。 

       2、磨削性能測試

       磨削實驗在PROFIMAT MT 408磨床上進行，如圖2所示。

圖2.高效磨削試驗臺 

2.1、磨削力和力比

多孔砂輪和陶瓷砂輪在不同砂輪轉速下記錄的砂輪磨削力和力比如圖3所示。砂輪磨削力（包括法向力和切向力），與砂輪類型無關，隨著砂輪轉速從50 m / s增加至90 m / s而顯著減小（圖3a）。此外，隨著砂輪速度的增加，與陶瓷砂輪相比，多孔砂輪的磨削力比更穩定且更低（圖3b）。另外，由于切屑的粘附，陶瓷砂輪的磨粒切削能力急劇下降，因此，磨削力比更高且不穩定。然而，由于孔的3D均勻分布，多孔砂輪表現出較大的切削空間，從而減少了切屑的粘附和阻塞。多孔砂輪往往表現出出色的切削能力和銳度。 

圖3.砂輪速度對不同砂輪類型的磨削力（a）和力比（b）的影響；磨削條件：vw = 2000 mm / min，ap = 0.01 mm 

圖4.不同砂輪類型的材料去除率不同時的磨削力（a）和力比（b）；磨削條件：vs = 80 m / s，ap = 1毫米

圖4顯示了不同砂輪類型在不同材料去除率下的磨削力和力比。不管砂輪類型如何，磨削力都會隨著材料去除率的增加而增加。多孔砂輪的磨削力高于陶瓷砂輪（圖4a）。多孔砂輪具有穩定的磨削力比值，而在初始磨削階段，陶瓷砂輪的磨削力比值急劇增加。當材料去除率超過3 mm3 /（mm s）時，陶瓷砂輪的磨削力比逐漸穩定（圖4b）。但是，多孔砂輪的磨削力比對材料去除率不是很敏感。多孔砂輪的結合強度明顯高于陶瓷砂輪的弱界面，這有助于增加磨削力。與陶瓷砂輪相比，多孔砂輪在整個磨削過程中都保持了良好的銳度，并且材料去除率高（8 mm3 /（mm s））。

2.2、磨削溫度

工件的燒傷是影響高效磨削時材料去除率限制的決定因素。圖5顯示了兩種砂輪類型時材料去除率和砂輪速度對磨削溫度的影響。無論砂輪類型如何，隨著材料去除率的提高，磨削溫度始終低于90°C（圖5a）。相比，陶瓷砂輪的磨削溫度略高于多孔砂輪的研磨溫度。但是，隨著砂輪速度的增加，多孔砂輪的磨削溫度要比陶瓷砂輪小得多（圖5b）。由于高的熱導率，在磨削電弧區產生的熱量立即通過多孔砂輪的金屬結合材料傳遞，從而降低了磨削溫度。相比之下，由于陶瓷結合材料的導熱性差，陶瓷砂輪的磨削溫度隨著砂輪速度的提高而增加。多孔砂輪的較高的孔隙率和較大的切屑空間有助于降低磨削電弧區的溫度。

圖5.材料去除率（a）和砂輪速度（b）對不同類型砂輪的磨削溫度的影響

2.3磨削表面質量

這項研究使用3D共聚焦顯微鏡和顯微硬度計來測量磨削表面質量，包括表面粗糙度和硬度。在與多孔砂輪和陶瓷砂輪相同的條件下，在vs = 80 m / s，vw = 2000 mm / min和ap = 1 mm的磨削條件下對樣品進行加工。圖6示出了表面粗糙度隨著不同的材料去除率而變化。對于每種條件，至少要測量五個粗糙度值，以最大程度地減少誤差。用多孔砂輪測得的表面粗糙度明顯高于陶瓷化輪。與陶瓷砂輪的穩定粗糙度值相比，隨著材料去除率的增加，多孔輪的粗糙度值會迅速增加，最終趨于平穩。陶瓷砂輪的較高研磨溫度也有助于熔融金屬在接觸區域上的重新分布。磨削表面硬度隨離表面深度的變化如圖7所示，陶瓷砂輪的磨削表面硬度明顯高于多孔砂輪，這意味著多孔砂輪工件的金屬塑性變形較小。與多孔砂輪相比，陶瓷砂輪產生的較低的磨削溫度有助于提高磨削表面硬度。

圖6 表面粗糙度與材料去除率的關系

圖7 磨削表面硬度和遠離表面的深度的關系

       除此之外，還對多孔cBN砂輪和陶瓷cBN砂輪的比磨削能、磨損特性進行實驗對比分析。

上述實驗結果表明，多孔砂輪具有三維均勻的孔隙率和顆粒分布、較高的孔隙率和理想的抗折強度、更低的磨削溫度、更高的比磨削能、更穩定的磨削力比和更大的材料去除率，具有良好的綜合磨削性能。除此之外，多孔砂輪與金屬結合劑材料之間的牢固結合是通過化學反應結合的方法實現的，在磨削過程中，磨粒的各種磨損形態有助于提高多孔砂輪的磨削性能。

但與相同條件下陶瓷砂輪相比，多孔砂輪的磨削表面粗糙度較差，加工硬化程度較小，在磨削初期，多孔砂輪加工的表面粗糙度對材料去除率也很敏感。（中國超硬材料網編譯整理）