基于强电磁过程的纳米陶瓷结合剂高性能CBN砂轮及其磨削性能研究

According to the existing problems of low strength, great brittleness,poor toughness,weak pullout strength and short life of the vitrified bond of CBN grinding wheel in our country, this project puts forward a manufacture method of the nanometer vitrified bond CBN grinding wheel by using the material preparation technology in strong electromagnetic environment. The orientation tissue,which enhances the strength of vitrified bond and uniformity of grain distribution,is obtained in the process of curing molding of the grinding wheel under high magnetic field. This project mainly studies the influence of formation mechanism, the magnetic field intensity,gradient,temperature,time on the orientation tissue of nanometer vitrified bond under strong magnetic field, and reveals the shape follow-up distribution of electromagnetic force, plastic flow of material, diffusion bonding and evolution of structure; the CBN grinding wheel with good uniformity of grain distribution can be obtained by studying the law of the influence of high magnetic field on the grain distribution; the optimum forming parameters can be got through the computer modelling and simulation of molding process of nanometer vitrified bond CBN grinding wheel in strong electromagnetic environment; the reasonable grinding process parameters can be obtained by studying the grinding performances of the difficult-to-cut material such as titanium alloy processed by hypervelocity nanometer vitrified bond CBN grinding wheel in strong electromagnetic environment;the superiority can be verified through a comparative analysis of grinding performances of the nanometer vitrified bond CBN grinding wheel and general vitrified bond grinding wheel.

针对目前国内生产的陶瓷结合剂CBN砂轮普遍存在陶瓷结合剂强度低、脆性大、韧性差、磨粒把持力弱、导热性差、寿命低等问题，本项目提出一种采用强电磁过程材料制备工艺的纳米陶瓷结合剂CBN砂轮的制造方法。在砂轮固化成型过程中通过施加强磁场获得取向组织，提高陶瓷结合剂的强度和磨粒分布的均匀性。采用理论分析、计算机仿真与试验相结合的方法揭示电磁力随形分布、材料塑性流动、扩散复合及组织结构演变等科学规律；研究磁场强度、磁场方向、制备温度、制备时间等工艺参数对陶瓷结合剂取向组织和磨粒分布的影响，获取砂轮最佳成型工艺参数，以制备出磨料分布均匀性好的高性能CBN砂轮；测试分析强电磁过程制备的纳米陶瓷结合剂CBN砂轮的化学、物理、机械性能；试验研究所制备的纳米陶瓷结合剂高性能CBN砂轮加工钛合金等难加工材料的磨削特性，并与普通陶瓷结合剂CBN砂轮进行对比分析，验证利用强电磁过程制备陶瓷结合剂CBN砂轮的先进性。

针对目前国内生产的陶瓷结合剂CBN砂轮普遍存在陶瓷结合剂强度低、脆性大、韧性差、磨粒把持力弱、导热性差、寿命低等问题，本项目提出了一种采用强电磁过程的纳米陶瓷结合剂CBN砂轮的制备方法。为了有效的强化磁场对CBN磨粒的作用，对CBN进行镀镍处理，并在CBN砂条冷压成型之前，利用交变磁场对CBN磨粒的取向进行优化，而后借助强电磁烧结工艺，完成了纳米陶瓷结合剂CBN砂轮的烧结。项目研究以提高陶瓷结合剂CBN砂轮的强度，增强陶瓷结合剂对磨粒的把持力度以及提高砂轮的磨削性能为目标，主要开展了五方面内容的研究：（1）探讨了碱金属氧化物，碱土金属氧化物，金属单质，高价氧化物对陶瓷结合剂性能的影响；（2）研究了纳米添加剂的增韧机理；（3）研究了磁场对普通CBN磨粒以及涂覆CBN磨粒的作用，并借助交变磁场实现了对CBN磨粒取向的优化；（4）通过调节磁感应强度的大小，控制烧结温度，改变陶瓷结合剂的组分，实现了对强电磁烧结陶瓷结合剂CBN砂轮的工艺优化，并最终制备了强度高，磨粒取向优的陶瓷结合剂CBN砂轮；（5）以难磨削金属钛合金，镍基合金和脆硬材料氧化铝，碳化硅，BK7光学玻璃为被磨削材料，开展了一系列的磨削实验。主要的研究结论有：（1）当碱金属的摩尔含量同Al2O3与B2O3两者和的摩尔量相等时，结合剂的强度最高；（2）陶瓷结合剂中添加适量的纳米氧化物能够使结合剂中形成纳米晶须，并起到一定的增韧效果；（3）CBN磨粒本身不导磁即使在强磁场的环境下也不能在结合剂中实现偏转和迁移，而镀镍CBN磨粒则具有优良的导磁性，在弱磁环境下就能使镀镍CBN磨粒实现偏转和迁移；（4）强磁场能够优化陶瓷结合剂的晶粒取向，同时在细化晶粒尺寸方面也有积极的作用；（5）强电磁工艺能够显著提高陶瓷结合剂CBN砂轮的强度以及砂轮的使用寿命，但是磁场强度并非越高越好，当磁场强度为6T时，陶瓷结合剂CBN砂轮的性能优越，同时磨削钛合金，镍基合金，氧化铝，碳化硅，BK7光学玻璃都表现出显著的优越性。