目前，在航空和航天領(lǐng)域中，多孔超硬磨料砂輪對磨削高強(qiáng)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(yōu)異的負(fù)載能力、高電阻、較大的切屑空間和較高的粘結(jié)強(qiáng)度，因此在研磨硬加工材料時(shí)可以實(shí)現(xiàn)理想的加工性能。

南京航空航天大學(xué)趙標(biāo)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(yōu)異磨削性能的多孔金屬結(jié)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(jìn)行磨削性能測試。 

1、多孔砂輪的制造

圖1為多孔cBN復(fù)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(yīng)位置作為第二層（圖1a–c）。粒距間隔設(shè)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(fù)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(huán)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(jié)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(huán)氧粘合劑將32個(gè)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(gè)分段連接起來，進(jìn)行固定。 在外部圓柱和表面修整之前，多孔cBN砂輪應(yīng)在150°C下執(zhí)行90分鐘，以增強(qiáng)多孔cBN鏈段與鋼基底之間的結(jié)合強(qiáng)度。此外，在進(jìn)行靜態(tài)平衡之后，應(yīng)在安全測試機(jī)中對多孔cBN砂輪進(jìn)行運(yùn)行測試，以免在磨削過程中產(chǎn)生振動(dòng)和不穩(wěn)定因素。因此，多孔cBN砂輪通過3D均勻分布技術(shù)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(shí)驗(yàn)在PROFIMAT MT 408磨床上進(jìn)行，如圖2所示。

圖2.高效磨削試驗(yàn)臺 

2.1、磨削力和力比

多孔砂輪和陶瓷砂輪在不同砂輪轉(zhuǎn)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(guān)，隨著砂輪轉(zhuǎn)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(wěn)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(wěn)定。然而，由于孔的3D均勻分布，多孔砂輪表現(xiàn)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(xiàn)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(shí)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(wěn)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(dāng)材料去除率超過3 mm3 /（mm s）時(shí)，陶瓷砂輪的磨削力比逐漸穩(wěn)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(jié)合強(qiáng)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(gè)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(shí)材料去除率限制的決定因素。圖5顯示了兩種砂輪類型時(shí)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(dǎo)率，在磨削電弧區(qū)產(chǎn)生的熱量立即通過多孔砂輪的金屬結(jié)合材料傳遞，從而降低了磨削溫度。相比之下，由于陶瓷結(jié)合材料的導(dǎo)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(qū)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(zhì)量

這項(xiàng)研究使用3D共聚焦顯微鏡和顯微硬度計(jì)來測量磨削表面質(zhì)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(jìn)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(gè)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(wěn)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(wěn)。陶瓷砂輪的較高研磨溫度也有助于熔融金屬在接觸區(qū)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(chǎn)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(guān)系

圖7 磨削表面硬度和遠(yuǎn)離表面的深度的關(guān)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度、更低的磨削溫度、更高的比磨削能、更穩(wěn)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(jié)合劑材料之間的牢固結(jié)合是通過化學(xué)反應(yīng)結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)的，在磨削過程中，磨粒的各種磨損形態(tài)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(wǎng)編譯整理）