高速精密磨削用新型高强度铸铁基CBN砂轮的研制及其性能研究

本课题拟开发研究一种能结合ELID技术解决其修整修锐困难并具有高强度的新型铸铁作为高速精密磨削用CBN砂轮的结合剂，并探索采用材料成型新技术制备高性能铸铁基CBN砂轮的可行性。课题拟开发高性能的奥氏体-贝氏体球墨铸铁作为高速精密磨削用CBN砂轮的结合剂，采用真空消失模铸造进行制备。重点研究如何在铸态下获得高强度的奥氏体-贝氏体球墨铸铁；研究真空消失模铸造条件下CBN砂轮工作层的形成机理，如何通过CBN/聚苯乙烯泡沫复合模样的配方组成和制备工艺以及铸造工艺参数的优化，使CBN磨粒与铸铁基之间形成牢固结合；通过计算机模拟和实验相结合研究铸造工艺参数对消失模铸造过程中液态金属充型特性的影响规律，优化工艺参数，保证铸铁基CBN砂轮的尺寸精度和质量；研究铸造CBN砂轮坯的后加工方法和动平衡控制方法；对淬硬钢进行高速精密磨削试验，研究新型砂轮的磨削机理并对其磨削性能进行综合评价。

传统的金属结合剂多层超硬磨料砂轮普遍采用青铜合金经粉末冶金方法制备，由于热压时间短，结合剂各组分之间以及结合剂与磨粒之间难以形成冶金结合，胎体中合金元素的作用也难于充分发挥，导致胎体强度以及胎体对磨粒的把持力较弱。本课题研究采用真空消失模铸造成型新技术制备金属结合剂多层超硬磨料砂轮的可行性，并分别开发高性能球墨铸铁和铝合金作为高速精密磨削用CBN砂轮和普通磨削用金刚石砂轮的结合剂胎体。与传统方法制备的铜基超硬磨料砂轮相比，消失模铸造是液态成形，铸液在凝固过程中会产生收缩，将使得磨粒与结合剂胎体之间有较高的把持力，砂轮基体与磨削层可一次浇注成型，而且原材料成本较低。.课题针对消失模铸造制备超硬磨料砂轮这种新方法，采用ProCAST仿真软件分别对球墨铸铁基CBN砂轮和铝基金刚石砂轮的铸造过程进行流动场、温度场的模拟仿真，探索不同浇注系统和铸造工艺参数对铸件充型凝固特性的影响规律，优化了浇注系统和铸造工艺参数。针对cBN磨粒与EPS珠粒两者的比重差较大，以及浇注过程中磨削层中的cBN磨粒易在最后充型的部位堆积等问题，分别采用发泡法及压制法工艺制备复合模样，研究不同工艺参数及复合模样配方对cBN/EPS复合模样质量的影响规律，并采用泰森多边形法对复合模样中cBN磨粒分布的均匀性进行定量评价；探索不同“骨架材料”、cBN磨粒的粒度大小及浓度等对cBN磨粒“固位”作用的大小，并研究 “骨架材料”对铸铁基胎体的力学性能及其对cBN磨粒把持强度的影响。.通过合理设计砂轮毛坯的浇注系统和铸造工艺，以及添加合适的合金元素和控制不同的冷却速度分别制备出奥氏体-贝氏体球铁基和珠光体-铁素体球铁基CBN砂轮毛坯；以A1-Cu合金做为铝基结合剂胎体的基本配方，研究在消失模铸造条件下，不同含量的Ti元素与Mg元素对其胎体和金刚石结块铸态及热处理后的组织和性能的影响规律，优化A1-Cu合金结合剂胎体的配方和制备工艺。合理设计砂轮毛坯模型和后续的机加工工艺路线，解决铸造砂轮毛坯机加工过程中砂轮中心孔的定位问题；采用所制备的球铁基CBN砂轮和铝基金刚石砂轮分别对淬硬钢和三种硬脆材料进行磨削实验，对其磨削性能进行评价。.研究结果表明：采用真空消失模铸造制备金属结合剂多层超硬磨料砂轮是可行，基体和磨粒之间能产生较强的结合，但要使磨粒较均匀地分布在磨削层中，磨粒的浓度要大于100%，而且磨粒的粒度不能太小。