由于立方氮化硼具有硬度高、耐磨性好、熱穩定性好，在高溫下與鐵族材料不發生化學反應等優點，已在各類磨削工具中得到了廣泛的應用。陶瓷結合劑CBN砂輪作為一類高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能磨具產品，成為近年來世界磨具研究和產品開發的重點。

    1、納米陶瓷結合劑CBN砂輪

    陶瓷結合劑的開發研究是陶瓷結合劑CBN砂輪制造的基本前提。高性能陶瓷結合劑是制造高性能陶瓷結合劑CBN砂輪的關鍵[1]。傳統的陶瓷結合劑普遍存在燒結溫度高、強度低等缺陷[2]。納米陶瓷結合劑由于其具有粒度小、比表面積大、燒結溫度低、強度高、韌性好等優點，有望解決目前傳統陶瓷結合劑燒結溫度和強度之間的矛盾問題，提高陶瓷結合劑CBN砂輪的性能，進一步拓寬CBN砂輪的應用范圍。納米陶瓷結合劑是一種新型的超硬磨具結合劑，除具有傳統陶瓷結合劑的優點之外，還具有如下獨特的特點[3]:

    (1)納米陶瓷結合劑不僅可以用于超細CBN微粉砂輪的制造，解決常規陶瓷結合劑分布不均勻，對CBN磨料把持力小的問題，而且還可以解決粗顆粒的CBN砂輪容易產生工具強度低和磨粒把持力不足問題。

    (2)納米陶瓷結合劑引入納米級顆粒、片晶、晶須和纖維等笫二相，不僅降低了CBN磨具的陶瓷溫度，而且結合劑的韌性大大提高，有效解決了CBN磨料—傳統陶瓷結合劑界面應力問題，使得粗顆粒工具的強度大大提高。

    (3)納米陶瓷結合劑比普通結合劑具有更低的軟化溫度和更好的韌性。低的軟化溫度使得納米陶瓷結合劑的燒結比普通結合劑的燒結更加致密化，而好的韌性提高了納米結合劑的拉應力承受極限。

    與傳統的陶瓷結合劑相比，盡管納米陶瓷結合劑具有強度高、韌性好、燒結溫度低等優點，但由于其粒度較小、比表面積大，在CBN砂輪制備過程中還存在一些問題，具體表現在以下幾方面:

    (1)由于納米陶瓷結合劑的細粒度及極大比表面積、外觀膨松、密度較低，這可能對磨具的成型帶來一定的困難。

    (2)納米陶瓷結合劑單組份粉體制備比較容易，但問題是在后續球磨混合的過程中如何保證其分散性良好且均勻分布。　

    (3)由于納米顆粒的活性較高，燒結過程中易出現晶粒的異常長大且難以致密等缺點。

    2 消失模鑄造法制備鑄鐵基CBN砂輪

    采用真空消失模鑄造這種液態成型技術制備高強度鑄鐵基CBN砂輪，由于液態金屬凝固時產生收縮，將有利于增大胎體對CBN磨粒的機械把持作用，同時可能有利于結合劑和磨粒之間形成牢固的冶金結合，從而提高胎體對磨粒的把持作用。消失模鑄造法制備鑄鐵基CBN砂輪的關鍵技術之一是制備出合格的CBN/EPS復合模樣。

    CBN/EPS復合模樣是將CBN磨粒與熟化后的泡沫珠粒按一定比例混合均勻后發泡而成的一種帶C BN磨粒的泡沫模。先將珠粒粒徑為0.4mm的可發性聚苯乙烯(EPS)經預發與熟化后，再將它們和CBN磨粒按所需要粒度篩選。采用的CBN磨粒粒徑為300μm、濃度為25%。在EPS珠粒和CBN磨粒表面上均勻地涂覆一層有機膠黏劑PVB，使它們充分混合后放入模具中進行發泡成型，將成型后的復合模樣烘干備用。

    黃毅，戴秋蓮[4]等，對CBN磨粒在復合模樣中分布的均勻性、復合模樣表面的預融合情況以及模樣尺寸精度等性能的影響規律進行了研究。結果表明， CBN磨粒在復合模中分布的均勻性主要受EPS模珠粒預發泡時間和有機黏劑PVB質量濃度的影響；復合模樣的尺寸收縮率主要受模樣干燥時間的影響，模樣表面粗糙度主要受珠粒預發泡時間的影響；影響模樣密度較為顯著的因素是珠粒的預發泡時間和珠粒的熟化時間。

    3 成孔陶瓷結合劑CBN磨具

    陶瓷結合劑CBN磨具由磨料、結合劑和氣孔組成。氣孔具有容屑、排屑、儲存冷卻液、增強散熱和冷卻的作用，在磨削加工中能減少堵塞和降低工件的燒傷[5-6]。因此，氣孔控制對磨具結構與性能具有重要影響。

陶瓷結合劑CBN磨具中的氣孔可以在成型和燒結中形成，也可以通過添加成孔劑產生。不加成孔劑時，磨具中氣孔的形成是隨機的，其數量和分布均為不可控狀態。加入成孔劑后，可以實現氣孔的人為調控，通過調節成孔劑的尺寸、含量及其加入方式來控制氣孔的數量、形態與分布。

    根據成孔機理的不同，常見的成孔劑有兩種類型，一種是燃燒類型成孔劑(記為A類)，磨具壓制成型過程中自身占有一定尺寸空間，在磨具燒結過程中碳化燃燒，部分或全部燃盡后形成氣孔，如核桃殼、聚甲基丙烯酸甲脂等，另一種是熱分解類成孔劑(記為B類)，本身不能燃燒，但在一定溫度下會發生分解反應，產生氣體，在磨具燒成時形成氣泡，冷卻時保留下來成為氣孔，如CaCO3等。

    除上述兩種成孔劑外，候永改，路繼紅等，又探尋一種新的可溶性鹽類成孔劑(記為C)，它在磨具成型時占據一定的尺寸空間，但在磨具燒成過程中也不分解氧化，在磨具使用過程中，它可溶解于水溶性冷卻液中，自身占有的位置形成氣孔。

    候永改，路繼紅[7]等，主要研究成孔劑對陶瓷結合劑CBN磨具結構與性能的影響。在陶瓷結合劑CBN磨具中添加不同類型和含量的成孔劑，通過對磨具試樣氣孔率、抗彎強度、沖擊韌性、微觀形貌等檢測分析，結果表明，添加成孔劑A1和C1的磨具試樣氣孔率分布均勻，且與未添加成孔劑的磨具試樣相比，抗彎強度降低不明顯，成孔劑A1的造孔效果比C1的明顯，但加入成孔劑C1能夠增大試樣的沖擊韌性。當C1的加入質量分數為8%時，氣孔率分布均勻，氣孔率為30.82%，抗彎強度為49.89MPa，沖擊韌性為1.73kj/m2，綜合性最佳。

    4、磨料有序化排布砂輪

    植物莖上的葉子、葵花盤上籽粒的規則排列是植物的一種非常重要的葉序形式，大量專家學者都對這種葉序分布進行了研究，Van Iterson[8]提出了柱面葉序排布模型，其圓柱坐標式為。

    式中n為圓柱表面上點的序；Φ，R和H為n個點的圓柱坐標；h為葉序系數；a為發散角，取黃金分割角137.508°。這種排布實現了籽粒的軸向和周向非等距錯位排布，形成了幾何空間的互補，可以實現空間的最大包裹，保證了籽粒排布的均勻和互補性。

    沈陽理工大學機械工程學院陳晨，王軍[9]等采用的砂輪正是基于上述理論，設計時把每一個磨粒都看作是一個種子分布在砂輪圓周上，采用紫外線感光膜作為掩膜感光層來實現在砂輪表面磨粒的排布，利用光刻技術和復合電鍍工藝技術制備出磨粒葉序排布砂輪[10]，同時利用相同的工藝制備出磨粒錯位排布砂輪和無序排布砂輪。

    通過對葉序、錯位和無序3種不同磨料排布方式，研究了工件表面平均溫度與進給速度和磨削深度的關系，并對3種電鍍CBN砂輪磨削工件時溫度的變化形態進行了對比。結果表明，在相同磨削條件下，磨料有序化排布能有效降低TC4的磨削溫度，使用葉序排布磨料砂輪能獲得更低的工件表面溫度。

    5、潤滑單層釬焊CBN砂輪

    鈦合金因為其導熱率較低等原因，在磨削加工時容易產生燒傷現象，影響工件表面質量，因而傳統的磨削加工大量采用磨削液澆注法降低磨削溫度，但是磨削液的使用給環境和操作者健康帶來了很大的危害，而且增加了磨削液排放回收的成本[11-14]。

    為解決上述問題，基于“用固體潤滑劑替代磨削液”的思想，研制了單層自潤滑釬焊立方氮化硼砂輪。基本原理是將固體潤滑劑涂敷在砂輪表面，使潤滑劑在磨粒與工件之間形成一層潤滑薄膜，從而降低磨粒與工件表面之間的摩擦系數，降低摩擦力以達到減少磨削熱的產生，從而降低磨削溫度的目的。

    吳杰，紫陳燕[15]等通過進行干式磨削鈦合金實驗研究認為，自潤滑砂輪的涂層中石墨質量分數最佳值為20%，此時干磨鈦合金的工件表面溫度最低；另外，與無自潤滑劑砂輪相比，磨削溫度均較低，不超過440℃。

    6、CFPR砂輪

    高速超高速磨削技術的產生、發展與應用，從根本上顛覆了“磨削效率低”的觀念。高速磨削砂輪技術作為高速超高速磨削的關鍵技術之一，正受到越來越多的重視。目前，高速砂輪基體常用的材料為金屬，如鋼、鋁合金、鈦合金等。但是，金屬基體砂輪的質量較大，增加了主軸的負荷，導致主軸軸承發熱嚴重、容易磨損，同時也增加了主軸的功率消耗，經濟環保性較差。因此，如何減輕主軸的負荷，降低砂輪的空耗功率甚至磨削功率顯得尤為重要。

    針對上述問題，CFRP(carbon fiber reionforced polymer，CFRP)砂輪在高速超高速磨削中降低主軸功率消耗的優勢逐漸突顯出來。CFRP作為一種先進的樹脂基復合材料，具有高比強度、高比模量、高疲勞強度、高阻尼、輕質、低熱膨脹系數等特點，使其適用于制作高速砂輪基體。

    近年來，國內外學者，企業以CFRP砂輪設計制造與使用性能等方面進行了一系列研究。Tawakoli等通過理論與實驗相結合的方法研究了碳纖維基體陶瓷CBN砂輪的動靜態特性對磨削淬硬鋼過程的影響。結果表明，CFRP砂輪的彈性模量較低，其接觸剛度相應也較低，但CFRP砂輪的比模量高，可以大大降低砂輪的徑向變形。并且，CFRP砂輪具有優異的阻尼特性，使得磨削振幅與磨削力降低。

    雖然國內外一些學者已經驗證了CFRP砂輪的優勢，但是其在高速超高速磨削上的潛力還未被充分挖掘。于是，南京航空航天大學機電學院劉勇濤，傅玉燦[16]等通過實驗測量了CFRP砂輪與了鋼基體砂輪在啟動、空耗、磨削三個階段主軸功率消耗情況，分析了輕質CFRP砂輪對降低磨床主軸功率消耗的作用及其對高速磨削的影響，并以此探索CFRP砂輪在高速超高速磨削中的發展前景。

    并指出，進一步的研究，需要從降低磨削力、減小磨削過程中的振動、提高材料的去除率、改善加工表面質量等方面，對CFRP砂輪的性能進行探索。

    7、熱管砂輪

    傳統觀點認為，只要盡可能多的向磨削弧區注入冷卻介質，便可確保對磨削弧區的換熱效果，降低磨削溫度。基于上述思路，現已開發了眾多磨削冷卻技術與方法。但隨著砂輪線速度、磨削深度和材料去除率的不斷提高，磨削弧區的面積逐漸增大，磨削弧區密閉程度逐漸提高，致使冷卻介質越來越難以進入磨削弧區。因此，探索新的在高效磨削加工過程中的快速疏導磨削熱的方法，強化磨削弧區換熱，成為避免高溫合金材料出現磨削燒傷，進而提高其磨削加工效率的關鍵。

    熱管是一種具有極高傳熱的元件，其傳熱能力已經遠遠超過任何一種已知金屬。正是基于這一特性，國外研究者早在上世紀80年代就有將熱管技術應用在車削、鉆削等加工領域的報道。但在磨削加工領域，國內相關學者則先于國外提出了利用熱管技術進一步強化磨削弧區換熱的構想，并己開展了一些探索性的研究工作[17-18]。

    南京航空航天大學機電學院赫青山，傅玉燦[19]等，根據熱管技術可進一步強化磨削弧區換熱的特點，設計了一種新型磨具—熱管砂輪，并成功制備出能夠用于實際加工的單層電鍍CBN熱管砂輪。

    8、結 語

    (1)為適應超高速磨削技術對CBN砂輪提出的更高的要求，應系統地研究納米陶瓷結合劑制備的基礎科學問題，同時繼續加強高性能納米陶瓷結合劑的研究和開發工作，加強納米陶瓷結合劑CBN砂輪在超高速磨削、航空航天等難加工材料磨削方面的應用研究。

    (2)與傳統的陶瓷結合劑相比，對納米陶瓷結合劑中氣孔的結構(如形狀、含量和大小)和其性能之間的關系缺乏系統深入的研究。因此，應加強納米陶瓷結合劑中氣孔的尺寸和含量對其性能影響規律的研究。

    (3)綜合考慮消失模制造工藝制備CBN/EPS復合模樣的要求，應選擇如下的工藝制備CBN/EPS復合模樣:有機膠黏劑PVB質量濃度為6%，EPS珠粒預發時間為3min，預發珠粒熟化時間為56h，成型時間為4min，冷卻水中冷卻時間為30s，50℃環境下放置15d。

    (4)使用有序化排布磨粒的砂輪能夠實現超精密磨削。磨粒有序化排布砂輪在降低表面粗糙度和提高磨削效率等方面效果顯著。但是，哪種排布方式的砂輪能更好地降低磨削溫度，尤其是降低磨削鈦合金等難加工材料的溫度，仍然是一個需要深入研究的問題。

    (5)CFRP具有可設計與可制造的特性，這也為不斷優化CFRP砂輪的結構，提高CFRP砂輪的性能，使其更加適合高速超高速磨削提供了可能性。

    (6)使用熱管砂輪能夠將磨削弧區積聚的熱量通過熱管的傳熱作用進一步疏導出去，從而將磨削弧區強溫度控制在100℃以下。