为了提高球阀的耐磨性、耐高温性，通常会对其表面进行镀铬、堆焊耐腐蚀层、等离子氮化或超音速喷涂金属离子等处理，使其成为硬密封球阀^[1]，而大多数涂层材料为钴类合金、碳化硅或者其他陶瓷材料。尚玉来等^[2]采用超音速火焰喷涂（high velocity oxygen fuel，HVOF）工艺并结合物理气象沉积（physical vapor deposition，PVD）技术，制备了高温耐磨球阀。随着现代化工业的飞速发展，硬密封球阀虽具有良好的耐磨性、耐高温性，被广泛用于石油炼制、长输管线、化工、水利等，但仍存在磨损快、寿命短等缺点。为满足更高的使用要求，球阀中用整体硬质合金球体代替硬密封球体，显著提高了球阀球体的耐磨性，延长了其使用寿命^[3-5]。

虽然硬质合金的研磨加工已经很成熟，但球阀的特点导致硬质合金球阀难加工且加工效率低，这极大地阻碍了硬质合金球阀在市场上的快速发展和广泛应用。传统的硬密封球阀加工工艺为粗加工成型、喷涂超硬密封材料、密封面研磨和抛光^[3]，且多采用游离的研磨液进行球阀中球体的研磨和抛光^[6-10]，不仅效率低，还会造成环境污染。YUAN等^[11-14]发明了如图1所示的双自动研磨机构，其虽然提高了研磨效率，但不适用于大型球阀中球体的研磨加工。针对大口径球阀球体的加工，何文平^[15]提出了行星轮系研具片组的加工方式，但此方式工艺较烦琐。行星式研具布置示意图如图2所示。

图  1  双自动研磨机构示意图

Figure  1.  Schematic diagram of dual automatic grinding mechanism

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因硬质合金硬度高、耐磨性好，属于难加工材料，使用研磨液进行研磨抛光时的效率低，需耗费大量的人力；而采用金刚石砂轮进行研磨抛光成为加工硬质合金材料的主要方式^[16-19]。虽然文献[20-22]提到了硬质合金在球阀中的应用和硬质合金球阀的加工工艺，且苏伟等^[3]也提出采用球磨机滚磨的方式加工硬质合金球阀能够取得较高的精度，但未发现固结树脂金刚石砂轮在硬质合金球阀球体研磨抛光中应用的具体文献和报导。

树脂金刚石砂轮因具有一定的弹性，磨削效率较高，常被用于硬质合金及硬脆材料的半精加工、精加工、抛光等。为提高硬质合金球阀球体加工的效率，用树脂金刚石砂轮对其进行研磨和抛光，以提升其加工效率。同时，在树脂金刚石砂轮制造时添加不同的造孔剂，研究其对砂轮性能的影响以及对硬质合金球阀球体加工效率的影响。

图  2  行星式研具布置示意图

Figure  2.  Schematic diagram of planetary grinding tool layout

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1.   实验条件与方法

1.1   原材料

树脂结合剂金刚石砂轮用酚醛树脂粉、弹性抛光体、绿碳化硅（GC）、氧化铬（Cr₂O₃）为结合剂，其组分见表1； 以粒度标记为M 5/10的金刚石微粉为磨料，其浓度为100%。其中：酚醛树脂粉为日本住友公司生产，主要起黏结作用和砂轮骨架作用；弹性抛光体为日本进口，其粒径为30～40 μm，密度为1.2 g/cm³；GC由淮安利泰碳化硅微粉有限公司生产，其粒度代号为J3000；金刚石微粉由中南钻石有限公司生产。

表  1  结合剂组分

Table  1.  Binder components

成分	体积分数 φ1 / %
酚醛树脂	70
弹性抛光体	10
GC	15
Cr2O3	5

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同时，为改善树脂金刚石砂轮的锋利性，在结合剂中加入不同的造孔剂，研究不同体积分数造孔剂下砂轮性能的变化。造孔剂有2种：一是市购空心玻璃微球，其粒径为30～40 μm，壁厚为2～3 μm；二是日本某公司产实心PMMA塑料球，其粒径为40～50 μm，耐热温度为300 ℃，受热时膨胀，冷却后收缩至本身原有的尺寸，依靠与酚醛树脂粉之间不粘结、易脱落而成孔。

1.2   样品制备

将结合剂中的各种组分混合均匀后，再与金刚石微粉充分混合均匀，然后按配方设计加入造孔剂，混合均匀后热压成形。制备60 mm × 10 mm × 10 mm的长方体试样条，测量其力学性能；制备6V5 90 × 30 × 40 × 8 × 10树脂金刚石抛光砂轮，并测量其磨削性能。试样及砂轮混料用设备为SYH-100三维混料机；成形热压机为郑州磨料磨具磨削研究所有限公司生产的MY-63T 热压机，成形温度为175 ℃，成形时间为30 min，单位成形压强为20 MPa。

1.3   分析方法与性能测试

用HRS-150型数显洛氏硬度计测量试样的硬度，每组试样测量10个数据，取其平均值。用JDL-100KN型数显式万能拉力试验机测量试样的抗折强度，每组试样测量5个数据，取其平均值。采用日立JSM-5611LV型扫描电子显微镜表征试样断面的微观组织及形貌。采用改造的球阀球体研磨设备进行硬质合金球阀球体磨削测试，并用IGT-MPD-S2.4磨削测量系统测量磨削时磨削设备的功率以表征砂轮的锋利性。在相同的磨削参数下，设备功率越大，则磨削时负载越高，砂轮的锋利性越差；设备功率越小，则磨削时负载越低，砂轮的锋利性越好。

2.   结果与分析

2.1   造孔剂体积分数对试样抗折强度的影响

采用同样的结合剂和金刚石微粉磨料制备试样，研究不同造孔剂以及造孔剂体积分数对试样抗折强度的影响。图3为不同造孔剂及其不同体积分数时对试样抗折强度的影响。由图3可以得出：造孔剂的加入明显降低了试样的抗折强度，且随着造孔剂体积分数增加，试样抗折强度下降较多。这主要是因为造孔剂体积分数越大，试样中单位体积内的气孔率越高，作为主要固结组分的结合剂体积分数越少，所以试样抗折强度越低^[23]。由图3还可以得出：当玻璃空心球和塑料球造孔剂体积分数分别为5%、10%、15%、20%和25%时，其对试样抗折强度的影响基本一致，没有明显区别；当空心玻璃球造孔剂体积分数为10%时，其对试样抗折强度的影响明显大于塑料球造孔剂对试样抗折强度的影响。这可能与空心玻璃球与塑料球造孔的原理不同有关，虽然二者都是占位造孔，但空心玻璃球壁很薄，依靠在结合剂中的薄壁破裂后形成气孔，而塑料球是实心球，则是依靠在结合剂中的脱落形成气孔。

图  3  不同造孔剂对试样抗折强度的影响

Figure  3.  Effects of different pore-forming agents on flexural strengths of specimen

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2.2   造孔剂体积分数对试样硬度的影响

图4为不同造孔剂及其不同体积分数时对试样硬度的影响。由图4可知：造孔剂的加入明显降低了试样的硬度，且随着造孔剂体积分数的增加，试样硬度下降越多。当造孔剂体积分数≤10%时，空心玻璃球造孔剂和塑料球造孔剂对试样硬度的影响较小且基本一致；当造孔剂体积分数＞10%时，随着造孔剂体积分数的增加，空心玻璃球造孔试样的硬度下降显著大于塑料球造孔试样的。由图4还可知：随着造孔剂体积分数增加，塑料球造孔试样的硬度基本呈线性下降趋势，且下降趋势较缓慢、平稳；而对于空心玻璃球造孔试样，当造孔剂体积分数≤15%时，试样的硬度基本呈线性下降趋势。当造孔剂体积分数为15%～20%时，试样的硬度变化不大。当造孔剂体积分数＞20%时，试样的硬度急剧下降。这可能是因为空心玻璃球易破碎，随着造孔剂体积分数增加，试样中破碎的空心玻璃球组分增多，大量破碎的组分影响结合剂的致密性，使结合剂的硬度下降较明显，从理论上降低了结合剂对磨料的把持力。

图  4  不同造孔剂对试样硬度的影响

Figure  4.  Effects of different pore-forming agents on specimen hardness

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2.3   不同造孔剂在试样中的微观形貌

图5为造孔剂体积分数均为15%时，不同造孔剂在试样中放大2 000倍的形貌图。由图5可知：空心玻璃球造孔剂在试样中与结合剂紧密结合在一起，所形成的孔形状不规则，且有大量破碎的空心球球壁分散在结合剂中，说明空心玻璃球是通过孔壁的破碎成孔的；而塑料球造孔剂与结合剂间有明显的缝隙，说明塑料球在试样中是通过整颗脱落形成空洞，从而起到造孔的作用。

图  5  不同造孔剂试样的微观形貌

Figure  5.  Microscopic morphology of samples with different pore forming agents

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2.4   造孔剂体积分数对试样微观形貌的影响

图6、图7分别为不同体积分数空心玻璃球造孔剂和塑料球造孔剂制备的试样的微观形貌。

图  6  不同体积分数空心玻璃球造孔剂试样的微观形貌

Figure  6.  Microscopic morphology of samples with different volume fractions of hollow glass balls

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图  7  不同体积分数塑料球时造孔剂试样的微观形貌

Figure  7.  Microscopic morphology of samples with different volume fractions of plastic balls

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由图6和图7可知：随着造孔剂体积分数的增加，试样中孔的数量明显增多，且孔的分布相对均匀。由图6可知：当空心玻璃球造孔剂的体积分数≥20%时，试样中的孔出现明显聚体现象，且有较多的连孔；试样中也明显有大量破碎的空心球组织，这也使试样的组织比空心玻璃球体积分数<20%时的组织明显疏松，这与图4中空心玻璃球造孔剂体积分数对试样硬度影响的结果一致。由图7可知：随着塑料球造孔剂体积分数的增加，试样中孔的数量越来越多，但其组织结构整体较致密；当塑料球体积分数≥20%时虽然孔较密集，但并没有明显的连孔，这与图4中塑料球造孔剂体积分数对试样硬度影响的结果相一致。对比图6和图7，当造孔剂体积分数相同时，含空心玻璃球造孔剂的试样组织明显比含塑料球造孔剂的试样组织疏松，且随着造孔剂体积分数增加，其疏松程度越明显。

2.5   造孔剂对树脂金刚石砂轮磨削性能的影响

由以上分析可知：造孔剂的体积分数较小，对试样的力学性能影响不大；当造孔剂的体积分数为25%时，试样的抗折强度较低，影响砂轮的强度；且试样的硬度较低，尤其是含空心玻璃球造孔剂的试样，会影响结合剂对磨料的把持力。因此，选用体积分数为10%、15%、20%的造孔剂制备6V5形状砂轮，进行硬质合金球阀球体磨削实验。磨削用设备为自行改造，球阀球体磨削图如图8所示，磨削实验参数见表2，磨削实验结果见表3。

图  8  磨削图

Figure  8.  Grinding diagram

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表  2  磨削参数

Table  2.  Grinding parameters

参数	类型或取值
砂轮转速 n / (r·min−1)	1 500
单次进给余量 ap / mm	0.005
研磨压力 p / kPa	50
硬质合金球阀球体直径 D / mm	180
球体材质	YG8
球体硬度 HRA	90

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由表3可以得出：当造孔剂体积分数为10%～20%时，随着造孔剂体积分数增加，砂轮磨削时的功率逐渐下降，说明造孔剂的加入能提高砂轮的锋利性；且在相同的条件下，含空心玻璃球造孔剂砂轮的锋利性基本上都优于含塑料球造孔剂砂轮的。同时，随着造孔剂体积分数增加，工件的表面粗糙度逐渐增大。含空心玻璃球造孔剂的砂轮加工工件的表面粗糙度在其体积分数≤15%时，与未含造孔剂的砂轮相比略有增加，但变化不大；当空心玻璃球的体积分数为20%时，工件的表面粗糙度显著增大，这可能是造孔剂体积分数过多，且有大量的空心球破碎，导致砂轮组织较疏松，使得结合剂对磨料的把持力下降，从而使加工工件的表面粗糙度变大。对于含塑料球造孔剂的砂轮，随着造孔剂体积分数的增加，其锋利性逐渐增加，工件的表面粗糙度虽然也逐步增大，但其变化量并不明显，主要是因为塑料球造孔剂在砂轮中通过自身的脱落形成气孔，提升了砂轮的锋利性，且其对砂轮致密性的影响不明显，此点在图4可以证明，故结合剂对磨料的把持力影响不大。

表  3  磨削实验结果

Table  3.  Grinding test results

造孔剂种类	造孔剂体积分数 φ2 / %	磨削功率 P / W	工件表面粗糙度 Ra / μm
对比样	0	626	0.030 0
空心玻璃球	10	495	0.042 0
	15	408	0.048 0
	20	321	0.090 0
塑料球	10	486	0.036 0
	15	462	0.041 0
	20	386	0.047 2

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总之，空心玻璃球造孔剂体积分数为15%时的砂轮与塑料球造孔剂体积分数为20%时的砂轮综合性能较好，且后者的综合性能明显优于前者的。

3.   结论

通过分析造孔剂对树脂金刚石砂轮性能的影响，得出如下结论：

（1）添加造孔剂后，砂轮的抗折强度和硬度降低，且降低程度随着造孔剂体积分数的增加而增大。空心玻璃球造孔剂与塑料球造孔剂，对砂轮抗折强度的影响基本一致；但随着造孔剂体积分数的增加，空心玻璃球造孔剂对砂轮硬度的影响明显大于塑料球造孔剂对砂轮硬度的影响。

（2）造孔剂的添加能提升砂轮的锋利性，随着其体积分数的增加，砂轮的磨削功率下降幅度逐渐增大，即砂轮锋利性逐渐提高。

（3）空心玻璃球造孔剂体积分数为15%时的砂轮与塑料球造孔剂体积分数为20%时的砂轮综合性能较好，但后者的综合性能明显优于前者的。