隨著現代制造業對高精度、高效率加工需求的不斷增長，砂輪作為磨削加工中的關鍵工具，其性能的提升備受關注。金屬燒結砂輪因其具有較高的硬度、強度和良好的導熱性，在硬脆材料（如陶瓷、光學玻璃、半導體材料等）的精密磨削加工中具有獨特的優勢。然而，金屬燒結砂輪的制備工藝較為復雜，其工藝參數的微小變化可能對砂輪的微觀結構和磨削性能產生顯著影響。因此，深入研究金屬燒結砂輪的制備工藝優化及其磨削性能具有重要的理論和實際意義。
金屬燒結砂輪的主要原材料包括金屬基體粉末和磨料顆粒。常用的金屬基體粉末有鐵基、鈷基、鎳基等合金粉末，這些粉末具有良好的綜合力學性能和可燒結性。磨料顆粒則根據加工材料的不同可選擇金剛石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料。在選擇原材料時，需考慮磨料與金屬基體的相容性、粉末的粒度分布等因素。例如，對于金剛石磨料，其表面通常需進行金屬化處理以增強與金屬基體的結合力。
將選定的金屬基體粉末和磨料顆粒按照一定的比例在球磨機中進行混合。混料過程中，需控制球料比、球磨時間和轉速等參數，以確保粉末混合均勻。同時，為了防止粉末在混料過程中氧化，可采用惰性氣體保護。
混料均勻后的粉末采用冷壓成型或熱壓成型工藝制備砂輪坯體。冷壓成型是在常溫下施加一定的壓力使粉末成型，其設備簡單，但成型壓力較高且坯體密度相對較低。熱壓成型則是在高溫和壓力同時作用下進行成型，能夠提高坯體的致密度，但設備成本較高且工藝控制較為復雜。成型壓力、保壓時間等參數對坯體的密度和強度有重要影響。
燒結是金屬燒結砂輪制備的關鍵環節。燒結工藝參數主要包括燒結溫度、燒結壓力和燒結時間。燒結溫度決定了金屬粉末的原子擴散速率和化學反應程度，過高的溫度可能導致磨料顆粒的損傷或金屬基體的晶粒長大，而過低的溫度則會使燒結不充分，砂輪強度不足。燒結壓力有助于粉末顆粒的緊密接觸和孔隙的減少，提高砂輪的致密度。燒結時間也需合理控制，過長的燒結時間可能增加生產成本并導致砂輪性能劣化，而過短則無法達到理想的燒結效果。
選用粒度為 40 - 60μm 的金剛石磨料，金屬基體采用鈷基合金粉末（Co 含量 60%，其余為 Cr、W 等合金元素），粉末粒度為 1 - 5μm。
球磨機：用于粉末混合，型號為 QM - 3SP04。
熱壓燒結爐：可精確控制燒結溫度、壓力和時間，型號為 ZTY - 40 - 20。
精密磨床：用于磨削性能測試，型號為 MGK7120。
X 射線衍射儀：分析砂輪的物相組成，型號為 D8 Advance。
掃描電子顯微鏡：觀察砂輪的微觀結構，型號為 S - 4800。
采用正交實驗設計方法，以燒結溫度（A）、燒結壓力（B）、燒結時間（C）為變量，每個變量取三個水平，具體取值如表 1 所示。制備不同工藝參數下的金屬燒結砂輪，并對其微觀結構和磨削性能進行測試分析。
| 因素 | 水平 1 | 水平 2 | 水平 3 |
|---|
| A 燒結溫度（℃） | 800 | 850 | 900 |
| B 燒結壓力（MPa） | 20 | 30 | 40 |
| C 燒結時間（min） | 30 | 45 | 60 |
對不同工藝參數制備的金屬燒結砂輪進行 XRD 分析，結果表明，主要物相為鈷基合金相和金剛石相。在部分樣品中，隨著燒結溫度的升高，出現了少量的金屬間化合物相，這是由于高溫下合金元素之間發生了擴散和反應。
通過 SEM 觀察發現，在優化的燒結工藝參數下，金屬基體與金剛石磨料結合緊密，金剛石顆粒均勻分布在金屬基體中，金屬基體的孔隙較少，呈現出較高的致密度。而在工藝參數不合理的情況下，如燒結溫度過低或壓力不足，金屬基體中存在較多的孔隙，金剛石顆粒與基體的結合界面出現縫隙，這將嚴重影響砂輪的強度和磨削性能。
在精密磨床上對金屬燒結砂輪的磨削力進行測試，采用三向力傳感器分別測量法向磨削力 Fn、切向磨削力 Ft 和軸向磨削力 Fa。結果顯示，隨著燒結溫度的升高，砂輪的硬度增加，磨削力呈現先減小后增大的趨勢。在合適的燒結壓力和時間下，較高的燒結溫度能夠使金屬基體更加致密，對磨料的把持力增強，從而使磨料在磨削過程中更有效地切削工件，降低磨削力。但當溫度過高時，金屬基體的韌性下降，磨料容易脫落，導致磨削力增大。
使用表面粗糙度儀測量磨削后工件表面的粗糙度 Ra。實驗發現，燒結壓力對磨削表面粗糙度影響較大。較高的燒結壓力能夠使砂輪的組織更加均勻致密，磨料在磨削過程中的切削軌跡更加穩定，從而獲得較低的表面粗糙度。燒結時間和溫度也通過影響砂輪的微觀結構間接影響表面粗糙度。
材料去除率 Q 是衡量砂輪磨削效率的重要指標。通過測量磨削前后工件的質量差并結合磨削時間計算材料去除率。結果表明，在一定范圍內，提高燒結溫度、壓力和時間均能提高金屬燒結砂輪的材料去除率。這是因為優化的工藝參數使砂輪的硬度、強度和磨料的切削性能得到提升，能夠更有效地去除工件材料。但當工藝參數超出合理范圍時，砂輪的磨損加劇，材料去除率反而下降。
燒結溫度是影響金屬燒結砂輪微觀結構的關鍵因素之一。溫度升高時，金屬粉末的原子擴散加劇，促進了燒結過程的進行，使金屬基體的致密度提高，同時也可能導致晶粒長大和新相生成。燒結壓力能夠壓縮粉末顆粒之間的孔隙，使金屬基體更加緊密地包裹磨料顆粒，增強結合力。燒結時間則為原子擴散和化學反應提供了足夠的時間，過長或過短的時間都會影響微觀結構的均勻性和完整性。
金屬燒結砂輪的微觀結構直接決定了其磨削性能。高致密度的金屬基體能夠更好地把持磨料顆粒，使磨料在磨削過程中穩定地切削工件，減少磨料的脫落和破損，從而降低磨削力、提高表面加工質量和材料去除率。良好的金屬 - 磨料結合界面能夠有效地傳遞磨削力，使磨料的切削作用得到充分發揮。
通過對磨削力、表面粗糙度和材料去除率等性能指標的綜合分析，確定金屬燒結砂輪的最佳制備工藝參數為：燒結溫度 850℃、燒結壓力 30MPa、燒結時間 45min。在此工藝參數下制備的金屬燒結砂輪具有較好的微觀結構和優異的磨削性能。
金屬燒結砂輪的制備工藝對其微觀結構和磨削性能有著重要影響。通過優化金屬粉末選擇和燒結工藝參數（溫度、壓力、時間），能夠提高砂輪的致密度、硬度和強度，改善金屬 - 磨料結合界面。
XRD 和 SEM 分析表明，優化工藝參數下的金屬燒結砂輪金屬基體與磨料結合良好，微觀結構均勻致密。
磨削性能測試結果顯示，最佳工藝參數制備的砂輪在磨削力、表面粗糙度和材料去除率等方面表現出色，能夠滿足精密磨削加工的要求。本研究為金屬燒結砂輪的制備和應用提供了有價值的參考，有助于推動其在精密制造領域的進一步發展。
未來研究可進一步探索新型金屬基體材料和磨料組合，以及采用更先進的制備工藝（如微波燒結、放電等離子燒結等）來進一步提升金屬燒結砂輪的性能，拓展其應用范圍。
