金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究

劉 樹

（云南錫業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 云南 個(gè)舊 661000）

金屬結(jié)合劑砂輪存在自銳性差、砂輪表面容易堵塞、在磨削加工中容易造成工件表面燒傷,影響工件的表面質(zhì)量等問(wèn)題，且金剛石砂輪具有極高的硬度，修整非常困難，這一定程度上也限制了金剛石砂輪的應(yīng)用。為解決金屬結(jié)合劑砂輪在精密磨削加工中的缺陷,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬結(jié)合劑砂輪的制備、結(jié)合劑配方設(shè)計(jì)、修整方法等方面的問(wèn)題進(jìn)行了不斷的研究和探索。

1 金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的分類和特點(diǎn)

金屬結(jié)合劑砂輪主要分為三種類型：①燒結(jié)金屬結(jié)合劑砂輪；②電鍍金屬結(jié)合劑砂輪；③單層釬焊金屬結(jié)合劑砂輪。

1.1 燒結(jié)金屬結(jié)合劑砂輪

燒結(jié)型金屬結(jié)合劑砂輪通常以青銅和鑄鐵等金屬作為結(jié)合劑,用高溫?zé)Y(jié)的方法制造而成。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合強(qiáng)度高,成形性能好,耐高溫,導(dǎo)熱性和耐磨性好,并且使用壽命長(zhǎng),可承受較大的載荷。缺點(diǎn)是由于燒結(jié)型金剛石砂輪的制造工藝，決定了其表面形狀是隨機(jī)形成的，各磨粒的幾何形狀、分布及切削刃所處的高度圴不一致，磨粒分布不均勻，因此在磨削時(shí)只有少數(shù)較高的切削刃的磨粒能切削到工件，限制了磨削質(zhì)量和磨削效率的提高。

1.2 電鍍金屬結(jié)合劑砂輪

電鍍金屬結(jié)合劑金剛石砂輪通常以鎳或鎳合金做鍍層金屬，其優(yōu)點(diǎn)是電鍍工藝簡(jiǎn)單，投資少，制造和使用方便，精度高，可以達(dá)到很高的工作速度，壽命長(zhǎng)，對(duì)于精度要求較高的砂輪，電鍍是唯一的制造方法，正是由于電鍍金屬結(jié)合劑砂輪具有這些優(yōu)勢(shì)，使得電鍍砂輪在高速、超高速磨削中占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是電鍍金屬結(jié)合劑金剛石砂輪在使用過(guò)程中也存在不少缺點(diǎn)，磨料其實(shí)僅僅實(shí)際上只是鑲嵌在鍍層金屬里中，因而把持力小，金剛石顆粒在高速磨削過(guò)程中容易出現(xiàn)易脫落現(xiàn)象，從導(dǎo)致導(dǎo)致過(guò)程整體失效，解決方法為如果要增加把持力就必須增加鍍層厚度，以此來(lái)加大把持力，使得增加鍍層厚度的結(jié)果是磨粒裸露高度和容屑空間減小，使砂輪易出現(xiàn)容易發(fā)生堵塞，散熱差散熱效果差，這樣工件的表面容易燒傷，電鍍金剛石砂輪的這些弊端的不完善大程度也大大限制它在高效磨削中的應(yīng)用。

1.3 單層釬焊金屬結(jié)合劑砂輪

利用活性釬料和鎳基釬料的真空爐中釬焊方法，實(shí)現(xiàn)了金剛石、結(jié)合劑、金屬基體三者之間的化學(xué)冶金結(jié)合，克服電鍍金屬結(jié)合劑砂輪結(jié)合強(qiáng)度差、磨粒易脫落等缺點(diǎn),增大金屬結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持能力,提高砂輪的結(jié)合強(qiáng)度，提高了金剛石磨具的強(qiáng)度、性能和壽命，單層高溫釬焊超硬磨料砂輪的磨削力、功率損耗、磨削溫度更低，意味著可達(dá)到更高的工作速度，缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，是一種處于研發(fā)中的新型金屬結(jié)合劑砂輪。

2 金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的修整技術(shù)

金屬結(jié)合劑砂輪的修整方法經(jīng)常被使用的為：電火花法修整、基于表面放電修整法、在線電解修整法、激光修整法、超聲震動(dòng)修整法等。

2.1 電火花法修整

電火花修理金剛石砂輪的過(guò)程中，砂輪快速度旋轉(zhuǎn)，被修整砂輪接脈沖電源的正極，工具電極接脈沖電源的負(fù)極，以磨削乳化液為工作液，且工作液由磨床的冷卻液噴嘴直接注入到被修整砂輪和工具電極之間，脈沖電壓加到修整電極和金剛石砂輪之間，在絕緣強(qiáng)度最低處擊穿介質(zhì)產(chǎn)生火花放電。如果若放電點(diǎn)的部位局部的功率密度達(dá)到一定高度足夠高，產(chǎn)出生的瞬時(shí)高溫可以就可以使將結(jié)合劑材料熔化甚至氣化，形成放電凹坑。反復(fù)放電過(guò)程里，在重復(fù)放電過(guò)程中，使超硬磨粒有效地暴露出來(lái)，從而達(dá)到整形和修銳的目的。所以火花放電修整可以有選擇地去除金屬結(jié)合劑，使金剛石磨粒露出結(jié)合劑表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修銳。

電火花修整特點(diǎn)：①在線修整確保磨削精度可進(jìn)行在線修整，易保證磨削精度；②操作簡(jiǎn)單可靠操作簡(jiǎn)單；③適用導(dǎo)電材料為結(jié)合劑的砂輪比較適用適用于以導(dǎo)電材料作為結(jié)合劑的砂輪；④修整力度不大，修整力小，適合適較極薄砂輪的修整；⑤方便地便于對(duì)成型砂輪的快速高速、高精度的修整。此外，除此之外，砂輪修整法相比其它方法來(lái)說(shuō)相對(duì)其他砂輪修整方法電火花修整還具有成本低、易操作、工藝參數(shù)少、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 電火花修整原理圖

2.2 基于表面放電修整法

基于表面放電金剛石砂輪修整法：在機(jī)械修整金剛石砂輪的同時(shí)輔以表面放電來(lái)修整砂輪，這是復(fù)合修金剛石砂輪的方法，原理是：做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的修整后的金剛石砂輪，其在旋轉(zhuǎn)方向，首先對(duì)金剛石砂輪表面采用脈沖放電，然后使用金剛石筆對(duì)機(jī)械仔細(xì)修整，金剛石筆的軌跡控制修整精度，以此來(lái)達(dá)到金剛石砂輪修銳和整形的目的。其基本原理是用金剛石砂輪表面電極和金屬基金剛石砂輪表面相互放電，這種放電在對(duì)修整過(guò)程中扮演了兩個(gè)角色：一是，形成瞬時(shí)高溫?zé)嵩矗Y(jié)合劑金剛石砂輪表面軟化，這樣使緊跟其后的金剛石筆的修整力大幅度減小，使金剛石修整筆的使用壽命提高，修整和修銳效率也相對(duì)提高；二是，放電爆炸形成的沖擊波和放電爆炸后形成的真空負(fù)壓使砂輪表面容屑坑中的磨削產(chǎn)物有效排除，從而砂輪面部金剛石顆粒顯現(xiàn)，以此看出金剛石砂輪修銳的作用。

單純的機(jī)械修整法修整金剛石砂輪的過(guò)程中，機(jī)械作用力大并且效率低，成本高，再者工作環(huán)境差，比較難加工的材料在并且工作環(huán)境相對(duì)惡劣，而在磨削難加工材料時(shí)，對(duì)金剛石砂輪有較大磨損磨損較快，需數(shù)次要頻繁修整;若單純使用將電加工、激光加工等特種加工技術(shù)修整金剛石砂輪，只是單方面避免雖然可以避免修整過(guò)程中機(jī)械作用力大的弊病的缺點(diǎn)，但是由于修整過(guò)程，大多是高溫條件下進(jìn)行的，金剛石磨粒的碳化現(xiàn)象也是相當(dāng)嚴(yán)重，碳化后的金剛石磨粒的強(qiáng)度和硬度都會(huì)大大地降低，金剛石優(yōu)異的磨削性能受到很大影響，這樣的金剛石砂輪很難用于磨削超硬材料。基于表面放電金剛石砂輪修整法有效地將這兩類方法結(jié)合在一起，互相補(bǔ)充，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使金剛石砂輪修整技術(shù)向效率高、成本低、適應(yīng)性廣的實(shí)際應(yīng)用更邁進(jìn)一步。提高了砂輪表面修整質(zhì)量的同時(shí)也降低了金剛石筆的磨損，而且其成本低，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。

2.3 在線電解修整法

電解修整法：電解修整主要是通過(guò)電化學(xué)作用，再加機(jī)械作用輔助的修整方法。砂輪連接至直流電源的陽(yáng)極，其次查看砂輪形狀用一個(gè)導(dǎo)電性好的修整塊連接電源的陰極，砂輪與修整塊之間需調(diào)整到符合距離，形成必要的電解間隙，電解液經(jīng)噴嘴噴入間隙中，形成通路，這樣砂輪表面的金屬結(jié)合劑在電流和電解液作用下，發(fā)生陽(yáng)極溶解而去除以達(dá)到修銳的目的。為了符合新型材料精密加工的要求，從而更深步發(fā)展了在線電解修整，可完成硅片或其它超硬材料的鏡面加工。在線電解修整過(guò)程時(shí)，絕緣層生成的厚度和非線性電解的修整作用處于一種動(dòng)態(tài)平衡，一方面維持金剛石砂輪表面的高效切削功能，另一方面也限制了金屬結(jié)合劑的過(guò)度電解，從而阻止砂輪的磨損過(guò)快現(xiàn)象，且這種修整方法還有磨削力小、磨削熱小的優(yōu)點(diǎn)，大幅度減小硬脆材料加工表面的微觀裂紋，提高表面質(zhì)量。

圖2 電解修整示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著高精密加工、航天、軍事、光電信息科技的發(fā)展，對(duì)脆硬材料的需求量逐漸增大，也對(duì)脆硬材料的加工提出了更高的要求。今后，對(duì)于提高砂輪的強(qiáng)度、耐用度、磨削效率、精度保持性、和研究新的修整技術(shù)仍是金屬結(jié)合劑砂輪的發(fā)展主要研究方向。

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