新型金剛石多層有序排布裝置及參數優化

張 騰，王 健，張鳳林＊，李偉雄，周玉梅

（1.廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006；2.仲愷農業工程學院 機電工程學院，廣州 510006）

1 引言

金剛石工具廣泛應用于石材、硬質合金、工具陶瓷、光學玻璃、半導體等硬脆材料的加工方面。在傳統金剛石工具內金剛石是隨機分布的，在磨削時金剛石富集的地方由于金剛石濃度高，重復磨損嚴重，且由于容屑空間小，阻礙切屑的排出而導致工具易于堵塞，降低了磨削效率；在金剛石稀少的區域，單顆金剛石承受的工作負荷過大，易于破碎和脫落，也不能有效利用金剛石，降低磨削效率［1－4］。因此，關于金剛石磨粒有序排布對磨削性能的提高作用一直是國內外的研究熱點［5，6］。王軍等將仿生學葉序理論與磨削機理結合，利用光刻技術和復合電鍍技術制備出磨粒呈葉序狀排布的砂輪，并用實驗證明了有序排布砂輪的磨削性能優于普通砂輪［7］；Sung等將有序排布技術結合釬焊法應用于鋸片的制備，發現有序排布鋸片能明顯提高磨粒使用率和工具壽命［8］；Koshy等學者通過磨粒錯位排布使磨削表面粗糙度得到明顯降低［9］。

由于磨粒有序排布能明顯提升磨削工具的磨削性能，國內外學者針對金剛石磨粒的有序排布方法進行了許多研究，相繼出現了不同的有序排布方法。Wiand和Gahlin發明了一種用陶瓷模板，柔軟的金屬模板或絲網制備平面及曲面有序排布的方法［10，11］；宋建民發明了一種用模板法制備多層有序排布磨具的方法，實現了磨粒在三維空間上的有序排布［12］；肖冰用激光焊接技術得到了理想的磨粒有序排布單層釬焊金剛石工具［13］；韓國Shinhandia公司在2004年推出了自動排布系統——ARIX（Automati-Array System），據報道 ARIX自動排布系統能做到100%控制金剛石磨粒的距離，并能自動生產。但是這些排布方法和技術存在工藝繁瑣、效率低、產業化困難以及技術保密等問題［14，15］。

本文提出了一種新型金剛石磨粒多層有序排布的方法，即：陣列微孔吸附多層有序排布技術，用這種方法設計了一套金剛石多層有序排布裝置。通過制備有序排布金剛石鋸片，研究了微孔的吸附壓強和孔徑對不同粒徑金剛石的吸附作用、輔助震動頻率及時間對提高金剛石單顆吸附率的影響。通過對這些性能參數進行分析和優化，最終得出了一套針對不同粒徑的金剛石的最優有序排布性能的參數。

2 多層有序排布裝置設計

2.1 陣列微孔吸附多層有序排布方法原理

陣列微孔吸附多層有序排布方法的基本工作原理是利用陣列微孔吸附裝置在微孔管中形成負壓，吸附單顆磨粒，然后控制微孔吸附裝置將磨粒植入預合金胎體粉末中的指定深度來完成磨粒在預合金粉末中不同層次的有序排布。圖1為用陣列微孔吸附多層有序排布方法進行有序排布過程的示意圖。該過程主要分為吸附磨粒過程和在預合金粉中有序植入磨粒過程，具體方法步驟如圖1所示。

圖1 新型有序排布方法及排布過程示意圖Fig.1 Diagrams of the new orderly arrangement method and arrangement process

2.2 有序排布系統組成

陣列微孔吸附多層有序排布系統主要由磨粒吸附系統、運動控制系統和工作平臺三大部分組成，示意如圖2。

（1）磨粒吸附系統

磨粒吸附系統的主要作用是通過對管道內正／負壓強大小的控制來使陣列微孔吸附裝置吸附單顆磨粒。主要由小型真空吸附泵、小型壓力泵、陣列微孔吸附裝置、震動馬達及其他氣壓元件構成。陣列微孔吸附裝置（如圖3所示）的主要作用是通過真空吸附泵在微孔管內形成負壓，吸附金剛石磨粒，然后用震動馬達將吸附的多余磨粒震掉，完成排布后用小型壓力泵排出管道內的粉體及其他雜質。

圖2 有序排布系統組成示意圖Fig.2 Structure diagram of the orderly arrangement device

圖3 陣列微孔吸附裝置示意圖Fig.3 Drawing of the arraying micro-hole adsorbing device1.上腔體2.海綿絕封體3.下腔體4.震動馬達5.金剛石磨粒6.裝料磨具7.預合金粉末胎體8.微孔吸附針管9.硬質板10.通氣管道

（2）運動控制系統

陣列微孔吸附多層有序排布裝置的運動控制系統主要功能是用步進電機控制電動絲杠滑臺的運動，從而控制固定在電動絲杠滑臺上的微孔陣列吸附頭的運動，實現微孔吸附針管帶動金剛石在粉體中上下方位的準確定位，以此實現金剛石在預合金粉體中上下方位的有序排布。主要由步進電機、電動絲杠滑臺、電動驅動器，控制器及其他部件組成。

（3）工作平臺

工作平臺是磨粒有序排布的工作承載平臺，主要功能是承載壓塊模具及實現模具在前后左右四個方位的移動，從而制備具有不同有序排布形式的樣品。其工作過程是將合金粉末壓塊模具放置在基臺上，用十字調整臺控制預合金粉末壓塊模具與陣列微孔在前后左右四個方位上的位置，以此來實現金剛石磨粒在壓塊中具有不同的有序排布形式。

3 多層有序排布裝置參數設計及優化

在用陣列微孔吸附多層有序排布裝置制備金剛石鋸片的試驗中，發現如果施加的氣壓過小會使陣列微孔的個別微孔出現漏吸金剛石的現象，如果施加的氣壓過大，則會出現吸附多顆金剛石的問題。為了解決這個問題，在吸附頭上安裝震動馬達，震動馬達能夠在一定程度上緩解多吸的現象，但是震動馬達的頻率和時間也是影響金剛石單顆吸附率的重要因素。因此，為了解決以上問題，主要對壓強、微孔的孔徑和磨粒粒徑的匹配以及震動馬達的頻率和時間等參數進行了設計及優化。

3.1 吸附壓強的設計及優化

壓強是決定磨粒單顆吸附率的主要因素，為了避免漏吸和多吸情況的出現，在有序排布裝置中我們可以通過減壓閥來調節吸附系統管道內的壓強P來保證每個吸附微孔的吸附力。在實際工作中，壓強損失一般較小，可以忽略不計，故壓力表可測得管道內壓強P代表針頭吸管內部壓強P′。建立微孔吸附裝置吸附單顆金剛石磨粒的簡化模型，如圖4所示。

圖4 微孔吸附裝置及吸附單顆粒金剛石模型圖Fig.4 Schematic diagram of adsorbing single diamond grit

假設fx為吸附單顆磨粒的吸附力，根據流體恒定元流伯努利方程理論進行受力分析可知：

其中：fx－單顆微孔吸附頭吸附力

K－有效真空吸附系數

P0－外界大氣壓強

P′－微孔吸管內部壓強

r－ 微孔吸管內徑

m－單顆金剛石質量

表1 吸附單顆金剛石磨粒的最小壓強Table 1 Minimum pressure of adsorbing single diamond grit

3.2 粒徑及微孔內徑的匹配

試驗中我們發現，理論上在保證陣列微孔吸附裝置最小壓強的情況下，雖然能保證吸附金剛石，但是會出現多吸金剛石磨粒的現象。在實際試驗中，用統計數據來分析磨粒粒徑和陣列微孔內徑最佳匹配值。制造如圖2所示的10×10陣列吸附微孔來吸附不同粒度的金剛石磨粒，微孔內徑分別為0.51mm，0.41mm，0.34mm，0.31mm，0.26mm。試驗中保持吸附壓強為－50kPa不變，每次吸附完成后統計單顆金剛石磨粒的吸附率，每種規格吸附微孔重復10次。統計結果如圖5所示：

圖5 不同規格微孔內徑吸附單顆金剛石磨粒百分比圖Fig.5 The percentage of adsorbing single diamond grit with different inner diameters of micro-hole

由圖5可知在微孔吸附裝置微孔規格不變的情況下，單顆金剛石磨粒吸附率總是在達到一個峰值后驟然下降。隨著微孔吸附裝置微孔內徑逐漸逼近金剛石磨粒的粒徑，其單顆吸附率逐漸達到一個峰值，當微孔吸附裝置微孔內徑小于金剛石磨粒粒徑時，其單顆吸附率會驟然下降。這是因為在微孔內徑小于金剛石磨粒粒徑時，雖然理論上的吸附壓強能滿足吸附要求，但是由于磨粒粒徑與微孔內徑相差過大，由于磨粒表面的不規則性，吸附口端并不是模型中的密封吸附狀態，而是形成了縫隙，而正是微孔與磨粒形成的縫隙造成了吸附壓強的大量損失，所以會出現空吸現象。隨著磨粒粒徑逐漸接近針頭內徑，空吸現象越來越少，其單顆吸附率逐漸達到一個峰值，達到70%～80%；而當微孔內徑大于金剛石磨粒粒徑時也會出現大量磨粒被微孔吸進的現象，這也會對陣列微孔吸附裝置結構造成損壞，造成單顆金剛石磨粒吸附率的驟然下降。根據實際實驗過程中的單顆金剛石磨粒峰值吸附率規律，總結出陣列微孔內徑與磨粒粒度的最佳匹配值，如表2所示。

表2 陣列微孔吸附裝置內徑與磨粒粒度的匹配值Table 2 the table of matching the adsorption device diameter with the particle size

3.3 震動頻率和時間的設計及優化

在試驗過程中，由于金剛石磨粒形狀不規則，且在實際吸附過程中有灰塵雜質，導致容易出現磨粒團聚而造成微孔吸附多顆金剛石的現象。為了解決這一問題，我們在保證吸附壓強不變的情況下，對微孔吸附裝置加輔助震動馬達，以控制震動頻率和時間來提高微孔吸附裝置吸附單顆金剛石磨粒的吸附率。

陣列微孔規格為10×10cm（微孔吸附針頭內徑0.34mm），吸附壓強為－50kPa，在微孔吸附裝置吸附金剛石磨粒后，保持吸附壓強不變，分別用150Hz和300Hz兩種頻率微型震動馬達（振幅5mm）對其施加震動，觀察并統計微孔吸附單顆金剛石的吸附率，重復10次，得出兩種頻率震動馬達與單顆吸附率與時間的曲線，如圖6所示：

圖6 兩種頻率震動電機對單顆吸附率影響的曲線圖Fig.6 The effect of two kinds of frequency vibration motor on the percentage of

經過微型振動馬達的震動，陣列微孔吸附裝置微孔的單顆吸附率隨著時間變化顯著提高，且都在5s后達到一個穩定值，能達到95%左右。原因是大量多吸金剛石顆粒被震動抖落，而恒定的吸附壓強又能保證有且有一顆金剛石磨粒被微孔吸附。結果也可以說明控制震動頻率和震動時間來提高單顆金剛石磨粒吸附率的方法是可行的，且能有效控制吸附率。

4 裝置的制造及實際應用

用優化后的參數來設計和制造陣列微孔吸附多層有序排布裝置，在使用此裝置進行磨粒多層有序排布實驗中發現，通過控制吸附的最小壓強（－50KPa）、孔徑和粒徑的最佳匹配、輔助震動馬達的時間（5s）和頻率（150Hz），能夠有效解決金剛石磨粒的漏吸和多吸問題。圖7是陣列微孔吸附多層有序排布裝置實物圖。

圖7 有序排布裝置實物圖Fig.7 The photograph of the orderly arraying device

為了驗證有序排布裝置的實際應用價值，用此裝置制備給定參數的有序排布金剛石鋸片。圖8為用陣列微孔吸附多層有序排布裝置制備有序排布金剛石鋸片壓塊，然后經過冷壓成型后的有序排布鋸片，圖9是有序排布鋸片經過切割花崗巖后的圖片。在制備過程中發現這種裝置能夠實現金剛石磨粒在預合金粉中的多層有序排布，且排布效果好，排布效率也比模板法大幅提高。

圖8 燒結后的有序排布鋸片Fig.8 The orderly arrangement saw blade after sintering

圖9 鋸切后的磨粒有序排布鋸片Fig.9 The orderly arrangement saw blade after sawing

5 結語

陣列微孔吸附裝置吸附單顆金剛石磨粒的最小壓強取決于金剛石粒徑的大小及微孔內徑，且兩者之間存在一個最佳匹配值；控制輔助震動頻率和時間能夠提高微孔吸附單顆金剛石的吸附率；此外，在用此裝置制備金剛石磨粒呈多層有序排布的鋸片的過程中發現此裝置不但能準確實現金剛石磨粒在鋸片中的有序排布，還具有簡單，實用，效率高等優點。在后續研究中，對此裝置進行自動化設計能夠在更大程度上提高多層有序排布的效率和排布質量，這就為磨粒多層有序排布提供了一種新方法。