磨料有序排布電鍍砂輪的制備及其把持力研究

赫青山 楊天標 劉天立 趙延軍 崔仲鳴

1.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司超硬材料磨具國家重點實驗室，鄭州，4500012.河南工業大學機電工程學院，鄭州，450001

0 引言

電鍍砂輪工具憑借超硬磨料在硬度、耐磨性上的絕對優勢，以及型面精度保持性好、結構強度高等優點，在高速/超高速磨削、高效深切磨削加工中占據重要地位[1]。但傳統電鍍砂輪工作面上的磨料密集、無規則排布，導致加工中易出現砂輪堵塞與磨削高溫，影響零件的加工質量和加工效率，嚴重時還會造成砂輪過早失效[2]。

對單層超硬磨料砂輪而言，應用磨料有序排布技術可有效增大砂輪工作面容屑空間，減小磨削力，降低磨削溫度，延長砂輪使用壽命，這已在釬焊砂輪應用中得到充分證實[3-6]。基于磨料有序排布的優點，國內外學者對電鍍砂輪也開展了磨料有序排布的研究。AURICH等[7-8]采用仿真方法分析了磨料排布方式對磨削性能的影響，制備了磨料有序排布的電鍍砂輪，磨削試驗表明該砂輪可獲得較高的材料去除率和較低的磨削溫度，但磨料的膠黏方式不盡合理，加工時存在磨料脫落問題。YUAN等[9]運用激光掩膜制孔技術和電化學沉積技術研制出的磨料群(簇)可控排布電鍍砂輪磨料群是單層或多層的結構，磨削試驗表明該砂輪在減小磨削力、提高磨削加工質量、延長使用壽命上優于傳統電鍍砂輪，盡管磨料群有序排布確保砂輪工作面具有合理的容屑空間，但磨料群內的磨料仍為無規則排布。YU等[10-12]將仿生學中的葉序理論應用到磨料的有序排布圖案設計中，結合掩模蝕刻法制備出磨料葉序排布電鍍砂輪，研究結果表明，相對于其他有序排布方式，葉序排布能使砂輪的磨削性能進一步提升。此外，LUO等[13]采用光刻掩模技術和復合電鑄技術研制出一種微磨料有序排布砂輪，并研究了該砂輪在硅片磨削中的磨損和磨削特性。毛聰等[14]采用激光束在砂輪基體工作面先加工出微細螺旋凹槽、再將凹槽填滿環氧樹脂并電鍍的方法制備出磨料螺旋有序排布的電鍍砂輪。不難發現，磨料有序排布技術在改善傳統電鍍砂輪容屑空間不足方面確有成效，但相關研究尚存在一些不足。

筆者采用壓印式有序點膠與磨料微粘接的方法制備金剛石有序排布電鍍砂輪，分析了膠點形態與磨粒之間形成有效粘接的條件，分析了雙脈沖電鍍工藝對鍍層力學性能的影響規律以及磨料根部的微觀界面特征，最終通過干磨削試驗考察了磨料的把持力。

1 基于點膠微粘接磨料的有序排布原理

在電鍍砂輪工作面實現磨料有序排布的工藝原理如下：首先采用壓印的方法在砂輪基體表面進行有序點膠(具有導電性的膠水)，膠點直徑為磨料粒徑的30%～50%；然后上砂，使磨料與膠點實現微粘接，并對膠進行熱固化處理；最后將固結有磨料的砂輪基體進行電鍍(鍍層厚度約為磨料粒徑的60%)，其結構如圖1所示。膠點面積微小，單個膠點位置基本僅能粘接一顆磨料。電鍍時鎳原子能在導電膠點表面沉積生長，這有利于保證鍍層組織的均勻性并減少缺陷。就磨料的把持力大小而言，由于膠點在砂輪工作面上的面積占比小，因此，鍍層與砂輪基體的結合強度、鍍層自身的組織均勻性和力學性能、鍍層對磨料的包埋厚度是影響磨料把持力的主要因素。

圖1 磨料有序排布電鍍砂輪結構

結合砂輪工作面上的磨料有序排布圖案，筆者設計制備了一套壓印點膠模具[15]。該模具的結構和工作原理類似印章，其中，壓印板(1.5 mm厚的柔性硅膠)上的微孔通過激光制孔方法獲得，為減小基體弧面對壓印效果的影響，將壓印長度設置為25 mm。整個砂輪工作面的點膠過程通過若干次連續壓印完成。為保證砂輪基體的強度，導電膠的熱固化溫度設定在150 ℃以下，固化時間不超過60 min。

2 電鍍金剛石砂輪制備方法與測試

2.1 有序點膠與上砂

依據直徑250 mm、工作面寬10 mm的砂輪基體，選用40目～50目粒度的金剛石磨料，對膠點的大小及其有序排布的圖案進行設計，壓印板制孔孔徑為(0.15±0.01)mm。膠點沿砂輪軸線方向直線排列，直線方向的膠點間距為1 mm，直線方向上相鄰兩行膠點的間距為1.2 mm，且相鄰直線方向上的膠點位置錯開0.5 mm，如圖2所示。

圖2 砂輪工作面膠點的形貌

使用砂輪回轉裝置和點膠模具在砂輪工作面上進行連續壓印上膠。由圖2可以看出，膠點基本呈半球形，且直徑略大于壓印板孔徑。導電膠具有一定的流動性，且對鋼基體的潤濕性較好，因此膠點在重力作用下相對砂輪表面的法向出現輕微沉降，致使面積略微增大。此外，試驗中還發現導電膠的黏度對膠點形態影響極大。導電膠較稀時，在重力和擠壓力的共同作用下，常出現滲膠問題，此時膠點面積增大明顯；導電膠較稠時，出膠不暢問題較突出，此時膠點呈薄片狀，難以有效粘接住磨料。

使用合適黏度的導電膠在砂輪工作面上進行壓印點膠，之后使砂輪緩慢旋轉，并在砂輪工作面的最高處連續鋪灑一層磨料進行上砂，砂輪表面無膠區域不會殘留磨料，故磨料在砂輪工作面有序排布。由圖3可以看出，磨料在砂輪工作面上實現了與設計圖案一致的排布樣式，多數膠點只粘接1顆磨料，個別位置出現有1個膠點粘接2顆(3顆堆積的情況極少)磨料的情況，相對于砂輪工作面上的膠點總數，單個膠點粘接多顆磨料的占比低于6%。壓印板的孔徑差異導致壓印出的膠點大小稍有不同，磨料散落時的粘接位置存在一定的隨機性，無法保證磨料正對膠點中心。同時，磨料在上砂過程中存在堆積和相互擠壓的情況，已經粘接的磨料受外力作用發生微小偏移后，原膠點位置的殘膠仍有可能會對進入該位置的磨料實現微粘接。因此，提高壓印板制孔的精度與均勻性、改進上砂工藝是確保膠點與磨料一對一匹配的關鍵。

圖3 砂輪工作面上砂效果

2.2 鍍層力學性能分析

采用膠粘磨料的方法不可避免地會污染砂輪工作面，但膠點所占面積小且容屑空間大，因此鍍層與鋼基體之間的結合面積實際上并不會減小。若忽略磨料根部膠點位置對鍍層連續性的影響，采用有序點膠與磨料微粘接方法制備的電鍍砂輪的磨料把持力與傳統電鍍砂輪大致相同。

基于上述分析，采用雙脈沖電鍍工藝和直流電鍍工藝制備鍍層厚度為0.2 mm的試樣。在簡單表面拋光后，使用FM-700型顯微硬度儀在試樣表面不同位置測量硬度。測試方法為：加載載荷0.98 N，保持10 s。由圖4可以看出，鍍液成分相同時，雙脈沖電鍍工藝制備的鍍層硬度均在500HV以上，比直流電鍍工藝制備的鍍層硬度高出10%左右。鍍層硬度主要與組織致密性有關，由于雙脈沖電源的正向脈沖提高了電流密度，使電沉積速度加快，晶核的形成速度大于晶體的生長速度，從而鍍層在生長過程中獲得細小的晶粒，同時，負脈沖的電解作用能活化鍍件表面、維持鍍件表面金屬離子濃度的穩定，有助于減少針孔、鎳瘤等缺陷，因此鍍層組織更為致密。此外，試驗中還發現雙脈沖電鍍工藝獲得的鍍層表面質量和厚度均勻性好于直流電鍍工藝。

圖4 鍍層硬度測量及其變化規律

整個電鍍過程中的金屬離子濃度及沉積速率在微小范圍內波動，這造成鍍層組織的不均勻并在其內部產生殘余應力。鍍層中的高殘余應力不僅對鍍層與砂輪基體之間的結合強度不利，在受到磨削的熱/力作用后還可能減小磨料的把持力。PROTO-LXRD殘余應力分析儀的試樣鍍層表面測量結果如圖5所示，可以看出，在鍍液成分相同、鍍層厚度近似一致的條件下，雙脈沖電鍍獲得的鍍層表面殘余壓應力小于-100 MPa，直流電鍍獲得的鍍層表面殘余壓應力基本維持在-110 MPa左右，這說明兩種電鍍工藝不會影響鍍層內部殘余應力的性質。通常情況下，鍍層硬度越大，內部殘余應力越大，然而采用雙脈沖電鍍的鍍層硬度大、內部殘余應力小，這進一步說明雙脈沖電鍍工藝在保證鍍層內部組織均勻性方面要好于直流電鍍工藝。

圖5 鍍層表面殘余應力分析

2.3 界面微觀分析

膠點改變了砂輪基體局部表面的屬性，電鍍時磨料/鍍層/導電膠的結合界面可能在磨削過程中成為薄弱環節、產生缺陷，影響鍍層對磨料的把持力。因此，先在鋼基體上依次進行人工點膠、粘接金剛石磨料、雙脈沖電鍍，再在鍍層表面粘接另一金屬塊來制備分析試樣，如圖6a所示。該試樣通過機加工完成基準轉換后，再去除鋼基體即可獲得磨料根部的組織，其SEM照片如圖6b所示，可以看出，磨料/鍍層/導電膠的界面貼合緊密且無明顯缺陷，說明膠點具備導電屬性時，電鍍過程中鎳原子在膠面上的沉積性良好；電沉積作用效果與材料的導電性關系密切，受材料其他屬性影響較小。試樣磨料根部受到機加工的熱/力作用后，鍍層與導電膠之間界面完好、無間隙，這說明兩者界面具有較高的結合強度和較好的耐熱性。導電膠熱固化后的強度較低并具有一定柔韌性，有利于提高界面的結合強度。由此可見，采用導電膠微粘接磨料，電鍍時磨料根部的鍍層能連續生長且組織致密，所以磨料的把持力仍主要依靠鍍層的力學性能及其包埋厚度。

3 磨削試驗

3.1 試驗方法與條件

采用上述圖案制備的磨料有序排布電鍍金剛石砂輪如圖7所示，砂輪直徑260 mm，工作面寬10 mm；金剛石粒度為40目～50目。為考察鍍層對磨料的把持力，采用切入式快速往復干磨削硬質合金YG6工件(長20 mm、寬6 mm)的方法，具體的試驗條件與參數見表1。通過測量磨削力大小，對比砂輪磨削前后表面形貌，判斷鍍層對磨料的把持力。干磨削可避免冷卻液對測力信號的影響，且金剛石磨料在干磨削時承載的熱/力作用相對濕磨更為顯著。

圖7 電鍍有序金剛石砂輪

表1 試驗條件與參數

3.2 試驗結果與分析

選取9組磨削用量進行試驗，ap為0.01 mm、0.02 mm時的單次磨削深度為0.1 mm，ap為0.03 mm時的單次磨削深度為0.3 mm，磨削順序按照磨削深度和進給速度依次遞增，且每組磨削用量進行5次試驗，延長砂輪工作時間，考察磨料把持力。由圖8a可以看出，隨著磨削用量切深ap和工件速度vw的增大，砂輪承載的磨削力逐漸增大；砂輪的最大切向力Fy在85 N左右，最大法向力Fz在170 N左右，砂輪此時的磨削狀態理想，砂輪切削鋒利。圖8b所示為磨削力的原始曲線，Fz的極大值對應最大法向力，Fy的極小值對應最大切向力，慣性力Fp(Fy曲線除極小值外的力)是由工作臺往復運動時出現加速度巨大變化而產生的“幻象”力。此外，從單組試驗的磨削力峰值變化上看，較小的波動和差異反映出砂輪在磨削過程具有良好的加工穩定性。砂輪表面同一位置在磨削前后的表面形貌如圖9所示，可以看出，金剛石磨料在磨削過程并沒有脫落，這說明鍍層對磨料具有足夠大的把持力。鍍層的力學性能和包埋厚度仍是決定磨料把持力的關鍵因素，而磨料根部微區是否存在薄弱的結合界面不會對磨料把持力造成較大影響。此外，對于一個膠點固結有兩三顆磨料的情況，由于磨料間存在間隙，同時膠點位置的鍍層能連續生長且組織致密，因此鍍層仍能夠牢固地把持住磨料。

(a)不同磨削用量下的磨削力變化規律

(a)磨削前

4 結論

(1)采用模具在砂輪基體工作面有序點膠、隨后上砂粘接金剛石磨料的方法，制備了與設計樣式一致的磨料有序排布的電鍍砂輪。

(2)相對于直流電鍍工藝，雙脈沖電鍍工藝制備出的鍍層顯微硬度更大、殘余應力更小。電鍍時，鍍層能在導電膠上連續生長，磨料/鍍層/導電膠的結合界面無明顯缺陷。

(3)快速往復干磨削YG6的試驗證實了制備的磨料有序排布電鍍砂輪對金剛石磨料具有較大的把持力，且磨削過程穩定。