超硬磨具發(fā)展情況

栗正新

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450001)

河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，具備國內(nèi)超硬材料及制品和磨料磨具工程兩個本科專業(yè)方向，和磨料磨具、超硬材料、高溫材料等團隊。1956年成立以來針對先進磨料磨具、高端超硬材料制品等方面的前沿技術(shù)和科學(xué)問題開展研究。近五年獲得河南省科技進步一等獎2項、發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文120篇、制定國家標(biāo)準(zhǔn)3項、承擔(dān)國家級課題4項、承擔(dān)河南省重大科技專項3項、授權(quán)發(fā)明專利12項。研究成果同工程應(yīng)用結(jié)合緊密，培養(yǎng)的人才活躍在超硬材料及制品、磨料磨具行業(yè)第一線，為行業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻。

磨削加工是機械加工工藝中的精密和超精密加工環(huán)節(jié)，是一個國家制造能力和水平的標(biāo)志。磨具是磨床的牙齒，其性能和質(zhì)量直接決定磨削加工能力和水平。伴隨著高速、高精、高效和綠色加工發(fā)展趨勢，以金剛石和立方氮化硼為磨料的超硬磨具越來越得到廣泛深入的應(yīng)用，在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、智能化、綠色化方面表現(xiàn)出了出了極大的應(yīng)用潛力。

1 超硬磨具應(yīng)用現(xiàn)狀

自1957和1963年人類工業(yè)化合成金剛石和立方氮化硼以來，超硬磨具的應(yīng)用越來越多。按照結(jié)合劑分類，目前有陶瓷、樹脂、金屬燒結(jié)、金屬釬焊、電鍍等不同結(jié)合劑磨具系列。按照磨具形態(tài)分有固結(jié)、涂附和松散三種超硬磨具。超硬磨具在機械制造、汽車、航空航天、船舶、玻璃、陶瓷、建材、半導(dǎo)體、新能源材料等領(lǐng)域的切割、磨削和拋光領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，滿足了不同場合的加工要求。

樹脂結(jié)合劑超硬磨具具有強度高、彈性好、制造周期短、不耐酸堿、容易老化等特點，多用于硬脆材料的精密磨削和研磨拋光加工，如硅片的倒角和表面磨削，硬質(zhì)合金的磨拋加工等。

燒結(jié)金屬結(jié)合劑超硬磨具具有耐沖擊、耐磨損、長壽命、磨粒把持和磨具形狀保持好的特點，主要用于建材、陶瓷等硬脆材料的加工，是人造金剛石的主要應(yīng)用方向。

釬焊金屬結(jié)合劑磨具具有磨粒出刃高度大、容屑空間充足的特點，適合用于緩進深切磨削黏性金屬材料，如加工鈦合金工件。進來在鑄鐵件的切割、打磨方面的應(yīng)用也越來越多。

陶瓷結(jié)合劑超硬磨具具有自銳性好、強度高、鋒利、耐酸堿、壽命長的特點，特別是陶瓷CBN磨具，廣泛用于鐵系鑄鍛件的加工。在汽車發(fā)動機凸輪軸、曲軸、液壓件、軸承等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

電鍍超硬磨具具有形狀精度高、鋒利、生產(chǎn)效率高的特點，廣泛應(yīng)用于3C行業(yè)玻璃、陶瓷、玉石、砂輪修整等加工領(lǐng)域。尤其是電鍍金剛石線鋸在光伏硅材料、藍寶石材料的切割加工，代替了傳統(tǒng)的硅漿料游離磨料加工方式，顯著提高了加工效率和良品率，為光伏行業(yè)、LED行業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推進作用。

新興的金屬間化合物結(jié)合劑和復(fù)合結(jié)合劑超硬磨具，具備鋒利、形狀保持好、壽命長精度高的特點，代表了超硬磨具的技術(shù)前沿。目前在硅材料的減薄、CNC玻璃加工等領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用，發(fā)展前途廣闊。

磨削加工已經(jīng)發(fā)展到砂輪線速度150 m/s以上的超高速磨削和納米精度階段，對磨具的要求非常高。目前磨具基體的輕量化、近終形狀成型、新型結(jié)合劑、高精度尺寸和形位、超硬磨料的改性是研究的熱點，基礎(chǔ)研究方面包括改善磨粒把持力、增大磨具容屑空間、磨粒出刃高度表征和控制、磨粒有序排布、增材制造等方面。

2 超硬磨具面臨的問題

2.1 難加工材料加工提出的難題

高強度、高硬度、高韌性和脆性材料、復(fù)合材料的加工過程中，存在磨具磨損嚴重、保形難、修整難、加工效率低、廢品率高等問題，例如鈦合金、高溫高強合金、復(fù)合材料、陶瓷、玻璃和非金屬晶體等材料的切磨拋加工。這些問題對超硬磨具的鋒利性、壽命和精度提出了挑戰(zhàn)。包括磨具安全性、組織及硬度均勻性、制造精度及工作層的形狀保持性、動平衡性能、磨削效率、耐用度、使用壽命、工件表面質(zhì)量以及磨具質(zhì)量的穩(wěn)定性等等方面。

2.2 其他磨具和加工方式帶來的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的剛玉、碳化硅磨具的性能也在不斷提升，表現(xiàn)出了極高的性價比。以陶瓷剛玉磨料、堆積磨料、煅燒磨料為代表的新型普通磨具，在磨削加工過程中表現(xiàn)出了良好的自銳性、材料去除能力和形狀保持性，超硬磨具相對高的價格使其在強調(diào)成本的領(lǐng)域競爭優(yōu)勢并不顯著。

水射流加工、磨料流加工甚至激光加工也可實現(xiàn)材料的高效去除，且能夠完成超硬磨具無法完成的工作。這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用對超硬磨具也提出了挑戰(zhàn)。

2.3 超硬磨具自身發(fā)展瓶頸

線速度150 m/s以上的超高速磨削對超硬磨具的性能要求很高，包括基體輕量化、動平衡精度、磨具強度等。目前滿足150 m/s線速度磨削加工的超硬磨具批量生產(chǎn)仍然是個瓶頸，需要深入研發(fā)才能實現(xiàn)。

3000#以細磨料的固結(jié)磨具的制備，尤其是8000#以細的固結(jié)磨具，由于磨料的均勻分散難，保證磨具的密度均勻技術(shù)難度很高，在國內(nèi)仍然面臨較強的技術(shù)瓶頸。

超細的金剛石線鋸對于提高光伏硅材料的良品率和降低成本起著關(guān)鍵作用，(40～50) μm以細的金剛石線鋸制備目前也是個瓶頸。

高精度超硬磨具的修整技術(shù)和工具，尤其是修形，目前同樣處在瓶頸狀態(tài)。

3 超硬磨具發(fā)展方向

滿足高速、高效、高精和綠色的切磨拋加工需求就是超硬磨具制造的發(fā)展方向。具體表現(xiàn)在如下方面。

高速、超高速磨具方面，CBN砂輪實際使用速度可達到150～250 m/s，試驗室速度已經(jīng)有報道達到500 m/s。

高精度方面，超薄切割砂輪的厚度精度達到0.001 25 μm，平行度≤3 μm，磨具的尺寸、形位精度越來越高。

超薄方面，用于集成電路的劃片砂輪厚度已經(jīng)達到0.01 mm，還在朝著更薄的方向發(fā)展。

小深孔磨削用的極小磨具，直徑可達(30～50) μm，還會有更小的磨具出現(xiàn)，滿足特殊加工需求。

高效率的雙端面磨削技術(shù)配套磨陶瓷結(jié)合劑磨盤的工作面直徑已經(jīng)達到1 200 mm，還會有更大的磨具出現(xiàn)，滿足高效率加工的需求。

超細磨料磨具方面，12 000#硅片背面減薄砂輪已經(jīng)投入使用，還會有更細粒度的超硬磨具出現(xiàn)，滿足高精度的加工需求。

磨具的耐用度方面，性能不斷提高，兩次修整間隔能夠磨削工件個數(shù)越來越多，將會出現(xiàn)不需修整的超硬磨具，使用壽命更長，滿足高效率加工的需要。

結(jié)合劑方面，樹脂-金屬復(fù)合結(jié)合劑、金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑、陶瓷金屬結(jié)合劑等新型結(jié)合劑將會不斷得到應(yīng)用，以滿足高精度磨削的需要。

成型和燒結(jié)技術(shù)方面，近終尺寸成型技術(shù)、等靜壓成型技術(shù)、熱等靜壓成型、微波燒結(jié)技術(shù)將會得到應(yīng)用，從而制備高性能的超硬磨具。

4 本期論文點評

微波誘發(fā)熱爆法制備鈦鋁碳結(jié)合劑金剛石復(fù)合材料

代 振, 等; 第4頁

陶瓷結(jié)合劑磨具發(fā)展迅速，廣泛用于陶瓷材料的磨削加工中，但其脆性大、結(jié)合劑和磨粒結(jié)合弱的缺點限制了陶瓷結(jié)合劑磨具的進一步推廣應(yīng)用。

代振等使用微波誘導(dǎo)熱爆技術(shù)，從復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部開始自蔓延高溫?zé)Y(jié)，燃燒波方向與氣體方向一致，有利于形成均勻的孔隙結(jié)構(gòu)。這個方法對制備高性能陶瓷結(jié)合劑磨具具有一定的參考價值，生成的物相有力地把持住了金剛石，對提高磨具壽命有較大作用。該技術(shù)目前相關(guān)研究數(shù)據(jù)較少，且距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有一段距離。后續(xù)可以針對各種可能的物質(zhì)組成和工藝參數(shù)進行試驗，積累相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)最優(yōu)性能。

熱力耦合下軸向旋轉(zhuǎn)熱管砂輪的強度分析

姜華飛, 等; 第9頁

熱問題是磨削技術(shù)的主題，尤其鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料的磨削，在高效成型磨削加工過程中出現(xiàn)磨削高溫導(dǎo)致的工件表面燒傷等問題是個難題，南京航空航天大學(xué)的研究團隊率先將熱管傳熱冷卻技術(shù)引入到磨削加工中，設(shè)計出具有熱管結(jié)構(gòu)的砂輪,通過熱管將磨削弧區(qū)產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)出去來控制磨削溫度,具有很好的創(chuàng)新性。

該文介紹了ANYSYS軟件對熱管砂輪的熱力耦合有限元分析過程和結(jié)論，以及試驗驗證的結(jié)果，研究方法先進，具有較高的參考價值。

單層CBN砂輪感應(yīng)釬焊溫度的優(yōu)選方法研究

李奇林, 等; 第17頁

經(jīng)驗法仍然是目前超硬磨具創(chuàng)新過程中的主要手段，把數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到研究過程中可以有力推動新產(chǎn)品的研發(fā)。

該文提出一種以釬焊溫度為自變量,以砂輪鋒利度和砂輪壽命性能指標(biāo)為目標(biāo)的數(shù)學(xué)評價模型，具有很好的科學(xué)性、創(chuàng)新性和參考價值。

金剛石工具用適配型CuSnZnNi預(yù)合金粉末的研制

于 奇, 等; 第23頁

預(yù)合金粉作為金屬燒結(jié)金剛石制品的結(jié)合劑具有把持力高、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、燒結(jié)溫度低等優(yōu)點，應(yīng)用將會越來越廣泛。

該文探討了在 CuSn合金中添加Zn、Ni元素，研制 CuSnZnNi預(yù)合金粉,克服 CuSn10合金硬度低,對金剛石把持力弱,通用性欠佳等問題，具有很好的創(chuàng)新性，對促進高性能金剛石工具的制備有較高的價值。