金屬結(jié)合劑金剛石磨輪的隨機(jī)修整技術(shù)

沈 斌，沈文達(dá)

（1.蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215009；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州分院，江蘇 蘇州 215000；3.蘇州新達(dá)高新技術(shù)應(yīng)用研究所，江蘇 蘇州 215000）

超硬材料（Superhard Material）是硬度特別高的材料，可分為天然以及人造2 種，前者主要包括天然的鉆石（金剛石）、黑鉆石，后者則包括聚合鉆石納米棒（ADNR）、化學(xué)氣相沉積金剛石（CVDD）、工程陶瓷、硬質(zhì)合金等。超硬材料由于具有優(yōu)良的耐熱性、耐磨性、抗腐蝕、抗高溫蠕變等許多卓越的工程應(yīng)用性能，日益成為當(dāng)今各個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的新穎材料。但超硬材料在加工過程中受工藝限制，不能獲取準(zhǔn)確的幾何尺寸，易裂、硬脆、硬韌又增添了加工的難度。為此，許多發(fā)達(dá)國(guó)家把開發(fā)超硬材料的加工方法列為重要的研究?jī)?nèi)容[1]。

現(xiàn)今人們主要使用金屬結(jié)合劑金剛石磨輪加工超硬材料。金屬結(jié)合劑金剛石磨輪以金剛石磨料為原料，分別用金屬粉、樹脂粉、陶瓷和電鍍金屬作為結(jié)合劑，制成的中央有通孔的圓形固結(jié)磨具被稱作金剛石磨輪（合金磨輪）。在結(jié)構(gòu)上與普通磨輪有所不同，一般由金剛石磨料層、過渡層與基體組成。工作層又稱金剛石層，由磨料、結(jié)合劑和填料組成，是磨輪的工作部分。過渡層又稱非金剛石層，由結(jié)合劑、金屬粉和填料組成，是將金剛石層牢固地連接在基體上的部分。基體，用于承接磨料層，使用時(shí)用法蘭盤牢固地夾持在磨床主軸上。一般金屬結(jié)合劑制品選用鋼材、合金鋼粉作基體；樹脂結(jié)合劑選用鋁合金、電木作基體。由鋁、鋼或電木加工而成，起支撐工作層和裝卡磨具的作用。磨輪成型質(zhì)量的好壞和使用精度的高低都與基體有很大關(guān)系[2-5]。

由于金剛石磨料所具有的特性和優(yōu)勢(shì)，使金剛石磨輪成為玻璃、陶瓷、寶石、石材等硬脆材料及硬質(zhì)合金磨削加工的理想首選工具。隨著時(shí)代的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展、社會(huì)的需要、新型材料的研制，磨削加工向高質(zhì)量、高精度、高效率、自動(dòng)化方向不斷發(fā)展，金剛石磨輪起的作用越來越明顯，金屬結(jié)合劑金剛石磨輪對(duì)磨粒的把持強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、磨耗少，使得金剛石磨輪在高速和超高速高效高精度磨削加工中充分發(fā)揮其耐磨性切削能力強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其在硬脆難加工材料中更突顯其明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用廣泛。金剛石磨輪在工業(yè)各部門各領(lǐng)域幾乎都有應(yīng)用，如航空航天、模具制造業(yè)、半導(dǎo)體制造業(yè)、光學(xué)加工制造業(yè)等行業(yè)。陶瓷材料、光學(xué)材料、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、硅片制品等多用金剛石磨輪磨削[5]。

1 超硬材料磨加工現(xiàn)狀及存在問題

工程陶瓷是典型的硬脆材料，在使用金屬結(jié)合劑金剛石磨輪磨加工時(shí)，磨輪損耗快且不易修整；較大的磨削力對(duì)機(jī)床的剛度要求也高；粗粒度磨輪易造成陶瓷表面裂紋，使其強(qiáng)度下降；微細(xì)粒度磨輪，金剛石鋒刃高度低，容屑空間小，易堵塞，使磨加工無法進(jìn)行。

硬質(zhì)合金（如YG20）屬硬韌材料，在使用金屬結(jié)合劑金剛石磨輪加工時(shí)，容易發(fā)生堵塞，特別是鑄鐵纖維結(jié)合劑磨輪，在電火花成型加工時(shí)，就顯得特別難修，耗時(shí)太多；用來磨硬質(zhì)合金，堵塞更嚴(yán)重，加工被迫中止。

目前，工程陶瓷、硬質(zhì)合金等材料的主要應(yīng)用加工面為平面和柱面。選用金屬結(jié)合劑金剛石磨輪進(jìn)行磨加工，仍然是最主要、最有效的手段之一。

2 金屬結(jié)合劑金剛石磨輪的成型修整技術(shù)概述

基于粉末冶金技術(shù)制造的金屬結(jié)合劑金剛石磨輪的成型修整，是“整形”和“修銳”的總稱。“整形”是用確定的旋轉(zhuǎn)使用面實(shí)現(xiàn)所需的形狀，“修銳”則使磨輪表面的磨粒暴露出來，產(chǎn)生鋒利的磨削面。

修整的方法主要為用金剛石修整器修整、機(jī)械成型修整、電化學(xué)成型修整、電火花成型修整，還有各種不同的分類方式及表述方法。

采用電火花方法成型修整金屬結(jié)合劑金剛石磨輪與上述3 種方法相比較，具有成型精度高、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因而在冶金、建材、汽車玻璃等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本文的研究項(xiàng)目是邊磨加工、邊放電修整磨輪[6-9]。

3 電火花隨機(jī)修整專用裝置的研制

脈沖電源參數(shù)：主電壓120 V（抽頭90 V）；電流5 A；脈寬4～160 μs，脈間3～120 μs，分檔調(diào)節(jié)；輸入電壓220 V（交流），輸入功率300 W；外型尺寸為長(zhǎng)360 mm、寬440 mm、高179 mm，攜帶方便（本電源由蘇州新達(dá)高新技術(shù)應(yīng)用研究所研制）。使用中注意較小的脈寬對(duì)延長(zhǎng)砂輪的壽命有益，隨機(jī)修整脈沖電源如圖1 所示。試驗(yàn)裝置示意圖如圖2 所示。

圖1 隨機(jī)修整脈沖電源照片

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

工具電極選紫銅（銅鎢合金價(jià)貴）；再配制專用的電極架，裝在磨床磨輪軸正上方；電極連接脈沖電源負(fù)極，工件磨輪連電源正極（即正極性加工）。

專用工作液：經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，確定選用復(fù)合固體皂化液，以1∶30 配比稀釋使用（供應(yīng)商為蘇州電加工機(jī)床研究所）；該液含多種陰離子導(dǎo)活性劑，具有較高的電導(dǎo)率和微弱的水電解作用，以及清洗、排屑、防銹作用。

4 隨機(jī)修整金屬結(jié)合劑金剛石磨輪的試驗(yàn)研究[10-15]

4.1 試驗(yàn)條件

機(jī)床為M7120A 臥式矩臺(tái)平面磨床，電機(jī)容量為3 kVA，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min；工件為硬質(zhì)合金YG20、99 瓷、三氧化二鋁；電極形狀為平口、R、雙R 形狀。硬質(zhì)合金工件成品（雙R）實(shí)物如圖3 所示。

圖3 硬質(zhì)合金工件成品（雙R）實(shí)物照

4.2 電火花隨機(jī)修整磨輪消除堵塞的試驗(yàn)

實(shí)例1：工件為硬質(zhì)合金YG20，直徑為68.78 mm，厚12 mm，表面不平；磨輪為青銅結(jié)合劑金剛石磨輪，直徑為250 mm；內(nèi)孔為75 mm。

開啟磨床，按正常磨平面加工，每次進(jìn)刀0.01 mm；當(dāng)累計(jì)進(jìn)給量為1.55 mm 時(shí)，磨輪轉(zhuǎn)速變慢，堵塞嚴(yán)重，聲音異常，快停轉(zhuǎn)時(shí)，馬上開啟隨機(jī)電火花修整電源，數(shù)分鐘后，磨削阻抗迅速下降，磨輪轉(zhuǎn)速加快，又回歸正常磨加工狀態(tài)。將每次的進(jìn)刀量加大至0.03～0.04 mm，累計(jì)進(jìn)給量為8.53 mm 時(shí)，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。顯然電火花隨機(jī)修整解決磨輪的堵塞十分有效，它降低了磨削阻力，抑制了切削力的增加，可使磨輪始終處于鋒利的狀態(tài)，減少了磨輪的損耗，這種磨削加工方式具有普遍的推廣意義。

4.3 青銅結(jié)合劑金剛石磨輪的磨削試驗(yàn)

實(shí)例2：磨輪直徑為250 mm，內(nèi)孔為75 mm，厚23 mm，稱重3 387.503 g；工件為99 瓷8 片，直徑為52 mm，厚6 mm，總稱重370.450 g；三氧化二鋁2 塊，尺寸為210 mm×51 mm×21 mm、208 mm×48 mm×23 mm，總稱重1 689.797 g。

磨削進(jìn)給0.15～0.20 mm/次，工作臺(tái)移速為12 m/min，工件總?cè)コ繛? 672.996 g，磨輪損耗3.195 g，耗時(shí)68 min（由機(jī)械部電加工機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心提供報(bào)告）。邊磨削邊修整磨輪，實(shí)現(xiàn)了快進(jìn)給高效磨加工。

實(shí)例3：工件為平板玻璃，尺寸為200 mm×200 mm×6 mm；每次磨削進(jìn)給量為0.03 mm，磨削中冷卻沖洗尤為重要，可防止表面過熱；總進(jìn)給量為7.80 mm，加工時(shí)間為20 min。

4.4 平面異形工件的精密磨加工

實(shí)例4：磨輪為青銅結(jié)合劑金剛石磨輪，尺寸為250 mm×75 mm×23 mm，粒度為100/120，電極為雙R 形狀，矢高2 mm，稱重3 379.427 g；工件為硬質(zhì)合金YG20，尺寸為134.88 mm×32 mm×11.80 mm，總稱重692.647 5 g。

磨削切深2.47 mm，加工時(shí)間為62 min，磨削去除量為42.80 g，磨輪損耗36 mg，精度符合要求，光潔度達(dá)11 級(jí)（由機(jī)械部電加工機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心提供報(bào)告），若更換細(xì)粒度磨輪繼續(xù)磨削，加工表面可達(dá)鏡面。

4.5 磨削工藝特點(diǎn)

4.5.1 生產(chǎn)率與砂輪損耗

電火花隨機(jī)修整最明顯的優(yōu)點(diǎn)是迅速解決堵塞，同時(shí)可加大進(jìn)刀量。如磨削硬質(zhì)合金時(shí)，原來每次進(jìn)給0.01 mm，修整開啟后可加大至0.04 mm/次，提高了生產(chǎn)率。因?yàn)殡娀鸹ㄎg除作用對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的砂輪的蝕除量?jī)H幾微米，蝕除的是結(jié)合劑，不可能增加磨輪的損耗；相反，堵塞的磨輪在持續(xù)磨加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加損耗。

4.5.2 加工精度

機(jī)械式修整磨輪的特點(diǎn)是結(jié)合劑與金剛石表面是一致的，并且金剛石顆粒的鋒面也在修整中被磨平，所以這種修整方式修磨過的磨輪是不鋒利的，但優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)圓弧面尺寸一致。

利用電加工方式修整磨輪的特點(diǎn)正好相反，電火花蝕除了結(jié)合劑，使金剛石顆粒的鋒面露出來，增加了容屑空間，所以磨輪特別好用。但在整個(gè)圓周面上，由于使用的是1～2 個(gè)粒度規(guī)格的金剛石，造成突出于磨輪的加工面尺寸不一致，或許存在個(gè)別大顆粒金剛石偶爾會(huì)劃傷電極，會(huì)破壞被磨工件的表面質(zhì)量。但在允許范圍內(nèi)金剛石顆粒間的大小差異本身不大，并且在圓周上分布的概率應(yīng)該相同，因此不會(huì)影響磨加工精度和表面質(zhì)量，只要選擇較細(xì)的金剛石，就可在異型加工面上達(dá)到鏡面效果。

5 結(jié)論

金屬結(jié)合劑金剛石磨輪磨削超硬材料平面時(shí)，選用專用水基工作液，配上隨機(jī)修整脈沖電源，邊磨削邊修整磨輪，能有效地消除堵塞，降低磨削阻力，也降低了對(duì)磨輪的選擇要求，可達(dá)到快速、高效、低耗的使用效果。

在普通的平面磨床（不必是數(shù)控機(jī)床）上，采用成型電極和電火花隨機(jī)修整加工工藝，對(duì)超硬材料進(jìn)行異型精密的平面磨削，能為廣大用戶提供高質(zhì)量的功能表面、復(fù)雜的型面和準(zhǔn)確的尺寸。

采用細(xì)粒度金剛石的金屬結(jié)合劑磨輪和隨機(jī)修整脈沖電源，配上專用水基工作液，可對(duì)超硬材料實(shí)現(xiàn)高精度的鏡面加工。