金属结合剂砂轮的类型与修整方法

1　引言

目前, 使用超硬微细磨料砂轮(金刚石砂轮、CBN砂轮)磨削加工是硬脆难加工材料获得高精度的高效加工方法。金属结合剂砂轮因其具有磨粒把持力强，结合强度高、耐磨性好、寿命长、能承受较大的磨削压力等特点，成为高性能硬脆材料精密、超精密高效磨削中应用最广泛的超硬磨料砂轮。但是金属结合剂砂轮的自锐性差、砂轮表面容易堵塞、在磨削加工中易造成工件表面烧伤等表面损伤, 影响工件的加工质量;而且修整比较困难, 磨粒出刃难、出刃后出露度难以保持。为解决金属结合剂砂轮在精密磨削加工中的缺陷, 国内外对金属结合剂砂轮的制备、结合剂配方设计、修整方法等方面进行了不断的研究。

2  金属结合剂砂轮类型

金属结合剂砂轮按制造方法可分为:烧结金属结合剂砂轮、电镀金属结合剂砂轮、单层钎焊金属结合剂砂轮。烧结金属结合剂砂轮使用较普遍, 电镀金属结合剂砂轮只能用于磨削负荷较小的场合, 单层钎焊金属结合剂砂轮是处于研制开发中的一种新型金属结合剂砂轮。

2.1　烧结金属结合剂砂轮

烧结型金属结合剂砂轮多以青铜和铸铁等金属作为结合剂, 用高温烧结法制造, 其结合强度高, 成形性好, 耐高温, 导热性和耐磨性好, 使用寿命长,可承受较大的负荷。传统的烧结型金属结合剂砂轮存在磨粒分布不均等问题, 王春华等人采用直接混合法和包裹法烧结制备的SiC磨料金属结合剂磨具, SiC颗粒分散更均匀。南京航空航天大学的肖冰针对目前金属结合剂金刚石磨具采用机械混料的方式造成的磨粒分布不均、效率低、结合剂与金刚石易烧伤等不足, 进行了多层磨料均布技术的研究。为了避免金属结合剂金刚石砂轮烧结时容易造成金刚石的氧化或其它对金刚石的损害, 以及金刚石磨粒和结合剂粘接性能的降低, Ihara开发了一种用金属层涂覆金刚石磨粒及多个涂覆金属层的磨粒粘结在一起形成凝聚团的金刚石砂轮结构。

2.2　多孔金属结合剂砂轮

传统的金属结合剂砂轮结合剂比较密实, 砂轮中气孔很少或几乎没有气孔, 大大影响了砂轮的磨削性能和效率, 而且修整比较困难。为改善金属结合剂砂轮的磨削及修整能力, 日本Ritsumeikan大学研究人员Tanaka等人在1992年提出了多孔金属结合剂金刚石砂PMBDW (Porous Metal- Bonded Diamond Wheel), 将孔隙结构引入金属结合剂砂轮, 以获得磨料易出刃、易修整修锐, 使用方便等优点。日本学者Onishi、Tomino和Trong等人分别发展了多孔金属结合剂金刚石砂轮热等静压法(Hot isostatic press)、通电烧结法(pulse electric current sintering)和真空烧结法。南京航空航天大学和华侨大学的研究人员对金属结合剂多孔砂轮的研制、磨削性能等方面进行了深入的研究。

2.3　电镀金属结合剂砂轮

电镀金刚石砂轮通常以镍或镍合金做镀层金属。由于精度高, 电镀砂轮广泛应用于高速、超高速磨削精密磨削。为了简化电镀金刚石砂轮的制作方法和调节砂轮工作表面上金刚石磨粒的浓度, 发明提出, 金属结合剂的厚度低于金刚石磨粒高度的1/2, 所用填料尺寸是金刚石磨粒尺寸的1.5～5.0倍。于爱兵等人对超声波电镀金刚石砂轮进行了电镀过程测试、磨粒密度测试等研究, 以获得合理超声波电镀工艺, 提高电镀金刚石工具的性能。

2.4　单层钎焊金属结合剂砂轮

为了克服电镀金属结合剂砂轮结合强度差、磨粒易脱落等缺点, 设法增大金属结合剂对磨粒的把持力,提高砂轮的结合强度。国内外学者在90年代初开始研究用钎焊代替电镀开发单层高温钎焊超硬磨料砂轮。Trenker利用活性钎料和镍基钎料的真空炉中钎焊方法实现了金刚石与基体的牢固结合, 大大提高了金刚石工具的强度、性能和寿命等。

立方氮化硼(CBN)的化学稳定性特高, 对其进行钎焊比金刚石钎焊更加困难。肖冰等人利用Ni-Cr和Ag-Cu-Ti两种活性钎料, 在真空炉中钎焊的单层钎焊CBN(立方氮化硼)磨料砂轮, 提高了磨料结合强度和砂轮寿命。杨志波等人采用激光钎焊的方法,对金刚石磨粒进行钎焊实验研究分析, 指出, 钎焊过程中元素在结合处相互扩散形成化学冶金结合, 是实现Ni-Cr合金层与钢基体有较高结合强度的主要因素。

2.5　金属结合剂添加元素

为增强结合剂对磨粒的把持力, 以及砂轮的结合强度、磨削性能、机械性能、寿命等, 可以在金属结合剂中添加强碳化物形成元素、稀土元素及其它元素等。研究表明, 加入稀土元素La、Ce, 可以提高金刚石和胎体的结合力、胎体的机械性能、金刚石的出刃高度以及改善金刚石工具的自锐性等作用。为满足金属结合剂砂轮性能要求, Luciano等人提出在胎体材料中加入Si(<2wt.%)等其它元素, 可以提高胎体的耐磨性和对金刚石磨粒的把持力。Truong等人在Ni-Cu结合剂中添加Sn后真空烧结的金刚石砂轮, 磨料间结晶物组成的结合剂架桥生成的现象更为显著。在青铜基结合剂中添加Co、Cr等强碳化物形成元素, 一定程度上可以改善金属胎体与金刚石磨粒的结合状况。

3　金属结合剂砂轮修整

金属结合剂砂轮的修整技术一直是其研究重点。各国学者竟相开发金属基金刚石砂轮的修整新技术,主要修整方法如下:

3.1　在线电解修整法(Electrolytic in-process dressing,ELID)

1985年Murata首先提出了在线电解修整法(Electrolytic in-process dressing, ELID)技术, 并且使用磨粒网格尺寸为400#金属结合剂金刚石砂轮磨削了陶瓷等硬、脆材料。1990年日本理化学研究所的大森整(OHMORI)利用ELID成功的解决了铸铁基砂轮修锐的难题, 而且利用ELID使得超微细金刚石砂轮(粒径为几微米到5nm)能用于硬、脆材料的镜面磨削。Islam等人用粒度为8000目铸铁结合剂金刚石砂轮进行在线修整实验研究, 研究了电流对磨削性能的影响。此外, 国内如哈尔滨工业大学、西北工业大学、湖南大学和天津大学等许多高校和研究机构的研究人员对在线电解修整技术进行了广泛深入的研究, 促进了在线电解修整技术在陶瓷、光学玻璃和航空航天等领域的应用。

3.2　电火花法修整EDM (Electron Discharge Machining EDM)

电火花法修整EDM (Electron Discharge Machining EDM)是通过在电极与旋转的金属结合剂金刚石砂轮之间利用热能或者电火花来去除砂轮表面多余的金属材料, 来达到修整砂轮的目的。清华大学王先逵等人对青铜结合剂金刚石砂轮的电火花整形方法进行了研究, 讨论了脉冲电源电压、脉冲电源限流电阻、电源脉冲频率、脉冲占空比、砂轮转速、砂轮初始偏心量等因

素对整形速度的影响。Miller等人采用EDM技术修整金属基结合剂金刚石砂轮, 得到了良好的金刚石磨粒出刃高度。日本学者岩井田等人对金刚石砂轮进行EDM修整, 并对BK7玻璃进行磨削试验, 得到了Rz=7μm的表面粗糙度。天津大学高大晓等人以去离子水作为放电介质, 用电火花技术对铸铁基精密金刚石砂轮进行整形, 得到砂轮的圆度为0.75μm, 锥度误差小于0.5μm。

3.3　在线电火花砂轮修锐(In-process electro-discharge dressing,EDD)

在线电火花砂轮修锐(In-process electro-discharge dressing,EDD)技术是Suzuki和Uematsu首先提出的一种超硬磨料砂轮修整技术。它是利用旋转砂轮与工具电极之间产生脉冲火花放电的电腐蚀现象来蚀除砂轮表面的金属结合剂, 使金刚石磨粒有效地暴露出来, 以达到整形和修锐目的。为消除对专门电刷和绝缘主轴的要求, Suzuki和Tamaki等人分别提出了“双电极法”和“旋转电极法”, 使电火花修整逐渐应用到实际中来。西班牙研究人员Sanchez等人采用单电级电火花放电法实现了对金属结合剂CBN砂轮的修整。相关研究表明:采用雾喷射电火花放电修整技术修整金属结合剂超硬磨料砂轮, 可获得很好的表面形貌和磨削性能。

3.4　接触式放电修整法(Electro-contact discharge dressing, ECDD)

接触式放电修整法(Electro-contact discharge dressing, ECDD)是Tamaki和Kondoh在1999年首先提出的。它利用砂轮的金属结合剂与金属切屑接触, 构成电流回路, 产生瞬间放电, 局部高温蚀除金属结合剂, 达到对砂轮进行修整的目的。华南理工大学谢晋和日本北见工业大学Tamaki采用接触式放电修整法对600#金刚石砂轮进行修锐, 磨削光学玻璃(BK10)后的Ra达到0.12μm。谢晋和Tamaki对接触式放电修整技术的电解质进行了一系列实验研究, 实验结果证明, 电解质很大程度上决定了接触式放电修整技术的性能。

3.5　气中电火花加工法

气中电火花加工法是由日本的Kunieda和Yoshida在1997年首先提出的, 它利用从管状工具电极中喷射出的高速气流去除已汽化和熔化的工件材料, 同时代替工作液起压缩放电通道限制其扩展的作用, 使放电能量高度集中在极小的区域内, 达到去除结合剂的目的。华南理工大学谢晋等人用气中单脉冲电火花放电实现金属结合剂精密金刚石砂轮的修锐, 产生了较好的砂轮出刃形貌, 改善了磨削表面质量。

3.6　激光修整法

激光修整法是利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于砂轮表面, 在极短的时间内使砂轮局部表面的金属结合剂材料以蒸发汽化和熔融溅射的形式被去除, 在砂轮表面形成容屑空间, 从而达到修整的目的。国外如日本、印度、德国和美国等许多国家的学者很早就开始了对激光修整法的研究, 但最初的研究涉及金属结合剂砂轮较少, 近年来逐渐增多。其中日本的研究较多, 日本学者Kunieda等人利用倍频Nd:YAG激光器对铸铁基金刚石砂轮进行了修锐实验研究。日本Kanazawa大学的Hosokawa等人用YAG脉冲激光对青铜结合剂金刚石砂轮进行修整, 可实现对金刚石砂轮进行有效、可靠的去除修整。湖南大学陈根余等人用声光调QNd:YAG激光器对青铜结合剂金刚石砂轮进行微加工烧蚀修整试验, 获得了激光功率密度、平均功率、脉冲重复频率对烧蚀凹坑深度的影响规律。

3.7　超声震动修整法

超声震动修整法是保加利亚工学院学者提出.它是利用超声的能量, 驱动工具端面作超声振动, 迫使混油磨料中的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面, 把加工区域的材料粉碎成很细的微粒, 从材料上打击下来。基于单一纵振动源驱动的超声椭圆振动原理的基础上, 高国富等人采用椭圆超声波辅助机械修整技术, 进行金属结合剂金刚石砂轮快速精密修整的技术研究, 选择合理的修整参数, 可以实现细粒度金刚石砂轮的低成本快速修整。赵波等人对

新型椭圆超声振动修整技术影响因素的研究, 实验研究证明, 椭圆超声振动修整技术的修整力较小, 且随着超声振动功率的增大而下降。

3.8　其它修整方法

此外还有气中放电辅助修整技术、雾喷射放电修整(Mist-jetting Electrical Discharge Dressing)以及旋转金刚石修整工具修整等金属结合剂砂轮的修整方法。

4　结束语

总之, 随着技术创新与高科技产品的不断涌现, 结构陶瓷、光学玻璃、光学晶体、单晶硅等新型先进陶瓷材料, 以其优良的物理及光、电、磁等性能,成为高精密机械、航空航天、军事、光电信息发展的基础之一。而使用金属结合剂超硬微细磨料砂轮磨削加工是这些硬脆难加工材料获得高精度的高效加工方法。因此对于提高砂轮的强度、研磨效率、精度保持性、耐用度和研究新的修整技术仍是金属结合剂砂轮的发展主要研究方向。