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金屬結合劑金剛石砂輪制造技術新發展

日期: 2019-06-12    來源:浙江工業大學科學技術研究院

  摘要:

  提高砂輪壽命和磨削效率是金屬結合劑金剛石砂輪制造研究的關鍵問題。本文綜述了金屬結合劑對金剛石磨料把持能力增強、砂輪修整修銳能力改善兩方面的進展,介紹了高溫釬焊技術應用與砂輪地貌優化研究的成果,在分析現有技術缺陷的基礎上,提出了以高溫釬焊技術為核心結合砂輪設計思想的創新制造金屬結合劑超硬磨料砂輪換代產品的思路和構想。

  關鍵詞:

  砂輪;金剛石;金屬結合劑;釬焊;砂輪地貌;把持能力

  工具壽命與加工效率是金屬結合劑金剛石砂輪的主要性能指標。就影響因素而言,金屬結合劑對金剛石磨料的把持能力的強弱是影響工具壽命的關鍵因素,金屬結合劑金剛石砂輪難以修整修銳是加工效率提高的重要障礙。

  本文在綜述金屬結合劑對金剛石磨料把持能力增強、砂輪修整修銳能力改善兩方面進展的基礎上,介紹了高溫釬焊技術應用與砂輪地貌優化研究的成果,提出以高溫釬焊技術為核心結合砂輪設計思想的創新制造金屬結合劑超硬磨料工具換代產品的思路。

  1、結合劑對磨料把持能力增強

  在傳統的金屬結合劑金剛石燒結砂輪的制造中,主要采取兩類工藝措施來實現磨料把持能力的增強。一是直接在燒結原料中添加活性的Ti(TiH2)、Cr、稀土元素等,二是通過金剛石表面金屬化,在磨料表面鍍上Ti、Cr等活性金屬或它們的合金鍍層,通過它們在高溫燒結過程中與金剛石磨料和金屬結合劑的反應與擴散,達到在磨料和金屬結合劑間形成化學冶金結合,提高金屬結合劑對磨料的把持能力。雖然不同的研究者采用了不同的金屬結合劑配方,所測得的試驗數據有所差異,但試驗結論基本一致,即這些工藝措施可提高結合劑對磨料的把持強度。

  在其增強機理研究中,多數研究者通過多種微觀分析方法,觀察到在金屬結合劑中活性元素分布不均衡現象,即在金剛石周圍微區活性元素富集,而隨離金剛石表面距離的增大,活性元素含量急劇下降,同時X射線衍射的物相分析也探測到了活性元素形成的碳化物的存在。據此推斷這些活性元素與金剛石發生化學反應,生成碳化物,通過這些碳化物作為過渡層,改善金屬結合劑對金剛石磨料的潤濕,使金剛石磨料與金屬結合劑形成化學冶金結合。此雖為目前比較普遍一致的觀點,但僅是一種推斷,未真正觀察到金剛石表面的碳化物過渡層及其結構形態。

  2、砂輪修整修銳能力改善

  金屬結合劑金剛石燒結砂輪都為密實型,在其制造中為了追求對磨料的高把持力,普遍將其致密度作為衡量砂輪制造質量的重要指標。由于金屬結合劑金剛石砂輪的高致密化,造成其使用之初和磨損后的整形和修銳困難。

  相對于ELID在線修整技術以及近年發展起來的激光修整技術等,如果從砂輪的本身著手,來改善金屬結合劑金剛石砂輪的修整修銳能力,顯然具有事半功倍的效果。

  國內有研究者提出通過調控金屬結合劑配方使其具有與金剛石磨料相匹配的磨損速度,以保證在磨削過程中結合劑適當磨損,新磨粒不斷出露,獲得砂輪的自銳能力。由于被加工材料和金剛石品級的多樣性以及金屬結合劑調控范圍有限,該種工藝方法在應用上有局限性。

  日本T.Tanaka為改善金屬結合劑金剛石砂輪的修整修銳能力,提出了一種創新思路并嘗試開發了一種新型砂輪——多孔金屬結合劑金剛石砂輪。將多孔陶瓷結合劑砂輪的孔隙結構引入金屬結合劑砂輪,以獲得其磨料易出刃及修整修銳方便的優點。這一創新性思路的提出和實踐,拓寬了金剛石磨具制造研究領域,其后經過日本H.Tomino與S.H.Truong等人的工作,發展了通電燒結、熱等靜壓燒結、真空燒結等多種制造方法并對其制造工藝、孔隙率控制、磨削性能進行了研究,對該新型砂輪有了進一步的認識。

  首先,該類砂輪的磨料易出刃、砂輪易修整修銳的優點獲得了研究者的充分肯定與認同。這是由于其具有類似多孔陶瓷結合劑砂輪的組織結構所必然具有的優勢,也解決了致密金屬結合劑金剛石砂輪無法用傳統整形方法進行修整的難題。尤其值得注意的是將孔隙引進金屬結合劑金剛石砂輪,不但使砂輪的修整修銳能力得到改善,更擴大了砂輪的容屑空間,這是這類新型金剛石砂輪使用性能提高的基礎。

  其次,在該類砂輪應用于精密磨削的試驗研究中,表現出如下特點:磨削比與孔隙率的關系存在極值,孔隙率約為25%時,磨削比最大,磨削比能隨孔隙率增加而下降,孔隙率達到25%以后,磨削比能下降平緩,結合劑強度的提高和結合劑脆性的改善有助于工件去除量的提高。

  3、高溫釬焊技術應用

  高溫釬焊金剛石單層砂輪從根本上改善了磨料與結合劑的結合強度,被普遍認為是單層電鍍金剛石砂輪的換代產品。我們于九十年代中后期在國內率先對該項技術進行了廣泛的研究,采用的主要工藝過程為用活性的Ni-Cr合金或Ag-Cu合金添加Cr粉,通過高溫釬焊工藝制造單層釬焊金剛石磨料砂輪。研究表明,高溫釬焊所提供的界面結合強度如此之高,以致僅需將結合層厚度維持在磨粒高度的20%——30%的低水平上,就足以在大負荷的高速高效磨削中牢固地把持住磨粒。研制的該類工具在對一般超硬磨料工具難以加工的裝甲復合板(厚度12mm,包括裝甲陶瓷5mm和凱福拉7mm)進行鋸切和鉆孔的加工中,表現出卓越的性能,被加工表面光滑平整,無缺口與崩邊。被加工后的裝甲復合板見圖1。

  研究該類砂輪金屬結合劑與磨料的界面結合機制,回答該工藝如何能夠提供金屬結合劑對磨料的超強把持力,是擴大其在各類金屬結合劑金剛石砂輪制造中應用的基礎。我們在該類砂輪的釬焊機理研究中不僅觀察到化合物形成元素在磨料周圍微區的富集現象,更觀察到了化合物過渡層的結構和形態。圖2即為拍攝到的Ni—Cr合金釬焊金剛石磨料界面生成物形態及分布特征的SEM照片,生成物的定點成分分析結果見表1。所生成的碳化物為兩種,內層條片狀的為Cr3C2,外層細棱柱條為Cr7C3。通過這兩層Cr的碳化物,金剛石與Ni-Cr合金形成化學冶金結合。其中金剛石表面原位生長的Cr3C2在與金剛石本身具有強冶金結合的同時擴大了磨料與金屬的結合面積,而網狀結構的Cr7C3可以在磨料與釬料之間發揮類似于金屬基復合材料的纖維增強作用。正是由于高溫釬焊可以在金剛石界面上生長出圖2所示結構的碳化物過渡層,就有條件可以將釬焊金剛石界面的結合強度提高到一個為傳統的電鍍或燒結工藝無法企及的水平。

  4、砂輪表面地貌優化

  半個世紀以來,積累的有關砂輪地貌模型以及在此基礎上對磨削過程的建模與仿真的國內外文獻已經浩如煙海,但未見到多少真正可用于指導生產實踐的有價值的成果。究其原因,最根本的恐怕是作為所有這些模型共同基礎的砂輪地貌模型是建立在對具體砂輪表面形貌實際測量的基礎上,而傳統砂輪的磨料分布是無序的,在磨削過程中砂輪表面并不能保持同一的磨粒分布,其隨機性使砂輪地貌模型并不具有普遍適用性。

  基于上述思考,我們提出開發砂輪磨料有序排布技術,實現按照加工要求和磨削用量條件優化設計砂輪地貌或按照加工要求和砂輪地貌優化選擇磨削用量條件的創新思想。在砂輪地貌優化設計理論模型和優化地貌的砂輪制造技術兩方面開展了工作。

  首先,以磨削比能最小為優化目標,以表面粗糙度、容屑空間和磨削弧區平均熱流密度為約束條件,建立了砂輪地貌優化的理論模型,并對模型進行了解析,給出了不同作業條件下表面地貌的優化計算結果。

  其次,在單層釬焊金剛石砂輪上實現了上述砂輪地貌優化設計思想,控制磨料的最佳間距,制造了磨料擇優排布的高溫單層釬焊金剛石砂輪(見圖3)。在金剛石鋸片加工四川紅花崗石板(莫氏硬度7——8,厚度20mm)的性能對比試驗中,經過磨料擇優排布的高溫單層釬焊金剛石鋸片壽命分別為未經優化的單層高溫釬焊金剛石鋸片和多層燒結金剛石鋸片的120%和87%,加工效率則分別為115倍和419倍。目前該項技術研究已于2002年通過江蘇省技術鑒定,處于應用推廣階段。

  5、金屬結合劑金剛石砂輪換代產品構想

  前述各項技術的研究均達到了一定的高度,在實際應用中提高了金屬結合劑金剛石砂輪的性能,但從兩個層次上對現有技術手段進行思考,可發現它們亦存在著各自的缺陷。

  首先,技術手段的研究發展受到原有生產工藝的限制。通過活性元素增強金屬結合劑對磨料把持能力的工藝措施雖然提高了工具的使用壽命,但由于傳統的燒結工藝燒結溫度低、燒結時間有限的局限,活性元素主要通過純固態或半固態的反應過程與金剛石發生作用,反應并不充分,遠未達到高溫釬焊技術所提供的結合劑與金剛石結合強度的水平。高溫釬焊技術雖然提供了其他工藝方法無可比擬的結合劑與金剛石的高結合強度和砂輪的高鋒利性能,但受到釬焊工藝過程本身的限制,目前的應用僅局限于單層砂輪的制造。該類高溫釬焊單層金剛石砂輪雖然使用壽命接近目前的多層工具且加工效率極大提高,但由于單層磨料消耗完后沒有后繼磨料補充,限制了其使用壽命的進一步提高。

  其次,砂輪設計思想的創新與技術手段的結合不夠,在砂輪某方面性能提高的同時亦帶來了新的問題。多孔金屬結合劑金剛石砂輪的孔隙結構減少了砂輪中的金屬結合劑量,犧牲了結合劑對磨料的把持能力,因此其雖然具有陶瓷結合劑金剛石砂輪易修整修銳的特點,但結合劑對磨料把持能力較低,這是按該設計思想制備的新型砂輪僅適于小負荷精密磨削的主要原因。按地貌優化思想設計砂輪首要的問題是獲得磨料有序排布的技術手段,這在多層砂輪的制造中還存在較大的困難。

  如何汲取各項技術長處,開發更新換代產品,是金屬結合劑金剛石砂輪制造研究發展到現在有條件考慮而且必須考慮的問題。

  從現有技術特點看,高溫釬焊技術可提供對磨料的最佳把持能力;在金屬結合劑金剛石砂輪中引入孔隙結構可改善其修整修銳性能并提供更多的容屑空間;按砂輪地貌優化思想設計砂輪可使磨料具有最佳切削負荷,便于磨削過程的優化和磨削結果的預估。因此,研究開發將高溫釬焊技術作為核心技術手段應用于多層金屬結合劑金剛石砂輪的制造并與多孔金屬結合劑金剛石砂輪和砂輪地貌優化的設計思想相結合的制造技術,是金屬結合劑金剛石砂輪換代產品開發的有效途徑。可以預期按上述構想開發的換代產品將具有以下特征:能夠充分發揮金剛石磨料優勢,在各種難加工材料的重負荷高效磨削過程中磨料只正常磨損而不脫落;砂輪鋒利度高且容屑空間大;每顆磨粒均具有最佳的切削負荷且便于實現磨削參數的優化和磨削結果的預估。

  6、結束語

  在金屬結合劑金剛石砂輪制造技術研究中,本文所述構想將能極大促進砂輪工具的發展,從而使磨削技術的進步達到前所未有的高度。

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