1　引言

目前, 使用超硬微細磨料砂輪(金剛石砂輪、CBN砂輪)磨削加工是硬脆難加工材料獲得高精度的高效加工方法。金屬結合劑砂輪因其具有磨粒把持力強，結合強度高、耐磨性好、壽命長、能承受較大的磨削壓力等特點，成為高性能硬脆材料精密、超精密高效磨削中應用最廣泛的超硬磨料砂輪。但是金屬結合劑砂輪的自銳性差、砂輪表面容易堵塞、在磨削加工中易造成工件表面燒傷等表面損傷, 影響工件的加工質量;而且修整比較困難, 磨粒出刃難、出刃后出露度難以保持。為解決金屬結合劑砂輪在精密磨削加工中的缺陷, 國內外對金屬結合劑砂輪的制備、結合劑配方設計、修整方法等方面進行了不斷的研究。

2  金屬結合劑砂輪類型

金屬結合劑砂輪按制造方法可分為:燒結金屬結合劑砂輪、電鍍金屬結合劑砂輪、單層釬焊金屬結合劑砂輪。燒結金屬結合劑砂輪使用較普遍, 電鍍金屬結合劑砂輪只能用于磨削負荷較小的場合, 單層釬焊金屬結合劑砂輪是處于研制開發中的一種新型金屬結合劑砂輪。

2.1　燒結金屬結合劑砂輪

燒結型金屬結合劑砂輪多以青銅和鑄鐵等金屬作為結合劑, 用高溫燒結法制造, 其結合強度高, 成形性好, 耐高溫, 導熱性和耐磨性好, 使用壽命長,可承受較大的負荷。傳統的燒結型金屬結合劑砂輪存在磨粒分布不均等問題, 王春華等人采用直接混合法和包裹法燒結制備的SiC磨料金屬結合劑磨具, SiC顆粒分散更均勻。南京航空航天大學的肖冰針對目前金屬結合劑金剛石磨具采用機械混料的方式造成的磨粒分布不均、效率低、結合劑與金剛石易燒傷等不足, 進行了多層磨料均布技術的研究。為了避免金屬結合劑金剛石砂輪燒結時容易造成金剛石的氧化或其它對金剛石的損害, 以及金剛石磨粒和結合劑粘接性能的降低, Ihara開發了一種用金屬層涂覆金剛石磨粒及多個涂覆金屬層的磨粒粘結在一起形成凝聚團的金剛石砂輪結構。

2.2　多孔金屬結合劑砂輪

傳統的金屬結合劑砂輪結合劑比較密實, 砂輪中氣孔很少或幾乎沒有氣孔, 大大影響了砂輪的磨削性能和效率, 而且修整比較困難。為改善金屬結合劑砂輪的磨削及修整能力, 日本Ritsumeikan大學研究人員Tanaka等人在1992年提出了多孔金屬結合劑金剛石砂PMBDW (Porous Metal- Bonded Diamond Wheel), 將孔隙結構引入金屬結合劑砂輪, 以獲得磨料易出刃、易修整修銳, 使用方便等優點。日本學者Onishi、Tomino和Trong等人分別發展了多孔金屬結合劑金剛石砂輪熱等靜壓法(Hot isostatic press)、通電燒結法(pulse electric current sintering)和真空燒結法。南京航空航天大學和華僑大學的研究人員對金屬結合劑多孔砂輪的研制、磨削性能等方面進行了深入的研究。

2.3　電鍍金屬結合劑砂輪

電鍍金剛石砂輪通常以鎳或鎳合金做鍍層金屬。由于精度高, 電鍍砂輪廣泛應用于高速、超高速磨削精密磨削。為了簡化電鍍金剛石砂輪的制作方法和調節砂輪工作表面上金剛石磨粒的濃度, 發明提出, 金屬結合劑的厚度低于金剛石磨粒高度的1/2, 所用填料尺寸是金剛石磨粒尺寸的1.5～5.0倍。于愛兵等人對超聲波電鍍金剛石砂輪進行了電鍍過程測試、磨粒密度測試等研究, 以獲得合理超聲波電鍍工藝, 提高電鍍金剛石工具的性能。

2.4　單層釬焊金屬結合劑砂輪

為了克服電鍍金屬結合劑砂輪結合強度差、磨粒易脫落等缺點, 設法增大金屬結合劑對磨粒的把持力,提高砂輪的結合強度。國內外學者在90年代初開始研究用釬焊代替電鍍開發單層高溫釬焊超硬磨料砂輪。Trenker利用活性釬料和鎳基釬料的真空爐中釬焊方法實現了金剛石與基體的牢固結合, 大大提高了金剛石工具的強度、性能和壽命等。

立方氮化硼(CBN)的化學穩定性特高, 對其進行釬焊比金剛石釬焊更加困難。肖冰等人利用Ni-Cr和Ag-Cu-Ti兩種活性釬料, 在真空爐中釬焊的單層釬焊CBN(立方氮化硼)磨料砂輪, 提高了磨料結合強度和砂輪壽命。楊志波等人采用激光釬焊的方法,對金剛石磨粒進行釬焊實驗研究分析, 指出, 釬焊過程中元素在結合處相互擴散形成化學冶金結合, 是實現Ni-Cr合金層與鋼基體有較高結合強度的主要因素。

2.5　金屬結合劑添加元素

為增強結合劑對磨粒的把持力, 以及砂輪的結合強度、磨削性能、機械性能、壽命等, 可以在金屬結合劑中添加強碳化物形成元素、稀土元素及其它元素等。研究表明, 加入稀土元素La、Ce, 可以提高金剛石和胎體的結合力、胎體的機械性能、金剛石的出刃高度以及改善金剛石工具的自銳性等作用。為滿足金屬結合劑砂輪性能要求, Luciano等人提出在胎體材料中加入Si(<2wt.%)等其它元素, 可以提高胎體的耐磨性和對金剛石磨粒的把持力。Truong等人在Ni-Cu結合劑中添加Sn后真空燒結的金剛石砂輪, 磨料間結晶物組成的結合劑架橋生成的現象更為顯著。在青銅基結合劑中添加Co、Cr等強碳化物形成元素, 一定程度上可以改善金屬胎體與金剛石磨粒的結合狀況。

3　金屬結合劑砂輪修整

金屬結合劑砂輪的修整技術一直是其研究重點。各國學者竟相開發金屬基金剛石砂輪的修整新技術,主要修整方法如下:

3.1　在線電解修整法(Electrolytic in-process dressing,ELID)

1985年Murata首先提出了在線電解修整法(Electrolytic in-process dressing, ELID)技術, 并且使用磨粒網格尺寸為400#金屬結合劑金剛石砂輪磨削了陶瓷等硬、脆材料。1990年日本理化學研究所的大森整(OHMORI)利用ELID成功的解決了鑄鐵基砂輪修銳的難題, 而且利用ELID使得超微細金剛石砂輪(粒徑為幾微米到5nm)能用于硬、脆材料的鏡面磨削。Islam等人用粒度為8000目鑄鐵結合劑金剛石砂輪進行在線修整實驗研究, 研究了電流對磨削性能的影響。此外, 國內如哈爾濱工業大學、西北工業大學、湖南大學和天津大學等許多高校和研究機構的研究人員對在線電解修整技術進行了廣泛深入的研究, 促進了在線電解修整技術在陶瓷、光學玻璃和航空航天等領域的應用。

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

電火花法修整EDM (Electron Discharge Machining EDM)是通過在電極與旋轉的金屬結合劑金剛石砂輪之間利用熱能或者電火花來去除砂輪表面多余的金屬材料, 來達到修整砂輪的目的。清華大學王先逵等人對青銅結合劑金剛石砂輪的電火花整形方法進行了研究, 討論了脈沖電源電壓、脈沖電源限流電阻、電源脈沖頻率、脈沖占空比、砂輪轉速、砂輪初始偏心量等因

素對整形速度的影響。Miller等人采用EDM技術修整金屬基結合劑金剛石砂輪, 得到了良好的金剛石磨粒出刃高度。日本學者巖井田等人對金剛石砂輪進行EDM修整, 并對BK7玻璃進行磨削試驗, 得到了Rz=7μm的表面粗糙度。天津大學高大曉等人以去離子水作為放電介質, 用電火花技術對鑄鐵基精密金剛石砂輪進行整形, 得到砂輪的圓度為0.75μm, 錐度誤差小于0.5μm。

3.3　在線電火花砂輪修銳(In-process electro-discharge dressing,EDD)

在線電火花砂輪修銳(In-process electro-discharge dressing,EDD)技術是Suzuki和Uematsu首先提出的一種超硬磨料砂輪修整技術。它是利用旋轉砂輪與工具電極之間產生脈沖火花放電的電腐蝕現象來蝕除砂輪表面的金屬結合劑, 使金剛石磨粒有效地暴露出來, 以達到整形和修銳目的。為消除對專門電刷和絕緣主軸的要求, Suzuki和Tamaki等人分別提出了“雙電極法”和“旋轉電極法”, 使電火花修整逐漸應用到實際中來。西班牙研究人員Sanchez等人采用單電級電火花放電法實現了對金屬結合劑CBN砂輪的修整。相關研究表明:采用霧噴射電火花放電修整技術修整金屬結合劑超硬磨料砂輪, 可獲得很好的表面形貌和磨削性能。

3.4　接觸式放電修整法(Electro-contact discharge dressing, ECDD)

接觸式放電修整法(Electro-contact discharge dressing, ECDD)是Tamaki和Kondoh在1999年首先提出的。它利用砂輪的金屬結合劑與金屬切屑接觸, 構成電流回路, 產生瞬間放電, 局部高溫蝕除金屬結合劑, 達到對砂輪進行修整的目的。華南理工大學謝晉和日本北見工業大學Tamaki采用接觸式放電修整法對600#金剛石砂輪進行修銳, 磨削光學玻璃(BK10)后的Ra達到0.12μm。謝晉和Tamaki對接觸式放電修整技術的電解質進行了一系列實驗研究, 實驗結果證明, 電解質很大程度上決定了接觸式放電修整技術的性能。

3.5　氣中電火花加工法

氣中電火花加工法是由日本的Kunieda和Yoshida在1997年首先提出的, 它利用從管狀工具電極中噴射出的高速氣流去除已汽化和熔化的工件材料, 同時代替工作液起壓縮放電通道限制其擴展的作用, 使放電能量高度集中在極小的區域內, 達到去除結合劑的目的。華南理工大學謝晉等人用氣中單脈沖電火花放電實現金屬結合劑精密金剛石砂輪的修銳, 產生了較好的砂輪出刃形貌, 改善了磨削表面質量。

3.6　激光修整法

激光修整法是利用光學系統把激光束聚焦成極小的光斑作用于砂輪表面, 在極短的時間內使砂輪局部表面的金屬結合劑材料以蒸發汽化和熔融濺射的形式被去除, 在砂輪表面形成容屑空間, 從而達到修整的目的。國外如日本、印度、德國和美國等許多國家的學者很早就開始了對激光修整法的研究, 但最初的研究涉及金屬結合劑砂輪較少, 近年來逐漸增多。其中日本的研究較多, 日本學者Kunieda等人利用倍頻Nd:YAG激光器對鑄鐵基金剛石砂輪進行了修銳實驗研究。日本Kanazawa大學的Hosokawa等人用YAG脈沖激光對青銅結合劑金剛石砂輪進行修整, 可實現對金剛石砂輪進行有效、可靠的去除修整。湖南大學陳根余等人用聲光調QNd:YAG激光器對青銅結合劑金剛石砂輪進行微加工燒蝕修整試驗, 獲得了激光功率密度、平均功率、脈沖重復頻率對燒蝕凹坑深度的影響規律。

3.7　超聲震動修整法

超聲震動修整法是保加利亞工學院學者提出.它是利用超聲的能量, 驅動工具端面作超聲振動, 迫使混油磨料中的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面, 把加工區域的材料粉碎成很細的微粒, 從材料上打擊下來。基于單一縱振動源驅動的超聲橢圓振動原理的基礎上, 高國富等人采用橢圓超聲波輔助機械修整技術, 進行金屬結合劑金剛石砂輪快速精密修整的技術研究, 選擇合理的修整參數, 可以實現細粒度金剛石砂輪的低成本快速修整。趙波等人對

新型橢圓超聲振動修整技術影響因素的研究, 實驗研究證明, 橢圓超聲振動修整技術的修整力較小, 且隨著超聲振動功率的增大而下降。

3.8　其它修整方法

此外還有氣中放電輔助修整技術、霧噴射放電修整(Mist-jetting Electrical Discharge Dressing)以及旋轉金剛石修整工具修整等金屬結合劑砂輪的修整方法。

4　結束語

總之, 隨著技術創新與高科技產品的不斷涌現, 結構陶瓷、光學玻璃、光學晶體、單晶硅等新型先進陶瓷材料, 以其優良的物理及光、電、磁等性能,成為高精密機械、航空航天、軍事、光電信息發展的基礎之一。而使用金屬結合劑超硬微細磨料砂輪磨削加工是這些硬脆難加工材料獲得高精度的高效加工方法。因此對于提高砂輪的強度、研磨效率、精度保持性、耐用度和研究新的修整技術仍是金屬結合劑砂輪的發展主要研究方向。