金刚石砂轮的分类及研究进展

爱锐网 2018-12-05 11:57:14

引言

金刚石砂轮是磨削加工技术中使用最为广泛的加工工具,按结合剂的不同金刚石砂轮一般可以分为树脂结合剂金刚石砂轮、陶瓷结合剂金刚石砂轮和金属结合剂金刚石砂轮。树脂结合剂金刚石砂轮多采用热固性树脂,具有固化温度低、制备相对简便等优势,主要用于刃磨刀量具、磨孔、外圆磨及平面磨。金属结合剂金刚石砂轮其结合剂和磨粒的结合力强,韧性好,能承受较大载荷,已经在脆硬材料复杂型面的成型磨削、精密和超精密磨削领域得到了应用。陶瓷结合剂金刚石砂轮具有较高的弹性模量和较低的断裂韧性,它的结合强度高于树脂结合剂金刚石砂轮,自锐性优于金属结合剂金刚石砂轮,被广泛应用于加工复合片、硬质合金、玻璃、陶瓷等材料。本文旨在对近年来国内外对树脂结合剂金刚石砂轮、陶瓷结合剂金刚石砂轮以及金属结合剂金刚石砂沦的研究工作做一简单的综述。

树脂结合剂金刚石砂轮的研究现状

树脂结合剂金刚石砂轮以树脂粉为粘结材料,加入填充材料,通过热压、硬化及机加工等工艺制成具有一定形状的磨削工具。日前,国内用做树脂结合剂金刚石砂轮的结合剂主要有酚醛树脂、环氧树脂和聚酞亚胺等,但它们的共同问题是耐热性差,磨削过程中产生的磨削热会导致树脂软化、分解及对磨料的粘结力下降,在磨削过程中金刚石磨料没有发挥很好的作用就容易大量脱落,因此耐用度很差。


酚醛树脂(PF)是世界上最早实现工业化的合成树脂,在树脂结合剂金刚石砂轮中的应用十分普遍,但是普通酚醛树脂作为砂轮的树脂结合剂在200°C以下能够稳定使用,若超过200°C,其酚羟基和亚甲基便会发生氧化,影响其耐热性和抗氧化性;固化后的酚醛树脂因芳核之间仅有亚甲基相连而显脆性,因此传统未改性的酚醛树脂脆性大,韧性差,耐热性不足,限制了树脂结合剂金刚石砂轮的应用。因此制备高性能的酚醛树脂非常必要。


近年来,国内外十分重视酚醛树脂的改性及其复合材料的增强、增韧,开发出一系列具有优异的耐热和阻燃的高机械强度的酚醛树脂品种,如刘晓洪等合成的钼改性酚醛,其热分解温度为522°C,600°C下失重率仍为17.5%,用其制成的摩擦材料的高温摩擦系数稳定,热恢复性好;熊雪梅等用熔融共混的方法将聚砜引入酚醛树脂中,并以剑麻纤维作改性酚醛树脂的增强体,采用加压成型技术制成摩擦复合材料,结果表明聚砜的引入可使得酚醛树脂的耐热性能提高,且复合材料的摩擦性能十分优异;周元康等在桐油改性酚醛树脂的聚合过程中添加经过分散的Si02纳米粒子,制备出复合改性的热固性酚醛树脂,将其用于摩擦材料中,其抗热衰退性和摩阻性能具有明显的改善等。

 金属结合剂金刚石砂轮的研究现状

金属结合剂对金刚石磨料的把持力的强弱是影响金属结合剂金刚石砂轮寿命的关键因素,因此,国内外研究者对金属结合剂金刚石砂轮的研究主要集中在以下几个方面:

(1)用Fe基取代Co基用作金属结合剂金刚石砂轮的结合剂,降低生产成本。如韩娟等考察了碳含量对高铁基胎体材料性能的影响,当含碳量1%时,胎体材料密度达到最小值7.47g/cm3;含碳量0.4%时,胎体材料密度达到最大值7.65g/cm3。陈霞等通过向铁基结合剂中加入少量Co减少了结合剂对金刚石表面的侵蚀,且由于Co的加入使得金刚石表面附着一层致密的胎体材料,从而使胎体材料与金刚石结合得更加紧密。戴秋莲等研究发现适当增加C、Cu、Ni 的含量可以提高铁基胎体材料的机械性能,砂轮烧结温度对铁基胎体材料的硬度、抗弯强度有显著的影响,适量的Zn和Sn有利于液相烧结;


(2)采取工艺措施实现金属结合剂对磨料的把持能力。一是通过向烧结原材料添加活性的Ti (TiN2)、Cr、稀土元素等来实现;二是在金刚石磨粒表面镀附Ti,  Cr等活性金属或者合金镀层,提高结合剂对磨料的把持能力;


(3)改善金属结合剂金刚石砂轮修整能力。日本的T. Tanaka等尝试开发了一种以铸铁为结合剂的多孔金刚石金属砂轮,将多孔陶瓷的金刚石砂轮的空隙结构引入到金属金刚石砂轮,以获得金刚石磨粒较好的出刃能力和自锐性。其后日本H.Tomino与S.H.Truong等人发展了热等静压烧结、通电烧结、真空烧结等多种制备方法,通过对制备工艺、孔隙率和各种磨削性能的对比研究,对该新型多孔金属结合剂金刚石砂轮有了更进一步的认识。国内研究者提出通过改变金属结合剂配方使其磨损速率与金刚石磨料的磨损速率相匹配,以提高金属结合剂金刚石砂轮的自锐能力,但该方法受被加工材料本身性能、不同金刚石品级以及金属结合剂可调控的配方成分范围有限的影响,该工艺的应用具有局限性。廖翠蛟等通过向金属结合剂中加人一定量造孔剂,获得具有一定孔隙率的多孔金属结合剂金刚石节块试样。


目前,金属结合剂金刚石砂轮分为三种:电镀金刚石砂轮、烧结金刚石砂轮、单层钎焊金刚石砂轮。电镀金刚石砂轮只能用于磨削负荷较小的场合,烧结金刚石砂轮使用较普遍,而单层钎焊金刚石砂轮目前国内还处于研制开发阶段。


电镀金刚石砂轮是用电化学法制作的砂轮。电镀金刚石砂轮具有如电镀工艺简单、投资少、制造方便、无需修整、工作效率高、使用寿命长等优点。目前,电镀金刚石砂轮在高精度、高速、超高速磨削中占有无可争议的主导地位。电镀金刚石砂轮存在的缺陷如:电镀金刚石砂轮中的金刚石磨粒与镀层金属及基体之间只是普通的机械包埋镶嵌,其结合面没有形成牢固化学冶金结合,故其把持力小。砂轮工作表面极易发生堵塞,散热差,磨削温度高,容易烧伤工件表面。


为了解决电镀金刚石砂轮磨粒把持力不够,工具容易发生堵塞等问题,也为了更充分的发挥超硬磨料的优势,国外二十世纪90年代初开始以高温钎焊工艺,开发了单层钎焊金刚石砂轮。尤其是在高温钎焊金刚石砂轮方面取得了一定的进展。对单层钎焊金刚石砂轮来说,由于高温钎焊所提供的界面上的结合强度高;同时因为结合层厚度很薄,磨粒间的容屑空间被大大扩展,不易堵塞,有效磨粒切刃更多、更锋利,磨削温度大大降低,可有效防止磨削烧伤,尤其在高效磨削中更能显示出其无可比拟的优势。目前已应用于金刚石绳锯、单层钎焊金刚石砂轮与各种磨头及砂盘等工具的制备中。但现阶段工业化规模的单层钎焊超硬磨料磨具还是少有面市。


烧结金刚石砂轮是将超硬磨料与结合剂粉末混合后通过粉末冶金的方法烧结而成,形成多层结构的烧结体。烧结金刚石砂轮具有结合强度高,成型性好,耐高温,导热性和耐磨性好,使用寿命长,可承受较大的负荷等优点。针对烧结型金刚石砂轮,近年来部分学者开展了应用特种加工方法修整烧结型金刚石砂轮的研究,主要有电解修整法、电火花修整法和复合修整法。

 陶瓷结台剂金刚石砂轮的研究现状

陶瓷结合剂金刚石砂轮具有较高的弹性模量和较低的断裂韧性,其结合强度高于树脂结合剂金刚石砂轮,自锐性优于金属结合剂金刚石砂轮。陶瓷结合剂金刚石砂轮近年来广泛用于复合片、硬质合金、玻璃、陶瓷等材料的加工,是国内外研究的热点。


俄罗斯等东欧国家研制了陶瓷结合剂金刚石砂轮热压成型工艺,减轻了金刚石砂轮在高温烧结过程中的氧化现象。这种工艺的优点在于烧结温度低,保温时间短,金刚石的热破坏小,烧结后砂轮整体性能得到很大提高。日本的桥本充生提出了用MgO、K20、 B203、Si02Na20、Al203等为原料制备陶瓷结合剂,在隋性气氛下,晓成温度为680°C,保温4-5小时制备低温陶瓷结合剂金刚石砂轮,该砂轮可用于工程陶瓷和铁氧体的磨削如工,且磨削性能优良。日本的日陶(Noritake)公司在以R20-B203-Al203-Si02系玻璃为基础结合剂中添加Zn0制备微晶玻璃结合剂金刚石砂轮,该砂轮中微晶玻璃结合剂力学性能好,对金刚石颗粒把持力大。


本东京大学采用溶胶一凝胶技术研制出以微粉金刚石和立方氮化硼作为磨料的陶瓷结合剂砂轮,可加工出精度为纳米级的产品。奥地利Tyrolit公司、美国的N orton公司采用Li20-Al203-Si02系微晶玻璃作为结合剂,烧结温度800-900°C,且对烧结后的磨具进行专门的热处理工艺,该磨具中微晶玻璃结合剂对金刚石磨料把持力强,成功地应用于聚晶金刚石刀具的刃磨。德国KrebsKiedel公司采用De Beers公司的ABN800作为磨料,制备出一种新型大气孔陶瓷砂轮,这种新型陶瓷砂轮可以通过控制自然形成气孔与人工合成气孔的结构来达到减少结合剂的用量及实现磨粒规则排布的目的。


俄罗斯研发了一种新型闭口多气孔陶瓷砂轮,这种新型陶瓷砂轮采用不可燃的发泡剂作为造孔剂,采用SiC和Al203为磨粒,开辟了绿色环保砂轮制备工艺的新途径,可用于加工耐热钢、银合金、悴火钢、磁性材料等。瑞士温特苏尔(WINTHERTHUR)公司生产的大气孔缓进给陶瓷砂轮、陶瓷结合剂CBN砂轮及微晶烧结陶瓷磨料砂轮等,这些砂轮主要用于精密磨削,如大气孔缓进给陶瓷砂轮可用于涡轮叶片的磨削,并且可采用滚磨法、部分滚磨法和成型磨削方法来加工精密齿轮。法国圣戈班开发了一种Vortex技术,制备出一种新型陶瓷CBN砂轮,同时还利用Carbon Cool技术制备了一种新型多孔隙开孔结构陶瓷砂轮。

 结束语

综上所述,虽然近年来国内外对树脂结合剂金刚石砂轮、陶瓷结合剂金刚石砂轮以及金属结合剂金刚石砂轮的研究取得了一定的进展,但是这三类砂轮都由于磨粒形状及其分布的随机性,造成了磨削时法向力与切向力之比高、磨削比能高、磨削温度高、对磨床刚度要求高,并且磨粒只是机械包埋、镶嵌在结合剂层中,把持力不大,在磨削过程中磨粒容易脱落,特别是超硬磨料砂轮磨粒利用率不高,造成资源的大量浪费;同时为了保证结合剂层对磨粒的有效包埋,磨粒一般出露高度不大,容屑空间较小,在加工过程中容易产生磨屑的粘附堵塞,需要定期对砂轮进行修整与修锐,从而影响了加工质觉和磨削生产率。因此,如何改进工艺,将陶瓷结合剂、金属结合剂及树脂结合剂的优点加以综合,开发新型的金刚石砂轮是现代加工业的迫切需要。

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