摘要：

　　提高砂輪壽命和磨削效率是金屬結(jié)合劑金剛石砂輪制造研究的關(guān)鍵問題。本文綜述了金屬結(jié)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(shù)應(yīng)用與砂輪地貌優(yōu)化研究的成果，在分析現(xiàn)有技術(shù)缺陷的基礎(chǔ)上，提出了以高溫釬焊技術(shù)為核心結(jié)合砂輪設(shè)計思想的創(chuàng)新制造金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪換代產(chǎn)品的思路和構(gòu)想。

　　關(guān)鍵詞：

　　砂輪；金剛石；金屬結(jié)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(jié)合劑金剛石砂輪的主要性能指標。就影響因素而言，金屬結(jié)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(guān)鍵因素，金屬結(jié)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(jié)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(chǔ)上，介紹了高溫釬焊技術(shù)應(yīng)用與砂輪地貌優(yōu)化研究的成果，提出以高溫釬焊技術(shù)為核心結(jié)合砂輪設(shè)計思想的創(chuàng)新制造金屬結(jié)合劑超硬磨料工具換代產(chǎn)品的思路。

　　1、結(jié)合劑對磨料把持能力增強

 　　在傳統(tǒng)的金屬結(jié)合劑金剛石燒結(jié)砂輪的制造中，主要采取兩類工藝措施來實現(xiàn)磨料把持能力的增強。一是直接在燒結(jié)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?zé)Y(jié)過程中與金剛石磨料和金屬結(jié)合劑的反應(yīng)與擴散，達到在磨料和金屬結(jié)合劑間形成化學(xué)冶金結(jié)合，提高金屬結(jié)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(jié)合劑配方，所測得的試驗數(shù)據(jù)有所差異，但試驗結(jié)論基本一致，即這些工藝措施可提高結(jié)合劑對磨料的把持強度。

 　　在其增強機理研究中，多數(shù)研究者通過多種微觀分析方法，觀察到在金屬結(jié)合劑中活性元素分布不均衡現(xiàn)象，即在金剛石周圍微區(qū)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(jù)此推斷這些活性元素與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳化物，通過這些碳化物作為過渡層，改善金屬結(jié)合劑對金剛石磨料的潤濕，使金剛石磨料與金屬結(jié)合劑形成化學(xué)冶金結(jié)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(jié)構(gòu)形態(tài)。

　　2、砂輪修整修銳能力改善

 　　金屬結(jié)合劑金剛石燒結(jié)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(zhì)量的重要指標。由于金屬結(jié)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(shù)以及近年發(fā)展起來的激光修整技術(shù)等，如果從砂輪的本身著手，來改善金屬結(jié)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(nèi)有研究者提出通過調(diào)控金屬結(jié)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(jié)合劑適當(dāng)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(jié)合劑調(diào)控范圍有限，該種工藝方法在應(yīng)用上有局限性。

 　　日本T.Tanaka為改善金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的修整修銳能力，提出了一種創(chuàng)新思路并嘗試開發(fā)了一種新型砂輪——多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。將多孔陶瓷結(jié)合劑砂輪的孔隙結(jié)構(gòu)引入金屬結(jié)合劑砂輪，以獲得其磨料易出刃及修整修銳方便的優(yōu)點。這一創(chuàng)新性思路的提出和實踐，拓寬了金剛石磨具制造研究領(lǐng)域，其后經(jīng)過日本H.Tomino與S.H.Truong等人的工作，發(fā)展了通電燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、真空燒結(jié)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(yōu)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(jié)合劑砂輪的組織結(jié)構(gòu)所必然具有的優(yōu)勢，也解決了致密金屬結(jié)合劑金剛石砂輪無法用傳統(tǒng)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(jié)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(chǔ)。

 　　其次，在該類砂輪應(yīng)用于精密磨削的試驗研究中，表現(xiàn)出如下特點：磨削比與孔隙率的關(guān)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(jié)合劑強度的提高和結(jié)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(shù)應(yīng)用

 　　高溫釬焊金剛石單層砂輪從根本上改善了磨料與結(jié)合劑的結(jié)合強度，被普遍認為是單層電鍍金剛石砂輪的換代產(chǎn)品。我們于九十年代中后期在國內(nèi)率先對該項技術(shù)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(jié)合強度如此之高，以致僅需將結(jié)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(fù)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(xiàn)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(fù)合板見圖1。

圖1 被加工后的坦克裝甲復(fù)合板

 　　研究該類砂輪金屬結(jié)合劑與磨料的界面結(jié)合機制，回答該工藝如何能夠提供金屬結(jié)合劑對磨料的超強把持力，是擴大其在各類金屬結(jié)合劑金剛石砂輪制造中應(yīng)用的基礎(chǔ)。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(qū)的富集現(xiàn)象，更觀察到了化合物過渡層的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。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(tài)及分布特征的SEM照片，生成物的定點成分分析結(jié)果見表1。所生成的碳化物為兩種，內(nèi)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(xué)冶金結(jié)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(jié)合的同時擴大了磨料與金屬的結(jié)合面積，而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Cr7C3可以在磨料與釬料之間發(fā)揮類似于金屬基復(fù)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(jié)構(gòu)的碳化物過渡層，就有條件可以將釬焊金剛石界面的結(jié)合強度提高到一個為傳統(tǒng)的電鍍或燒結(jié)工藝無法企及的水平。

圖2 除去Ni—Cr合金后金剛石(SEM)形貌

表1 金剛石形貌圖中B區(qū)和C區(qū)定點成分(EDS)(at%）

 　　4、砂輪表面地貌優(yōu)化

　　半個世紀以來，積累的有關(guān)砂輪地貌模型以及在此基礎(chǔ)上對磨削過程的建模與仿真的國內(nèi)外文獻已經(jīng)浩如煙海，但未見到多少真正可用于指導(dǎo)生產(chǎn)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(chǔ)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(chǔ)上，而傳統(tǒng)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(fā)砂輪磨料有序排布技術(shù)，實現(xiàn)按照加工要求和磨削用量條件優(yōu)化設(shè)計砂輪地貌或按照加工要求和砂輪地貌優(yōu)化選擇磨削用量條件的創(chuàng)新思想。在砂輪地貌優(yōu)化設(shè)計理論模型和優(yōu)化地貌的砂輪制造技術(shù)兩方面開展了工作。

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

 　　其次，在單層釬焊金剛石砂輪上實現(xiàn)了上述砂輪地貌優(yōu)化設(shè)計思想，控制磨料的最佳間距，制造了磨料擇優(yōu)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(jīng)過磨料擇優(yōu)排布的高溫單層釬焊金剛石鋸片壽命分別為未經(jīng)優(yōu)化的單層高溫釬焊金剛石鋸片和多層燒結(jié)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(shù)研究已于2002年通過江蘇省技術(shù)鑒定，處于應(yīng)用推廣階段。

 圖3 磨料擇優(yōu)排布的單層釬焊金剛石砂輪

 　　5、金屬結(jié)合劑金剛石砂輪換代產(chǎn)品構(gòu)想

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

 　　首先，技術(shù)手段的研究發(fā)展受到原有生產(chǎn)工藝的限制。通過活性元素增強金屬結(jié)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(tǒng)的燒結(jié)工藝燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間有限的局限，活性元素主要通過純固態(tài)或半固態(tài)的反應(yīng)過程與金剛石發(fā)生作用，反應(yīng)并不充分，遠未達到高溫釬焊技術(shù)所提供的結(jié)合劑與金剛石結(jié)合強度的水平。高溫釬焊技術(shù)雖然提供了其他工藝方法無可比擬的結(jié)合劑與金剛石的高結(jié)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(yīng)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(shè)計思想的創(chuàng)新與技術(shù)手段的結(jié)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(jié)合劑金剛石砂輪的孔隙結(jié)構(gòu)減少了砂輪中的金屬結(jié)合劑量，犧牲了結(jié)合劑對磨料的把持能力，因此其雖然具有陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪易修整修銳的特點，但結(jié)合劑對磨料把持能力較低，這是按該設(shè)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(yōu)化思想設(shè)計砂輪首要的問題是獲得磨料有序排布的技術(shù)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(shù)長處，開發(fā)更新?lián)Q代產(chǎn)品，是金屬結(jié)合劑金剛石砂輪制造研究發(fā)展到現(xiàn)在有條件考慮而且必須考慮的問題。

  　　從現(xiàn)有技術(shù)特點看，高溫釬焊技術(shù)可提供對磨料的最佳把持能力；在金屬結(jié)合劑金剛石砂輪中引入孔隙結(jié)構(gòu)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(yōu)化思想設(shè)計砂輪可使磨料具有最佳切削負荷，便于磨削過程的優(yōu)化和磨削結(jié)果的預(yù)估。因此，研究開發(fā)將高溫釬焊技術(shù)作為核心技術(shù)手段應(yīng)用于多層金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的制造并與多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪和砂輪地貌優(yōu)化的設(shè)計思想相結(jié)合的制造技術(shù)，是金屬結(jié)合劑金剛石砂輪換代產(chǎn)品開發(fā)的有效途徑。可以預(yù)期按上述構(gòu)想開發(fā)的換代產(chǎn)品將具有以下特征：能夠充分發(fā)揮金剛石磨料優(yōu)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(xiàn)磨削參數(shù)的優(yōu)化和磨削結(jié)果的預(yù)估。

 　　6、結(jié)束語

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