金属结合剂砂轮的类型与修整方法

 

介绍了近年来有关金属结合剂砂轮的国内外研究进展,重点是金属结合剂砂轮的修整技术,也对金属结合剂砂轮的发展提出了看法。...

范红伟1 , 袁巨龙1, 2 , 吕冰海2 , 邓乾发1
(1.浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室, 杭州 310014;2.湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心, 长沙 410082)
摘要:介绍了近年来有关金属结合剂砂轮的国内外研究进展, 重点是金属结合剂砂轮的修整技术, 也对金属结合剂砂轮的发展提出了看法。

关键词:砂轮;金属结合剂;制造;修整;发展

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(


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