燒結型金剛石砂輪

1、燒結型金剛石砂輪燒結型金屬結合劑砂輪多以青銅等金屬作為結合劑， 用高溫燒結法制造， 其結合強度高， 成型性好，耐高溫，導熱性耐磨性好，使用壽命長，可承受較大負荷。因砂輪燒結過程不可 避免地存著收縮及變形， 所以使用前必須對砂輪進行整形， 但砂輪修整比較困難。 目前生產 常用砂輪對滾整形方法不僅修整時燒結型金剛石砂輪費時費力， 而且修整過程金剛石顆粒脫落較多， 修整砂輪本身消耗很 大，整形精度較低。近年來各國學者相繼開展了應用特種加工方法修整金屬結合劑金剛石砂輪研究工作， 主 要有電解修整法、電火花修整法復合修整法等。電解修整法速度快，但整形精度不高；電火花修整法整形精度高， 既可整形又可修銳，

2、 但整形速度較慢； 復合修整法有電解電火花復合 修整法、機械化學復合修整法等，修整效果較好， 但系統(tǒng)較復雜， 因此燒結型金剛石砂輪修 整問題仍然沒有得到很好解決。此外， 由于砂輪制造工藝決定了其表面形貌隨機， 各磨粒幾何形狀、 分布及切削刃所處 高度不一致， 因此磨削時只有少數較高切削刃切到工件， 限制了磨削質量磨削效率進一步提電鍍金剛石砂輪電鍍金剛石砂輪優(yōu)點： 電鍍工藝簡單，投資少，制造方便； 無需修整，使用方便； 單層結構決定了它可以達到很高工作速度，目前國外已高達250300m/s; 雖然只有單層金剛石，但仍有足夠壽命; 對于精度要求較高滾輪砂輪，電鍍唯一制造方法。電鍍金剛石砂輪正由于這

3、些優(yōu)勢， 電鍍砂輪高速、 超高速磨削占據著無可爭議主導地位。 電鍍金剛石砂輪存缺陷： 鍍層金屬與基體及磨料結合面上并不存牢固化學冶金結合，磨料實際上只被機械包埋鑲嵌鍍層金屬， 因而把持力小， 金剛石顆粒負荷較重高效磨削易脫落 （或 鍍層成片剝落） 而導致整體失效； 為增加把持力就必須增加鍍層厚度， 其結果磨粒裸露高度 容屑空間減小， 砂輪容易發(fā)生堵塞， 散熱效果差， 工件表面容易發(fā)生燒傷。 目前國內電鍍砂 輪制造尚未實現按加工條件要求而優(yōu)化設計出砂輪最佳地貌，單層電鍍金剛石砂輪這些固有弊端必然會大大限制它高效磨削應用。參考磨商網鏈接 : 參考磨商網鏈接 :用電化學法制作的金剛石砂輪，包括金剛石

4、修整砂輪，磨削或切削用金剛石砂輪。已知的砂輪制作過程如下：砂輪工作層含有金剛石磨粒，金剛石磨料被金屬結合劑粘 結在基體上。首先沉積金屬結合劑的厚度為金剛石磨粒高度的20%（上砂），然后繼續(xù)用金屬結合劑把金剛石磨粒粘結（增厚） ，厚度約為磨粒高度的 2/3 。這種方法的缺點是磨具工 作表面上金剛石濃度太大。已知的幾種調節(jié)電鍍金剛石砂輪工作表面上金剛石濃度的方法如下： 金剛石磨料預先和填料混合， 這些填料可以是鹽類、 玻璃球或磁鐵顆粒。 粘結后， 20% 厚度的填料顆粒被被金屬結合劑粘結， 這些填料用分別下列方法去除： 溶解法、 升華法或磁 場法。這種方法中填料顆粒尺寸與金剛石磨料顆粒尺寸大致相當

5、，填料用量要能使磨具工作表面上金剛石達到規(guī)定的濃度。 這幾種方法的缺點是填料的去除比較復雜， 要求專門的一套 方法。另一種填料的去除比較簡單的方法是填料采用球型顆粒， 表面光滑， 首先沉積金屬結 合劑的厚度為金剛石磨粒高度的 20%（上砂），然后用刷子把填料刷掉，最后繼續(xù)用金屬結 合劑沉積至規(guī)定厚度。 該方法運用了金屬結合劑對不同表面粗糙度和形狀的顆粒把持能力不 同這一效應， 其缺點是填料顆粒尺寸與金剛石磨料顆粒尺寸相當， 因而粘結后處于同一平面 上，用機械法去除填料時， 有可能會把部分金剛石磨料一起刷掉， 特別是那些形狀接近等積 狀的顆粒、表面光滑的顆粒。作為上述方法的改進， 填料尺寸選擇為

6、金剛石磨料顆粒尺寸的 1.5-5.0 倍：在用金屬結 合劑進行第一次電沉積時， 金剛石磨料被約為其高度 20%的金屬結合劑層所粘結， 而填料顆 粒則為厚度被約為其高度 4-13%的金屬結合劑層所粘結， 這種厚度的金屬結合劑層不能把持 住任何形狀、任何粗糙度的填料顆粒，因而用刷子、油石、刀具輕輕碰撞就能把填料從砂輪 表面除去。這種工藝既簡化電鍍金剛石砂輪的制造方法，又能調節(jié)砂輪工作表面上金剛石濃度參考磨商網鏈接 :1 磨削技術發(fā)展概述一般來講，按砂輪線速度Vs的高低將磨削分為普通磨削（Vs<45m/s）、高速磨削（45 <Vs<150m/s）、超高速磨削（Vs150m/s）。按

7、磨削精度將磨削分為普通磨削、精密磨削（加工精度gm0.1表面粗糙度 Ra0.2ym0.1卩m、超精密磨削（加工精度<0.1叩，表面粗糙度Raw 0.025卩m）按磨削效率將磨削分為普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高 速磨削、緩進給磨削、高效深切磨削（HEDG）砂帶磨削、快速短行程磨削、高速重負荷磨削。高速高效磨削、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展很快，如德國的Aachen大學、Bremm大學、美國的Connecticut大學等，有的在實驗室完成了 Vs為250m/s、 350m/s、 400m/s 的實驗。據報道，德國 Aachen 大學正在進行目標為 50

8、0m/s 的磨削實驗研 究。在實用磨削方面，日本已有 Vs=200m/s 的磨床在工業(yè)中應用。我國對高速磨削及磨具的研究已有多年的歷史， 如湖南大學在 70年代末期便進行了 80m/s、 120m/s 的磨削工藝實驗；前幾年，某大學也計劃開展 250m/s 的磨削研究 （但至今尚未見到 這方面的報道 ），所以說有些高速磨削技術還只是實驗而已，尚未走出實驗室，技術還遠沒 有成熟，特別是超高速磨削的研究還開展得很少。在實際應用中，砂輪線速度Vs 一般還是45 60m/s 。國內外都采用超精密磨削、 精密修整、 微細磨料磨具進行亞微米級以下切深磨削的研究， 以 獲得亞微米級的尺寸精度。 微細磨料磨削

9、， 用于超精密鏡面磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石 磨粒平均直徑可小至 4 ym。日本用激光在研磨過的人造單晶金剛石上切出大量等高性一致 的微小切刃， 對硬脆材料進行精密磨削加工， 效果很好。 超硬材料微粉砂輪超精密磨削主要 用于磨削難加工材料，精度可達0.025 ym。日本開發(fā)了電解在線修整 （ELID超精密鏡面磨削技術，使得用超細微 （或超微粉 ）超硬磨料制造砂輪成為可能，可實現硬脆材料的高精度、高 效率的超精密磨削。 作平面研磨運動的雙端面精密磨削技術， 其加工精度、 切除率都比研磨 高得多，且可獲得很高的平面度。電泳磨削技術也是一種新的超精密及納米磨削技術。隨著磨削技術的發(fā)展，磨床在加工機

10、床中也占有相當大的比例。據1997 年歐洲機床展覽會（EMO）的調查數據表明，25%的企業(yè)認為磨削是他們應用的最主要的加工技術，車削只占23%,鉆削占 22%，其它占 8%；而磨床在企業(yè)中占機床的比例高達42%，車床占 23%，銑床占 22%，鉆床占 14%。我國從 1949 1998 年,開發(fā)生產的通用磨床有1800 多種,專用磨床有幾百種,磨床的擁有量占金屬切削機床總擁有量的13%左右。 可見, 磨削技術及磨床在機械制造業(yè)中占有極其重要的位置。為什么磨削技術會不斷地發(fā)展？主要原因如下：加工精度高 由于磨削具有其它加工方法無法比擬的特點,如砂輪上參與切削的磨粒多,切 削刃多且?guī)缀涡螤畈煌?

11、僅在較小的局部產生加工應力； 磨具對斷續(xù)切削、 工件硬度的變化 不很敏感；砂輪可實現在線修銳等,因而可使加工件獲得很高的加工精度。加工效率高 如緩進給深磨，一次磨削深度可達到025mm，如將砂輪修整成所需形狀,次便可磨出所需的工件形狀。而當Vs進一步提高后，其加工效率則更高。工程材料不斷發(fā)展 許多材料 （如陶瓷材料、玻璃材料等 ）在工業(yè)中的應用不斷擴大，有些材 料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技術及磨削工藝與之相適應。新的磨料磨具如人造金剛石砂輪、CBN砂輪的出現，擴大了磨削加工的應用范圍。相關技術的發(fā)展 如砂輪制造技術、控制技術、運動部件的驅動技術、支撐技術等，促進了 磨削技術及磨削裝備的

12、發(fā)展?？傊?，磨削技術發(fā)展很快，在機械加工中起著非常重要的作用。目前，磨削技術的發(fā)展趨 勢是， 發(fā)展超硬磨料磨具， 研究精密及超精密磨削、 高速高效磨削機理并開發(fā)其新的磨削工 藝技術，研制高精度、高剛性的自動化磨床。2 磨削的關鍵技術研究就磨削而言，特別就高速高效磨削、 精密及超精密磨削而言， 其涉及的內容廣泛， 不僅包括 磨削本身的技術，也集中了其它相關的技術。關鍵技術介紹如下：2.1 磨削機理及磨削工藝的研究通過對磨削機理和磨削工藝的研究， 揭示各種磨削過程、 磨削現象的本質， 找出其變化規(guī)律， 例如，磨削力、磨削功率、磨削熱及磨削溫度的分布、切屑的形成過程、磨削燒傷、磨削表 面完整性等的影

13、響因素和條件；不同工件材料（特別是難加工材料和特殊功能材料）和磨削條件的最佳磨削參數； 磨具的磨損， 新型磨具材料的磨削性能等， 只有通過磨削機理和磨削工 藝的研究，才能確定最佳的磨削范圍，獲取最佳的磨削參數。對普通磨削而言， 在磨削機理和磨削工藝方面已開展了廣泛而深入的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削機理和磨削工藝方面，針對不同的工程材料（如陶瓷和玻璃 ）國內外開展了一些研究， 但還很不全面， 尚未形成完整的理論體系，還需進行廣泛的研究， 找出 其內在的規(guī)律。可見，需要進一步研究的重點有，磨削過程、磨削現象（如磨削力、磨削溫度、磨削燒傷及裂紋等 ）的研究； 磨削工藝參數優(yōu)化的研究

14、； 不同材料 （常用材料 ）的磨 削機理的研究；磨削過程的計算機模擬與仿真的研究。2.2 高速、高精度主軸單元制造技術主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架幾個部分， 它影響著加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性 及應用范圍，其動力學性能及穩(wěn)定性對高速高效磨削、精密超精密磨削起著關鍵的作用。提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉速，特別是在砂輪直徑受到限制的場合（如內圓磨削）。因而，適應于高精度、高速及超高速磨床的主軸單元是磨床的關鍵部件。而對于高速 高精度主軸單元系統(tǒng)，應該是剛性好，回轉精度高，運轉時溫升小、穩(wěn)定性好、可靠，功耗 低，壽命長， 同時， 成本也應適中。 要滿足這些要求， 主軸的制造及動平衡，

15、 主軸的支撐 （軸 承），主軸系統(tǒng)的潤滑和冷卻，系統(tǒng)的剛性等是很重要的。國外主軸單元技術的發(fā)展很快， 有些公司專門提供各種功能的主軸單元部件， 這種主軸單元 部件可以方便地配置到加工中心、 超高速切削機床上。 近年來高速和超高速磨床越來越多地 用電主軸作為其主軸單元部件，如美國福特公司和英格索爾（Ingersoll） 公司推出的加工中心，其主軸單元就是用的電主軸， 其功率為 65kW ，最高轉速達 15,000r/min ，電機的響應時間很 短；在 EMO'97 上，電主軸是機床制造技術中最熱門的功能部件， 參展商達 36 家；美國 Landis 公司的超高速曲軸、凸輪軸磨床的砂輪主軸

16、，也都用電主軸。目前，國內主軸單元的速度大約在 10,000r/min 以下，且其精度、剛性及穩(wěn)定性有待于考驗 和提高。同時，缺乏高速、高精度、大功率的主軸單元（電主軸 ）。需要進一步研究的重點如下：大功率、高轉速和高精度的驅動系統(tǒng)的研究與開發(fā)；高剛性、高精度、高轉速重負 荷的軸承或支承件的研究與開發(fā)； 高速、 高剛性、 高精度的砂輪主軸和工件頭架主軸的制 造技術。2.3 精密、高速進給單元制造技術進給單元包括伺服驅動部件、 滾動單元、 位置監(jiān)測單元等。 進給單元是使砂輪保持正常工作 的必要條件，也是評價高速、高效及超高速磨床性能的重要指標之一， 因此，要求進給單元 運轉靈活，分辨率高，定位精

17、度高，沒有爬行，有較大的移動范圍（既要適合空行程時的快進給，又要適應加工時的小進給或者微進給），既要有較大的加速度， 又要有足夠大的推力，剛性高，動態(tài)響應快，定位精度好。數控機床普遍采用旋轉電機 （交直流伺服電機 ）與滾動絲杠組合的軸向進給方案。但隨著高速 高精度加工的發(fā)展， 國內外都普遍采用了直線伺服電機直接驅動技術， 高動態(tài)性能的直線電 機結合數字控制技術， 可達到較高的調整質量， 也可滿足上述要求， 如德國西門子公司就在CIMT'97 作了直線電機 120m/min 高速進給的表演，而該公司的直線電機最大進給速度可達200m/min，其最大推力可達 6600N，最大位移距離為 5

18、04mm。又如日本三井精機公司生產 的高速工具磨床，主軸上下移動（行程25mm）采用直線電機后，可達 400次/min，是原來的2倍，加工效率提高34倍。我國國產數控進給系統(tǒng)（特別是高速、高精度進給系統(tǒng) ）與國外 相比還有很大的差距，其快速進給的速度一般為 24m/min ?？梢姡瑸榱诉m應精密、高速及超 高速磨床的發(fā)展， 在以下幾個方面應重點研究： 高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究； 直線伺服電機的設計與應用的研究； 高速精密滾珠絲杠副及大導程滾珠絲杠副的研究； 高精度導軌、 新型導軌摩擦副的研究； 能適應超精密磨削的高靈敏度、 超微進給機構和超 低摩擦系數的導軌副的研究。2.4 砂輪制造及其

19、新技術隨著工程材料的發(fā)展及其應用， CBN砂輪和人造金剛石砂輪的應用越來越廣泛，而砂輪的許用線速度也要求較高，一般在 80m/s以上。單層電鍍 CBN砂輪的線速度可達 250m/s，發(fā)展 超高速磨削也需要 150m/s以上的砂輪，但國內 80120m/s的CBN砂輪仍在研制之中。此外，砂輪的設計，其截面形狀的優(yōu)化、粘結劑的結合強度及其適用性、砂輪基體的材料、 砂輪的制造技術 （特別是對微細磨料磨具的制造技術 ）等都是非常重要的，仍需對一些關鍵技 術進行攻關：砂輪基體材料及制造技術的開發(fā)、設計及其優(yōu)化；砂輪新型粘結劑（特別是適用于制造微細磨料磨具的粘結劑）的研究；新型磨料的制備工藝，如可使磨料容

20、易產生新的切削刃； 新型砂輪的制造工藝， 既要使砂輪具有足夠的容屑空間， 也要有更好的凸 出性；適合于超精密磨削的超微粉砂輪的制備技術。2.5 機床支承技術及輔助單元技術機床支承技術主要是指機床的支承構件的設計及制造技術。 輔助單元技術包括快速工件裝夾 技術， 高效冷卻潤滑液過濾系統(tǒng)、機床安全裝置、 切屑處理及工件清潔技術、主軸及砂輪的 動平衡技術等。磨床支承構件是砂輪架、 頭架、尾架、工作臺等部件的支撐基礎件。 要求它有良好的靜剛度、 動剛度及熱剛度。對于一些精密、超高速磨床，國內外都有采用聚合物混凝土（人造花崗巖 ）來制造床身和立柱的，也有的將立柱和底座采用鑄鐵整體鑄造而成，還有采用鋼板焊

21、接件， 并將阻尼材料填充其內腔以提高其抗震性，這些都收到了很好的效果。應在以下幾個方面（特別是下一代磨床的設計）加強研究：新型材料及結構的支承構件的優(yōu) 化設計及制造技術的研究； 砂輪動平衡技術的研究； 磨削液過濾系統(tǒng)的研究； 安全防 護裝置的設計制造技術的研究；精密自動跟刀架及支承件的研究。2.6 砂輪在線修整技術在磨削過程中， 砂輪由于磨鈍和磨損，需要進行及時修整，特別是對超細磨料砂輪而言，更 需頻繁修整。 普通砂輪修整比較容易； 人造金剛石砂輪和 CBN 砂輪的修整 （特別是在線修整 ） 是個難題。超硬磨料砂輪的修圓及磨料開刃是兩個很重要的問題。目前， 國內一些學者正在研究激光修整砂輪和電

22、解修整砂輪，以期解決高效實用的修整問題。重要的關鍵問題有二：新的、高效實用的砂輪修整技術及其裝置；砂輪在線修整技術。2.7 環(huán)境友好的相關磨削技術磨削過程中， 冷卻液的作用主要是冷卻和潤滑、 將磨削熱從工件表面帶走、 沖刷掉磨削時留 在工件和砂輪表面上的切屑。 但是， 鑒于冷卻液對環(huán)境污染的負面影響， 磨削時應盡可能少 用冷卻液或不用冷卻液， 因此， 應開展對下列關鍵技術的研究： 對環(huán)境不產生污染的冷卻 劑；新的冷卻方法及冷卻裝置。2.8 磨削過程的檢測控制技術磨削過程的檢測與控制，主要是通過傳感器、分析及信號處理，對磨削過程進行實時監(jiān)控， 例如對砂輪的磨損及破損情況進行監(jiān)測和控制， 對工件的

23、尺寸、 形狀與位置精度和加工表面 質量進行監(jiān)控。這需要研究新的實用的傳感器、檢測與監(jiān)控方法。有些學者提出，將新型非接觸式傳感器 （聲發(fā)射傳感器 ）安裝在砂輪的基體上，通過信號接收 器接收信號并對其進行分析處理， 以控制砂輪所受的力， 從而監(jiān)控砂輪的磨損狀況。 但尚未 見到更詳細的實驗報道。國內也開發(fā)了一些非接觸式測量傳感器及磨削過程的在線監(jiān)測、監(jiān)控技術等， 但與國外差距很大。國內應以實用化為目標，進行相關測試技術的研究，研究精度高、可靠性好、實用性 強的測試技術與設備。同時，加強對砂輪磨損及破損、砂輪修整狀態(tài)，工件的加工精度、加 工表面質量等在線監(jiān)控技術進行研究，開展自適應控制及智能控制的研究

24、。其關鍵技術有砂輪的磨損及破損的監(jiān)控技術；工件的尺寸精度、 形狀精度、 位置精度和加工表面質量的在線監(jiān)控技術；精度高、可靠性好、實用性強的測試技術與儀器。2.9 磨削過程的仿真與虛擬隨著計算機技術及模擬技術的發(fā)展， 利用計算機進行磨削基本參數及磨削工藝的仿真是一個 重要的研究課題。 利用計算機仿真， 可以模擬磨削過程， 并能分析和預測不同條件下磨削效 果和磨床的性能， 但仿真必須建立在有充分實驗數據的基礎之上。 目前能使用砂輪地貌模型 對砂輪進行仿真，能對磨屑形成過程、能量轉換、磨削力變化、磨削區(qū)溫度、磨削精度和磨 削表面質量進行仿真，還開發(fā)了分析和仿真磨削過程的軟件工具。虛擬磨床是虛擬制造技

25、術中的一個新的研究領域，可以建立一個逼真的虛擬磨削環(huán)境?？傊?， 我們的研究一方面要跟蹤國際科學研究的前沿，更要有創(chuàng)新，要符合自己的國情，所 研究的成果要能夠應用于生產，以推動我國機械工業(yè)的進步。參考磨商網鏈接 :金剛石是目前發(fā)現的硬度最高、鋒利性較好的磨粒。采用電鍍的方法將金剛石磨料"電鍍 "在金屬基體上， 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓鑄燒結法， 不僅投資少、成本低，而且避免了在高溫情況下金 剛石的氧化，保證了金剛石的硬度和鋒利性。在整個電鍍金剛石過程中， 90%以上的電鍍層結合不良是由于鍍前處理不良所致。 因此，要提高電鍍質量，最主要的是做好鍍前處理。鍍前處理的內容大致包括：除油、防銹、

26、浸蝕、酸洗、活化清洗以及加輔助電極 和裝掛等。為了提高鍍層質量， 經過對國內外的電鍍行業(yè)情況進行分析和比較， 結合實際， 制 定了鍍前處理新工藝流程如下： 去毛刺清洗涂絕緣膠擦洗化學除油熱、 冷水沖洗酸洗冷水沖 洗電化學除油沖洗陽極處理沖洗入槽。實驗步驟1. 去毛刺用砂紙和手銼將工件上的毛刺除去，防止工件表面呈現介電的不良狀態(tài)。2. 清洗用酒精將工件擦洗一遍，初步清除工件表面的油污。3. 涂絕緣膠將擦洗后的工件，在非鍍部位上涂一層快速粘合劑，使非鍍部位絕緣。4. 擦洗為了防止需鍍部位被涂上絕緣膠，用手銼或砂紙將該部位再打磨一遍，然后 沖洗。5. 化學除油除油劑配方。氫氧化鈉具有很強的皂化作用，

27、 與動植物油反應， 生成可溶性飛皂和甘油。 十二烷 基硫酸鈉是一種表面活呼劑， 在其十二烷基疏水基團和硫酸根親水基團的協(xié)同作應下， 降低 了液體與工作之間的表面張力。 它作為一種堿液添加劑， 加快了除油速度。 碳酸鈉和硅酸鈉 則是兩種緩沖劑對處來酸起緩沖作用，使融液的 PH 值基本上保持不邊。將工件置與于上述 溶液中，在40 C60 C的情況下清洗30分鐘左右。6. 熱、冷水沖洗先用熱水沖洗，在用冷書沖洗，避免除油液進入酸溶液中。7. 酸洗酸洗液配方，其目的是去除基體表面的氧化皮。8. 冷水沖洗酸洗后，將工件夾出，用冷水沖洗，然后裝掛到電化學除油槽內。9. 電花學除油電化學除油劑配方把工作裝掛在此溶液內， 接同點源，先陰級處理 1 分鐘，然后陽極處理 3 分