金属结合剂砂轮的研究与发展

［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；金属结合荆；制造；修整；发展 ［中图分类号］ＴＧ７４＋３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号】１００３—５４５１（２０１０）０４—００３８—０４
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ
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
’国家自然科学基金项目（５０７０５０２８）资助
Ｗｈｅｅｌ），将孔隙结构引人金属结合剂砂轮，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 结法（ｐｕｌｓｅ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｉｓｏｓｔａｔｉｃ
ｐｉｅｓ８）、通电烧
ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）和真空烧结法。
ＥＤＭ） 电火花法修整ＥＤＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ
对６００＃金刚石砂轮进行修锐，磨削光学玻璃（ＢＫＩＯ） 后的Ｒ丑达到０．１２ｐ，ｍ。谢晋和Ｔａｍａｋｉ对接触式放电 修整技术的电解质进行了一系列实验研究，实验结果 证明，电解质很大程度上决定了接触式放电修整技术
的性能。
Ｍｅｔａｌ—Ｂｏｎｄｅｄ Ｄｉａｍｏｎｄ
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 （＜２ｗｔ．％）等其它元素，可以提高胎体的耐磨性和对 金刚石磨粒的把持力。Ｔｒｕｏｎｇ等人在Ｎｉ—ｃｕ结合剂 中添加ｓｎ后真空烧结的金刚石砂轮，磨料问结晶物组 成的结合剂架桥生成的现象更为显著。在青铜基结合 剂中添加ｃｏ、Ｃｒ等强碳化物形成元素，一定程度上可 以改善金属胎体与金刚石磨粒的结合状况。
属结合剂砂轮是处于研制开发中的一种新型金属结合
・３８・
万方数据
《航空精密制造技术）２０１０年第４６卷第４期
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年提出了多孑Ｌ金属结合剂金刚石 砂轮ＰＭＢＤＷ（Ｐｏｒｏｕｓ
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ
ｓｔｕｄｙ ｏｆ
ｍｅｔａｌ—ｂｏｎｄｅｄ鲥ｎｄｉｎｇ
ｗｈｅｅｌｓ
ｗｅｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ
ｒｅｃｅｎｔ
ｙｅａｒｓ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｎａｌｙｚｅｄ．
ｏｎ
ｔｈｅ
ｍｅｔａｌ—ｂｏｎｄｅｄ
ｓｒｌｎｄｉｎｇ
ｗｈｅｅｌｓ ｄｒｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｔａｌ
２０１０年８月 第４６卷第４期
ＡｖｌＡＴｌｏＮ ＰＲＥＣｆｓｌｏＮ
航窄精密制造技术 ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲⅢＧ ＴＥｃＨＮｏ￡ＤＧＹ
＾ｌ罾２０１０
耽Ｉｆ．４６ Ｎｏ．４
材料热工艺
金属结合剂砂轮的研究与发展木
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）
Ｍｅｔａｌ
Ｂｏｎｄｅｄ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ
Ｗｈｅｅｌ
ＦＡＮ Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ，ＹＵＡＮ Ｊｕ—ｌｏｎｇ，ＬＶ Ｂｉｎｇ—ｈａｉ，ｅｔ ａ１．
（１．Ｔｈｅ
Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｐｅｃｉａｌ ｐｕｒｐｏｓｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，
出的一种超硬磨料砂轮修整技术。它是利用旋转砂轮 与工具电极之间产生脉冲火花放电的电腐蚀现象来蚀 除砂轮表面的金属结合剂，使金刚石磨粒有效地暴露 出来，以达到整形和修锐目的。为消除对专门电刷和 绝缘主轴的要求，Ｓｕｚｕｋｉ和Ｔａｍａｋｉ等人分别提出了 “双电极法”和“旋转电极法”，使电火花修整逐渐应用 到实际中来。西班牙研究人员Ｓａｎｃｈｅｚ等人采用单电 级电火花放电法实现了对金属结合剂ＣＢＮ砂轮的修 整。相关研究表明：采用雾喷射电火花放电修整技术 修整金属结合剂超硬磨料砂轮，可获得很好的表面形 貌和磨削性能。 ３．４接触式放电修整法（Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｃｏｎｔａｃｔ ｄｒｅｓｓｉｎｇ，ＥＣＤＤ） 接触式放电修整法（Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｃｏｎｔａｃｔ
ｂｏｎｄｅｄ ｓｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ
ｗｅｒｅ
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｇｒｉｎｄｉｎｇ
ｗｈｅｅｌ；ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄ；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ；ｄｒｅｓｓｉｎｇ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
１
引言
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／７ｎ－ｒ＿中的缺陷，国
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
ｎｉｎｇ
ｄｒｅｓｓｉｎｇ，ＥＣＤＤ）是Ｔａｍａｋｉ和Ｋｏｎｄｏｈ在１９９９年首先提 出的。它利用砂轮的金属结合剂与金属切屑接触，构 成电流回路，产生瞬间放电，局部高温蚀除金属结合
Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉ．
剂，达到对砂轮进行修整的目的。华南理工大学谢晋 和日本北见工业大学Ｔａｍａｋｉ采用接触式放电修整法
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
ｃｈａｒｇｅ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｄｉｓ．
３．５气中电火花ｍｒ法
气中电火花加工法是由日本的Ｋｕｎｉｅｄａ和Ｙｏｓｈｉ— ｄａ在１９９７年首先提出的，它利用从管状工具电极中 喷射出的高速气流去除已汽化和熔化的工件材料，同 时代替工作液起压缩放电通道限制其扩展的作用，使 放电能量高度集中在极小的区域内，达到去除结合剂 的目的。华南理工大学谢晋等人用气中单脉冲电火花 放电实现金属结合剂精密金刚石砂轮的修锐，产生了 较好的砂轮出刃形貌，改善了磨削表面质量。 ３．６激光修整法 激光修整法是利用光学系统把激光束聚焦成极小 的光斑作用于砂轮表面，在极短的时间内使砂轮局部
Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４
２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｈｉ【ｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ
４１００８２）
ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ
ｄｒｅｓｓｉｎｇ，ＥＬＩＤ）技术，并且使用磨
粒网格尺寸为４００＃金属结合剂金刚石砂轮磨削了陶 瓷等硬、脆材料。１９９０年日本理化学研究所的大森整 （ＯＨＭＯＲＩ）利用ＥＬＩＤ成功的解决了铸铁基砂轮修锐 的难题，而且利用ＥＬＩＤ使得超微细金刚石砂轮（粒径 为几微米到５ｎｍ）能用于硬、脆材料的镜面磨削。Ｉｓ— ｌａｍ等人用粒度为８０００日铸铁结合剂金刚石砂轮进 行在线修整实验研究，研究了电流对磨削性能的影响。 此外，国内如哈尔滨工业大学、西北工业大学、湖南大 学和天津大学等许多高校和研究机构的研究人员对在 线电解修整技术进行了广泛深入的研究，促进了在线 电解修整技术在陶瓷、光学玻璃和航空航天等领域的 应用。 ３．２电火花法修整ＥＤＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ