金剛石砂輪的分類及研究進(jìn)展

金剛石砂輪是磨削加工技術(shù)中使用最為廣泛的加工工具，按結(jié)合劑的不同金剛石砂輪一般可以分為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪、陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪和金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪多采用熱固性樹脂，具有固化溫度低、制備相對簡便等優(yōu)勢，主要用于刃磨刀量具、磨孔、外圓磨及平面磨。金屬結(jié)合劑金剛石砂輪其結(jié)合劑和磨粒的結(jié)合力強(qiáng)，韌性好，能承受較大載荷，已經(jīng)在脆硬材料復(fù)雜型面的成型磨削、精密和超精密磨削領(lǐng)域得到了應(yīng)用。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪具有較高的彈性模量和較低的斷裂韌性，它的結(jié)合強(qiáng)度高于樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，自銳性優(yōu)于金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，被廣泛應(yīng)用于加工復(fù)合片、硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷等材料。本文旨在對近年來國內(nèi)外對樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪、陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪以及金屬結(jié)合劑金剛石砂淪的研究工作做一簡單的綜述。

樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的研究現(xiàn)狀

樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪以樹脂粉為粘結(jié)材料，加入填充材料，通過熱壓、硬化及機(jī)加工等工藝制成具有一定形狀的磨削工具。日前，國內(nèi)用做樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的結(jié)合劑主要有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和聚酞亞胺等，但它們的共同問題是耐熱性差，磨削過程中產(chǎn)生的磨削熱會導(dǎo)致樹脂軟化、分解及對磨料的粘結(jié)力下降，在磨削過程中金剛石磨料沒有發(fā)揮很好的作用就容易大量脫落，因此耐用度很差。

酚醛樹脂（PF）是世界上最早實現(xiàn)工業(yè)化的合成樹脂，在樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪中的應(yīng)用十分普遍，但是普通酚醛樹脂作為砂輪的樹脂結(jié)合劑在200°C以下能夠穩(wěn)定使用，若超過200°C，其酚羥基和亞甲基便會發(fā)生氧化，影響其耐熱性和抗氧化性；固化后的酚醛樹脂因芳核之間僅有亞甲基相連而顯脆性，因此傳統(tǒng)未改性的酚醛樹脂脆性大，韌性差，耐熱性不足，限制了樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用。因此制備高性能的酚醛樹脂非常必要。

近年來，國內(nèi)外十分重視酚醛樹脂的改性及其復(fù)合材料的增強(qiáng)、增韌，開發(fā)出一系列具有優(yōu)異的耐熱和阻燃的高機(jī)械強(qiáng)度的酚醛樹脂品種，如劉曉洪等合成的鉬改性酚醛，其熱分解溫度為522°C，600°C下失重率仍為17.5%,用其制成的摩擦材料的高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定，熱恢復(fù)性好；熊雪梅等用熔融共混的方法將聚砜引入酚醛樹脂中，并以劍麻纖維作改性酚醛樹脂的增強(qiáng)體，采用加壓成型技術(shù)制成摩擦復(fù)合材料，結(jié)果表明聚砜的引入可使得酚醛樹脂的耐熱性能提高，且復(fù)合材料的摩擦性能十分優(yōu)異；周元康等在桐油改性酚醛樹脂的聚合過程中添加經(jīng)過分散的Si02納米粒子，制備出復(fù)合改性的熱固性酚醛樹脂，將其用于摩擦材料中，其抗熱衰退性和摩阻性能具有明顯的改善等。

 金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究現(xiàn)狀

金屬結(jié)合劑對金剛石磨料的把持力的強(qiáng)弱是影響金屬結(jié)合劑金剛石砂輪壽命的關(guān)鍵因素，因此，國內(nèi)外研究者對金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究主要集中在以下幾個方面：

（1）用Fe基取代Co基用作金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的結(jié)合劑，降低生產(chǎn)成本。如韓娟等考察了碳含量對高鐵基胎體材料性能的影響，當(dāng)含碳量1%時，胎體材料密度達(dá)到最小值7.47g/cm3;含碳量0.4%時，胎體材料密度達(dá)到最大值7.65g/cm3。陳霞等通過向鐵基結(jié)合劑中加入少量Co減少了結(jié)合劑對金剛石表面的侵蝕，且由于Co的加入使得金剛石表面附著一層致密的胎體材料，從而使胎體材料與金剛石結(jié)合得更加緊密。戴秋蓮等研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加C、Cu、Ni 的含量可以提高鐵基胎體材料的機(jī)械性能，砂輪燒結(jié)溫度對鐵基胎體材料的硬度、抗彎強(qiáng)度有顯著的影響，適量的Zn和Sn有利于液相燒結(jié)；

（2）采取工藝措施實現(xiàn)金屬結(jié)合劑對磨料的把持能力。一是通過向燒結(jié)原材料添加活性的Ti （TiN2）、Cr、稀土元素等來實現(xiàn)；二是在金剛石磨粒表面鍍附Ti,  Cr等活性金屬或者合金鍍層，提高結(jié)合劑對磨料的把持能力；

（3）改善金屬結(jié)合劑金剛石砂輪修整能力。日本的T. Tanaka等嘗試開發(fā)了一種以鑄鐵為結(jié)合劑的多孔金剛石金屬砂輪，將多孔陶瓷的金剛石砂輪的空隙結(jié)構(gòu)引入到金屬金剛石砂輪，以獲得金剛石磨粒較好的出刃能力和自銳性。其后日本H.Tomino與S.H.Truong等人發(fā)展了熱等靜壓燒結(jié)、通電燒結(jié)、真空燒結(jié)等多種制備方法，通過對制備工藝、孔隙率和各種磨削性能的對比研究，對該新型多孔金屬結(jié)合劑金剛石砂輪有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。國內(nèi)研究者提出通過改變金屬結(jié)合劑配方使其磨損速率與金剛石磨料的磨損速率相匹配，以提高金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的自銳能力，但該方法受被加工材料本身性能、不同金剛石品級以及金屬結(jié)合劑可調(diào)控的配方成分范圍有限的影響，該工藝的應(yīng)用具有局限性。廖翠蛟等通過向金屬結(jié)合劑中加人一定量造孔劑，獲得具有一定孔隙率的多孔金屬結(jié)合劑金剛石節(jié)塊試樣。

目前，金屬結(jié)合劑金剛石砂輪分為三種：電鍍金剛石砂輪、燒結(jié)金剛石砂輪、單層釬焊金剛石砂輪。電鍍金剛石砂輪只能用于磨削負(fù)荷較小的場合，燒結(jié)金剛石砂輪使用較普遍，而單層釬焊金剛石砂輪目前國內(nèi)還處于研制開發(fā)階段。

電鍍金剛石砂輪是用電化學(xué)法制作的砂輪。電鍍金剛石砂輪具有如電鍍工藝簡單、投資少、制造方便、無需修整、工作效率高、使用壽命長等優(yōu)點。目前，電鍍金剛石砂輪在高精度、高速、超高速磨削中占有無可爭議的主導(dǎo)地位。電鍍金剛石砂輪存在的缺陷如：電鍍金剛石砂輪中的金剛石磨粒與鍍層金屬及基體之間只是普通的機(jī)械包埋鑲嵌，其結(jié)合面沒有形成牢固化學(xué)冶金結(jié)合，故其把持力小。砂輪工作表面極易發(fā)生堵塞，散熱差，磨削溫度高，容易燒傷工件表面。

為了解決電鍍金剛石砂輪磨粒把持力不夠，工具容易發(fā)生堵塞等問題，也為了更充分的發(fā)揮超硬磨料的優(yōu)勢，國外二十世紀(jì)90年代初開始以高溫釬焊工藝，開發(fā)了單層釬焊金剛石砂輪。尤其是在高溫釬焊金剛石砂輪方面取得了一定的進(jìn)展。對單層釬焊金剛石砂輪來說，由于高溫釬焊所提供的界面上的結(jié)合強(qiáng)度高；同時因為結(jié)合層厚度很薄，磨粒間的容屑空間被大大擴(kuò)展，不易堵塞，有效磨粒切刃更多、更鋒利，磨削溫度大大降低，可有效防止磨削燒傷，尤其在高效磨削中更能顯示出其無可比擬的優(yōu)勢。目前已應(yīng)用于金剛石繩鋸、單層釬焊金剛石砂輪與各種磨頭及砂盤等工具的制備中。但現(xiàn)階段工業(yè)化規(guī)模的單層釬焊超硬磨料磨具還是少有面市。

燒結(jié)金剛石砂輪是將超硬磨料與結(jié)合劑粉末混合后通過粉末冶金的方法燒結(jié)而成，形成多層結(jié)構(gòu)的燒結(jié)體。燒結(jié)金剛石砂輪具有結(jié)合強(qiáng)度高，成型性好，耐高溫，導(dǎo)熱性和耐磨性好，使用壽命長，可承受較大的負(fù)荷等優(yōu)點。針對燒結(jié)型金剛石砂輪，近年來部分學(xué)者開展了應(yīng)用特種加工方法修整燒結(jié)型金剛石砂輪的研究，主要有電解修整法、電火花修整法和復(fù)合修整法。

 陶瓷結(jié)臺劑金剛石砂輪的研究現(xiàn)狀

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪具有較高的彈性模量和較低的斷裂韌性，其結(jié)合強(qiáng)度高于樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，自銳性優(yōu)于金屬結(jié)合劑金剛石砂輪。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪近年來廣泛用于復(fù)合片、硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷等材料的加工，是國內(nèi)外研究的熱點。

俄羅斯等東歐國家研制了陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪熱壓成型工藝，減輕了金剛石砂輪在高溫?zé)Y(jié)過程中的氧化現(xiàn)象。這種工藝的優(yōu)點在于燒結(jié)溫度低，保溫時間短，金剛石的熱破壞小，燒結(jié)后砂輪整體性能得到很大提高。日本的橋本充生提出了用MgO、K20、 B203、Si02、Na20、Al203等為原料制備陶瓷結(jié)合劑，在隋性氣氛下，曉成溫度為680°C，保溫4-5小時制備低溫陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，該砂輪可用于工程陶瓷和鐵氧體的磨削如工，且磨削性能優(yōu)良。日本的日陶（Noritake）公司在以R20-B203-Al203-Si02系玻璃為基礎(chǔ)結(jié)合劑中添加Zn0制備微晶玻璃結(jié)合劑金剛石砂輪，該砂輪中微晶玻璃結(jié)合劑力學(xué)性能好，對金剛石顆粒把持力大。

日本東京大學(xué)采用溶膠一凝膠技術(shù)研制出以微粉金剛石和立方氮化硼作為磨料的陶瓷結(jié)合劑砂輪，可加工出精度為納米級的產(chǎn)品。奧地利Tyrolit公司、美國的N orton公司采用Li20-Al203-Si02系微晶玻璃作為結(jié)合劑，燒結(jié)溫度800-900°C，且對燒結(jié)后的磨具進(jìn)行專門的熱處理工藝，該磨具中微晶玻璃結(jié)合劑對金剛石磨料把持力強(qiáng)，成功地應(yīng)用于聚晶金剛石刀具的刃磨。德國KrebsKiedel公司采用De Beers公司的ABN800作為磨料，制備出一種新型大氣孔陶瓷砂輪，這種新型陶瓷砂輪可以通過控制自然形成氣孔與人工合成氣孔的結(jié)構(gòu)來達(dá)到減少結(jié)合劑的用量及實現(xiàn)磨粒規(guī)則排布的目的。

俄羅斯研發(fā)了一種新型閉口多氣孔陶瓷砂輪，這種新型陶瓷砂輪采用不可燃的發(fā)泡劑作為造孔劑，采用SiC和Al203作為磨粒，開辟了綠色環(huán)保砂輪制備工藝的新途徑，可用于加工耐熱鋼、銀合金、悴火鋼、磁性材料等。瑞士溫特蘇爾（WINTHERTHUR）公司生產(chǎn)的大氣孔緩進(jìn)給陶瓷砂輪、陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪及微晶燒結(jié)陶瓷磨料砂輪等，這些砂輪主要用于精密磨削，如大氣孔緩進(jìn)給陶瓷砂輪可用于渦輪葉片的磨削，并且可采用滾磨法、部分滾磨法和成型磨削方法來加工精密齒輪。法國圣戈班開發(fā)了一種Vortex技術(shù)，制備出一種新型陶瓷CBN砂輪，同時還利用Carbon Cool技術(shù)制備了一種新型多孔隙開孔結(jié)構(gòu)陶瓷砂輪。

 結(jié)束語

綜上所述，雖然近年來國內(nèi)外對樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪、陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪以及金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的研究取得了一定的進(jìn)展，但是這三類砂輪都由于磨粒形狀及其分布的隨機(jī)性，造成了磨削時法向力與切向力之比高、磨削比能高、磨削溫度高、對磨床剛度要求高，并且磨粒只是機(jī)械包埋、鑲嵌在結(jié)合劑層中，把持力不大，在磨削過程中磨粒容易脫落，特別是超硬磨料砂輪磨粒利用率不高，造成資源的大量浪費(fèi)；同時為了保證結(jié)合劑層對磨粒的有效包埋，磨粒一般出露高度不大，容屑空間較小，在加工過程中容易產(chǎn)生磨屑的粘附堵塞，需要定期對砂輪進(jìn)行修整與修銳，從而影響了加工質(zhì)覺和磨削生產(chǎn)率。因此，如何改進(jìn)工藝，將陶瓷結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑及樹脂結(jié)合劑的優(yōu)點加以綜合，開發(fā)新型的金剛石砂輪是現(xiàn)代加工業(yè)的迫切需要。