金刚石砂轮

金刚石砂轮（通用7篇）

金刚石砂轮 篇1

金刚石超薄切割砂轮主要用于精密切槽和切断, 一般采用深切缓进给磨削法。具有磨削深度大、进给速度小、砂轮与工件的接触面积大、切缝窄、金属切除率高、磨削精度高、加工表面质量好及材料利用率高等特点。其一般规律如下:1) 整体型切割砂轮厚度薄 (多在0.5mm以下) 、外径小 (20～100mm) 、粒度细、尺寸及形位精度高、重量轻, 一般在高转速条件下使用。一般转速为5000～40000r/min。

2) 基体型切割砂轮大多较厚 (0.5～2mm) 、直径大 (100～200mm) 、粒度粗、精度较低, 一般用于较低转速大切深条件下使用。一般转速为3000～10000r/min。

3) 超薄切割砂轮多使用细粒度, 且一般其厚度越薄磨料粒度会相应变细, 加工表面质量好。但是磨料粒度越细相应的切割锋利度下降, 要相应减小进给速度, 以适应磨料粒度的可切削性。

4) 超薄切割砂轮的切削深度一般由用户根据切割零件来定, 其切削大多采用缓进给磨削工艺, 深度一次切到。这样由于切割砂轮薄、切割条件差 (多为3面接触工件) , 使其散热困难, 因此要加大 (流量、压力) 对切削区的冷却。

5) 当切割砂轮在用户处刚上机使用就出现切不动或工件崩口时, 建议提高切削速度或降低进给量;当使用一段时间后出现切不动或崩口时, 建议用适当粒度的油石对砂轮表面进行开刃, 以调整其锋利性。

6) 工件加工表面质量及切割性能主要与超薄切割砂轮磨料粒度有关, 粒度越细加工的表面光洁度越好。同时与工件材料、硬度、切割用量、机床条件、加工要求等因素也有关系。

7) 超薄切割砂轮出厂前一般已进行了整形和开刃, 用户可以直接使用。如果用户需进一步整形, 建议用绿碳化硅或白刚玉油石, 粒度选比切割砂轮粒度粗1-2个号;如果用户需进一步开刃或使用一段后开刃, 建议用绿碳化硅或白刚玉油石, 粒度选比切割砂轮粒度细1-2个号或同号即可。

8) 切削用量一般还与被加工材料、硬度、精度、加工要求等有关, 建议初次使用时最好在用户原有条件下使用, 不要轻易改变切削用量。

9) 用户使用条件也是影响切割性能的主要因素, 特别是机床的主轴轴向串动、径向跳动、法兰的平行度、动平衡精度等均直接影响切割砂轮的切割精度。

金刚石砂轮修整方法比较研究 篇2

1 磨削修整法

1.1 磨削修整法的原理

修整时是用普通磨料砂轮与金刚石砂轮对磨, 金刚石砂轮做旋转运动, 而普通磨料砂轮在做旋转运动的同时还做进给运动, 金刚石砂轮表面的磨粒在摩擦力的作用下开始慢慢旋转, 旋转的同时对金属结合剂产生一定的挤压力, 至使粘结剂出现裂纹, 随着摩擦力的连续作用, 造成结合剂的裂纹进一步扩大, 最终粘结剂破碎, 使磨钝的金刚石颗粒从砂轮表面脱落, 锋利的金刚石颗粒显露出来从而达到修整的目的。

1.2 磨削修整法的特点

磨削修整法的主要优点是:结构简单、操作方便、修整时间短、磨削速度稳定、磨削成本较低, 但修整过程存在冲击力, 修整效率低、修整精度差且磨粒脱落较多、整形质量不易控制。多用于修整陶瓷和树脂粘结剂金刚石砂轮。

2 软弹性修整法

2.1 软弹性修整法的原理

软弹性修整法在修整时砂带套在砂带轮上, 修整时金刚石砂轮高速旋转, 卷带轮缓慢转动, 砂带在带轮上慢慢移动, 利用砂带与砂轮的接触力有效地去除金刚石砂轮表面磨粒间的结合剂, 从而达到修整的目的。

软弹性修整示意图

2.2 软弹性修整法的优点

与其它修整方法相比, 软弹性修整法更适用于修整金属结合剂金刚石微粉砂轮, 因为金属结合剂金刚石微粉砂轮既有金属的塑性, 又有很高的硬度, 所以修整难度相当大, 主要表现在:修整工具表面磨粒很快被磨损, 其次是修整工的容屑空间容易堵塞使修整无法继续。而用软弹性修整法的修整工具———砂带总是以新的锋利磨粒被修整砂轮接触, 能形成良好的修整环境, 有效地去除金刚石砂轮表面磨粒间的结合剂, 且修整时磨削力较小, 磨削表面质量高。

3 电火花修整法

3.1 电火花修整原理

该方法在修整金刚石砂轮过程中, 砂轮高速旋转, 金刚石砂轮接电源的正极, 工具电极接电源的负极, 在金刚石砂轮和工具电极之间喷入磨削冷却液, 电压加在工具电极与砂轮之间, 火花放电便在砂轮金属粘结剂与修整电极间产生, 瞬时放电的高温使金属粘结剂发生气化, 砂轮表面的金属结合剂被有效去除, 金刚石磨粒被充分地暴露出来实现对砂轮的修整。

3.2 电火花修整的特点

可实现在线修整, 易于保证砂轮的磨削精度, 修整后的砂轮磨削力小, 整形精度高、且整形和修锐可同时完成, 但整形速度较慢且电火花放电修整金刚石砂轮会因为放电温度过高使磨粒的性能发生改变, 有效控制砂轮表面的温度是电火花修整金刚石砂轮的关键。

4 激光修整法

4.1 激光修整法的原理

激光修整法是利用光学系统把激光光束聚焦成很小的光斑作用在砂轮表面, 除少部分激光被反射外, 绝大部分激光被金属粘结剂吸收, 温度迅速升高, 导致被激光光束照射的区域, 金属粘结剂气化而被去除, 结合剂材料的去除通常经过:照射、吸收、升温、气化几个过程。在激光修理砂轮时, 合理控制激光功率及密度, 可以同时去除砂轮表面的金刚石磨粒和结合剂材料, 达到砂轮整形的目的, 通过调整激光加工参数, 还可以选择性地去除砂轮表面的结合剂材料, 使金刚石磨粒具有一定的突起高度, 达到砂轮修锐的目的。

4.2 激光修整法的优点

激光修整法是一种非接触修整方法, 修整时既没有机械作用力、没有修整工具的损耗, 激光作用时间短, 作用面积小, 对金刚石磨粒和粘结剂都没有损伤, 确保了粒的磨削性能, 且修整效率高, 缺点是修整工艺较复杂、成本较高。

5 电解修整法

5.1 电解修整法的原理

电解修整法主要用于金属粘结剂金刚石砂轮, 电解修整时, 金属结合剂砂轮与直流电源正极相接做为电解阳极, 工具电极与直流电源负极相接做为电解阴极, 在阳极和阴极之间喷入具有电解作用的磨削液做为电解液, 使金刚石砂轮、电解液、工具电极和电源构成电解回路, 修整时, 让电解液充满阴极与阳极之间的间隙, 电流从砂轮经电解液流向修整砂轮, 金刚石砂轮表面的金属结合剂的金属成份在电解液作用下, 溶于电解液中, 并与电解液中的氢氧根离子化合, 生成微小固体被流动的电解液带走, 大大降低了金刚石砂轮表层粘结强度, 这个时候再使用机械修整法, 修整性能就可以得到了极大的改善。所以电解修整是以电化学作用为主, 机械作用为辅进行的一种复合修整方法。

5.2 电解修整法的特点

电解修整法可以方便的实现金属结合剂金刚石砂轮在线电解修整, 且整形与修锐可同时完成, 容易控制金刚石砂轮表面的切削状态, 用电解法修整金刚石砂轮的优点是修整时间短、磨削热小, 避免了金刚石砂轮因修整温度过高磨粒碳化导致砂轮寿命下降, 缺点是电解修整法整形精度不高, 修整成本较大, 工艺较复杂。

6 结束语

金刚石砂轮的修整是实现硬脆材料的精密磨削、超精密磨削、高效磨削、成形磨削的关键。金刚石砂轮的修整方法种类繁多, 各具特色, 本文只介绍了目前研究应用较广、修整效果较好的几种修整方法, 在实际应用中还要综合考虑工件、加工等各方面因素, 选择最优修整方案, 以达到最佳的修整效果。

摘要：金刚石砂轮具有很好的磨削性能, 在工业陶瓷、硬质合金、光学玻璃、金刚石刀具、宝石等难加工材料的磨削上有着非常广泛的应用。但金刚石砂轮存在硬度极高, 修整难度相当大, 且在修整过程中容易发生堵塞等问题, 严重影响磨削表面的质量和修整效率, 限制了金刚石砂轮的应用, 本文对金刚石砂轮的各种修整方法进行比较和研究。

关键词：金刚石砂轮,修整,研究

参考文献

[1]康仁科, 史兴宽.激光修整金刚石砂轮的研究[J].西北大学学报, 1999, 11.

金刚石砂轮 篇3

研究用高温钎焊替代电镀或烧结开发新一代金刚石工具是超硬磨料工具业界的热点问题, 其出发点是希望藉高温钎焊时在金刚石、钎料与基体界面上发生如溶解、扩散、化合之类的相互作用, 从根本上改善磨料、钎料合金、基体三者间的结合强度[1,2,3]。这样, 钎焊金刚石工具上的金刚石就可保留较高的出露高度, 具有较大的容屑空间, 从而适合于各种硬脆材料和难加工材料的高效加工。只是因为金刚石本身的可焊性极差, 磨料本身在高温下又容易受损变质, 研究工作一直进展不大。近期, 国内经过艰苦攻关所研发的单层钎焊金刚石工具受到了业界的强烈关注。

钎焊金刚石工具既可以在炉中高温钎焊, 也可以使用金刚石的高频感应钎焊进行制作。与炉中钎焊方法相比, 感应钎焊更适应目前社会的快速敏捷和低成本市场要求。目前, 高频感应钎焊的方式仍然存在加热时易产生较大的漏磁通, 感应器受工件形状和尺寸的限制等诸多问题[4]。为此, 本文从感应器机构的设计着手, 通过节能、高效、便捷的手段将金刚石牢固地焊接在45钢基体上。

1 试验装置及过程

1.1 导引高频磁通感应钎焊金刚石的新构想

高频感应加热是藉交链耦合到母材中的交变磁通感应产生的高频涡流热效应来加热熔化金属的, 热能产生于金属内部, 本身具有热能损耗少、加热速度快等特点。若采用易于做成特定构造的强导磁性铁氧体磁芯, 将大幅度强化焊缝感应加热, 因为铁氧体磁芯的磁导率约可达空气的数万倍之多, 通过独特的结构可便捷地把高频磁通引导至焊缝部位以强化加热效果;同时它又是一种理想的软磁材料和电的绝缘材料, 使用时不必担心会因热效应而导致铁芯本身的温度升高[5,6]。本研究从高频感应加热系统的结构设计出发, 把磁芯设计成п形, 上梁缠绕线圈, 下部两脚间通过气隙可同焊缝表面构成了一个闭合磁路, 形成单面焊接 (图1) 。这里, 磁芯担负着向焊缝导引和汇聚磁通的作用, 在有限体积范围内汇聚的功率密度很大, 焊缝感应加热的效果十分明显, 热影响区的范围很小, 有利于控制工件的热变形。在施焊过程中可通以惰性气体 (如氩气) 保护工件。

1.2 试验过程

本试验使用25kW的SP-25型高频电源。经多次试验, 如图1所示, 感应器采用线圈两匝, 线圈内圆直径D=30mm, 磁芯上部方形横梁同线圈内圆内接, 线圈内电流I=700A。磁芯两脚同端面的耦合间隙为2～3mm。在氩气保护下, 用含Cr质量分数约为10%的NiCr合金钎料高频感应钎焊金刚石。采用红外测温, 在15s内升温至1050℃。基体为45钢。金刚石同钎料的相对放置方式如图2所示。金刚石的抗压强度均为2.1MPa, 大小均为40/50目。

1.3 试样分析

用强酸腐蚀制作的试样, 得到腐蚀后的金刚石。通过扫描电镜 (SEM) 、能谱仪 (EDS) 和X-射线衍射仪 (XRD) 探索金刚石表面反应产物的形貌和类型。XRD中采用Cu靶, 入射波长为0.1541nm。

2 结果与讨论

2.1 钎焊金刚石界面特征

图3为通过导引高频磁通感应钎焊制作的开槽金刚石砂轮。图4为钎焊金刚石砂轮的表面形貌, 从外观上看, 金刚石晶形完整, 棱角分明, 无裂纹、石墨化现象, NiCr合金钎料能够很好地浸润金刚石。

用SEM观察腐蚀后的钎焊金刚石颗粒 (图5) , 很明显, 钎焊金刚石表面形成了切向生长的反应产物。如图6所示, 钎焊金刚石的XRD谱显示这些反应产物是铬的碳化物。在金刚石和Ni基钎料界面反应体系中, 合金中Cr的含量较高, 参与反应的活度相应较大。以往的研究[7]表明, Cr-C反应是一种扩散型反应。热力学上, 铬与碳在1050℃时形成Cr3C2的标准自由能ΔG0=-7.555GJ/mol, 标准自由能ΔG0的值很小, 铬与碳很容易形成化合物。对于金刚石-金属体系, 若赋予较长的反应时间, 由于扩散的碳浓度梯度, 正如试验结果看到的一样, 金刚石表面必然形成铬碳化合物。

2.2 钎料与基体间的界面特征

将带有钎焊层的基体切下, 经过粗磨、精磨、抛光后, 通过SEM观察基体和钎料层界面结构形态, 用EDS确定其界面的成分。

图7即为高频感应钎焊的基体-钎料层界面结构, 从中可看出界面处有一条白亮带。钎料层中出现了明显的树枝晶, 这是因为高频感应具有趋肤效应、能量集中、钎焊层冷凝速度快的缘故, 树枝状晶体能够起到耐磨骨架作用。这些都是在钎料层感应熔化中发现的重要特征。

图8为界面白亮带处的能谱图。显然, 白亮带是基体和钎料层中元素的熔合。有关研究称铁基合金粉末感应熔化中也出现了白亮带, 称之为扩散转移带 (DTB) , 并分析了DTB的形成机理, 认为DTB是在超过1000℃的高温下钎料层元素向基体奥氏体中扩散后, 快速冷却时, 钎料层元素留在基体中的结果[8]。这是其他钎焊工艺所不会出现的情况, 白亮带的形成说明了钎料层和基体呈现了良好的冶金结合。

3 磨削试验

为检验所制作的砂轮是否具有良好的磨削性能, 考察其在重负荷加工条件下磨粒损失的方式, 我们进行了磨削试验。试验条件如下:试件材料为四川红花岗岩 (肖氏硬度为92) , 采用端面干磨方式, 工件进给速度vf=2m/min, 切深ap=0.10mm, 实际磨削每双程为600mm。用体视显微镜跟踪观察逐一统计端面砂轮磨粒形貌[9] (图9) 。显然, 在本试验的重负荷磨削条件下, 经过较长的磨削行程, 磨粒只有正常磨损和破碎, 属于超硬磨料加工中的正常现象, 没有出现金刚石的脱落, 足以说明用本文钎焊方法制作的砂轮具有良好的使用性能。

4 结论

(1) 用NiCr合金钎料通过导引高频磁通感应加热可以将金刚石牢固地焊接在45钢基体上。

(2) 通过导引磁通感应钎焊制作的金刚石砂轮的金刚石界面上具有铬碳化合物生成, 它能够增强钎料对金刚石的把持强度;在钎料层和基体间具有良好冶金结合的扩散转移带生成。

(3) 在重负荷磨削条件下, 导引高频磁通感应钎焊制作的金刚石砂轮磨料没有脱落现象, 其具有良好的使用性能。

摘要：利用特别设计的高频感应加热系统在氩气保护下钎焊制作了金刚石砂轮;通过电镜、能谱和X射线衍射等先进测试手段分析了金刚石、NiCr合金钎料和基体界面之间的微观结构;进行了砂轮的磨削加工试验。结果显示, 钎焊金刚石表面有碳化铬形成;在钎料层和基体间存在结合牢固的扩散转移带。磨削试验证实, 通过导引高频磁通感应钎焊制作的金刚石砂轮即使在重负荷加工过程中, 也不存在磨粒脱落现象。

关键词：导引磁通,感应钎焊,金刚石,结合强度,磨削性能

参考文献

[1]姜荣超.加快金刚石钎焊工艺及其制品的发展与产业化[J].超硬材料工程, 2006, 18 (1) :36-43.

[2]Yamazaki T, Suzumura A.Role of the ReactionProduct in the Solidification of Ag-Cu-Ti Fillerfor Brazing Diamond[J].Journal of Materials Sci-ence, 1998, 33 (5) :1379-1384.

[3]王双喜, 刘雪敬, 耿彪, 等.金属结合剂金刚石磨具的研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程, 2006 (4) :71-75.

[4]Brooks C A, Xing G, Watban A S.Post Treatmentof Plasma Sprayed WC-Co-Ni Coatings by High-frequency Induction Heating[J].Machine Tools&Manufacture, 1994 (5) :77-87.

[5]何鹏, 王宏芹, 冯吉才, 等.铝/不锈钢大平面高频感应钎焊感应器的优化设计[J].焊接, 2005 (5) :20-23.

[6]王适张, 弘涛, 于宏图, 等.PCD高频感应钎焊模糊控制及同步数据采集系统[J].中国机械工程, 2003, 14 (1) :53-55.

[7]卢金斌, 徐九华, 徐鸿钧, 等.Ni基钎料真空钎焊金刚石界面反应的热力学与动力学分析[J].焊接学报, 2004, 25 (1) :21-24.

[8]Liu Junling, Hao Huzai, Guo Zhian.InterfaceMorphology of Iron-base Selffusing Alloy Coatingwith Induction-refusing[C]//Proceeding of Inter-national Thermal Spraying Conference’95.KobeJapan, 1995:537-541.

树脂结合剂金刚石砂轮设计及应用 篇4

树脂结合剂超硬材料工具主要是以金刚石或cBN为磨料,以树脂粉为粘接剂,加入适当的填充材料,经过配方设计、称混料、热压成型、二次固化、后续加工处理等工艺过程制成的适用于不同磨削要求的超硬工具[1]。与陶瓷结合剂或金属结合剂超硬磨具相比,它具有制造工艺简单,原材料易得,成本低等特点,且能够大量适用低品质超硬磨料,加工对象广泛,如各种难加工钢材、硬质合金、玻璃、陶瓷、石材等。由于树脂超硬磨具在磨削过程中具有较好的自锐性,不易堵塞,磨出的工件具有表面质量好,砂轮易于修整等优点而得到广泛的应用。

树脂金刚石工具所用的树脂结合剂主要分为酚醛树脂和聚酰亚胺树脂两大类,其种酚醛树脂金刚石工具实际工作温度不超过120℃,聚酰亚胺树脂耐热性稍好,可在260℃下长期使用。由于聚酰亚胺树脂的价格相对昂贵,尤其是近年来科学家对酚醛树脂进行改性使其实际工作温度也能到达200℃以上,如英国Advanced Resins Limited公司的939P,故酚醛树脂的使用日益广泛。本文将主要介绍树脂金刚石工具的设计思路及影响因素。

2 树脂结合剂金刚石工具的设计

树脂结合剂金刚石工具的设计主要基于如下五个方面[2]:

(1)粘结性必须好。结合剂能均匀分布于磨料表面,将磨粒牢固地把持在磨具中,并且能牢固地粘结在基体上,既使磨料不易过早脱落,又防止结合剂与基体分离,保证生产安全。

(2)磨削效率高,耐磨性好,加工光洁度(或表面粗糙度)好。树脂结合剂因具有弹性和脆性,所以在磨削中自锐性好,不易堵塞,但耐磨性较差。因此我们在研究和设计结合剂配方时必须考虑在保证光洁度要求的前提下,既要有高的磨削效率,又要尽可能有高的耐磨性。结合剂的配制非常关键,要选择最佳配比的结合剂,既要满足较高的磨削效率,又要满足较好的耐磨性,二者兼顾,才能保证磨削加工的要求,又能达到降低成本的目的。

(3)耐热性要好。如果结合剂的耐热性较差,使磨具在使用过程中不耐高温,消耗快,甚至因为磨削热过高,而使磨具烧伤、裂纹、脱环等,因此(1)选用耐热性好的粘结剂和加入适当的填充料,以提高其耐热性;(2)尽可能采用冷却液进行湿磨,以提高磨具的耐用度;(3)如果采用干磨,则尽可能使进刀量小一些,以提高磨具的耐用度。

(4)结合剂强度必须高。结合剂的强度直接影响磨具在使用过程中的磨削效率、磨耗的大小、工件质量好坏以及安全性能等,因此必须对影响结合剂强度的因素有所了解。影响结合剂强度的因素主要有:(1)填充料的加入会使结合剂强度提高或降低,多数填充料加入后能使机械强度提高,并且在一定范围内随着添加量的增加而增加,但磨耗比降低。有的填充料,如石墨和固体二硫化钼,加入后使强度反而降低,因此根据要求合理选用填充料;(2)磨具的成型密度(或磨具的气孔率)会影响结合剂强度。磨具的成型密度低,气孔率就高,则结合剂强度低,反之结合剂强度高。因此要合理设计磨具气孔率参数;(3)磨具成型的硬化温度和二次硬化温度高低以及升温曲线都会影响结合剂强度。

(5)结合剂硬度必须合适,耐磨性能好。结合剂的强度必须与金刚石(或cBN)磨粒的磨损速度相匹配,不能因为结合剂的磨耗过快,而使磨粒过早脱落,那样的话,磨料就得不到充分使用,造成浪费。

3 树脂结合剂金刚石工具的影响因素

树脂金刚石工具由树脂结合剂、填料和金刚石磨料经混合后热压固化而成。其性能也直接受树脂结合剂、填料和金刚石磨料的影响。

3.1 结合剂的影响,主要包括结合剂种类和含量的影响等

(1)各种树脂结合剂金刚石工具的共同特点是耐热性较差,在加工工件的过程中,金刚石工具和工件之间产生的热量容易使局部温度过高,一旦达到临界值,树脂结合剂对金刚石的把持失效,金刚石在没有完全磨钝的条件下就会脱落,从而使加工费用大幅提升。目前主要是通过对树脂结合剂进行改性来提高其耐热性能的。高良倡[3]采用方烷基醚改性酚醛树脂,其耐热性能够达到180℃以上。杜杨等[4]以有机硅预聚合物、硼酸、苯酚和甲醛为原料合成的新型含硼硅酚醛树脂BSP,由于酚醛树脂结构中引入B—O键和有机硅链,BSP树脂具有优良的耐热性和韧性,同时也改善了树脂的耐水性和储存稳定性。肖东政等[5]采用BMI(双马来酰亚胺)改性酚醛树脂获得了耐热性较好的双马来酰亚胺改性酚醛树脂。

(2)树脂结合剂含量的影响。树脂结合剂含量对金刚石工具加工性能有较大的影响。文献[24]介绍了在单晶硅片减薄砂轮中,树脂结合剂含量增加,砂轮的硬度、抗压强度逐渐增大,当树脂结合剂含量增加到一定程度时,砂轮磨耗比的提高趋于缓慢,同时砂轮表面容易出现堵塞现象,同时含量越高,堵塞现象越严重。

(3)树脂结合剂粒度的影响。国内用作金刚石磨具生产的树脂粉粒度大多在80~180目之间,这样的粒度范围存在两个缺陷,一是影响磨具的压制成形性能,二是可能影响结合剂的性能。在压制过程中,树脂粉虽可受热软化,并有一定流动性,达到包覆磨粒的目的,但在压制过程中,结合剂料是在模具内受压的,空间有限,树脂的流动范围也有限,当树脂粉粒度粗时,就会有部分磨料粘结不牢固,从而过快脱落。有研究表明当树脂粒度细化后,可改善成形料的流动性,有利于磨具的热压成形[6]。

3.2 填充料的影响,主要包括填料种类和含量的影响等

填充料是金刚石磨具的一个重要组成部分,加入适量的填充料不仅可以大大降低成本,还可提高磨具的机械强度,延长使用寿命。

(1)填充料种类较多,加入不同种类的填料对磨具的影响也不同。按性质和用途可分为四类:(1)不活泼填充料。用于可塑工艺,目的是降低磨具成本;(2)活泼填充料。增塑吸附效应,使磨粒与结合剂粘合能力增强;(3)补强填料。如玻璃纤维,碳纤维等,目的是增加结合剂强度;(4)降低结合剂强度填料。制成适合修整工具的磨具。

在超硬材料树脂磨具中,其作用主要是用来改善结合剂的耐热性、硬度、强度,最终目的是提高耐用度。填充料的种类繁多,对于金刚石树脂磨具,酚醛树脂结合剂所用填料,国内常见的是Cr2O3,ZnO和Cu粉;聚酰亚胺结合剂所用填料,除Cu粉外,国外用于干磨时加Zr、Co、CaCO3等,用于湿磨时,可加石英粉(SiO2)、铝氧粉(Al2O3)等陶瓷材料。

车剑飞等[7]人采用原味生产法对酚醛树脂进行了纳米粒子TiO2Al2O3SiO2填充改性,研究了纳米粒子填充改性对树脂分子结构、耐热性、冲击性能和流变性能的影响,结构表明,改性结构无影响,能够显著提高树脂的耐热性能,提高其分解温度约150℃,当填充量为5wt%时,用TiO2改性树脂的冲击强度可提高到普通酚醛树脂的231%。

各种改性树脂又都具有不同的特性,邹文俊等[8]利用纳米SiO2(原位聚合和共混方法分散到酚醛树脂中)改性酚醛树脂,可提高磨具的耐热性以及磨削比,且材料价格廉价,适用性较高。

陈锋等[9]研究表明,铜锡合金粉的铜锡比例,含量、粒度对树脂结合剂超硬制品的力学性能影响显著,只有选择适当铜锡比例、含量、粒度的铜锡合金粉才能获得具有优异力学性能的树脂超硬制品。

3.3 磨料金刚石的影响,主要包括金刚石镀覆、种类和粒度等的影响。

(1)金刚石表面镀覆金属后,单颗粒抗压强度都有所提高,同时磨耗比下降,即延长了使用寿命。与不镀覆的金刚石相比,具体作用还包括以下几个方面:(1)镀层减缓对树脂结合剂的热脉冲,金刚石镀层的导热率比金刚石小,因此金刚石磨粒接触工具时,产生的瞬时高温经过镀层后传给树脂,从而保护紧接磨料部位的树脂不受高温损伤;(2)镀层提高金刚石与结合剂的结合强度,金属镀层内包金刚石,外部与树脂结合剂能良好粘结;(3)镀层提高金刚石颗粒抗破碎强度,镀覆金属后金刚石颗粒的缺陷得到弥补,起到了补强作用,且镀层含有韧性金属,有利于提高颗粒抗破碎强度;(4)镀层对磨粒起隔离保护作用,隔绝外界氧及其它有害介质的作用,同时在磨削高温下,镀层对金刚石晶体的石墨化能起抑制作用。

(2)国内外超硬材料厂家对超硬磨料进行了较为细致的分类,其中低品质的金刚石磨料或通过特殊工艺处理的具有高自锐性和微破碎性的金刚石磨料,主要用于树脂结合剂金刚石工具的制备。如E6公司提供的PDA433,PDA321,PDA311,PDA211等牌号的金刚石,具有高自锐性和微破碎性。目前国内树脂模具普遍使用RVD型金刚石磨料,其颗粒多为针片状,晶型不规则,强度低、脆性大、表面粗糙但磨削锋利,与树脂结合剂结合良好;近年来国内开发的多晶CSD型金刚石磨料用于树脂结合剂磨具,显著提升了树脂金刚石工具的锋利度。

3.4 修整对树脂结合剂金刚石砂轮的影响

修整过程是砂轮制备中不可或缺的因素,通过整形能够获得各种形状的树脂金刚石砂轮,通过砂轮修锐使树脂结合剂金刚石砂轮表面金刚石出刃,合适的修整加工直接影响砂轮的使用性能。邹大程[10]设计了一种新型树脂结合剂金刚石砂轮修整方法,并用白刚玉、碳化硅、碳化硼、钼、钼铁合金等方法分别进行砂轮修整实验,通过对比分析各种方法的修整力、表面形貌精度、砂轮修锐效果以及磨削性能,以此对比不同修整方法对树脂结合剂金刚石砂轮的修整效果。选用适合于实际应用的修整技术将有助于提高树脂金刚石砂轮的使用性能。

4 树脂结合剂金刚石工具的应用

树脂结合剂超硬工具具有磨削力小、磨削热少、自锐性好、加工效率高、加工表面光洁度高等优异特性,主要用于切割、精磨、半精磨、刃磨和抛光等加工,目前已经成为超硬工具中使用量最大的一类,在贵重陶瓷材料加工,半导体材料加工,磁性材料加工,金属材料加工方面的应用越来越广泛。树脂金刚石研磨盘应用于显示屏玻璃加工,替代传统游离磨料研磨加工,能够提高显示屏的加工效率,改善表面质量,降低加工成本。邓朝晖等[11]对纳米结构金属陶瓷(nWC/Co)涂层材料在金刚石砂轮精密磨削工程中的磨削力进行了较详细的试验研究。在相同磨削条件下,纳米结构陶瓷涂层的磨削力始终高于常规结构陶瓷涂层的磨削力;同等磨削条件下,树脂结合剂砂轮磨削工具按所需的磨削力大于金属结合剂砂轮。本俊之等[12]利用紫外线固化树脂开发树脂结合剂金刚石线锯替代传统游离磨料切削半导体大直径硅片,解决了传统切割加工工作环境恶劣、生产效率低等问题。Ke-hua Li等[13]对IC硅片超精密背面用树脂2000#金刚石砂轮加工问题进行了研究,结果表明通过优化结合剂配方,使结合剂磨损速度与金刚石脱落速度达到匹配,材料去除率达到10.236mm3/s,表面粗糙度Ra为5.122nm。林培勇等[14]介绍了树脂结合剂金刚石砂轮在单晶硅片磨削中轴向磨削力的变化规律以及轴向磨削力与磨削工艺参数之间的关系,为树脂砂轮在单晶硅应用方面的力学分析提供一个思路。

5 结语

从目前的市场而言,我国已经是树脂金刚石砂轮的生产使用大国,产品数量已经远远超过了国外树脂金刚石砂轮,但质量上还有相当大的差距,国内目前只局限于生产中低端砂轮。例如,笔者曾经在国内某合金加工厂见到3A1-150的树脂砂轮,美国进口单价为人民币10000元,该厂厂长介绍说国内没有厂家能够提供该产品,就连转型比较成功的韩国金刚石企业新韩公司和二和公司都不能生产。笔者认为提高树脂金刚石砂轮质量应该从如下几个方面开展工作:

(1)从树脂源头来开展工作,树脂结合剂砂轮制造厂家、树脂生产厂家和砂轮使用厂家形成联盟共同开发合适的树脂结合剂,同时细化树脂的粒度。

(2)引进控温精度高的热压机,优化热压合成工艺以及二次固化工艺。笔者了解国外树脂砂轮生产商采用的热压机温度误差控制在3℃以内,而国内设备温差基本上都在5℃以上。

金刚石砂轮 篇5

多颗粒金刚石小砂轮轴向进给磨削时，其法向磨削力和轴向磨削力的方向指向材料的待加工部分，主要引起中位裂纹和径向裂纹[1]，而切向磨削力则引起横向裂纹，且中位裂纹的扩展方向与轴向进给方向一致。横向裂纹和中位裂纹的扩展均引起材料被去除，因此，多颗粒金刚石小砂轮轴向大切深缓进给磨削加工可成为一种高效的粗加工方法。

本文建立了多颗粒金刚石小砂轮轴向进给加工磨粒的运动轨迹模型，揭示了加工参数与磨粒运动规律之间的关系。运用合适的实验方案和测力系统，并利用边缘检测和轮廓曲线拟合方法实时追踪检测金刚石顶尖曲率半径[2,3]变化。通过仿真实验和不同加工参数下实际的陶瓷加工实验，分析了进给速度对边缘破碎[4]、磨削力、金刚石磨粒耗损的影响规律，实验结果与仿真结果一致。

1 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给磨粒运动的理论模型与仿真

1.1 多颗粒金刚石小砂轮结构设计

如图1所示，在小砂轮端面上焊接两排较粗大的金刚石颗粒，砂轮磨具头部位呈倒锥型，端面边缘金刚石颗粒之间的间隙小于1 mm，基体材料为45钢。实验中用金刚石磨粒顶锥角2θ及磨削刃圆弧半径ρg来表征磨粒切削性能[5]。在金刚石端部焊接制备的单颗粒金刚石顶锥角2θ分别为60°、120°和150°，初始尖端圆弧半径ρg都为4μm。

1.2 轴向进给磨削运动的基本矢量模型

轴向进给磨削加工运动模型如图2所示，其中，R为工件已加工部分的半径，r为小砂轮磨粒所在圆周的半径。选取工件轴心为绝对坐标系Oxyz的原点，以小砂轮轴心为原点建立O'uvw、O'x'y'z'、O″u'v'w'三个相对坐标系。

砂轮轴心矢量C是描述运动过程中相对坐标系O'uvw的原点在绝对坐标系Oxyz中位置的矢量;图2中，工件旋转θw角度(即砂轮相对工件公转θw角度)后，小砂轮轴心矢量C可用下式表达:

磨粒矢量T为描述运动过程中砂轮圆周表面上单颗磨粒在相对坐标系O'uvw中位置的矢量。若先设定工件旋向为顺时针方向，则顺磨时砂轮逆时针旋转，逆磨时砂轮顺时针旋转，此时在相对坐标系O'x'y'z'中的刀具矢量T为

式中，θt为小砂轮转角;“+”表示顺磨，“-”表示逆磨。

把相对坐标系O'x'y'z'中的矢量变换成相对坐标系O'uvw中的矢量，其变换矩阵为

其中，顺磨时取“±”中上面的符号，逆磨时取“±”中下面的符号。

1.3 磨粒运动的矢量模型

由砂轮轴心矢量C和磨粒矢量T的矢量和可得到磨粒在绝对坐标系中的位置矢量P的表达式:

若假定小砂轮表面的磨粒均匀分布在圆周上，磨粒总数为m，相邻磨粒轨迹只差一个相位角，则式(2)可扩展为

式中，i为砂轮同一圆周上的磨粒编号。

在实际加工中，砂轮需要沿工件径向做进给运动。若小砂轮的轴向进给速度为f，磨削时间为t，则可得轴向大切深缓进给磨削加工时同一圆周上各磨粒运动的矢量表达式:

1.4 轴向进给磨削磨粒运动轨迹仿真

用MATLAB对轴向进给磨削加工工程陶瓷材料的运动轨迹进行了模拟仿真，所选用砂轮直径为20 mm，工件直径均为30 mm。图3和图4为0～0.4 s内，每0.004 s取磨粒的位置并用直线连接的仿真轨迹图，可以清晰地看出磨粒的运动轨迹情况。图中，nw为工件转速，nt为砂轮转速。

磨粒的运动轨迹对磨削力的大小、工件加工质量、砂轮耗损等都有影响。图3所示是顺磨时的情况，可看出陶瓷工件和砂轮转速的变化都会影响线条的密集程度，即导致两者之间的接触点数发生变化，接触点越多表明磨粒参与磨削的次数越多。从仿真结果可以看出，砂轮转速对接触点密集程度有较大影响，显然，nt=5500 r/min时的接触点数比nt=3000 r/min时的接触点数少，这意味着磨屑更细小，表面质量更高，磨削力更小。

由图4还可以看出，磨粒轴向的运动轨迹是螺旋线，轴向进给速度和陶瓷件转速都直接影响螺旋距的变化。轴向进给速度不变时，陶瓷转速对轴向磨粒的运动轨迹影响较大，其转速越大导致螺旋距越小，但此时接触点疏密程度变化并不太明显。当陶瓷件的转速不变时，砂轮轴向进给速度越大，导致螺旋距变大，但由于砂轮和陶瓷件转速不变，即总的接触点不变，所以接触点会变得稀疏。此时，轴向磨屑会变大，磨削力变大，金刚石磨粒更容易磨损，工件表面边缘破碎的碎片也会大块掉下，加工表面粗糙度会变大。

2 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给速度的实验方案

2.1 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给实验系统

本文通过实验重点研究多颗粒金刚石小砂轮轴向进给速度变化对磨削力、加工质量、砂轮耗损等的影响。

实验平台如图5所示，主要包括BV75立式加工中心、低速电机、测力仪等，小砂轮装夹在加工中心的主轴上，陶瓷工件装夹在低速电机的三爪卡盘上。采用北京航空航天大学研制的高性能应变片式车铣钻磨通用测力仪，型号为SDC-C4F。

采用反应烧结的Si3N4陶瓷进行磨削实验，毛坯材料直径为26 mm，高度为60 mm。材料的主要性能参数如下:密度ρ=2.73 g/cm3，弹性模量E=160 GPa，断裂强度KIC=2.85 MPa·m1/2。并采用表1所示的三组工艺参数进行实验，表中，ap为磨削深度。

2.2 金刚石磨粒的磨损测量

实验中利用边缘检测和轮廓点曲线拟合方法计算金刚石尖端圆弧半径来表征金刚石的锋锐程度。金刚石尖端圆弧半径检测步骤如下:1SEM观测图像。采用1000倍率的SEM观测图像，使金刚石尖端完全落入SEM视场内，图形的边缘轮廓清晰。2图像预处理。用MATLAB对采集的TIF格式SEM图像进行图像增强、平滑、二值化处理，可得到视觉效果较好、边缘轮廓信息丰富的灰度图像。3边缘检测。采用Canny算子运用双阈值算法生成光滑细腻的边缘。4轮廓点采样与曲线拟合。按高阶多项式函数的曲线来拟合SEM图像的轮廓点集。本次采样点数为40，曲线拟合阶数为8，能如实反映金刚石颗粒尖端轮廓细节和曲率变化。5曲率半径计算。经最小二乘曲线拟合得到物体边缘轮廓的拟合函数y=f(x)后，计算函数上各点沿切线方向的曲率k，取其倒数得到拟合函数的最小曲率半径Rf。

3 多颗粒金刚石小砂轮轴向进给速度的实验结果及分析

3.1 轴向进给速度对加工质量的影响

在磨削过程中，砂轮开始接触或离开陶瓷工件时，受应力集中影响会在边缘产生剥落或者破碎现象，称为边缘碎裂。如图6所示，当轴向进给速度较大时，陶瓷工件边缘处发生尺寸较大的片状脱落。这是由于中位裂纹快速扩展造成的，而轴向进给速度则是控制中位裂纹扩展速度的关键[6]。由于边缘破碎的深度比磨削深度ap小，所以中位裂纹的扩展对材料强度的影响较小，而主要是导致材料的去除。另一方面，随着轴向进给速度的增大，单颗磨粒的运动轨迹变得稀疏，加工时形成的磨屑变大，得到的加工表面必然变得粗糙。

3.2 轴向进给速度对磨削力的影响

磨削力源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力与轴向进给速度有关，是评价材料磨削性能的一个重要指标。

图7所示为法向磨削力Fn、切向磨削力Ft和轴向磨削力Fa随轴向进给速度的变化规律，可见，在三组不同加工参数下进给速度对磨削力的影响趋势一致。任何一组加工参数下，实验测量得出的三向磨削力均是轴向磨削力最大，法向磨削力次之，切向磨削力最小，且随着轴向进给速度的增大，三向磨削力均变大。这是由于砂轮转速不变时，轴向进给速度增大使得砂轮每转进给量增大，对应的单颗磨粒的最大未变形切削厚度必然增大，因而作用在工件或磨粒上的磨削力就增大。

3.3 轴向进给速度对砂轮磨损的影响

实验中对金刚石磨粒进行标号，且通过实时跟踪SEM观测，发现金刚石颗粒尖端磨耗过程中同时存在解理剥落和挤压破碎，磨粒破损脱落时会产生新磨刃的自砺作用，这导致圆弧半径增大。

图8所示为轴向进给速度分别为100 mm/min、200 mm/min时的实验结果，可以看出，采用较高的工件进给速度时，金刚石磨粒行程变短，砂轮更容易磨损。因为进给速度增大，导致磨粒与工件的法向与切向摩擦力增大，磨粒承受较大的反作用力，磨粒与工件接触区的高温致使磨粒局部软化，加剧了磨削刃的磨损。

4 结论

(1)建立了小砂轮轴向进给磨削运动的磨粒运动矢量模型并进行了仿真实验。当轴向进给速度变大时，轴向进给运动轨迹螺旋线的螺旋距变大，磨粒与工件的接触点变稀，加工表面粗糙度会变大，脆性断屑片变大，磨削力变大，金刚石颗粒磨损加快。

(2)通过实际加工实验重点研究了轴向进给速度对加工质量、磨削力、金刚石尖端圆弧半径的影响，实验结果与仿真分析结果基本一致。随着轴向进给速度的增大，陶瓷工件边缘破碎的碎片稍变大，工件表面粗糙度变大，磨削力变大，金刚石砂轮磨损也变大。

参考文献

[1]于思远.工程陶瓷材料的加工技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]王健全,田欣利,张保国,等.微小曲率半径的图像处理测量方法[J].装甲兵工程学院学报,2012,26(3):84-87.Wang Jianquan,Tian Xinli,Zhang Baoguo,et al.Image Processing Method of Measurement of Small Radius of Curvature[J].Journal of the Academy of Armored Forces Engineering,2012,26(3):84-87.

[3]王健全,田欣利,张保国,等.微纳尺寸零件曲率半径测量方法[J],解放军理工大学学报,2014,15(1):56-61.Wang Jianquan,Tian Xinli,Zhang Baoguo,et al.Measuring Method to Curvature Radius of Micro-nano Size Part[J],Journal of PLA University of Science and Technology,2014,15(1):56-61.

[4]唐修检,田欣利,吴志远,等.工程陶瓷边缘碎裂行为与机理研究进展[J].中国机械工程,2010,21(1):114-119.Tang Xiujian,Tian Xinli,Wu Zhiyuan,et al.Research Progress of Edge Chipping Behavior and Mechanism of Engineering Ceramics[J].China Mechanical Engineering,2010,21(1):114-119.

[5]任敬心,华定安.磨削原理[M].北京:电子工业出版社,2011.

金刚石砂轮 篇6

目前,常用的金刚石 / cBN砂轮制作工艺方法主要是电镀工艺法和钎焊工艺法。

电镀工艺法:镀层采用表镶法,用电镀层的金属材料将金刚石颗粒包裹镶嵌。

钎焊工艺法:钎焊层采用孕镶法,钎焊层材料与金刚石表层产生某种“冶金”或“化学”结合,由这种结合产生把持力将金刚石颗粒镶嵌在砂轮上。

在超硬材料制品中,至今还没有找到某一种方法解决金属元素与金刚石在电镀环境中的“化学”或者说“冶金”结合。谋求解决把持力问题之前,电镀工艺方法存在致命的弱点:金刚石颗粒对电镀层的凸露量(图1所示的容屑空间)是钎焊层的三分之二左右。因此,为了提高金刚石/cBN 砂轮的磨削性能,我们还只能离开电镀方法,寻找新的方法。钎焊方法有凸露量大的优点,从而提升磨削性能,因此,被广泛采用。按砂轮地貌优化思想设计砂轮可使磨料磨具具有最佳切削负荷,便于磨削过程的优化和磨削结果的预估。

目前采用的钎焊工艺方法包括以下两种:

(1)高温感应钎焊方法:南京航天航空大学,在研究了金刚石 / cBN砂轮制造技术的新发展后认为,从现有技术特点看,高温钎焊技术可提供磨料的最佳把持能力[1]。

(2)激光钎焊方法:图2是激光钎焊的示意。激光钎焊扫描速度快,对基体,钎料层及金刚石的热影响小,甚至于对钎焊的热影响区的金相组织有好的影响,因此,有利于通过欧盟的砂轮安全标准EN 13236。[2]

1 试验及数据

日前,经过对两种金刚石 / cBN砂轮的实际试验检测,反映出采用钎焊工艺方法制作存在以下问题:

(1)高温感应钎焊温度对基体金属作用时间量级为10～20min,温度为700℃以上,会引起砂轮基体金属热处理状态的改变,从而降低基体机械强度。经实测:45#钢材和40Cr金刚石/cBN砂轮基体的金相组织为回火珠光体,硬度在180HB以下,刚性很差,不能满足使用中对精度和强度的基本要求。

(2)高温造成基体变形,几何精度降低,精度保持性不稳定。经实物测定:砂轮基体的内孔Φ22缩小0.004～0.01mm,端面跳动值由原来的0.002mm变形为0.008mm。

(3)钎焊过程对金刚石颗粒磨削性能产生影响。

要想改善以上不足,就要对砂轮基体及其材料进行探讨。显然,砂轮基体是砂轮磨削功能的载体,砂轮的几何精度,磨削力的承受,砂轮允许的安全运行转速等,最后都由砂轮基体的性能承受和决定。[3]

2 分析及结论

就用于高速磨削和高精度磨削的金刚石/ cBN砂轮而言,钎焊温度对工具强度的影响用焊接专业的术语讲就是焊接过程的热影响区的强度问题。 钎焊砂轮基体基本都采用碳钢,因此,探讨钢材在不同温度热处理表现,对寻找到适合的钢材基体具有十分重要的意义!

从理论上说,钢材在淬火以后要回火。回火过程中一旦遭遇高温其硬度就下降,回火温度与回火后钢材硬度关系见图3,图中横坐标是参数T×(c+log t)。

其中T -加热温度,单位:开氏温标,度。c -与钢的性质有关的常数,这里取14.3。t- 加热时间,单位,秒。log t与常数c比较甚小,其相加数几乎与回火的钢材遭遇高温的时间无关。钎焊的感应加热与保温过程是10～20min,从这一点来看材料硬度下降是必然的。

但是,存在几种合金钢,合金元素Mn或Ni降低了Ac温度,又因为这些合金都是从回火温度急冷下来,因而在660℃以上存在残余奥氏体又形成新的马氏体。如图4所显示的四种钢材,在温度660℃上回火,其硬度又会有明显的上升趋势。[4,5]

图4中提及的四个美国钢种,可以找到1340、4340和5140的化学成分。力学性能,以及与之接近的中国钢种牌号,相继是40Mn2、40CrNiMoA和40CrMn,从图中可以看出:只有1340(中国40Mn2)钢种在回火后的硬度是在HRC30-40之间,最适合cBN/金刚石砂轮基体的需要。其余3种钢材的回火硬度要么偏高要么偏低,不适合做砂轮基体。因此,砂轮基体如能采用40Mn2这种材料,就能满足cBN / 金刚石砂轮基体的力学性能需要。我们通过试验证明,采用40Mn2材料,在700℃左右回火,其硬度可以达到HRC38左右,能够满足高速磨削和高精度磨削的要求。

通过以上试验,我们提出在钎焊的工艺制造过程中,其温度不应该大于750℃,最佳温度应该在700℃左右。

钎焊过程对金刚石颗粒磨削性能的影响: 为了金刚石的热稳定性,人造金刚石颗粒要用磁选法剔除含(Ni/Mn/Co)的包裹体。同样,在钎料中要杜绝这几样元素的存在。这几样元素会加剧金刚石颗粒表面的石墨化,金刚石表面会被腐蚀,出现黑色麻坑。为此,金刚石表面涂覆是必要的手段。用保护气氛,或者在真空的环境下,用涂层涂覆金刚石/cBN颗粒,可以改善金刚石/cBN磨粒的高温性能。[6]

钎焊技术已经在部分领域应用,但是由于存在许多不足,其应用领域受到很大限制,希望通过以上的分析和论述,能够为行业人士提供参考。

参考文献

[1]傅玉灿,徐鸿钧.从电镀到钎焊——国外单层超硬磨粒砂轮制造技术新发展[J].工具技术,1998(8).

[2]唐霞辉.激光焊接金刚石工具[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.

[3]仇健,巩亚东,修世超.超高速点磨削砂轮的结构优化设计与制备[J].中国机械工程,2009(24).

[4][美]布瑞克,等.工程材料的组织与性能[M].河北工学院译.北京:机械工业出版社,1983,4.

[5]干勇等主编.中国材料工程大典-钢铁材料手册[M].北京:化学工业出版社,2009,6.

金刚石砂轮 篇7

目前使用的金刚石超薄切割砂轮按使用结合剂的不同可大致分为树脂、电镀及金属烧结三大类。常规电镀金刚石超薄切割砂轮能获得较薄的厚度, 但切割寿命短;常规树脂结合剂超薄切割砂轮由于其硬度较低等原因, 在切割时容易出现偏摆和大槽宽等现象[2];烧结型金属结合剂金刚石超薄切割砂轮 (下文简称金刚石超薄切割砂轮) 具有结合强度高、耐磨、形状保持性好、寿命长等优点, 是硅晶圆划片加工的重要工具[3]。由于热压烧结工艺的限制, 烧结出的金刚石超薄切割砂轮毛坯的厚度并不能满足划片工艺的要求。为了避免在使用中被划切材料出现大切宽、崩边、裂片等现象以及砂轮本身在极高的转速条件下发生碎裂而产生的危险, [4]就必须对烧结毛坯进行减薄修整。

目前, 国内外对普通的金刚石烧结砂轮有多种修整方式, 但对金刚石超薄切割砂轮减薄加工的研究报道很少。由于金刚石超薄切割砂轮具有厚度薄、平面度要求高等特殊要求, 传统的砂轮修整方法难以适应。有研究者进行了金刚石超薄切割砂轮减薄研磨工艺的研究[5], 利用平面研磨虽然能对金刚石超薄切割砂轮进行减薄修整, 但是存在效率低、加工过程控制难度大、不易实现自动化等缺点。因此本课题提出采用电火花加工方法代替传统平面研磨加工, 以期在保证减薄精度的基础上提高减薄效率, 降低生产成本。

本课题通过正交试验与方差分析, 研究不同峰值电流 (ie) 、脉冲宽度 (ti) 、脉冲间隔 (to) 对减薄后金刚石超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率的影响, 以探求最佳减薄工艺。

1 试验条件与方案

1.1 试验工件与试验原理

试验所用金刚石超薄切割砂轮由W40的金刚石微粉和300目的铜锡合金等粉末均匀混合烧结而成。试样尺寸规格为:外径58mm, 内径40mm, 厚度0.4mm (±0.05mm) , 相对翘曲度0.15mm (±0.01mm) , 如图1所示。

试验在DM7140型汉川精密电火花成型机上进行, 利用无机导电胶将试样工件固定在不锈钢工具盘上, 将工具盘放置在装有工作液的机床工作台上, 打开脉冲电源, 在工具电极和试样工件之间建立起放电通道, 依靠放电通道内部瞬时产生的大量热量在电极两端达到极高的温度, 该温度足够使砂轮结合剂材料局部熔化、汽化而被蚀除掉, [6]以便金刚石自然脱落, 使试验试样变薄, 试验加工示意如图2、图3所示。试验中电极材料为紫铜, 采用负极性加工 (工件接电源负极) , 工作液选用煤油, 采用浸油方式, 设定主轴定时抬刀, 改善排屑条件。

1.2 试验评价指标及检测方法

厚度尺寸均匀性和相对翘曲度对超薄切割砂轮的安装精度、切割过程中的切缝宽度、崩边大小等都有很大的影响, 因此将这两个几何参数作为金刚石超薄切割砂轮电火花减薄精度的评价指标。厚度尺寸均匀性采用Mitutoyo高精度数显千分尺检测, 仪器测量精度1μm, 沿超薄切割砂轮周向连续随机测量30次, 取最大值与最小值的差值表示厚度尺寸均匀性;相对翘曲度检测则采用基恩士激光位移传感器 (LK-G150) , 将金刚石超薄切割砂轮置于光滑的大理石平面上处于自由状态, 采用无接触式并沿其圆周方向连续随机进行测量30次, 最高点和最低点的差值即为相对翘曲度。

电火花加工表面不同于普通金属切削表面, 其表面是由无数个不规则的放电凹坑组成的。如果凹坑过深会影响金刚石超薄切割砂轮基体的力学性能, 降低砂轮强度, 因此, 将间接反应放电凹坑深浅的表面粗糙度Ra作为金刚石超薄切割砂轮电火花减薄后表面质量的评价指标之一。采用Mahr XR20表面粗糙度仪进行测量, 取样长度为1.75mm, 测量速度0.25mm/s, 沿其周向连续随机测量20点取其平均值。

同时我们把电火花减薄效率作为试验评价指标。减薄效率用单位时间内被加工掉的材料体积来表征, 单位为mm3/min。试验通过测量单位时间内超薄切割砂轮厚度的减少量, 再乘以砂轮端面面积得到减薄效率。

1.3 试验方案

本试验有三个因素, 每个因素有三个水平, 按正交试验设计试验点, 选用L9 (34) 正交表中的三列安排正交试验, 如表1所示。试验中金刚石砂轮厚度由0.4mm减薄至0.2mm。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果与方差分析

表2为不同峰值电流、脉冲宽度及脉冲间隔对电火花减薄后的金刚石超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率影响的正交试验结果。

对正交试验结果进行处理, 分别得到金属结合剂超薄切割砂轮的厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率的方差分析结果, 如表3、表4、表5和表6所示, 其中F为各因素的偏差平方和与误差的偏差平方和的比值, 它服从自由度为 (2, 2) 的F分布。

从以上方差分析表中的分析可知, 对厚度尺寸均匀性而言, 峰值电流、脉冲宽度和脉冲间隔的影响均不大。对相对翘曲度而言, 峰值电流的影响显著, 脉冲宽度和脉冲间隔的影响不大。对表面粗糙度而言, 峰值电流的影响显著, 脉冲宽度的影响较大, 脉冲间隔的影响不大。对整形效率而言, 峰值电流的影响显著, 脉冲间隔的影响较大, 脉冲宽度的影响不大。

2.2 各因素的影响分析

分别把正交试验同一水平峰值电流、同一水平脉冲宽度、同一水平脉冲间隔下得到的试验结果加以平均, 即得到峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔与厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率之间的对应关系, 如图4、图7、图8所示。

2.2.1 峰值电流的影响

由图4 (a) 可知, 随着峰值电流的增大, 厚度尺寸均匀性值小幅增大, 相对翘曲度明显变大。这是因为峰值电流越大, 工具电极与工件之间的放电间隙越大, 可能产生的间隙变化量也越大, [7,8]这会在一定程度上影响仿形加工精度, 引起超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性的降低。在电火花整形过程中, 火花放电最先在超薄切割砂轮较厚处产生, 由于砂轮毛坯本身厚薄不均匀, 各部分受火花放电的作用效果不同, 则导致的冷热程度和热胀冷缩程度也不一样, 这会在砂轮厚处与薄处的过渡区域内形成相互作用的内应力。内应力在整个砂轮内部是相互平衡的, 当超薄切割砂轮从工具盘拆开后, 内应力就要寻求新的平衡, 由于超薄切割砂轮的刚度很低, 因此当应力释放时会发生变形, 如图5所示。峰值电流增大, 脉冲能量增大, 电火花整形过程中产生的热量也增大, 超薄切割砂轮由于自身厚度不一产生的内应力也增大, 因此, 加工完成拆胶后产生的翘曲变形也会增大。

图4 (b) 中, 当峰值电流从1.15A增加到4.15A时, 加工效率增加了8倍, 由4.15A增加到7.15A时却仅增加了1倍。这是因为, 当峰值电流仅为1.15A时, 放电间隙过小, 不易排屑, 致使放电短路的概率大大增加, 有效脉冲放电所占比例大大降低, 从而大大降低了加工效率。当峰值电流增加到4.15A时, 一方面, 放电间隙随之增大, 排屑状况得到很大改善, 有效放电概率大大增加;另一方面, 峰值电流增大, 单个脉冲能量增大, 单次脉冲放电的蚀除量也增大, 从而加工效率得到很大的提高。当峰值电流继续增大到7.15A时, 放电间隙的增大对加工效率的影响大大降低, 因此加工效率增加的速率变缓。随着峰值电流的增大, 单个脉冲能力增大, 单个脉冲放电留下的蚀坑会增大, 如图6所示, 因此, 表面粗糙度会变差。

2.2.2 脉冲宽度的影响

由图7 (a) 可知, 随着脉冲宽度的增加, 厚度尺寸均匀性得到小幅提高, 相对翘曲度变大。因为, 随着脉冲宽度的增加, 工具电极对工作液中热分解产生的碳黑“吸附效应”增强, [7,8]工具的相对损耗减少, 由电极损耗产生的超薄切割砂轮厚度尺寸误差就会减小。但是当脉冲宽度增大时, 脉冲能量增大, 从2.2.1节中关于峰值电流对相对翘曲度的影响分析可知, 超薄切割砂轮内部产生的内应力也增大, 故超薄切割砂轮的翘曲变形增大。

图7 (b) 中, 随着脉冲宽度的增大, 表面粗糙度变差, 加工效率提高。主要是因为随着脉冲宽度的增加, 一方面, 单个脉冲能量增大, 单个脉冲蚀除的材料体积增大, 留下的蚀坑变大, 因此, 表面粗糙度值变大;另一方面, 单次脉冲放电时间增加, 单位时间内脉冲放电时间所占比例增大, 单位时间内的总蚀除量也就增大, 从而加工效率得到提高。

2.2.3 脉冲间隔的影响

由图8 (a) 可知, 随着脉冲间隔的增大, 厚度尺寸均匀性变差, 相对翘曲度先减小后趋于稳定。这是由于脉冲间隔增大, 工具电极对介质中热分解产生的碳黑“吸附效应”减少, [7,8]使得工具电极损耗增大, 导致厚度尺寸均匀性降低。随着脉冲间隔的增大, 放电频率减小, 单位时间内产生的热量减少, 超薄切割砂轮表面温度降低, 因此超薄切割砂轮所受的热应力降低, 从而相对翘曲度降低。

图8 (b) 中, 随着脉冲间隔的增加, 粗糙度值缓慢减小, 加工效率明显降低。这是因为, 当脉冲间隔增大, 放电通道消电离充分, 可避免电弧等有害放电的产生, 有利于得到较好的加工表面质量。但是, 随着脉冲间隔的增加, 放电频率降低, 实际参与放电时间减少, 从而加工效率降低。

2.2.4 各因素对超薄切割砂轮减薄效果影响的总体评价

由图4可知, 当ie从1.15A增加到4.15A时, 厚度均匀性增幅13.8%, 相对翘曲度增幅279%, 粗糙度增幅43.7%, 加工效率增幅826.2%;ie由4.15A增加到7.15A时, 厚度均匀性增幅6.1%, 相对翘曲度增幅27.3%, 粗糙度增幅26.8%, 加工效率增幅104.4%。综合考虑, ie选取4.15A。

由图7分析可知, 当ti由20μs升高到60μs时, 厚度均匀性降幅为1.4%, 相对翘曲度增幅2.4%, 粗糙度增加18.5%, 加工效率增加44.4%;ti由60μs增加到100μs时, 厚度均匀性降幅13.2%, 相对翘曲度升幅13.8%, 粗糙度增加21.3%, 加工效率提高25.1%。综合考虑, ti取60μs时可获得较好的整形质量和效率。

由图8可知, 当to从10μs增加到20μs时, 厚度均匀性增幅5%, 相对翘曲度降幅20.2%, 粗糙度降幅3.6%, 加工效率降幅14.2%;to从20μs增加到40μs时, 厚度均匀性增幅15.9%, 相对翘曲度降幅1.2%, 粗糙度降幅6.3%, 加工效率降幅47.7%。综合考虑, 脉冲间隔选取20μs时, 可以得到较好的整形质量和效率。

3 结论

1) 随着峰值电流的增大, 厚度尺寸均匀性有变差的趋势, 相对翘曲度、表面粗糙度以及加工效率都显著增大。

2) 随着脉冲宽度的增加, 厚度尺寸均匀性有变好的趋势, 相对翘曲度缓慢增大, 表面粗糙度和加工效率也增大。

3) 随着脉冲间隔的增大, 厚度尺寸均匀性变差, 相对翘曲度和表面粗糙度得到改善, 但加工效率明显降低。

4) 综合分析各因素的影响规律, 当ie=4.15A、ti=60μs, to=20μs时, 可以获得较好的减薄效果。

参考文献

[1]唐营, 何伟春.超薄金刚石切割片的研究及应用现状[J].超硬材料工程, 2010 (9) :36-37.

[2]STEPHANS, MATTHIASE, et al.Investigatio-ns of the influence of dicing techniques on th-e strength properties of thin silicon[J].Micr-oelectr-onics Reliability, 2007 (47) :168-178.

[3]侯长红.电子信息行业用超硬材料切割工具综述[J].金刚石与磨料磨具工程, 2010, 2 (1) :60-62.

[4]甄万财.砂轮划片机划切技术的研究[J].电子工业专用设备, 2004 (9) :68-71.

[5]刘海峰, 何亮, 郭桦.金刚石超薄切割砂轮减薄研磨工艺的研究[J].金刚石与磨料磨具工程, 2013 (2) :14-18.

[6]刘志东, 高长水.电火花加工工艺及应用[M].北京:国防工业出版社, 2011.

[7]赵万生.先进电火花加工技术[M].北京:国防工业出版社, 2003.