金屬結合劑金剛石磨輪的隨機修整技術

沈 斌，沈文達

（1.蘇州高等職業技術學校，江蘇 蘇州 215009；2.江蘇聯合職業技術學院蘇州分院，江蘇 蘇州 215000；3.蘇州新達高新技術應用研究所，江蘇 蘇州 215000）

超硬材料（Superhard Material）是硬度特別高的材料，可分為天然以及人造2 種，前者主要包括天然的鉆石（金剛石）、黑鉆石，后者則包括聚合鉆石納米棒（ADNR）、化學氣相沉積金剛石（CVDD）、工程陶瓷、硬質合金等。超硬材料由于具有優良的耐熱性、耐磨性、抗腐蝕、抗高溫蠕變等許多卓越的工程應用性能，日益成為當今各個高新技術領域不可缺少的新穎材料。但超硬材料在加工過程中受工藝限制，不能獲取準確的幾何尺寸，易裂、硬脆、硬韌又增添了加工的難度。為此，許多發達國家把開發超硬材料的加工方法列為重要的研究內容[1]。

現今人們主要使用金屬結合劑金剛石磨輪加工超硬材料。金屬結合劑金剛石磨輪以金剛石磨料為原料，分別用金屬粉、樹脂粉、陶瓷和電鍍金屬作為結合劑，制成的中央有通孔的圓形固結磨具被稱作金剛石磨輪（合金磨輪）。在結構上與普通磨輪有所不同，一般由金剛石磨料層、過渡層與基體組成。工作層又稱金剛石層，由磨料、結合劑和填料組成，是磨輪的工作部分。過渡層又稱非金剛石層，由結合劑、金屬粉和填料組成，是將金剛石層牢固地連接在基體上的部分。基體，用于承接磨料層，使用時用法蘭盤牢固地夾持在磨床主軸上。一般金屬結合劑制品選用鋼材、合金鋼粉作基體；樹脂結合劑選用鋁合金、電木作基體。由鋁、鋼或電木加工而成，起支撐工作層和裝卡磨具的作用。磨輪成型質量的好壞和使用精度的高低都與基體有很大關系[2-5]。

由于金剛石磨料所具有的特性和優勢，使金剛石磨輪成為玻璃、陶瓷、寶石、石材等硬脆材料及硬質合金磨削加工的理想首選工具。隨著時代的進步、科學的發展、社會的需要、新型材料的研制，磨削加工向高質量、高精度、高效率、自動化方向不斷發展，金剛石磨輪起的作用越來越明顯，金屬結合劑金剛石磨輪對磨粒的把持強度高、壽命長、磨耗少，使得金剛石磨輪在高速和超高速高效高精度磨削加工中充分發揮其耐磨性切削能力強的特點，尤其在硬脆難加工材料中更突顯其明顯優勢，應用廣泛。金剛石磨輪在工業各部門各領域幾乎都有應用，如航空航天、模具制造業、半導體制造業、光學加工制造業等行業。陶瓷材料、光學材料、航空發動機渦輪葉片、硅片制品等多用金剛石磨輪磨削[5]。

1 超硬材料磨加工現狀及存在問題

工程陶瓷是典型的硬脆材料，在使用金屬結合劑金剛石磨輪磨加工時，磨輪損耗快且不易修整；較大的磨削力對機床的剛度要求也高；粗粒度磨輪易造成陶瓷表面裂紋，使其強度下降；微細粒度磨輪，金剛石鋒刃高度低，容屑空間小，易堵塞，使磨加工無法進行。

硬質合金（如YG20）屬硬韌材料，在使用金屬結合劑金剛石磨輪加工時，容易發生堵塞，特別是鑄鐵纖維結合劑磨輪，在電火花成型加工時，就顯得特別難修，耗時太多；用來磨硬質合金，堵塞更嚴重，加工被迫中止。

目前，工程陶瓷、硬質合金等材料的主要應用加工面為平面和柱面。選用金屬結合劑金剛石磨輪進行磨加工，仍然是最主要、最有效的手段之一。

2 金屬結合劑金剛石磨輪的成型修整技術概述

基于粉末冶金技術制造的金屬結合劑金剛石磨輪的成型修整，是“整形”和“修銳”的總稱。“整形”是用確定的旋轉使用面實現所需的形狀，“修銳”則使磨輪表面的磨粒暴露出來，產生鋒利的磨削面。

修整的方法主要為用金剛石修整器修整、機械成型修整、電化學成型修整、電火花成型修整，還有各種不同的分類方式及表述方法。

采用電火花方法成型修整金屬結合劑金剛石磨輪與上述3 種方法相比較，具有成型精度高、效率高、成本低等優點。因而在冶金、建材、汽車玻璃等行業得到廣泛應用。本文的研究項目是邊磨加工、邊放電修整磨輪[6-9]。

3 電火花隨機修整專用裝置的研制

脈沖電源參數：主電壓120 V（抽頭90 V）；電流5 A；脈寬4～160 μs，脈間3～120 μs，分檔調節；輸入電壓220 V（交流），輸入功率300 W；外型尺寸為長360 mm、寬440 mm、高179 mm，攜帶方便（本電源由蘇州新達高新技術應用研究所研制）。使用中注意較小的脈寬對延長砂輪的壽命有益，隨機修整脈沖電源如圖1 所示。試驗裝置示意圖如圖2 所示。

圖1 隨機修整脈沖電源照片

圖2 試驗裝置示意圖

工具電極選紫銅（銅鎢合金價貴）；再配制專用的電極架，裝在磨床磨輪軸正上方；電極連接脈沖電源負極，工件磨輪連電源正極（即正極性加工）。

專用工作液：經對比試驗，確定選用復合固體皂化液，以1∶30 配比稀釋使用（供應商為蘇州電加工機床研究所）；該液含多種陰離子導活性劑，具有較高的電導率和微弱的水電解作用，以及清洗、排屑、防銹作用。

4 隨機修整金屬結合劑金剛石磨輪的試驗研究[10-15]

4.1 試驗條件

機床為M7120A 臥式矩臺平面磨床，電機容量為3 kVA，轉速為2 800 r/min；工件為硬質合金YG20、99 瓷、三氧化二鋁；電極形狀為平口、R、雙R 形狀。硬質合金工件成品（雙R）實物如圖3 所示。

圖3 硬質合金工件成品（雙R）實物照

4.2 電火花隨機修整磨輪消除堵塞的試驗

實例1：工件為硬質合金YG20，直徑為68.78 mm，厚12 mm，表面不平；磨輪為青銅結合劑金剛石磨輪，直徑為250 mm；內孔為75 mm。

開啟磨床，按正常磨平面加工，每次進刀0.01 mm；當累計進給量為1.55 mm 時，磨輪轉速變慢，堵塞嚴重，聲音異常，快停轉時，馬上開啟隨機電火花修整電源，數分鐘后，磨削阻抗迅速下降，磨輪轉速加快，又回歸正常磨加工狀態。將每次的進刀量加大至0.03～0.04 mm，累計進給量為8.53 mm 時，未發生堵塞現象。顯然電火花隨機修整解決磨輪的堵塞十分有效，它降低了磨削阻力，抑制了切削力的增加，可使磨輪始終處于鋒利的狀態，減少了磨輪的損耗，這種磨削加工方式具有普遍的推廣意義。

4.3 青銅結合劑金剛石磨輪的磨削試驗

實例2：磨輪直徑為250 mm，內孔為75 mm，厚23 mm，稱重3 387.503 g；工件為99 瓷8 片，直徑為52 mm，厚6 mm，總稱重370.450 g；三氧化二鋁2 塊，尺寸為210 mm×51 mm×21 mm、208 mm×48 mm×23 mm，總稱重1 689.797 g。

磨削進給0.15～0.20 mm/次，工作臺移速為12 m/min，工件總去除量為1 672.996 g，磨輪損耗3.195 g，耗時68 min（由機械部電加工機床產品質量監督檢測中心提供報告）。邊磨削邊修整磨輪，實現了快進給高效磨加工。

實例3：工件為平板玻璃，尺寸為200 mm×200 mm×6 mm；每次磨削進給量為0.03 mm，磨削中冷卻沖洗尤為重要，可防止表面過熱；總進給量為7.80 mm，加工時間為20 min。

4.4 平面異形工件的精密磨加工

實例4：磨輪為青銅結合劑金剛石磨輪，尺寸為250 mm×75 mm×23 mm，粒度為100/120，電極為雙R 形狀，矢高2 mm，稱重3 379.427 g；工件為硬質合金YG20，尺寸為134.88 mm×32 mm×11.80 mm，總稱重692.647 5 g。

磨削切深2.47 mm，加工時間為62 min，磨削去除量為42.80 g，磨輪損耗36 mg，精度符合要求，光潔度達11 級（由機械部電加工機床產品質量監督檢測中心提供報告），若更換細粒度磨輪繼續磨削，加工表面可達鏡面。

4.5 磨削工藝特點

4.5.1 生產率與砂輪損耗

電火花隨機修整最明顯的優點是迅速解決堵塞，同時可加大進刀量。如磨削硬質合金時，原來每次進給0.01 mm，修整開啟后可加大至0.04 mm/次，提高了生產率。因為電火花蝕除作用對于高速旋轉的砂輪的蝕除量僅幾微米，蝕除的是結合劑，不可能增加磨輪的損耗；相反，堵塞的磨輪在持續磨加工時會產生附加損耗。

4.5.2 加工精度

機械式修整磨輪的特點是結合劑與金剛石表面是一致的，并且金剛石顆粒的鋒面也在修整中被磨平，所以這種修整方式修磨過的磨輪是不鋒利的，但優點是整個圓弧面尺寸一致。

利用電加工方式修整磨輪的特點正好相反，電火花蝕除了結合劑，使金剛石顆粒的鋒面露出來，增加了容屑空間，所以磨輪特別好用。但在整個圓周面上，由于使用的是1～2 個粒度規格的金剛石，造成突出于磨輪的加工面尺寸不一致，或許存在個別大顆粒金剛石偶爾會劃傷電極，會破壞被磨工件的表面質量。但在允許范圍內金剛石顆粒間的大小差異本身不大，并且在圓周上分布的概率應該相同，因此不會影響磨加工精度和表面質量，只要選擇較細的金剛石，就可在異型加工面上達到鏡面效果。

5 結論

金屬結合劑金剛石磨輪磨削超硬材料平面時，選用專用水基工作液，配上隨機修整脈沖電源，邊磨削邊修整磨輪，能有效地消除堵塞，降低磨削阻力，也降低了對磨輪的選擇要求，可達到快速、高效、低耗的使用效果。

在普通的平面磨床（不必是數控機床）上，采用成型電極和電火花隨機修整加工工藝，對超硬材料進行異型精密的平面磨削，能為廣大用戶提供高質量的功能表面、復雜的型面和準確的尺寸。

采用細粒度金剛石的金屬結合劑磨輪和隨機修整脈沖電源，配上專用水基工作液，可對超硬材料實現高精度的鏡面加工。