超硬磨具發(fā)展情況

栗正新

(河南工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 鄭州 450001)

河南工業(yè)大學材料學院，具備國內(nèi)超硬材料及制品和磨料磨具工程兩個本科專業(yè)方向，和磨料磨具、超硬材料、高溫材料等團隊。1956年成立以來針對先進磨料磨具、高端超硬材料制品等方面的前沿技術和科學問題開展研究。近五年獲得河南省科技進步一等獎2項、發(fā)表相關學術論文120篇、制定國家標準3項、承擔國家級課題4項、承擔河南省重大科技專項3項、授權發(fā)明專利12項。研究成果同工程應用結合緊密，培養(yǎng)的人才活躍在超硬材料及制品、磨料磨具行業(yè)第一線，為行業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻。

磨削加工是機械加工工藝中的精密和超精密加工環(huán)節(jié)，是一個國家制造能力和水平的標志。磨具是磨床的牙齒，其性能和質量直接決定磨削加工能力和水平。伴隨著高速、高精、高效和綠色加工發(fā)展趨勢，以金剛石和立方氮化硼為磨料的超硬磨具越來越得到廣泛深入的應用，在制造業(yè)轉型升級、智能化、綠色化方面表現(xiàn)出了出了極大的應用潛力。

1 超硬磨具應用現(xiàn)狀

自1957和1963年人類工業(yè)化合成金剛石和立方氮化硼以來，超硬磨具的應用越來越多。按照結合劑分類，目前有陶瓷、樹脂、金屬燒結、金屬釬焊、電鍍等不同結合劑磨具系列。按照磨具形態(tài)分有固結、涂附和松散三種超硬磨具。超硬磨具在機械制造、汽車、航空航天、船舶、玻璃、陶瓷、建材、半導體、新能源材料等領域的切割、磨削和拋光領域得到了廣泛應用，滿足了不同場合的加工要求。

樹脂結合劑超硬磨具具有強度高、彈性好、制造周期短、不耐酸堿、容易老化等特點，多用于硬脆材料的精密磨削和研磨拋光加工，如硅片的倒角和表面磨削，硬質合金的磨拋加工等。

燒結金屬結合劑超硬磨具具有耐沖擊、耐磨損、長壽命、磨粒把持和磨具形狀保持好的特點，主要用于建材、陶瓷等硬脆材料的加工，是人造金剛石的主要應用方向。

釬焊金屬結合劑磨具具有磨粒出刃高度大、容屑空間充足的特點，適合用于緩進深切磨削黏性金屬材料，如加工鈦合金工件。進來在鑄鐵件的切割、打磨方面的應用也越來越多。

陶瓷結合劑超硬磨具具有自銳性好、強度高、鋒利、耐酸堿、壽命長的特點，特別是陶瓷CBN磨具，廣泛用于鐵系鑄鍛件的加工。在汽車發(fā)動機凸輪軸、曲軸、液壓件、軸承等領域應用非常廣泛。

電鍍超硬磨具具有形狀精度高、鋒利、生產(chǎn)效率高的特點，廣泛應用于3C行業(yè)玻璃、陶瓷、玉石、砂輪修整等加工領域。尤其是電鍍金剛石線鋸在光伏硅材料、藍寶石材料的切割加工，代替了傳統(tǒng)的硅漿料游離磨料加工方式，顯著提高了加工效率和良品率，為光伏行業(yè)、LED行業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推進作用。

新興的金屬間化合物結合劑和復合結合劑超硬磨具，具備鋒利、形狀保持好、壽命長精度高的特點，代表了超硬磨具的技術前沿。目前在硅材料的減薄、CNC玻璃加工等領域已經(jīng)開始應用，發(fā)展前途廣闊。

磨削加工已經(jīng)發(fā)展到砂輪線速度150 m/s以上的超高速磨削和納米精度階段，對磨具的要求非常高。目前磨具基體的輕量化、近終形狀成型、新型結合劑、高精度尺寸和形位、超硬磨料的改性是研究的熱點，基礎研究方面包括改善磨粒把持力、增大磨具容屑空間、磨粒出刃高度表征和控制、磨粒有序排布、增材制造等方面。

2 超硬磨具面臨的問題

2.1 難加工材料加工提出的難題

高強度、高硬度、高韌性和脆性材料、復合材料的加工過程中，存在磨具磨損嚴重、保形難、修整難、加工效率低、廢品率高等問題，例如鈦合金、高溫高強合金、復合材料、陶瓷、玻璃和非金屬晶體等材料的切磨拋加工。這些問題對超硬磨具的鋒利性、壽命和精度提出了挑戰(zhàn)。包括磨具安全性、組織及硬度均勻性、制造精度及工作層的形狀保持性、動平衡性能、磨削效率、耐用度、使用壽命、工件表面質量以及磨具質量的穩(wěn)定性等等方面。

2.2 其他磨具和加工方式帶來的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的剛玉、碳化硅磨具的性能也在不斷提升，表現(xiàn)出了極高的性價比。以陶瓷剛玉磨料、堆積磨料、煅燒磨料為代表的新型普通磨具，在磨削加工過程中表現(xiàn)出了良好的自銳性、材料去除能力和形狀保持性，超硬磨具相對高的價格使其在強調成本的領域競爭優(yōu)勢并不顯著。

水射流加工、磨料流加工甚至激光加工也可實現(xiàn)材料的高效去除，且能夠完成超硬磨具無法完成的工作。這些技術的廣泛應用對超硬磨具也提出了挑戰(zhàn)。

2.3 超硬磨具自身發(fā)展瓶頸

線速度150 m/s以上的超高速磨削對超硬磨具的性能要求很高，包括基體輕量化、動平衡精度、磨具強度等。目前滿足150 m/s線速度磨削加工的超硬磨具批量生產(chǎn)仍然是個瓶頸，需要深入研發(fā)才能實現(xiàn)。

3000#以細磨料的固結磨具的制備，尤其是8000#以細的固結磨具，由于磨料的均勻分散難，保證磨具的密度均勻技術難度很高，在國內(nèi)仍然面臨較強的技術瓶頸。

超細的金剛石線鋸對于提高光伏硅材料的良品率和降低成本起著關鍵作用，(40～50) μm以細的金剛石線鋸制備目前也是個瓶頸。

高精度超硬磨具的修整技術和工具，尤其是修形，目前同樣處在瓶頸狀態(tài)。

3 超硬磨具發(fā)展方向

滿足高速、高效、高精和綠色的切磨拋加工需求就是超硬磨具制造的發(fā)展方向。具體表現(xiàn)在如下方面。

高速、超高速磨具方面，CBN砂輪實際使用速度可達到150～250 m/s，試驗室速度已經(jīng)有報道達到500 m/s。

高精度方面，超薄切割砂輪的厚度精度達到0.001 25 μm，平行度≤3 μm，磨具的尺寸、形位精度越來越高。

超薄方面，用于集成電路的劃片砂輪厚度已經(jīng)達到0.01 mm，還在朝著更薄的方向發(fā)展。

小深孔磨削用的極小磨具，直徑可達(30～50) μm，還會有更小的磨具出現(xiàn)，滿足特殊加工需求。

高效率的雙端面磨削技術配套磨陶瓷結合劑磨盤的工作面直徑已經(jīng)達到1 200 mm，還會有更大的磨具出現(xiàn)，滿足高效率加工的需求。

超細磨料磨具方面，12 000#硅片背面減薄砂輪已經(jīng)投入使用，還會有更細粒度的超硬磨具出現(xiàn)，滿足高精度的加工需求。

磨具的耐用度方面，性能不斷提高，兩次修整間隔能夠磨削工件個數(shù)越來越多，將會出現(xiàn)不需修整的超硬磨具，使用壽命更長，滿足高效率加工的需要。

結合劑方面，樹脂-金屬復合結合劑、金屬-陶瓷復合結合劑、陶瓷金屬結合劑等新型結合劑將會不斷得到應用，以滿足高精度磨削的需要。

成型和燒結技術方面，近終尺寸成型技術、等靜壓成型技術、熱等靜壓成型、微波燒結技術將會得到應用，從而制備高性能的超硬磨具。

4 本期論文點評

微波誘發(fā)熱爆法制備鈦鋁碳結合劑金剛石復合材料

代 振, 等; 第4頁

陶瓷結合劑磨具發(fā)展迅速，廣泛用于陶瓷材料的磨削加工中，但其脆性大、結合劑和磨粒結合弱的缺點限制了陶瓷結合劑磨具的進一步推廣應用。

代振等使用微波誘導熱爆技術，從復合結構內(nèi)部開始自蔓延高溫燒結，燃燒波方向與氣體方向一致，有利于形成均勻的孔隙結構。這個方法對制備高性能陶瓷結合劑磨具具有一定的參考價值，生成的物相有力地把持住了金剛石，對提高磨具壽命有較大作用。該技術目前相關研究數(shù)據(jù)較少，且距離產(chǎn)業(yè)化應用尚有一段距離。后續(xù)可以針對各種可能的物質組成和工藝參數(shù)進行試驗，積累相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)最優(yōu)性能。

熱力耦合下軸向旋轉熱管砂輪的強度分析

姜華飛, 等; 第9頁

熱問題是磨削技術的主題，尤其鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料的磨削，在高效成型磨削加工過程中出現(xiàn)磨削高溫導致的工件表面燒傷等問題是個難題，南京航空航天大學的研究團隊率先將熱管傳熱冷卻技術引入到磨削加工中，設計出具有熱管結構的砂輪,通過熱管將磨削弧區(qū)產(chǎn)生的熱量迅速傳導出去來控制磨削溫度,具有很好的創(chuàng)新性。

該文介紹了ANYSYS軟件對熱管砂輪的熱力耦合有限元分析過程和結論，以及試驗驗證的結果，研究方法先進，具有較高的參考價值。

單層CBN砂輪感應釬焊溫度的優(yōu)選方法研究

李奇林, 等; 第17頁

經(jīng)驗法仍然是目前超硬磨具創(chuàng)新過程中的主要手段，把數(shù)學方法應用到研究過程中可以有力推動新產(chǎn)品的研發(fā)。

該文提出一種以釬焊溫度為自變量,以砂輪鋒利度和砂輪壽命性能指標為目標的數(shù)學評價模型，具有很好的科學性、創(chuàng)新性和參考價值。

金剛石工具用適配型CuSnZnNi預合金粉末的研制

于 奇, 等; 第23頁

預合金粉作為金屬燒結金剛石制品的結合劑具有把持力高、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、燒結溫度低等優(yōu)點，應用將會越來越廣泛。

該文探討了在 CuSn合金中添加Zn、Ni元素，研制 CuSnZnNi預合金粉,克服 CuSn10合金硬度低,對金剛石把持力弱,通用性欠佳等問題，具有很好的創(chuàng)新性，對促進高性能金剛石工具的制備有較高的價值。