新型金剛石多層有序排布裝置及參數(shù)優(yōu)化

張 騰，王 健，張鳳林＊，李偉雄，周玉梅

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

1 引言

金剛石工具廣泛應(yīng)用于石材、硬質(zhì)合金、工具陶瓷、光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體等硬脆材料的加工方面。在傳統(tǒng)金剛石工具內(nèi)金剛石是隨機(jī)分布的，在磨削時(shí)金剛石富集的地方由于金剛石濃度高，重復(fù)磨損嚴(yán)重，且由于容屑空間小，阻礙切屑的排出而導(dǎo)致工具易于堵塞，降低了磨削效率；在金剛石稀少的區(qū)域，單顆金剛石承受的工作負(fù)荷過大，易于破碎和脫落，也不能有效利用金剛石，降低磨削效率［1－4］。因此，關(guān)于金剛石磨粒有序排布對磨削性能的提高作用一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)［5，6］。王軍等將仿生學(xué)葉序理論與磨削機(jī)理結(jié)合，利用光刻技術(shù)和復(fù)合電鍍技術(shù)制備出磨粒呈葉序狀排布的砂輪，并用實(shí)驗(yàn)證明了有序排布砂輪的磨削性能優(yōu)于普通砂輪［7］；Sung等將有序排布技術(shù)結(jié)合釬焊法應(yīng)用于鋸片的制備，發(fā)現(xiàn)有序排布鋸片能明顯提高磨粒使用率和工具壽命［8］；Koshy等學(xué)者通過磨粒錯(cuò)位排布使磨削表面粗糙度得到明顯降低［9］。

由于磨粒有序排布能明顯提升磨削工具的磨削性能，國內(nèi)外學(xué)者針對金剛石磨粒的有序排布方法進(jìn)行了許多研究，相繼出現(xiàn)了不同的有序排布方法。Wiand和Gahlin發(fā)明了一種用陶瓷模板，柔軟的金屬模板或絲網(wǎng)制備平面及曲面有序排布的方法［10，11］；宋建民發(fā)明了一種用模板法制備多層有序排布磨具的方法，實(shí)現(xiàn)了磨粒在三維空間上的有序排布［12］；肖冰用激光焊接技術(shù)得到了理想的磨粒有序排布單層釬焊金剛石工具［13］；韓國Shinhandia公司在2004年推出了自動(dòng)排布系統(tǒng)——ARIX（Automati-Array System），據(jù)報(bào)道 ARIX自動(dòng)排布系統(tǒng)能做到100%控制金剛石磨粒的距離，并能自動(dòng)生產(chǎn)。但是這些排布方法和技術(shù)存在工藝繁瑣、效率低、產(chǎn)業(yè)化困難以及技術(shù)保密等問題［14，15］。

本文提出了一種新型金剛石磨粒多層有序排布的方法，即：陣列微孔吸附多層有序排布技術(shù)，用這種方法設(shè)計(jì)了一套金剛石多層有序排布裝置。通過制備有序排布金剛石鋸片，研究了微孔的吸附壓強(qiáng)和孔徑對不同粒徑金剛石的吸附作用、輔助震動(dòng)頻率及時(shí)間對提高金剛石單顆吸附率的影響。通過對這些性能參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，最終得出了一套針對不同粒徑的金剛石的最優(yōu)有序排布性能的參數(shù)。

2 多層有序排布裝置設(shè)計(jì)

2.1 陣列微孔吸附多層有序排布方法原理

陣列微孔吸附多層有序排布方法的基本工作原理是利用陣列微孔吸附裝置在微孔管中形成負(fù)壓，吸附單顆磨粒，然后控制微孔吸附裝置將磨粒植入預(yù)合金胎體粉末中的指定深度來完成磨粒在預(yù)合金粉末中不同層次的有序排布。圖1為用陣列微孔吸附多層有序排布方法進(jìn)行有序排布過程的示意圖。該過程主要分為吸附磨粒過程和在預(yù)合金粉中有序植入磨粒過程，具體方法步驟如圖1所示。

圖1 新型有序排布方法及排布過程示意圖Fig.1 Diagrams of the new orderly arrangement method and arrangement process

2.2 有序排布系統(tǒng)組成

陣列微孔吸附多層有序排布系統(tǒng)主要由磨粒吸附系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和工作平臺(tái)三大部分組成，示意如圖2。

（1）磨粒吸附系統(tǒng)

磨粒吸附系統(tǒng)的主要作用是通過對管道內(nèi)正／負(fù)壓強(qiáng)大小的控制來使陣列微孔吸附裝置吸附單顆磨粒。主要由小型真空吸附泵、小型壓力泵、陣列微孔吸附裝置、震動(dòng)馬達(dá)及其他氣壓元件構(gòu)成。陣列微孔吸附裝置（如圖3所示）的主要作用是通過真空吸附泵在微孔管內(nèi)形成負(fù)壓，吸附金剛石磨粒，然后用震動(dòng)馬達(dá)將吸附的多余磨粒震掉，完成排布后用小型壓力泵排出管道內(nèi)的粉體及其他雜質(zhì)。

圖2 有序排布系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Structure diagram of the orderly arrangement device

圖3 陣列微孔吸附裝置示意圖Fig.3 Drawing of the arraying micro-hole adsorbing device1.上腔體2.海綿絕封體3.下腔體4.震動(dòng)馬達(dá)5.金剛石磨粒6.裝料磨具7.預(yù)合金粉末胎體8.微孔吸附針管9.硬質(zhì)板10.通氣管道

（2）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

陣列微孔吸附多層有序排布裝置的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要功能是用步進(jìn)電機(jī)控制電動(dòng)絲杠滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而控制固定在電動(dòng)絲杠滑臺(tái)上的微孔陣列吸附頭的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微孔吸附針管帶動(dòng)金剛石在粉體中上下方位的準(zhǔn)確定位，以此實(shí)現(xiàn)金剛石在預(yù)合金粉體中上下方位的有序排布。主要由步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)絲杠滑臺(tái)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，控制器及其他部件組成。

（3）工作平臺(tái)

工作平臺(tái)是磨粒有序排布的工作承載平臺(tái)，主要功能是承載壓塊模具及實(shí)現(xiàn)模具在前后左右四個(gè)方位的移動(dòng)，從而制備具有不同有序排布形式的樣品。其工作過程是將合金粉末壓塊模具放置在基臺(tái)上，用十字調(diào)整臺(tái)控制預(yù)合金粉末壓塊模具與陣列微孔在前后左右四個(gè)方位上的位置，以此來實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒在壓塊中具有不同的有序排布形式。

3 多層有序排布裝置參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在用陣列微孔吸附多層有序排布裝置制備金剛石鋸片的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)如果施加的氣壓過小會(huì)使陣列微孔的個(gè)別微孔出現(xiàn)漏吸金剛石的現(xiàn)象，如果施加的氣壓過大，則會(huì)出現(xiàn)吸附多顆金剛石的問題。為了解決這個(gè)問題，在吸附頭上安裝震動(dòng)馬達(dá)，震動(dòng)馬達(dá)能夠在一定程度上緩解多吸的現(xiàn)象，但是震動(dòng)馬達(dá)的頻率和時(shí)間也是影響金剛石單顆吸附率的重要因素。因此，為了解決以上問題，主要對壓強(qiáng)、微孔的孔徑和磨粒粒徑的匹配以及震動(dòng)馬達(dá)的頻率和時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

3.1 吸附壓強(qiáng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

壓強(qiáng)是決定磨粒單顆吸附率的主要因素，為了避免漏吸和多吸情況的出現(xiàn)，在有序排布裝置中我們可以通過減壓閥來調(diào)節(jié)吸附系統(tǒng)管道內(nèi)的壓強(qiáng)P來保證每個(gè)吸附微孔的吸附力。在實(shí)際工作中，壓強(qiáng)損失一般較小，可以忽略不計(jì)，故壓力表可測得管道內(nèi)壓強(qiáng)P代表針頭吸管內(nèi)部壓強(qiáng)P′。建立微孔吸附裝置吸附單顆金剛石磨粒的簡化模型，如圖4所示。

圖4 微孔吸附裝置及吸附單顆粒金剛石模型圖Fig.4 Schematic diagram of adsorbing single diamond grit

假設(shè)fx為吸附單顆磨粒的吸附力，根據(jù)流體恒定元流伯努利方程理論進(jìn)行受力分析可知：

其中：fx－單顆微孔吸附頭吸附力

K－有效真空吸附系數(shù)

P0－外界大氣壓強(qiáng)

P′－微孔吸管內(nèi)部壓強(qiáng)

r－ 微孔吸管內(nèi)徑

m－單顆金剛石質(zhì)量

表1 吸附單顆金剛石磨粒的最小壓強(qiáng)Table 1 Minimum pressure of adsorbing single diamond grit

3.2 粒徑及微孔內(nèi)徑的匹配

試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，理論上在保證陣列微孔吸附裝置最小壓強(qiáng)的情況下，雖然能保證吸附金剛石，但是會(huì)出現(xiàn)多吸金剛石磨粒的現(xiàn)象。在實(shí)際試驗(yàn)中，用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來分析磨粒粒徑和陣列微孔內(nèi)徑最佳匹配值。制造如圖2所示的10×10陣列吸附微孔來吸附不同粒度的金剛石磨粒，微孔內(nèi)徑分別為0.51mm，0.41mm，0.34mm，0.31mm，0.26mm。試驗(yàn)中保持吸附壓強(qiáng)為－50kPa不變，每次吸附完成后統(tǒng)計(jì)單顆金剛石磨粒的吸附率，每種規(guī)格吸附微孔重復(fù)10次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示：

圖5 不同規(guī)格微孔內(nèi)徑吸附單顆金剛石磨粒百分比圖Fig.5 The percentage of adsorbing single diamond grit with different inner diameters of micro-hole

由圖5可知在微孔吸附裝置微孔規(guī)格不變的情況下，單顆金剛石磨粒吸附率總是在達(dá)到一個(gè)峰值后驟然下降。隨著微孔吸附裝置微孔內(nèi)徑逐漸逼近金剛石磨粒的粒徑，其單顆吸附率逐漸達(dá)到一個(gè)峰值，當(dāng)微孔吸附裝置微孔內(nèi)徑小于金剛石磨粒粒徑時(shí)，其單顆吸附率會(huì)驟然下降。這是因?yàn)樵谖⒖變?nèi)徑小于金剛石磨粒粒徑時(shí)，雖然理論上的吸附壓強(qiáng)能滿足吸附要求，但是由于磨粒粒徑與微孔內(nèi)徑相差過大，由于磨粒表面的不規(guī)則性，吸附口端并不是模型中的密封吸附狀態(tài)，而是形成了縫隙，而正是微孔與磨粒形成的縫隙造成了吸附壓強(qiáng)的大量損失，所以會(huì)出現(xiàn)空吸現(xiàn)象。隨著磨粒粒徑逐漸接近針頭內(nèi)徑，空吸現(xiàn)象越來越少，其單顆吸附率逐漸達(dá)到一個(gè)峰值，達(dá)到70%～80%；而當(dāng)微孔內(nèi)徑大于金剛石磨粒粒徑時(shí)也會(huì)出現(xiàn)大量磨粒被微孔吸進(jìn)的現(xiàn)象，這也會(huì)對陣列微孔吸附裝置結(jié)構(gòu)造成損壞，造成單顆金剛石磨粒吸附率的驟然下降。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中的單顆金剛石磨粒峰值吸附率規(guī)律，總結(jié)出陣列微孔內(nèi)徑與磨粒粒度的最佳匹配值，如表2所示。

表2 陣列微孔吸附裝置內(nèi)徑與磨粒粒度的匹配值Table 2 the table of matching the adsorption device diameter with the particle size

3.3 震動(dòng)頻率和時(shí)間的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在試驗(yàn)過程中，由于金剛石磨粒形狀不規(guī)則，且在實(shí)際吸附過程中有灰塵雜質(zhì)，導(dǎo)致容易出現(xiàn)磨粒團(tuán)聚而造成微孔吸附多顆金剛石的現(xiàn)象。為了解決這一問題，我們在保證吸附壓強(qiáng)不變的情況下，對微孔吸附裝置加輔助震動(dòng)馬達(dá)，以控制震動(dòng)頻率和時(shí)間來提高微孔吸附裝置吸附單顆金剛石磨粒的吸附率。

陣列微孔規(guī)格為10×10cm（微孔吸附針頭內(nèi)徑0.34mm），吸附壓強(qiáng)為－50kPa，在微孔吸附裝置吸附金剛石磨粒后，保持吸附壓強(qiáng)不變，分別用150Hz和300Hz兩種頻率微型震動(dòng)馬達(dá)（振幅5mm）對其施加震動(dòng)，觀察并統(tǒng)計(jì)微孔吸附單顆金剛石的吸附率，重復(fù)10次，得出兩種頻率震動(dòng)馬達(dá)與單顆吸附率與時(shí)間的曲線，如圖6所示：

圖6 兩種頻率震動(dòng)電機(jī)對單顆吸附率影響的曲線圖Fig.6 The effect of two kinds of frequency vibration motor on the percentage of

經(jīng)過微型振動(dòng)馬達(dá)的震動(dòng)，陣列微孔吸附裝置微孔的單顆吸附率隨著時(shí)間變化顯著提高，且都在5s后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，能達(dá)到95%左右。原因是大量多吸金剛石顆粒被震動(dòng)抖落，而恒定的吸附壓強(qiáng)又能保證有且有一顆金剛石磨粒被微孔吸附。結(jié)果也可以說明控制震動(dòng)頻率和震動(dòng)時(shí)間來提高單顆金剛石磨粒吸附率的方法是可行的，且能有效控制吸附率。

4 裝置的制造及實(shí)際應(yīng)用

用優(yōu)化后的參數(shù)來設(shè)計(jì)和制造陣列微孔吸附多層有序排布裝置，在使用此裝置進(jìn)行磨粒多層有序排布實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過控制吸附的最小壓強(qiáng)（－50KPa）、孔徑和粒徑的最佳匹配、輔助震動(dòng)馬達(dá)的時(shí)間（5s）和頻率（150Hz），能夠有效解決金剛石磨粒的漏吸和多吸問題。圖7是陣列微孔吸附多層有序排布裝置實(shí)物圖。

圖7 有序排布裝置實(shí)物圖Fig.7 The photograph of the orderly arraying device

為了驗(yàn)證有序排布裝置的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，用此裝置制備給定參數(shù)的有序排布金剛石鋸片。圖8為用陣列微孔吸附多層有序排布裝置制備有序排布金剛石鋸片壓塊，然后經(jīng)過冷壓成型后的有序排布鋸片，圖9是有序排布鋸片經(jīng)過切割花崗巖后的圖片。在制備過程中發(fā)現(xiàn)這種裝置能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石磨粒在預(yù)合金粉中的多層有序排布，且排布效果好，排布效率也比模板法大幅提高。

圖8 燒結(jié)后的有序排布鋸片F(xiàn)ig.8 The orderly arrangement saw blade after sintering

圖9 鋸切后的磨粒有序排布鋸片F(xiàn)ig.9 The orderly arrangement saw blade after sawing

5 結(jié)語

陣列微孔吸附裝置吸附單顆金剛石磨粒的最小壓強(qiáng)取決于金剛石粒徑的大小及微孔內(nèi)徑，且兩者之間存在一個(gè)最佳匹配值；控制輔助震動(dòng)頻率和時(shí)間能夠提高微孔吸附單顆金剛石的吸附率；此外，在用此裝置制備金剛石磨粒呈多層有序排布的鋸片的過程中發(fā)現(xiàn)此裝置不但能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒在鋸片中的有序排布，還具有簡單，實(shí)用，效率高等優(yōu)點(diǎn)。在后續(xù)研究中，對此裝置進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)能夠在更大程度上提高多層有序排布的效率和排布質(zhì)量，這就為磨粒多層有序排布提供了一種新方法。