金剛石砂帶的工程應(yīng)用

王光祖，崔仲鳴，馮常財(cái)

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001； 2.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 引言

砂帶磨削是一種幾乎能加工所有工程材料的磨削方法。砂帶具有柔性和磨刃鋒利的特性，砂帶磨削具有冷態(tài)、高效、彈性等優(yōu)特點(diǎn)，所以被稱之為“萬能磨削”。砂帶磨削與砂輪磨削相比表現(xiàn)出質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)效益好等效果，已經(jīng)成為與砂輪磨削同等重要和不可缺少的加工方法[1]。隨著近年來數(shù)控砂帶磨削技術(shù)及設(shè)備出現(xiàn)，使砂帶磨削技術(shù)達(dá)到了高效和精密完美結(jié)合的一個(gè)高峰，進(jìn)而形成一個(gè)較為完整和獨(dú)立的加工技術(shù)領(lǐng)域。

超硬磨料具有優(yōu)異的磨削性能，上世紀(jì)從70年代開始超硬磨料砂輪得到工業(yè)應(yīng)用，引起了磨削技術(shù)的飛躍式發(fā)展，近年來隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，金剛石磨料砂帶制造技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用也越來越廣泛。金剛石磨料砂帶主要應(yīng)用于普通磨料難以加工的難磨合金、復(fù)合材料和硬脆材料等加工領(lǐng)域。

金剛石砂帶類別一般以其結(jié)合劑種類劃分，目前常用的有電鍍、金屬、樹脂結(jié)合劑三種砂帶。其中電鍍金剛石砂帶是以電沉積方法并采用鎳金屬固結(jié)磨粒的，磨粒把持力最強(qiáng)、磨料工作鍍層最為均勻，適合用于精密磨削和大負(fù)荷磨削。樹脂結(jié)合劑強(qiáng)度最低，但具有制造簡單和柔性好的特點(diǎn)，常用于拋光加工。

2 用于空間曲面的高精度磨削

對于變曲率空間復(fù)雜型面，采用砂輪磨削非常困難，而砂帶磨削適應(yīng)性強(qiáng)、工藝靈活性好，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為空間復(fù)雜曲面精密磨削及拋光的有效加工手段[2]。

如船用螺旋槳、航空鈦合金葉片等，都是屬于具有復(fù)雜空間曲面的典型零件,其設(shè)計(jì)和制造水平影響了整機(jī)的工作性能、效率以及噪聲等。這些表面由復(fù)雜空間曲面組成的工件，其型面屬于復(fù)雜面，設(shè)計(jì)與制造難度較高,對其加工方法及裝備的研究一直是制造業(yè)中有待攻克的難題[3]。

隨著機(jī)床制造水平提高和數(shù)控計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外許多企業(yè)開始采用各式各樣的多軸(三軸以上)數(shù)控加工機(jī)床并通過動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)規(guī)劃刀具路徑和軌跡仿真，實(shí)現(xiàn)空間自由曲面的高效率高質(zhì)量加工[4]。如在航空航天用的鈦合金曲面零件的磨削中，采用多軸數(shù)控砂帶磨削(圖1)。普通磨料砂帶磨削時(shí)表現(xiàn)出磨削效率低壽命短、而且要頻繁更換砂帶等缺點(diǎn)，重慶大學(xué)梁巧云等[5]研究采用電鍍金剛石磨料砂帶磨削，通過優(yōu)化磨削條件參數(shù)，磨削情況得到改善，砂帶使用壽命成倍提高，葉片磨削精度±0.05mm，表面粗糙度均在Ra0.4μm以下，實(shí)現(xiàn)了金剛石類的新型超硬磨料砂帶在航空航天領(lǐng)域精密磨削加工中的應(yīng)用。電鍍金剛石砂帶(圖2)，作為一種新型的柔性磨削工具，克服了傳統(tǒng)砂帶壽命短、耐磨性差、抗拉強(qiáng)度小等缺點(diǎn)，具有一系列傳統(tǒng)磨削工具無法比擬的優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用在玻璃、陶瓷、單晶硅、多晶硅、合成材料、硬質(zhì)合金以及鋁合金等多種硬脆材料復(fù)雜型面的磨削加工領(lǐng)域中[6-10]。

圖1 重慶大學(xué)多軸數(shù)控砂帶磨床

圖2 電鍍金剛石磨料砂帶

3 用于鋼化玻璃磨邊

鋼化玻璃通常是由普通玻璃通過物理或化學(xué)的方法使玻璃表層產(chǎn)生壓應(yīng)力而制成的，與普通玻璃相比，鋼化玻璃玻璃表面呈預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)，以此阻止玻璃表面的微裂紋擴(kuò)展，可以達(dá)到玻璃增強(qiáng)的目的[11]。這種琉璃機(jī)械性能大幅提高，并具有熱穩(wěn)定好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用在汽車制造、建筑以及電子、航空航天等高科技領(lǐng)域行業(yè)。但鋼化玻璃屬于脆性材料，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法容易引起玻璃崩邊甚至爆裂。目前的加工方法多是采用金剛石磨料工具，以磨削的方式進(jìn)行切割、鉆孔和磨邊等，用金剛石砂輪磨除是以脆性崩裂伴隨輕微的黏性變性來實(shí)現(xiàn)的[12]，由于固結(jié)磨料砂輪磨削力不容易控制，當(dāng)玻璃承受的載荷稍微超過彈性極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂性破壞，造成玻璃爆邊現(xiàn)象發(fā)生，從而影響玻璃產(chǎn)品質(zhì)量。

傳統(tǒng)磨料砂帶磨削效率比較低，隨著金剛石砂帶的出現(xiàn)使對玻璃的柔性磨削應(yīng)運(yùn)而生，王生[13]等采用電鍍金剛石砂帶對鋼化玻璃進(jìn)行磨邊試驗(yàn)，研究磨削工藝因素對磨削質(zhì)量和磨削效率的影響，試驗(yàn)采用KGS電鍍金剛石砂帶，金剛石磨粒(SMD40)、鍍層金屬鎳(99. 99%)，磨削對象是采用淬火制成的鋼化玻璃。鋼化玻璃力學(xué)性能見表1。研究結(jié)果表明，影響磨削效率的因素是砂帶粒度和壓力，采用比較細(xì)的砂帶和較輕的壓力可以獲得好的磨削表面粗糙度，過大的線速度會(huì)使砂帶磨損嚴(yán)重。

表1 鋼化玻璃力學(xué)性能參數(shù)

4 用于磨削氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛，具有穩(wěn)定的化學(xué)成分和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，性能表現(xiàn)為機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高、抗壓強(qiáng)度高、斷裂韌性低、化學(xué)性能穩(wěn)定和高耐磨性等特點(diǎn)[14]，可以用來作為軸承、刀具、模具以及作為生物陶瓷、光學(xué)陶瓷用于高技術(shù)領(lǐng)域，是一種在工程領(lǐng)域極具潛力的新型材料。但是由于高的硬脆性和耐磨性，使其難以加工，其加工困難程度嚴(yán)重地阻礙了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展[15]。陶瓷的加工主要是采用金剛石工具車削和磨削來進(jìn)行，但由于刀具和磨具缺少柔性，加工過程中不可避免產(chǎn)生機(jī)械力的沖擊和熱應(yīng)力，會(huì)造成加工表面產(chǎn)生凹坑和裂紋等缺陷[16]。由于砂帶具有柔性的特性，磨削過程中砂帶的柔性降低了磨粒的切入深度和切入時(shí)的沖擊性，大大降低了陶瓷磨削時(shí)的裂紋和爆裂情況的發(fā)生，可以獲得較好的表面質(zhì)量，同時(shí)也不必過高要求加工設(shè)備的精密程度，因此金剛石砂帶的磨削可以被視為“柔性接觸磨削”。由于電鍍金剛石砂帶對磨粒的把持強(qiáng)度高，且制造精度高，人們開始將電鍍金剛石砂帶用于對陶瓷材料的精密磨削之中。

高超等對采用電鍍金剛石砂帶磨削加工氧化鋁陶瓷開展了實(shí)驗(yàn)研究[17]，磨削的試件為高純度氧化鋁工程陶瓷，采用正交實(shí)驗(yàn)方法研究了磨削工藝參數(shù)對磨削效率的影響以及電鍍金剛石砂帶結(jié)構(gòu)參數(shù)對磨削表面粗糙度的影響。結(jié)果表明，隨著砂帶線速度增加，材料去除率增加，最高的磨除率達(dá)到60g/s以上，但砂帶線速度過大，會(huì)出現(xiàn)磨粒脫落磨削效率下降的情況；砂帶的材料去除率隨著磨削壓力的增大而提高，最高達(dá)到60g/s以上，但同樣當(dāng)磨削壓力過大又會(huì)造成金剛石磨粒的破碎和脫落，反而使磨削去除率明顯下降；砂帶粒度對粗糙度影響最為顯著，粒度越細(xì)磨削得到的表面越光滑。

5 用于磨削瑪瑙、玉石、石英等

在瑪瑙、玉石、石英等表面邊緣，高壓控制器陶瓷元件，天然石材面等材料拋磨，單晶硅、多晶硅切片表面研磨以及倒角磁帶機(jī)核心部件磁頭加工等方面，金剛石砂帶也被廣泛應(yīng)用。用磨盤或磨輪等剛性加工工具加工時(shí)難免產(chǎn)生剛性碰撞，從而產(chǎn)生肉眼無法觀察到的細(xì)微裂紋。普通砂帶頻繁換帶也很難對這些硬脆制品進(jìn)行完整的磨削。日本的ALTA金剛石砂帶在單晶硅的磨削和倒角方面可以達(dá)到Ra0.07μm，可消除表面有害裂紋，將生產(chǎn)效率提高三倍。在加工水晶和高檔裝飾材料時(shí)，應(yīng)用金剛石砂帶，磨削精度高且切除均勻，細(xì)粒度如2000#以細(xì)的樹脂結(jié)合劑金剛石砂帶可以在半導(dǎo)體硅晶片和天文光學(xué)玻璃等各類異面進(jìn)行超精密加工與拋光。

6 結(jié)語

(1)機(jī)床智能化水平的提高以及對高精度磨削的要求，為金剛石砂帶的發(fā)展提供了廣闊的市場前景。

(2)電鍍金剛石砂帶具“柔性接觸磨削”特性，磨削硬脆材料和非鐵基材料時(shí)表現(xiàn)出高效、精密、高質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，在難加工材料的加工和精密加工等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

(3)金剛石砂帶在磨削硬脆材料時(shí)，相比普通磨料砂帶磨削效率大幅提高。隨著新材料的發(fā)展，金剛石砂帶應(yīng)用的市場前景十分廣闊。