超硬磨料磨具及应用探讨

本文主要介绍人造金刚石砂轮、立方氮化硼砂轮。

1.超硬磨料磨具的特点

1）超硬磨料是先进的新型磨料，用于加工难磨特殊材料。随着磨削技术的发展，机械零件的精度和材料的力学性能不断提高，特别是各种新型材料的磨削越来越多。如自熔耐磨合金材料、不锈钢、高速钢、钛合金、高温合金等特殊难磨材料的磨削。为改善这类铁族材料的磨削，1957年出现了超硬磨料立方氮化硼。同时硬质合金的加工不断增多。常用普通磨料碳化硅砂轮磨硬质合金。硬质合金的硬度约在80HRC左右，硬而脆，且热导率很小，磨削热集中在工件表面，工件易产生磨削裂纹。砂轮的磨耗特别快。1955年国外首先发明了人造金刚石，用于磨削硬质合金刀具。人造金刚石是用石墨等碳素材料为原料，以某些金属元素为触媒制成碳片、金属片棒，在高温（1500℃左右）和高压（6000MPa）条件下合成为碳的同素异晶体，是目前世界上最硬的材料。我国于1963年成功获得第一颗人造金刚石，显然，超硬磨料对于现代硬质合金刀具的广泛应用具有重大的意义。超硬磨料磨具的结构与普通磨具不同，它由工作层、过渡层和基体组成。目前，世界立方氮化硼的消耗量的年增长率为15%～20%，人造金刚石的增长率8%～10%。

2）超硬磨料磨具有许多独特的力学性能。超硬磨料与普通磨料的力学性能比较，在硬度、强度、导热率等诸方面均优于普通磨料，见表2-8。若超硬磨料的磨削性能为1，则氧化铝（综刚玉）的磨削性为0.1；黑色碳化硅为0.25；白刚玉为0.12；铬刚玉为0.13；绿色碳化硅为0.28。故超硬磨料磨具可取得较好的磨削效果和较高的劳动生产率，同时减小磨削力、磨削温度。如用立方氮化硼磨高速钢，磨削比要相对刚玉高60～100倍，磨削温度低1/3～1/4。超硬磨料的磨削性能良好。

表2-8 超硬磨料、普通磨料力学性能

3）超硬磨具的使用寿命长。磨具不易磨钝，故超硬磨具几乎不需修整。超硬磨具的磨耗也小，可获得较大磨削比（磨削比G=磨除金属体积/砂轮消耗体积）。如普通磨料砂轮的磨削比为3～5，超硬磨料的磨削比为500。

4）用超硬磨具加工特殊难磨材料零件，可提高加工精度。超硬磨具能长期保持砂轮的工作形面轮廓，特别在螺纹、模具、齿形等成形磨削中，可获得较高的形状精度。超硬磨具的磨粒具有高的硬度和强度，刃尖锋利，磨削力较小，磨削热较低，可防止工件表面烧伤和产生磨削裂纹等缺陷，保证工件的表面质量。具有高温研磨能力，人造金刚石可承受的最高温度为920℃，立方氮化硼是1360℃。

5）具有良好的经济性。超硬磨具的初采购价格较高，但可多次使用。超硬磨具的使用寿命长，在磨削特殊难磨材料时加工效率高，从而可缩短基本时间和辅助时间，提高劳动生产率，从而降低成批生产的工艺成本。立方氮化硼用于内圆磨削是合乎经济原则的，劳动生产率几乎提高一倍。

2.超硬磨料

磨料是制造磨具的主要原料，是超硬磨料磨具的第一特性参数。超硬磨料分为两大类：人造金刚石、立方氮化硼。

（1）人造金刚石 人造金刚石的制品包括砂轮、磨石、切割锯片、修整工具、研磨膏、电镀工具、聚晶体、地质钻头及扩孔器等十余种，数百个规格，广泛应用于机械、冶金、石油、地质、煤碳、建筑材料、电子、光学仪器、国防工业及尖端技术部门。本书主要研究砂轮制品。

人造金刚石是最硬的物质，根据晶体形状和强度，分成多种型号（表2-9）。它适合各种硬脆性材料的磨削加工，如磨硬质合金、玻璃、陶瓷、石材、地砖等。这些材料用普通磨料磨的磨削比小，较难磨削。

表2-9 超硬磨料的品种、代号及适用范围

金刚石的热稳定性差，温度在600～700℃以上时，其碳原子易扩散到铁族金属内形成碳化物，造成化学磨损，故一般人造金刚石不适宜磨削钢铁材料。通常采用煤油为切削液，有利延长砂轮的使用寿命和改善工件的表面粗糙度。

常用的人造金刚石有RVD、MBD、SCD三种，其晶体呈针状或等积形，晶面粗糙，用于加工硬质合金，也可制成电镀磨头用于磨削模具金属材料。

（2）立方氮化硼 立方氮化硼是在触媒和高温高压作用下由六方氮化硼制成，用CBN表示。它的热稳定性和对铁族金属的化学惰性优于金刚石。因此，广泛使用于磨削各种硬而韧的新型钢铁材料（表2-10）。这些材料的磨削比小，难磨。通常立方氮化硼不可使用水溶切削液。因为在磨削高温下水蒸汽加热到1200℃时，氮化硼与水会发生化学反应，使砂轮磨耗。故易于用干磨法或使用煤油等矿物油湿磨。立方氮化硼应用范围广泛，所磨的材料含有金属元素Cr，Ni，W，Mo，Mn，Ti，Al，Co，V等，材料强度、韧性、塑性高，热导性差。可减少磨削力和磨削热。

表2-10 立方氮化硼适用范围

3.超硬磨料的粒度

上海砂轮厂制造的超硬磨料的粒度：35/40，40/45，45/50，50/60，60/70，70/80，80/100，100/120，120/140，140/170，170/200，200/230，230/270，270/325，325/400；微粉36～54，22～36，20～30，12～22，10～20，8～12，6～12，5～10，4～8，3～6，2.5～5，2～4，1.5～3，0～2，0.5～1.5，0.5～1，0～1，0～0.5。磨具粒度的选择直接影响工件加工的表面粗糙度，也影响磨削效率。通常细粒度，工件表面粗糙度值低（表2-11）；粗粒度，则磨削量大（表2-12）。

表2-11 粒度与加工表面粗糙度的关系

表2-12 磨削方式的粒度选择

4.超硬磨料磨具的结合剂

超硬磨料磨具常用金属结合剂和树脂结合剂。结合剂对磨削加工性能有很大影响，其性能和应用范围见表2-13。磨削时应该合理选择结合剂，以获得较好的磨削效果。

表2-13 结合剂种类、代号性能及应用范围

5.超硬磨料磨具的浓度

浓度是指超硬磨料磨具的工作层的体积中所含超硬磨料的质量（g/cm³），浓度标准代号共分5种（表2-14）。

表2-14 超硬磨料磨具的浓度

在选择浓度时，要根据磨具的形状、粒度、结合剂以及加工对象、磨削方式等要求。选择时通常注意以下几点：

1）按结合剂的结合能力选择不同的浓度。树脂结合剂采用50～100的浓度；青铜结合剂采用75～150的浓度；电镀磨具采用150的浓度。

2）按粒度选择不同的浓度。粗磨采用高浓度；半精磨和精磨采用中浓度；研磨采用低浓度。

3）工作面窄的磨具，沟道磨削和成形磨削的磨具，应采用较高的浓度。

4）要求使用寿命长的磨具，也采用较高的浓度。

6.超硬磨料磨具的形状

超硬磨料磨具的形状代号标准GB/T6409.2—2009。

例如形状代号：

基体有多种形状，基体形状及代号见表2-15。

表2-15 基体形状及代号

工作层有多种形状，工作层形状及代号见表2-16。

基体基本形状的改型分别为：B埋头孔；C锥形埋头孔；H直孔；M直孔和螺纹孔；P单面减薄；Q磨料层嵌入；R双面减薄；S扇形金刚石锯齿；SS扇形金刚石锯齿与带槽；T螺纹孔；V磨料层倒镶式；W在心轴上；Y倒镶式嵌入。

按磨削要求，工作层分布位置有多种。工作层位置代号分别为：1——周边；2——端面；3——双端面；4——内斜面或弧面；5——外斜面或弧面；6——周边一部分；7——端面一部分；8——整体；9——边角；10——内孔。(www.xing528.com)

表2-16 工作层形状及代号

超硬磨料磨具特征的标示，按形状、尺寸、磨料、粒度、结合剂、浓度顺序书写。

示例：

表2-17所列为平行系列砂轮，主要用作工件的外圆、平面、内圆、无心磨削等。其中3A1、14A1型是在1A1/T2型基础上制成，便于安装法兰盘。

表2-17 平行系列砂轮（上海砂轮厂提供资料）

表2-18所列杯形、碗形、碟形系列砂轮，主要用于各种硬质合金刀具的刃磨。

表2-18 杯形、碗形、碟形系列砂轮（上海砂轮厂提供资料） （单位：mm）

表2-19所列6A22、4B1砂轮，主要用于各种刀具的刃磨。9A3砂轮用于量规和游标卡尺的两侧内端面磨削。14E1多用于齿轮滚刀、螺纹刀的成形磨削。1F1砂轮用于丝锥槽、轴承沟道的磨削。

表2-19 其他系列砂轮（上海砂轮厂提供资料） （单位：mm）

（续）

7.超硬磨料磨具磨削用量选择

人造金刚石砂轮的磨削用量见表2-20、表2-21。

表2-20 人造金刚石砂轮的圆周速度

表2-21 人造金刚石的背吃刀量

立方氮化硼砂轮的磨削用量见表2-22。

表2-22 立方氮化硼砂轮的圆周速度

8.超硬磨料磨具应用的专门技术

（1）超硬磨轮的修整 超硬磨轮的修整方法不同于普通磨料砂轮，它的功能主要是使磨粒裸露和修复砂轮轮廓形状。

1）超硬磨轮的修整是在砂轮磨钝后，通过修整改变砂轮表面结构，使磨粒裸露出来，恢复切削性能，但几何形状仍保持不变。这种功能有别于普通磨料砂轮的修整。

2）超硬磨轮的精修整是修出砂轮表面的几何形状。例如金属结合剂的平行砂轮，通常有5mm的工作层，在砂轮的有效使用寿命期内，可能对之进行6～25次精修整，以保证成形加工要求。金刚石砂轮只有两个边角磨损，磨硬质合金24h后，砂轮工作面形状类似于台阶式金字塔形，影响磨削的表面粗糙度。其影响程度大于粒度对加工的影响。

多种有效的修整方法，分析如下：

1）小直径外圆砂轮（D＜200mm）和杯形砂轮用金刚石笔修整。修整吃刀量小于0.01mm。精修后，砂轮表面没有足够的裸露的磨粒。

2）用碳化硅砂轮磨削制动法精修砂轮。使少数磨粒裸露，但仍不适合磨削钢材。长屑材料要求在磨粒周围有更大的空隙。

3）修整方法是磨削一块软钢板，砂轮圆度可达到0.002mm以内，达到精修和修整的目的。此技术用于平面磨削中。

4）软钢辊修整装置。砂轮与钢辊的相对磨削速度可以通过控制钢辊的速度加以控制，相对速度越低，砂轮修整得越快。钢辊用液压马达驱动。

5）双辊修整装置。用两个软钢辊修整砂轮。双辊装置由电动机驱动，两钢辊同向旋转，由带齿传动带传动，速度可准确控制。两钢辊的转速不同，一个钢辊的速度为v=10m/s；另一个钢辊的速度为v=20m/s（砂轮圆周速度v_s=15m/s）。切向修整力数值相等且方向相对，可在10min内消除砂轮的0.04mm圆度误差。砂轮经修整后，轮廓更均匀。由于两个钢辊相对于砂轮表面上的磨粒作反向修整运动，故可更好地使磨粒裸露出来，并在磨粒的两边出现容屑空隙。

（2）金属包覆层金刚石在树脂结合剂砂轮上的应用 树脂结合剂结构中理想的磨粒形状是有块状的外形和不规则的表面，以确保它能牢固地粘结在结合剂中。同时，磨粒本身有许多切削刃，加工中不是整个磨粒被扯离结合剂结构，而是磨粒细微地裂开，形成新的切削刃。实际上用树脂结合剂粘结金刚石磨粒存在许多问题。磨削时，砂轮除了磨削力作用外，还受温度影响。树脂结合剂的受热温度较低，它限制了磨粒的寿命和磨粒在结合剂中结合的牢固程度。金刚石是一种极好的热导体，其热导性比钢更好。因此，它增大了磨粒周围的树脂结合剂被损坏的危险性。因此，发展了各种金属包覆的金刚石，大约有90%的金刚石在树脂结合剂中采用金属包覆。包覆层与磨粒外表面贴得很紧，包覆层表面极粗糙，从而使磨粒很牢固地粘结在树脂结合剂中；同时包覆层金属体又构成一个受热体，以降低树脂结合剂的受热温度，防止树脂结合剂的损坏。与树脂结合剂相比，磨料稍强韧。

镍包覆金刚石最适合湿磨；铜包覆金刚石用于干磨，效果最佳，可磨去更多的硬质合金。当采用湿磨时，包覆的磨粒显著地优于未经包覆的磨粒。

（3）用超硬磨料磨具磨削特种钢材和硬质合金的工艺要求 用超硬磨料磨具磨削特种钢材和硬质合金时，对整个工艺系统有许多特殊的要求，以满足特种难磨材料的磨削加工要求。

1）电镀金刚石砂轮是单层的金刚石层，磨粒约有60%～80%嵌镶在镍层中，裸露的外层起切削作用。砂轮圆周速度一定时，金刚石颗粒数量越多，则每一颗切削量越少，即每一颗磨料的切削横截面积减小，单位切削力增加，总磨削力增大；而摩擦力也减小。从而使作用在每颗磨粒上的负荷降低，金刚石的磨损减少，寿命延长。

参与磨削的金刚石数量越多，重复切削的次数越多，则工件的表面粗糙度值就越低。

2）为使超硬磨料磨具有较高的使用寿命，必须保持稳定的磨削状态。

例如用超硬磨料磨具作平面磨削，增大磨头的横向进给量，进给量为B/2+1（B为砂轮宽度），可达到稳定的磨削状态，防止振动；同时磨床要有足够的刚度和功率。在稳定的磨削状态下，可以使砂轮获得很高的使用寿命。

例如在CBN的凸轮磨床的设计中，就考虑了CBN与机床工艺系统的内在联系，克服了一般机床在使用超硬磨料磨具进行磨削中的不足：①克服了普通凸轮磨床设计的刚度不足；②克服了普通凸轮磨床的修整装置不能用于修整CBN砂轮的不足；③克服了进给量是为普通磨料砂轮的损耗量所设计；④CBN可以选用更高的砂轮圆周速度，以获得更好的磨轮性能，延长CBN的使用寿命。

目前，在超硬磨料磨具的刀具刃磨时采用的专用机床，其工艺系统性能良好。

3）成形砂轮在工艺上是难以修整的，因此其加工精度取决于超硬磨料磨具自身的制造精度。

4）超硬磨料磨具的自锐性要求与普通磨料不同。普通磨料砂轮的自锐性是砂轮的重要性之一。普通磨料砂轮的损耗很快；而超硬磨料的磨粒具有极高的寿命和良好的磨削性能，损耗较慢，但价格较高。树脂结构剂的特点是自锐性好，砂轮不易堵塞，故砂轮的损耗较快。磨削韧性好的金属是一个切削过程，无数磨刃的切削类似于铣削，其磨屑也类似于铣削的带状切屑，且无数磨刃的距离又非常小，磨屑不易排出，从而增大了磨削负荷。因此，以适量的砂轮损耗来防止砂轮堵塞，使磨粒能自由切削，从工艺而言是妥当的。改良品种的金刚石RVDⅡ具有良好自锐性，砂轮在磨削过程中其磨粒的切削刃能不断更新，使砂轮保持锋利，从而可获得良好的磨削效果。

5）采用合适的切削液。科学实验表明在普通可溶性油、半合成溶性油、合成切削液、纯油等切削液中，纯油是最佳的切削液。通常切削液中的活性添加剂可作用在磨粒切削的界面上起润滑作用，在高温作用下极压添加剂颗粒分子仍可构成润滑膜起润滑作用。科学实验表明采用煤油作切削液有利于延长金刚石使用寿命和改善加工件的表面粗糙度。