一种适于国内引进开发的新型超硬磨料砂轮_国外单层高温钎焊超硬磨料砂轮制造技术述评
8 Baraf D. Computer Graphics, 1989, 23 (3): 223～ 232
9 W ilson R H , L atom be J C. A rtificial Intelligence,
1994, 71 (4): 371～ 396
10 Zhang W eip ing, D ing Han, Xiong Youlun. Proc. of
the 5th International Conference on M echatronics
and M achine V ision in Practice, N anjing, China,
1998: 349～ 354 (编辑 卢湘帆)
张卫平 男, 1969 年生。华中理工大学(武汉市 430074) 机械科学
与工程学院博士研究生。研究方向为机器人装配规划和操作?几
何推理。
熊有伦 武汉市 430074 华中理工大学 中国科学院院士
一种适于国内引进开发的新型超硬磨料砂轮3
——国外单层高温钎焊超硬磨料砂轮制造技术述评
傅玉灿 博士研究生
傅玉灿 徐鸿钧
摘要 介绍国外单层高温钎焊超硬磨料砂轮, 包括其制造技术、工艺优
势及可以预期的极其广泛的应用前景; 指出国内在推广应用超硬磨料砂轮时
应不失时机地大力引进开发此种单层钎焊砂轮; 并给出关于如何在更高的起
点上去研究开发此种砂轮的一些构想和建议。
关键词 砂轮 高温钎焊 超硬磨料 单层
中国图书资料分类法分类号 TG7
金刚石和 CBN 磨料工业化生产的实现被誉
为本世纪磨料行业所取得的两大具有里程碑意义
的突破性成果。这两种超硬磨料在适应面上的互
补性, 使由它们所构成的砂轮的可加工范围覆盖
到了包括各种高硬、高脆、高强韧性材料在内的几
乎全部被加工材料, 磨削加工由此进入了一个有
条件实现高效作业的新时代。
多层与单层砂轮各有所长。由于实际磨削作
业的多样性与复杂性, 我们事实上很难就它们的
选用给出统一的推荐意见, 不过有一点是可以肯
定的, 即相对于多层砂轮, 传统的单层电镀超硬磨
料砂轮确有其自身的优势: ①电镀工艺简单, 砂轮
制备容易; ②虽然只有单层磨料, 但仍有足够高的
使用寿命; ③无需修整, 使用最为方便; ④单层结
构本身决定了它可以达到其它砂轮所无法达到的
最高的工作速度, 等等。正是单层电镀砂轮的这些
优势, 使得它在超硬磨料砂轮的生产应用中一直
占有相当大的份额, 在高速特别是超高速磨削中
更是占据着无可争议的主导地位。单层电镀砂轮
在国外生产中成功应用的实例可以举出很多, 如
美 国工具与生产系统公司采用GE 公司提供的
3 国家自然科学基金资助项目(59675057)
收稿日期: 1998—01—12 修回日期: 1998—08—04
BOR ZON 牌电镀 CBN 砂轮, 在圆周速度为 150
m ?s 的 Gühring 机床上, 以很高的材料切除率常
规加工淬硬合金钢, 大大缩短了工作时间[1 ]; 日本
Kashifuji 工厂和O saka 金刚石工业公司研制的
带螺旋齿的电镀 CBN 砂轮用于高速强力超精加
工淬火齿轮, 连续加工 36 000 个齿轮仍可满足加
工精度的要求, 说明砂轮损耗极小, 有很高的寿
命[2 ]; 采用电镀微粉超硬磨料砂轮进行硅片的纳
米级磨削, 表面粗糙度R m ax可有效控制在 8 nm 以
下[3 ]。另外, 欧美一些国家的公司用电镀 CBN 砂
轮磨削汽车凸轮轴, 单件工时可从 5 m in 降到 2
m in 10 s; L itton 工业自动化公司用电镀 CBN 砂
轮磨制汽车凸轮轴, 成本降低 50% , 疲劳寿命提
高 30% , 磨制的拉刀疲劳寿命提高了 10%～
20% [4 ], 等等。
事实上, 可能正是由于电镀砂轮在生产中的
大量应用, 才使得它的一些未被重视的弊端开始
逐步暴露出来, 其中结合强度不高的固有缺陷暴
露得最为充分。正如某些文献所指出的, 电镀砂轮
上的镀层金属并不是磨具行业严格意义上的结合
剂, 在镀层金属与基体、磨料的界面上由于并不存
在牢固的冶金化学结合, 磨料实际上只是被机械
包埋、镶嵌在镀层金属中, 因而把持力不大, 在负
荷较重的高效磨削作业中, 砂轮容易因磨粒脱落
·573·
一种适于国内引进开发的新型超硬磨料砂轮——傅玉灿 徐鸿钧
或镀层成片剥落而导致整体失效。因为不存在牢
固的冶金化学结合, 为增加把持力就必须增加镀
层厚度以减小磨粒的裸露高度, 这又带来了容屑
空间小, 砂轮容易发生堵塞的弊端。很明显, 单层
电镀超硬磨料砂轮的这些固有弊端必然会大大限
制它在高效磨削中的应用。为了充分发挥单层超
硬磨料砂轮的优势, 国外在 80 年代中后期开始以
高温钎焊替代电镀开发了一种具有更新换代意义
的新型砂轮——单层高温钎焊超硬磨料砂轮。
国外研究用高温钎焊替代电镀开发单层超硬
磨料砂轮, 其着眼点就是期望藉钎焊所可能提供
的界面上的化学冶金结合从根本上改善磨料、结
合剂(钎焊合金材料)、基体三者间的结合强度。研
究发现, 由于高温钎焊所提供的界面上的结合强
度是如此之高, 以致仅需将结合层厚度维持在磨
粒高度的 20%～ 30% 的很低水平上, 就足以在大
负荷的高速高效磨削中牢固地把持住磨粒。这么
薄的结合层意味着钎焊砂轮可以提供高达 70%
～ 80% 的磨料裸露高度, 磨粒间的容屑空间也被
大大扩展, 两者综合的结果就使得钎焊的单层砂
轮获得了在某种程度上可与静电植砂的砂带相媲
美的理想锋利地貌。
众多文献都确认, 钎焊砂轮的极高的结合强
度加上接近理想的锋利地貌, 使它在生产应用中
显示出传统砂轮所无法比拟的优异性能。如由于
结合强度高, 即使在大负荷的磨削作业中仍可有
效避免磨粒、结合剂层的脱落与剥落的情况出现,
磨料的利用更加充分, 砂轮寿命更高; 另外极高的
结合强度也意味着砂轮可以达到更高的工作线速
度, 这在 300 m ?s～ 500 m ?s 以上的超高速磨削中
有着特殊的意义。又如由于砂轮锋利、容屑空间
大, 不易堵塞, 因而在与电镀砂轮相同的加工条件
下, 磨削力、功率消耗、磨削温度会更低, 甚至有些
文献提到它还可以接近实现冷态切削, 等等。事实
上, 正是它所具有的这些明显的优势, 使得它的出
现在国外机械加工行业中引起了近乎轰动的效
应。客观地说, 钎焊砂轮就目前而言在工艺上可能
尚未臻于完善, 但既然它已在生产中显示出如此
明显的优势, 那么今后用它逐步替代传统电镀砂
轮就应该是必然趋势[5～ 8 ]。
1 单层高温钎焊金刚石砂轮
现有高温钎焊单层金刚石砂轮的一般工艺:
首先用氧(乙) 炔焊炬在钢基体上火焰喷涂上一层
N i2C r 合金层, 这层活性金属可作为钎料直接钎
焊金刚石磨粒。然后再在氩气中作感应钎焊。在
感应钎焊过程中,N i2C r 合金中的 C r 分离出来,
并在金刚石表面富集生成相应的碳化物, 使合金
层和金刚石之间有良好的浸润性, 从而可以获得
较高的结合强度。
火焰喷涂 N i2C r 合金层的组份 (% ) 为 N i:
0172, C r: 01144, Fe: 01035, Si: 01035, B: 010335,
O 2: 01005。合金的固相和液相温度分别为 1020℃
和 1050℃。钎焊是在 1080℃氩气中进行, 需时约
30 s。N i2C r 合金层所含元素按其所起的作用大致
可分为, 提高钎料抗氧化性和强化钎料的元素(主
要是 C r); 降低钎料熔点和提高钎料流动性和浸
润性的元素(主要是B、Si 等非金属元素)。通过对
合金层与金刚石界面以及合金层与钢基体界面的
电子探针与 X 衍射分析发现, 合金层在与金刚石
良好浸润的同时与钢基体反应生成 (Fex C ry )C,
因此这种钎焊工艺可使合金层与金刚石及钢基体
之间都能获得较高的结合强度[9 ]。
不过, 在采用活性金属钎料直接钎焊磨料时,
虽然钎料中的活性金属会向金刚石表面富集并生
成相应的碳化物, 从而实现结合剂与金刚石的冶
金结合, 但这种工艺仍有许多局限性: 金刚石的热
稳定性差, 800℃时就会发生石墨化转变, 而钎焊
温度高于 1000℃, 因而容易造成金刚石的热损伤
而使金刚石强度降低; 很难避免结合剂中的有害
元素对金刚石的侵蚀作用; 活性金属向金刚石表
面富集并反应生成碳化物需要一定的时间, 而在
30 s 这样短的钎焊时间里, 这一过程事实上很难
完全实现, 因此欲藉在金刚石与结合剂界面上形
成连续的中介层来获得很高的结合强度, 仍有一
定的难度[10 ]。
采用在超硬磨料表面预先镀覆活性金属及其
合金的办法可更为有效地解决超硬磨料与结合剂
的粘结强度问题。钎焊过程中, 凭借镀覆层的中介
作用, 除了更容易实现超硬磨料与结合剂之间的
强力冶金化学结合以外, 由于活性难熔金属及其
合金镀覆层的保护作用, 还可抑制结合剂中的
Fe、Co、N i 等元素对金刚石的侵蚀和金刚石本身
的石墨化过程, 使钎焊后的磨料仍能保持原来的
强度和晶型。试验表明由于镀膜金刚石与结合剂
良好的浸润性, 有效地避免了磨粒的脱落, 大大改
·673·
中国机械工程第 10 卷第 4 期 1999 年 4 月
善了砂轮的磨削性能, 实现了砂轮寿命和加工效
率的大幅度提高[11 ]。
2 单层高温钎焊 CBN 砂轮
与金刚石磨料不同, CBN 本身与作为钎料的
N i2C r 合金之间的浸润性极差, 即使在 1100℃的
还原气氛中也仍然察觉不到有明显的浸润作用存
在, 因而高温钎焊CBN 砂轮要比钎焊金刚石砂轮
困难得多。解决问题的思路自然是仿照金刚石镀
膜的方法, 在钎焊前对CBN 磨料作有针对性的预
镀改性处理。国外目前应用效果最好的是预镀
T iC 膜, 即采用化学气相沉积(CVD ) 方法在 CBN
磨料表面预先沉积一层 T iC 薄膜, 其反应方程式
为[12 ]
T iC l4+ CH 4= T iC+ 4HC l
具体的沉积工艺参数为系统压力 13. 33 kPa (100
乇) , 沉积温度 1000℃和 1050℃, 沉积时间 60 m in
和 90 m in, CH 4 流量 0125 L ?m in, H 2 流量 10 L ?
m in, T iC l4 浓度 2%。在 1000℃下经 90 m in 沉积
后, CBN 磨粒表面(包括棱边) 可被 T iC 膜完全覆
盖, 且膜层完整无裂纹。
在高温钎焊经预镀 T iC 膜的 CBN 磨料时发
现, 原本无法浸润 CBN 磨料的镍铬合金钎料这时
表现出令人满意的浸润效果, 而且不含C r 的镍—
磷合金钎料(N i: 90% , P: 10% ) 同样也能满意地浸
润镀覆有 T iC 膜的CBN 磨料。进一步的钎焊试验
还发现, 浸润程度与钎焊合金的初始厚度、钎焊温
度、钎焊时间及金属的流动性等有关, 适当控制这
些因素, 可以取得接近最佳的浸润效果。不过需要
强调指出的是, 磨料与钎焊合金间的结合强度并不
仅仅取决于它们间的浸润效果, 钎焊的工艺参数主
要应该根据镀膜层与钎料间的熔融反应状态合理
选择, 当反应过于剧烈、界面上的反应产物层太厚
时, 反而大大降低两者间的结合强度, 从而使高温
钎焊结合强度高的优势得不到充分体现。
3 关于国内引进开发高温钎焊单层超硬
磨料砂轮的初步构想
众所周知, 目前国内生产上使用的单层超硬
磨料砂轮无一例外都是电镀的, 有关高温钎焊单
层超硬磨料砂轮的设计和研制至今仍是空白。笔
者认为, 既然已经看到钎焊砂轮无可比拟的工艺
优势和它在今后会逐步替代电镀砂轮的必然趋
势, 那么就应及时引进开发此种砂轮。应该看到,
尽管国内尚未开展有关钎焊磨具的研究, 但在诸
如磨料制备、磨料镀膜、磨料高温烧结等相关、相
近技术的研究上已经积累了相当的经验, 凭借这
些基础技术的优势开发钎焊砂轮应该没有特殊的
困难。笔者还认为, 在国外钎焊砂轮已经发展到今
天的情况下, 国内的开发应该有一个更高的起点。
文献[8 ]在充分肯定了现有钎焊砂轮优异性能的
同时, 也明确提出了应进一步严格控制磨粒间距、
突出量和结合剂层厚度一致性的要求。事实上, 砂
轮工作面上磨料的合理有序排布一直是国内外磨
具行业致力追求的目标, 今天看来, 这一对普通磨
料砂轮可能是遥遥无期的目标倒确有可能在单层
超硬磨料砂轮上被首先实现。如果我们在开发钎
焊砂轮的过程中能够首先按照加工条件的要求优
化设计出砂轮的最佳地貌, 然后按优化结果来排
布钎焊磨料, 就有可能使开发的钎焊砂轮的磨削
性能达到一个更高的水平。
参 考 文 献
1 Am erican M achinist M agazine O ffice. Am erican M a2
chinist, 1991, 135 (3): 50～ 51
2 Am erican M achinist M agazine O ffice. Am erican M a2
chinist, 1988, 132 (7): 124～ 125
3 Sato H , Ikeno J I, Tani Y. A nnals of the C IRP, 1990,
39 (1): 341～ 344
4 杨启蓉, 胡河. 磨床与磨削, 1994 (4): 18～ 20
5 Chattopadhyay A K, H interm ann H E. Surface and
Coating Techno logy, 1991 (45): 293～ 298
6 Chattopadhyay A K,N interm ann H E. M achine Too ls
and M anufacture, 1992, 32 (4): 571～ 581
7 M ason F. Am erican M achinist, 1993, 137 (5):
8 Inasaki I, Tobnshoff, How es T D. A nnals of the C IRP,
1993, 42 (2): 723～ 731
9 Chattopadhyay A K, H interm ann H E. Journal of M a2
terials Science, 1991 (20): 5093～ 5100
10 臧建兵, 王艳辉, 王明智. 金刚石与磨料磨具工程,
1997 (2): 6～ 9
11 H interm ann H E, Chattopadhyay A K. A nnals of the
C IRP, 1992, 41 (1): 381～ 385
12 H interm ann H E, Chattopadhyay A K. A nnals of the
C IRP, 1993, 42 (1): 413～ 416 (编辑 卢湘帆)
傅玉灿 男, 1972 年生。南京航空航天大学(南京市 210016) 机
电工程学院博士研究生。研究方向为高效磨削。发表论文 8 篇。
徐鸿钧 南京市 210016 南京航空航天大学
·773·
一种适于国内引进开发的新型超硬磨料砂轮——傅玉灿 徐鸿钧
ISSN 1004- 132X
CH INA M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G
(T ransactions of CM ES)
Vo l. 10,No. 4,Ap r. , 1999
M onthly (Serial No. 64)
Edited and Published by: CH INA M ECHAN ICAL
EN G IN EER IN G M agazine O ffice
Add: No. 14 Shipailing W uchang W uhan China
D istributer: China International Book T rading
Co rpo ration (P. O. box 399,Beijing)
Code: 4163M
M A IN TOP ICS, ABSTRACTS & KEY WORDS
Next-Generation Manufacturing: Strategies for a Global
Leadership Jay L ee (U nited Techno logy Research
Center) p 3612368
Abstract: The next2generation m anufacturing p ro ject
w as initiated in 1995 under the suppo rt of N ational Sci2
ence Foundation to develop a fram ewo rk fo r action that
U. S. m anufactures, individually and co llectively, can use
as a guide to chart a course fo r success in an increasing
and competitive globle business environm ent.
Faced w ith the expanding global m arketp lace, the
characteristics of next2generation m anufacturing are anal2
ysed. The antho r po ints out that the N GM company w ill
succeed in the new comp lex environm ent by exhibiting all
the six attributes given in the paper. The innovation of
the m anufacturing industry, know ledge supp ly chain and
change m anagem ent are discussed as w ell.
Key words: m anufacturing industry know ledge
supp ly chain team wo rk chang m anagem ent
Representation with Vectors in Plane Triangular Co-ordi-
nates for M echan ical Quantities of Superplastic Bulging
Song Yuquan (J ilin U niversity of Techno logy,
Changchun, China) Hou lei W ang Xiw en p 3682371
Abstract: The wo rk of T. C. HSU et al have had an
impo rtant theo retical value during the research histo ry of
superp lastic defo rm ation m echanics, how ever, it is very
p ity that their theo ry has no t been paid enough attention
to fo r so long, and the essence of the wo rk reveals the de2
viation stress tenso r, strain tenso r and strain2rate tenso r
to be rep resented by vecto rs in p lane triangular co2o rdi2
nates respectively. That is very impo rtant to the research
on superp lastic analytical m echanics. This paper m akes a
comp rehensive outline on their wo rk in o rder to p rovide
the necessary theo retical base fo r further research on
quantitative analytical m echanics of superp lastic bulging.
Key words: deviation stress tenso r strain tenso r
strain2rate tenso r p lane triangular co2o rdinates
Quasi—Static M ethod for Rigid- Body ContactMan ipu-
lation in Robotic Assembly ZhangW eip ing (Huazhong
U niversity of Science & Techno logy, W uhan, China)
Xiong Youlun p 3722375
Abstract: Contact interaction is the essential part of
assem bly m anipulation. This paper p resents a new ap2
p roach to the kinem atics analysis of assem bly tasks
through m echanical contacts. The contact constraints are
reso lved into a series of surface- vertex contacts rep re2
sented by homogeneous linear inequalities w ho se so lution
space is a po lyhedral convex cone. W ith the m ethod of
singular- value decompo sition (SVD ) , the comp lexity of
so lving these inequalities can be reduced. A n op tim iza2
tion p rocedure is also given to obtain an unique velocity
vecto r incurring the contact state transition in assem bly
m anipulation. A s the arrival of the goal and sub2goal the
contact state is to be verified w ith the aid of senso r info r2
m ation, this so lution is quasi- static. The algo rithm s are
imp lem ented and graphic sim ulation is show n.
Key words: robo tic assem bly contact m anipula2
tion mo tion p lanning quasi—static
A NewM onolayer Superabrasive Grinding W heel for In-
ternal Introduction and Development Fu Yucan (N an2
jing U niversity of A eronantics and A stronantics,N anjing,
China) Xu Hongjun p 3752377
Abstract: It is recomm ended in this paper that the
m anufacturing techno logies, the techno logical advantages
and w ide app lications of an oversea brazed mono layer su2
perabrasive grinding w heel w hich is developed on the ba2
sic of the traditional electrop lated mono layer grinding
w heel in the late eighties. Because of the extensive advan2
tages of this grinding w heel, it should be introduced and
developed in China w ithout lo ss of tim e. Furthermo re, at
the end of the paper, there are som e concep tions and sug2
gestions on how to investigate and develop this new
grinding w heel on a higher starting po int.
Key words: mono layer brazed superabrasive
grinding w heel
—72—
MA IN TO P ICS, ABSTRACTS & KEY WORDS
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