超硬磨具磨粒有序排布技术的原理及应用

冯创举, 崔仲鸣, 赫青山, 王 星, 杨摩西

(河南工业大学 机电工程学院, 郑州450001 )

超硬磨料工具是以金刚石或立方氮化硼为磨料制造的工具，它具有磨削性能好、耐用度好和精度高等优点，极大地促进了磨削技术的发展，被广泛用于陶瓷硬脆材料、高强度合金和轻质高强复合材料等难加工材料的加工中[1]。有序排布超硬磨料磨具是近年来出现的一种新型超硬磨料磨具，它与传统超硬磨料磨具不同，这类磨具中的磨粒依照预先设计实现有序排布，使磨粒均匀分布，具有合理的磨粒间距[2]。因此，各个磨粒均参与切削，有效减少了因磨粒重复切削而产生的相互干扰，进而增加了砂轮工作表面的容屑空间、提高了容纳冷却液的能力，且磨削刃锋利，能有效降低磨削力和磨削温度，与传统方法制造的超硬磨具相比在磨削性能方面具有明显的优势[3-4]。

由于有序排布超硬磨料工具的众多优点，国内外学者对此开展了大量研究。但由于有序排布工具制造影响因素较多，现有的磨粒排布方法还存在许多不足，如在排布技术方面普遍存在排布效率低，磨粒定位精度差，易出现磨粒缺失等问题；在制造技术方面，存在排布方式对工具性能的影响无统一标准，工具制造工艺复杂等问题。这些问题影响了有序排布工具的制造精度，尤其在复杂型面精密有序排布工具制造方面问题更为突出，阻碍了有序排布工具应用领域的发展。因此，寻求精密复杂型面的有序排布工具的制造新方法，对提高有序排布磨具制造水平和应用领域发展都具有重要的意义。

根据目前有序排布磨料磨具制造发展情况，有序排布磨料磨具制造关键技术包括了磨粒的有序排布方式和其磨具制造技术2个方面。我们对磨粒有序排布方法和工具制造技术进行了归纳，并对具体研究情况进行分析，同时列举了在石材切磨、磨削等领域磨粒有序排布工具的典型应用情况。

1 超硬磨料的排布方式

1.1 一般的排布方式

一般排布方式是指以常见的几何图形排列磨粒。何梦佳等[5]研究了纵横、同心圆、螺旋线、非规则均匀和随机5种排布方式对钎焊金刚石磨具磨削性能的影响。研究表明：在工具磨损方面，初期各磨具工作面磨损程度无显著区别；14 h后，有序排布方式磨具磨损速度趋于稳定，而无序排布磨具磨损明显且磨损速度加快；更长工作时间后，无序排布磨具首先丧失切削能力。在磨粒磨损方面，考察工具磨损质量和磨削表面粗糙度2个指标。如图1和图2所示，螺旋线方式的磨粒出现微破碎，但仍保持良好的锋利度和切削能力；而无规则排列磨具后期磨损加快，磨粒出现宏观破碎，磨削刃较少，切削性能显著下降。在磨削力方面，如图3所示，在相同磨削状态下，磨粒按传统方式分布的磨具磨削力最大，且随时间延长呈现增长趋势；而其他磨粒规则排布的磨具磨削力显著减小，且比较稳定。

图1 排布方式对工具磨损影响

图2 排布方式对工件表面粗糙度影响

(a)

(b)

1.2 磨粒定向排布方式

磨粒定向排布由AURICH等[6]提出，并将其应用到电镀CBN砂轮上，目的是在保证高的材料去除率前提下提高磨削稳定性，提高工件表面质量和减少磨削热的产生，其理论排布几何模型如图4所示，表征的参数有磨料行距ΔX、磨料列距ΔZ、磨料行角度α、磨料间隔行位移ΔZv、磨料粒径和裸露高度等。

图4 磨粒定向排布参数

仿真实验结果表明：磨料粒度、裸露高度和磨料间隔行位移ΔZv等对磨削表面质量有很大影响，图5给出了磨料间隔行位移对工件表面质量的影响。从图5可知：ΔZv主要影响工件的表面质量，当行位移在磨料粒度尺寸的1/3以内时，可避免工件表面质量降低。

图5 磨粒行位移对工件表面质量的影响

图6给出了磨粒距离对磨削力的影响图。如图6所示：磨料行距ΔX和列距ΔZ对磨削力有很大影响，随着行距和列距的减小磨削力出现增长趋势。这是因为磨料间距变小，瞬时参与切削的磨刃数量增多，而磨削力是单颗磨粒磨削力的集合，导致总的磨削力增加。

图6 磨粒距离对磨削力的影响

1.3 叶序排布方式

叶序排布是研究和应用较多的排布方式。它是根据植物学中的叶序理论提出的，包括圆柱面的叶序排布和端面的叶序排布，其中Van Iterson提出了在圆柱面上进行叶序排布的参数公式(1)和如图7所示的排布模型[7-8]。

φ=nαR=const.H=nh

(1)

公式(1)中：φ、R和H为磨粒在圆柱面上的坐标、α为叶序发散角、h为叶序系数、n为磨粒数量。其中α代表了磨粒的排布均匀性，当发散角为最佳值时，分布最均匀；系数h决定了磨料的疏密度。

图7 圆柱面上的叶序模型示意图

在砂轮直径为D时，单位面积的磨粒数N的计算公式：

(2)

从公式(2)可以看出：随着h增大，单位时间参与磨削的磨粒数量减少。此外，叶序系数和磨料粒径还共同影响加工表面几何质量，叶序系数越小，粒度越粗，磨粒排布就越致密，相互之间的干涉程度也越大，连续磨削后的已加工表面的残留波峰就越小，获得的粗糙度值越低。磨粒干涉程度对工件表面波峰的影响示意图如图8所示。

图8 磨粒干涉程度对工件表面波峰的影响示意图

2 超硬磨料有序排布工具制造

2.1 金属烧结法有序排布工具

金属烧结法是通过金属结合剂粉末高温烧结固结磨粒的方法[9]，这种工具中的超硬磨料多为多层排布。目前金属烧结法有序排布工具的制造方法主要有模板法、筛网法和人工智能负压吸附法等。

2.1.1 模板法

模板法制造多层有序排布金刚石烧结工具的原理如图9所示。首先将不含磨料的金属结合剂粉末预压制成薄层1，制作带有有序排列孔阵的模板2，然后用钢制平板4将金刚石磨粒通过模板的孔3压入到胎体1中，重复上述操作，就可制作出多个压嵌有序排布金刚石磨粒的薄层，将数个薄层组合，放入模具中压制烧结制成多层磨粒有序排布磨具[10-11]。该方法仅适用于较大颗粒超硬磨料的有序排布。

图9 模板法原理示意图

2.1.2 网筛法

网筛法是通过变换网筛孔径的方法实现超硬磨料有序排布的技术[12]，图10为网筛法排布原理示意图。如图10所示，首先调整网筛孔径大小，将磨粒均匀分布在网孔内，再去除多余的磨料，然后进行烧结，金属丝经过加热熔融到结合剂中，从而将磨料有序的固结在基体上。这种方法操作简单，但只适用于制造单层大颗粒磨料工具。

图10 网筛法排布原理示意图

2.1.3 人工智能负压吸附法

人工智能负压吸附法装置原理如图11所示：首先用计算机设计磨料的排布方式和取向，并控制吸盘和取向栅栏的形态，实现设计孔的数量、位置和排布；由负压系统吸附磨粒到取向栅栏并吸附在吸盘上，然后通过机械手臂装到模具中压制[13]。该装置对金刚石的吸附率能达到100%，金刚石的择优取向可达85%。

图11 人工智能负压吸附法装置原理示意图

2.2 电镀法有序排布工具

电镀超硬磨料工具具有制造工艺简单、制造过程温度低、对环境危害小和制造形状复杂、精度高等优点。适用于电镀工艺的超硬磨料有序化排布方法主要有人工手植法、静电排布法和掩模法等。

2.2.1 人工手植法

人工手植法主要用于内电镀法制造的有序排布超硬磨料工具。其原理是：首先制作阴模型腔，在型腔内表面上涂覆薄薄一层厚度均匀的导电胶，然后利用人工植砂器将超硬磨粒按照设计的排布方式黏结在导电胶层上，再经电铸加厚形成磨料镀层，最后放入钢制芯子，通过基准转换工艺将阴模形面上的基准转换到芯子上，剥去阴模，得到超硬磨料有序排布的工具[14-15]。

图12为手植排列内电镀磨料工具结构示意图。由于胶层的存在会降低磨具形面的精度，需要后续的精密修整来进一步提高精度。人工手植法仅适用于大颗粒的超硬磨料，并且较低的上砂效率和较低的磨粒位置精度使得其应用范围变窄，然而在复杂形面上进行磨粒有序化排布，人工手植排布上砂法则是为数不多的可行方法之一。

图12 手植排列内电镀工具结构示意图

2.2.2 静电排布法

静电排布法是利用静电吸附的原理将超硬磨料吸附在选择性涂胶区域的方法，原理如图13所示[16]。

图13 静电排布法原理示意图

首先，计算机控制微计量头沿轴向移动，配合基体旋转运动形成有序排布的涂胶区域；然后，通过静电散布装置静电吸附磨粒使之黏结到涂胶区域上，从而实现磨粒在基体上的有序排布。这种方法的优点是排砂效率高，磨粒位置精度好，但是无法避免胶液黏结磨料时的漏砂或多砂结团问题。

2.2.3 掩模法

掩模法是采用电镀方法高效制造有序排布超硬磨料工具的一种方法，而且适用于任何粒径的磨料。当磨料粒径较大(粒度50/60以上)时，磨料以单颗磨粒进行有序排布；当磨料粒径较小时(粒度100/120以下)，磨料以群团的方式有序排布[17]。其原理如图14所示[7]。首先将带有有序排布孔的掩模涂覆或者粘贴在基体上，使磨粒或磨粒群进入孔内，通过电镀方法将磨料初步固结后将掩模去除，然后进行电镀加厚，掩模的图案直接决定了电镀砂轮表面的磨粒排布。应用比较成功的掩模有堆积型掩模、涂覆型掩模、粘贴型掩模、基于丝网印刷技术的掩模和光刻型掩模等[18]，其中基于丝网印刷技术的掩模可适用于复杂型面的磨料有序排布，因此应用比较广泛[19]。

图14 基于掩模的有序化排布电镀CBN砂轮

2.3 钎焊法有序排布工具

钎焊法是用焊料以钎焊的方法将超硬磨料固结在基体上。由于钎焊料对超硬磨料把持力强，磨料出刃高度可达70%～80%，可以形成大的容屑空间和锋利的切削刃，磨削性能显著提高，在高效磨削中能发挥出优异的效果[20]。钎焊法有序排布技术主要包括陶瓷孔模板法、壳膜布料法、激光焊接法、烧焊一体化法等。

2.3.1 陶瓷孔模板法

陶瓷孔模板法原理如图15所示。首先，制作带有规则排列孔阵的陶瓷模板，孔的大小正好可以容纳一粒金刚石磨粒，深度为粒径的2/3，将工具基体上均匀铺上钎料，再将嵌入金刚石的陶瓷模板置于其上，然后在气体保护或真空条件下钎焊，将金刚石磨料固结在金属上。因为陶瓷材料没有可焊性，最后可轻易去除。这种方法制造的工具中金刚石磨料具有良好的等高性和有序性，但该方法仅适用于制造单层大颗粒金刚石磨料有序排布工具[21]。

图15 陶瓷孔模板法原理示意图

2.3.2 壳模布料法

壳模布料法的原理如图16所示。首先涂上一层一定厚度的耐火材料于基体上，经过干燥处理使其硬化后在其上钻出有序分布的槽，填充钎料和磨料于槽内进行烧结[22]。这种方法布料位置精度高，易于操作和实施，但是只针对大颗粒单层磨料的有序排布。

图16 壳模布料法原理示意图

2.3.3 激光焊接法

将钎焊料和金刚石均匀的布在金属基体表面，通过控制激光器的扫描位置有选择性的照射，被照射到的部分磨粒被焊接到基体上，没有被照射到的部分焊后金刚石可以被除去，从而实现磨粒的有序排布。激光焊接法有序排布效率高，金刚石定位精度高，但是金刚石等高性不好，设备投资成本大[23]。

2.3.4 烧焊一体化法

烧焊一体化法工艺流程如图17所示[24]。将一定比例的磨料和金属结合剂粉料混匀，熔炼到液态后选择性的烧焊到基体上。烧焊一体化法实现了烧结金刚石工具制造的“自动化”，效率高；但是，磨料和熔融的粉料比重不同，容易造成分层现象，且设备复杂。

图17 烧焊一体化法工艺流程图

2.4 其他方法的有序排布工具

2.4.1 微复制法

微复制法的制造技术开始于20世纪90年代中期，其制造原理如图18所示[25]。首先，在硅板上加工出定向分布的槽孔，再利用化学气相沉积(CVD)的方法在孔槽型面内生长一定厚度的金刚石膜层，把膜层固结于工具基体上再去除硅模板。这种方法的优点是制造的工具工作型面精度高，缺点是金刚石薄层和基体的连接强度较低，磨削载荷大时可能会出现剥落现象。

图18 微复制法制造原理示意图

2.4.2 有序固结磨粒化学机械抛光法

有序固结磨粒化学机械抛光法(fixed abrasive CMP,FA-CMP)是近几年提出来的技术[26-27]，美国3M公司最先掌握这种技术,主要用于制造抛光垫，制造的产品如图19所示。其原理是：将一定比例的树脂结合剂和微粉级磨料混合并凝聚成规定构造的小颗粒团，最后将这些颗粒团按有序排列方式固化在基体上，制成规则排列的固结磨粒抛光垫。这种技术虽然目前主要用来制造抛光垫，但它为采用其他工艺制造的磨料有序排布工具提供了新思路。

图19 抛光垫磨料排布三维结构

3 超硬磨料有序排布技术的应用

磨料有序化排布技术使超硬磨料工具的生产从单纯的模拟向数字化制造转变，显著地提高了超硬磨料工具的质量和性能，且广泛应用于各类工具制造中，现以下列3种典型应用进行说明。

3.1 在石材切磨工具上的应用

中国砂轮公司宋健民等在制作钎焊金刚石锯片刀头、绳锯和排锯时，采用三维矩阵排列排布金刚石，排布方式示意图如图20所示。经实验研究表明：金刚石有序排布刀头的寿命比无序排布的同样刀头寿命提高20%；在绳锯方面，磨粒有序排布的金刚石用量降低，寿命却提高，且功耗是无序排布金刚石绳锯的1/3[28]。

图20 三维有序排布金刚石刀头结构示意图

新韩公司也对金刚石有序排布进行了研究，成功研制出ARIX金刚石磨料自动排布系统(automatic array system),该系统能够在锯片刀头生产中实现对金刚石磨料的自动排布，图21 给出了ARIX产品及其与传统刀具的比较图。如图21c和图21d所示：利用ARIX技术制造的金刚石有序排布工具与金刚石无序工具相比，切削效率提高30%,寿命提高100%[29]。

图21 ARIX产品及其与传统刀具的比较

3.2 在化学机械抛光垫修整器中的应用

日本旭日公司为解决在金刚石化学机械抛光修整器(diamond CMP pad conditioner)批量生产中性能一致性不好的问题，采用金刚石有序排布技术，开发了CMP-CS型、CMP-NEO-UP型以及CMP-NEO-U型等3种不同类型修整器，并对3种修整器进行了对比分析[3]。结果表明：CMP-CS型修整器的金刚石磨粒在工具表面分布具有重复性，因此其具有良好的修整稳定性；CMP-NEO-UP型修整器中金刚石磨粒有序分布，结合剂包裹的磨粒紧固，磨粒不易脱落；CMP-NEO-U型修整器中的金刚石磨粒除了有序分布外，它的裸露高度具有可控性，刃端排列具有一致性，如图22所示，其修整性能在3种修整器中稳定性最高，使用寿命是磨粒无序排布修整器CMP-M的2倍，金刚石利用率是CMP-M的8倍，且使用过程中不产生任何划痕。

图22 CMP-NEO-U型修整器金刚石有序分布示意图

3.3 在磨削加工中的应用

超硬磨粒有序排布技术在磨削中的应用取得了显著成效。日本Noritake公司采用的有序排布技术制造的钎焊金刚石砂轮模型如图23所示。磨粒定向排布，其裸露高度高。实验表明：在高效磨削中，用这种砂轮磨削后工件的表面粗糙度值可达0.2 μm，与传统砂轮相比，磨削效率和加工质量明显改善[30]。

图23 金刚石排布方式及模型图

KOSHY等[31]在制造砂轮时，采用改变磨粒间轴向距离来确定磨粒排布位置的方法，从而使磨粒呈现不同的排布密度。实验结果表明：磨粒的间距改变对磨削工件表面粗糙度有显著影响，如图24所示。

图24 磨粒轴向间距对加工表面粗糙度的影响

张超等[32]借鉴生物学的叶序排布理论设计了一种磨粒有序排布电镀砂轮，并对叶序参数和磨削用量与磨削力的关系进行了有限元仿真分析。研究结果显示：总体上与无序排布砂轮相比，叶序排布砂轮的磨削力明显减小，如图25所示。

图25 叶序生长系数对磨削力的影响

4 结论

有序排布超硬磨料工具是磨削工具家族的新品种，从无序到有序是磨削技术向高层次发展的又一个重要标志。对有序排布磨具的应用研究表明，其具有提高超硬磨料使用率、减少磨削热产生和降低磨削力等优点，在高效、精密磨削方面具有广泛的应用价值和发展前景。

但从目前情况看，有序排布超硬磨料工具制造技术正处于发展初期，其设计制造技术并不多，并且普遍存在着排布效率低、磨粒定位精度差和工艺复杂等不尽人意之处，尤其是复杂型面有序排布精密工具的制造方法还没有掌握。因此，为了满足生产发展的需要，寻求排布效率高和磨粒定位精度高的有序排布新技术将是今后发展的方向；同时还要加强对有序排布磨削技术基础理论方面的深层次研究，为促进其应用领域发展提供有力的理论和技术支撑。

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