超硬磨具发展情况

栗正新

(河南工业大学 材料科学与工程学院， 郑州 450001)

河南工业大学材料学院，具备国内超硬材料及制品和磨料磨具工程两个本科专业方向，和磨料磨具、超硬材料、高温材料等团队。1956年成立以来针对先进磨料磨具、高端超硬材料制品等方面的前沿技术和科学问题开展研究。近五年获得河南省科技进步一等奖2项、发表相关学术论文120篇、制定国家标准3项、承担国家级课题4项、承担河南省重大科技专项3项、授权发明专利12项。研究成果同工程应用结合紧密，培养的人才活跃在超硬材料及制品、磨料磨具行业第一线，为行业的发展做出了卓越贡献。

磨削加工是机械加工工艺中的精密和超精密加工环节，是一个国家制造能力和水平的标志。磨具是磨床的牙齿，其性能和质量直接决定磨削加工能力和水平。伴随着高速、高精、高效和绿色加工发展趋势，以金刚石和立方氮化硼为磨料的超硬磨具越来越得到广泛深入的应用，在制造业转型升级、智能化、绿色化方面表现出了出了极大的应用潜力。

1 超硬磨具应用现状

自1957和1963年人类工业化合成金刚石和立方氮化硼以来，超硬磨具的应用越来越多。按照结合剂分类，目前有陶瓷、树脂、金属烧结、金属钎焊、电镀等不同结合剂磨具系列。按照磨具形态分有固结、涂附和松散三种超硬磨具。超硬磨具在机械制造、汽车、航空航天、船舶、玻璃、陶瓷、建材、半导体、新能源材料等领域的切割、磨削和抛光领域得到了广泛应用，满足了不同场合的加工要求。

树脂结合剂超硬磨具具有强度高、弹性好、制造周期短、不耐酸碱、容易老化等特点，多用于硬脆材料的精密磨削和研磨抛光加工，如硅片的倒角和表面磨削，硬质合金的磨抛加工等。

烧结金属结合剂超硬磨具具有耐冲击、耐磨损、长寿命、磨粒把持和磨具形状保持好的特点，主要用于建材、陶瓷等硬脆材料的加工，是人造金刚石的主要应用方向。

钎焊金属结合剂磨具具有磨粒出刃高度大、容屑空间充足的特点，适合用于缓进深切磨削黏性金属材料，如加工钛合金工件。进来在铸铁件的切割、打磨方面的应用也越来越多。

陶瓷结合剂超硬磨具具有自锐性好、强度高、锋利、耐酸碱、寿命长的特点，特别是陶瓷CBN磨具，广泛用于铁系铸锻件的加工。在汽车发动机凸轮轴、曲轴、液压件、轴承等领域应用非常广泛。

电镀超硬磨具具有形状精度高、锋利、生产效率高的特点，广泛应用于3C行业玻璃、陶瓷、玉石、砂轮修整等加工领域。尤其是电镀金刚石线锯在光伏硅材料、蓝宝石材料的切割加工，代替了传统的硅浆料游离磨料加工方式，显著提高了加工效率和良品率，为光伏行业、LED行业的发展起到了巨大的推进作用。

新兴的金属间化合物结合剂和复合结合剂超硬磨具，具备锋利、形状保持好、寿命长精度高的特点，代表了超硬磨具的技术前沿。目前在硅材料的减薄、CNC玻璃加工等领域已经开始应用，发展前途广阔。

磨削加工已经发展到砂轮线速度150 m/s以上的超高速磨削和纳米精度阶段，对磨具的要求非常高。目前磨具基体的轻量化、近终形状成型、新型结合剂、高精度尺寸和形位、超硬磨料的改性是研究的热点，基础研究方面包括改善磨粒把持力、增大磨具容屑空间、磨粒出刃高度表征和控制、磨粒有序排布、增材制造等方面。

2 超硬磨具面临的问题

2.1 难加工材料加工提出的难题

高强度、高硬度、高韧性和脆性材料、复合材料的加工过程中，存在磨具磨损严重、保形难、修整难、加工效率低、废品率高等问题，例如钛合金、高温高强合金、复合材料、陶瓷、玻璃和非金属晶体等材料的切磨抛加工。这些问题对超硬磨具的锋利性、寿命和精度提出了挑战。包括磨具安全性、组织及硬度均匀性、制造精度及工作层的形状保持性、动平衡性能、磨削效率、耐用度、使用寿命、工件表面质量以及磨具质量的稳定性等等方面。

2.2 其他磨具和加工方式带来的挑战

传统的刚玉、碳化硅磨具的性能也在不断提升，表现出了极高的性价比。以陶瓷刚玉磨料、堆积磨料、煅烧磨料为代表的新型普通磨具，在磨削加工过程中表现出了良好的自锐性、材料去除能力和形状保持性，超硬磨具相对高的价格使其在强调成本的领域竞争优势并不显著。

水射流加工、磨料流加工甚至激光加工也可实现材料的高效去除，且能够完成超硬磨具无法完成的工作。这些技术的广泛应用对超硬磨具也提出了挑战。

2.3 超硬磨具自身发展瓶颈

线速度150 m/s以上的超高速磨削对超硬磨具的性能要求很高，包括基体轻量化、动平衡精度、磨具强度等。目前满足150 m/s线速度磨削加工的超硬磨具批量生产仍然是个瓶颈，需要深入研发才能实现。

3000#以细磨料的固结磨具的制备，尤其是8000#以细的固结磨具，由于磨料的均匀分散难，保证磨具的密度均匀技术难度很高，在国内仍然面临较强的技术瓶颈。

超细的金刚石线锯对于提高光伏硅材料的良品率和降低成本起着关键作用，(40～50) μm以细的金刚石线锯制备目前也是个瓶颈。

高精度超硬磨具的修整技术和工具，尤其是修形，目前同样处在瓶颈状态。

3 超硬磨具发展方向

满足高速、高效、高精和绿色的切磨抛加工需求就是超硬磨具制造的发展方向。具体表现在如下方面。

高速、超高速磨具方面，CBN砂轮实际使用速度可达到150～250 m/s，试验室速度已经有报道达到500 m/s。

高精度方面，超薄切割砂轮的厚度精度达到0.001 25 μm，平行度≤3 μm，磨具的尺寸、形位精度越来越高。

超薄方面，用于集成电路的划片砂轮厚度已经达到0.01 mm，还在朝着更薄的方向发展。

小深孔磨削用的极小磨具，直径可达(30～50) μm，还会有更小的磨具出现，满足特殊加工需求。

高效率的双端面磨削技术配套磨陶瓷结合剂磨盘的工作面直径已经达到1 200 mm，还会有更大的磨具出现，满足高效率加工的需求。

超细磨料磨具方面，12 000#硅片背面减薄砂轮已经投入使用，还会有更细粒度的超硬磨具出现，满足高精度的加工需求。

磨具的耐用度方面，性能不断提高，两次修整间隔能够磨削工件个数越来越多，将会出现不需修整的超硬磨具，使用寿命更长，满足高效率加工的需要。

结合剂方面，树脂-金属复合结合剂、金属-陶瓷复合结合剂、陶瓷金属结合剂等新型结合剂将会不断得到应用，以满足高精度磨削的需要。

成型和烧结技术方面，近终尺寸成型技术、等静压成型技术、热等静压成型、微波烧结技术将会得到应用，从而制备高性能的超硬磨具。

4 本期论文点评

微波诱发热爆法制备钛铝碳结合剂金刚石复合材料

代 振, 等; 第4页

陶瓷结合剂磨具发展迅速，广泛用于陶瓷材料的磨削加工中，但其脆性大、结合剂和磨粒结合弱的缺点限制了陶瓷结合剂磨具的进一步推广应用。

代振等使用微波诱导热爆技术，从复合结构内部开始自蔓延高温烧结，燃烧波方向与气体方向一致，有利于形成均匀的孔隙结构。这个方法对制备高性能陶瓷结合剂磨具具有一定的参考价值，生成的物相有力地把持住了金刚石，对提高磨具寿命有较大作用。该技术目前相关研究数据较少，且距离产业化应用尚有一段距离。后续可以针对各种可能的物质组成和工艺参数进行试验，积累相关数据，实现最优性能。

热力耦合下轴向旋转热管砂轮的强度分析

姜华飞, 等; 第9页

热问题是磨削技术的主题，尤其钛合金、镍基高温合金等难加工材料的磨削，在高效成型磨削加工过程中出现磨削高温导致的工件表面烧伤等问题是个难题，南京航空航天大学的研究团队率先将热管传热冷却技术引入到磨削加工中，设计出具有热管结构的砂轮,通过热管将磨削弧区产生的热量迅速传导出去来控制磨削温度,具有很好的创新性。

该文介绍了ANYSYS软件对热管砂轮的热力耦合有限元分析过程和结论，以及试验验证的结果，研究方法先进，具有较高的参考价值。

单层CBN砂轮感应钎焊温度的优选方法研究

李奇林, 等; 第17页

经验法仍然是目前超硬磨具创新过程中的主要手段，把数学方法应用到研究过程中可以有力推动新产品的研发。

该文提出一种以钎焊温度为自变量,以砂轮锋利度和砂轮寿命性能指标为目标的数学评价模型，具有很好的科学性、创新性和参考价值。

金刚石工具用适配型CuSnZnNi预合金粉末的研制

于 奇, 等; 第23页

预合金粉作为金属烧结金刚石制品的结合剂具有把持力高、产品性能稳定、烧结温度低等优点，应用将会越来越广泛。

该文探讨了在 CuSn合金中添加Zn、Ni元素，研制 CuSnZnNi预合金粉,克服 CuSn10合金硬度低,对金刚石把持力弱,通用性欠佳等问题，具有很好的创新性，对促进高性能金刚石工具的制备有较高的价值。