单层钎焊金刚石砂轮工艺研究初探

单层钎焊金刚石砂轮工艺研究初探

武志斌,肖 冰,徐鸿钧

(南京航空航天大学机电工程学院,江苏南京 210016)

摘要:分析了超硬磨料砂轮的现状和特点,介绍了钎焊砂轮的卓越磨削性能和发展前景。用N i-Cr合金和Ag-Cu合金加Cr粉对钎焊金刚石砂轮进行了初步实验研究,通过X衍射分析金刚石界面有CrC生成,实现了金刚石与钢基体间的牢固连接,取得了较好的结果。

关键词:钎焊;金刚石;单层砂轮

中图分类号:TG74;TG731 文献标识码:A 文章编号:1007-9483(2001)01-0053-03 Preliminary Experimental S tudy of Monolayer Diamond Brazed Grinding Wheel

WU Zhi-Bin,XIAO Bin,XU Hong-Jun

(N anjing U niversity of A er onautics and Astr onautics,Jiangsu Nanjing,210016,China)

Abstract:It analyzes the char acter of the cur rent super-abrasiv e grinding wheel,loo ks into the advantages and fo reg round about brazed gr inding wheel.It studies on this wheel wit h Ni-Cr allo y and Ag-Cu alloy by some preliminary exper iments.It show achromium car bide film has been formed on the diamo nd and the filled intermediate layer achieved good r esults.

Key words:Brazed;Diamo nd;M onolayer Grinding W heel

1 超硬磨料砂轮的现状与发展

1 1 超硬磨料砂轮的现状

目前生产中常用的超硬磨料砂轮有金属结合剂砂轮、树脂结合剂砂轮、陶瓷结合剂砂轮和电镀砂轮,它们各有自己的特点。

(1)树脂结合剂砂轮:结合剂为合成树脂,结合强度不高,修整困难,砂轮气孔较少,不耐高温,易老化。

(2)金属结合剂砂轮:结合剂为金属,由粉末冶金制成,结合强度较高,气孔较少,耐高温,导热性好,修整困难。

(3)陶瓷结合剂砂轮:结合剂为陶瓷,由高温烧结而成,结合强度较高,耐高温,耐腐蚀,修整较容易。

以上3种砂轮的共同缺点是磨粒裸露高度较低,容屑空间较少,磨削比能较高,散热性不好,加工中容易发生烧伤。

(4)电镀砂轮:电镀砂轮是近年来发展起来的一种新型砂轮,其显著的特点是不需修整砂轮,磨粒裸露高度较高,可达20%~30%,容屑空间较大,磨削性能较以上3种砂轮有较大提高,且电镀工艺简单,砂轮制造容易,无需修整,使用方便;单层结构决定了它可以达到其它砂轮所无法达到的高速度。如电镀CBN砂轮可实现高速、超高速磨削,其线速度200、250直到500m/s。电镀砂轮的这些优势使得它在超硬磨料砂轮的生产和应用中占极其重要的地位,在高速、超高速磨削中更是占据着无可争议的主导地位。

随着电镀砂轮的广泛使用,其自身的一些缺陷也逐渐显露出来。其中最主要的是结合强度不高,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,在镀层金属与基体和磨料的界面上不存在牢固的冶金化学结合,磨料实际上只是被机械地包埋镶嵌在镀层金属中,把持力不大,在负荷较重的高效磨削中,砂轮容易因磨粒脱落而导致失效。为了增加把持力就必须增加镀层厚度,从而导致磨粒的裸露高度减少,容屑空间相对减少,砂轮容易发生堵塞,散热效果差,工件表面容易发生烧伤[1]。

1 2 超硬磨料砂轮的发展 单层钎焊砂轮

为了更充分发挥单层超硬磨料砂轮的优势,国外90年代初开始以高温钎焊工艺,开发了一种新型砂轮 单层高温钎焊超硬磨料砂轮。用高温钎焊替代电镀开发单层超硬磨料砂轮,目的是利用钎焊的化学冶金结合,改善磨料、钎料、基体三者间的结合强度,由于高温钎焊所提供的界面上的结合强度高,仅需将磨料间结合层厚度维持在磨料高度的20%~30%的水平上就能在大负荷的高速高效磨削中牢固地把持住磨料;同时因为结合层厚度很薄,钎焊砂轮可使磨料裸露高度达到磨料高度的70%~80%,磨料间的容屑空间被大大扩展,不易堵塞,有效磨料切刃更多、更锋利,磨削比能可大大降低,磨除单位体积的金属所产生的热量减少,再加上大的容屑空间可有效容纳较多的磨削液,使磨削温度大大降低,可有效防止磨削烧伤,尤其是在高效磨削中更能显示出其无可比拟的优势[1]。图1就是开发成功的钎焊砂轮工作表面形貌的SEM照片[2]。

收稿日期:2000-04-14;修订日期:2000-10-11

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59675057)

作者简介:武志斌(1964-),男,安徽淮北人,南京航空航天大学副教授,在读博士生,主要研究领域为磨削加工。53

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图1 单层钎焊金刚石砂轮表面形貌

2 钎焊金刚石砂轮的实验研究

2 1 实验条件

钎焊加热设备为上海新兴机械厂生产的GP30-CW7型高频感应焊机,焊料分别为HL209银基钎料和N i-Cr101,其上涂有银焊剂102膏,金刚石为JR4人造金刚石,粒度35/40。先对基体表面进行除锈、抛光,再用酒精清洗,人造金刚石用10%稀硫酸清洗后,再用去离子水漂洗后烘干;将102膏分别涂在基体表面和焊片上,把焊片放在基体表面上,再把金刚石撒在焊片上面,上机加热。

2 2 实验结果分析

提高金刚石与钎料结合强度的关键是在钎焊过程中金刚石与钎料在结合界面上能够产生化学冶金结合,但金刚石的钎焊性较差,大多数金属对金刚石的浸润性都很差,虽然A1、Fe、Co和N i在液态下能浸润金刚石,但在能浸润的温度下,它们对金刚石的侵蚀都很严重。至于像T i、Zr、Cr、V等过渡族元素是碳化物形成元素,虽然都能很好地浸润金刚石,但它们的熔化温度大于1600!,在这个温度下金刚石将会严重石墨化。即从钎焊金刚石的角度出发,似乎找不到一种既能充分浸润又不严重侵蚀金刚石的纯金属材料。在反复实验的基础上,笔者发现在低熔点合金中添加少量碳化物形成元素是一条切实可行的途径。笔者尝试了两种合金材料,一种是添加有Cr的Ag-Cu合金,感应钎焊35s,温度为780!;另一种是Ni-Cr合金,感应钎焊30s,温度为1080!。结果两种钎料均能将金刚石牢固地钎焊在钢基体上,金刚石具有很高的把持强度。后续的大负荷磨削实验表明,没有金刚石整颗脱落,图2为Ag-Cu合金加Cr粉的钎焊金刚石砂轮试件的电镜图。借助能谱仪(EDS)及电子探针(EPMA)对接头区垂直于界面方向的截面进行了定点成份分析和线扫描,可以看到合金中的元素具有明显的浓度分布偏析,其中靠近金刚石处Cr浓度达68 43%,靠近钢基体处为49 25%,而合金中间处则为5 49%。进一步X衍射分析发现,合金钎料与金刚石在界面生成Cr C 的同时与钢基体反应生成(Fe x Cr y)C的碳化物,因此这种钎焊工艺可以确保合金层与金刚石及钢基体之间都能获得较高的结合

强度。

图2 镀钛金刚石加热35s(加铬粉)

3 结 论

(1)通过对现有超硬磨料砂轮特点的分析和探讨,指出了它们存在的缺点和钎焊砂轮的优点及发展前景。

(2)通过初步实验研究,证明了金刚石钎焊砂轮是完全可行的,并且取得了较好的实验结果,但其磨削性能有待进一步研究。

参考文献:

[1] Chattopadhyay A K,Hintermann H E Induction brazing of dia

mond w i th Ni-Cr hardfacing alloy under argon atmasohere[J] Surface and Coating Technology,1991,(45):293-298

[2] Chattopadhyay A K,Hintermann H E On performance of brazed

bonded monolayer diamond ging wheel[J] Annals of the CIRP, 1991,40(1):347-350

(上接第52页)

表1 进给控制部分电磁铁动作顺序动作1DT2DT3DT4DT5DT6DT转换指令横 进--+--+SB2

纵快进+-----S Q1

纵工进+---+-S Q2

横 退---+--S Q3

纵快退-+----S Q4

纵原点------S Q5

图4所示的程序中,I/O响应滞后时间t∀减小到了2 35ms,以刀架最高运动速度4000mm/min计算,定位误差 x∀=4#103#0 00235/60=0 16mm,比不采取措施的定位误差小了20倍。

4 结束语

本文仅从PLC软件措施等方面提出了提高定位精度的方法,在实际控制过程中,因电磁阀的机械滞后、液压缸运动惯性等原因也会引起定位误差,这可以通过现场调试来解决;若要进一步提高定位精度,还可以选用PLC的定位控制单元模块等方法,但需要增加一定的经济成本。

用PLC控制单元组成的液压系统,结构简单,工作可靠,采取一定措施后可克服因PLC工作方式所引起较大的定位误差,达到理想的定位精度,从现场实际的调试情况来看,定位精度可控制在0 2mm左右,基本能满足使用要求。

参考文献:

[1] 孙 宇,安瑞生 用PLC实现液压缸的运动控制[J] 机床电

器,1997,78(1):29-30

[2] 顾战松,陈铁年 可编程序控制器原理与应用[M] 北京:国

防工业出版社,1996

[3] 常恒毅 可编程序控制器[M] 北京:人民邮电出版社,1991

542001年1月 机械设计与制造工程 第30卷 第1期