| 摘要:绿色制造是人类社会可持续发展战略在现代制造业的体现，单层钎焊超硬磨料砂轮较传统砂轮具有明显的减少资源浪费和环境保护的优势，它必将取代传统砂轮和电镀砂轮，对提高磨削加工过程的绿色度，减少制造业的污染具有重要的现实意义。 |
图1 绿色制造过程图
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绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、使用到报废处理的整个生命周期中对环境负面影响最小，且资源利用率最高。绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在制造业中的体现。绿色制造过程可用图1来表示。制造业在将资源转变为产品的制造过程中和产品的使用中以及报废后的处理过程中都会存在废弃物，废弃物是制造业对环境污染的主要根源。因此，绿色制造就是要尽可能少用原材料，使资源利用率尽可能高，废弃资源尽可能少。作为制造业的一个重要组成部分——磨削加工，其砂轮的制造与使用也毫不例外存在着资源浪费和环境保护问题，新型单层钎焊超硬磨料砂轮的制造过程，尤其是使用过程以及回收利用，在节约资源和环境保护方面较传统砂轮有着明显的优势，可大大提高磨削加工过程的绿色制造度。 1 传统多层超硬磨料砂轮
超硬磨料砂轮的种类及特性见附表，传统多层超硬磨料砂轮的主要缺点是大量的磨料被粘接剂包埋在一起，砂轮容屑空间较小，甚至没有容屑空间，要靠修整砂轮来维持砂轮锋利。在磨削加工过程中，随着磨粒的钝化，砂轮很容易堵塞，磨削力上升，一方面造成磨粒破碎或整颗脱落(自锐)，使得许多磨料被白白浪费，另一方面磨削功耗增加，磨削温度上升容易引起被加工零件的表面烧伤，使零件报废，造成不必要的浪费：为了降低磨削温度，减少磨削烧伤，在磨削过程中大量使用冷却液，结果冷却液的排放又造成环境的污染，使磨削加工的绿色度大大降低，与目前所倡导的绿色制造严重不符。 附表 常用超硬磨料砂轮的种类及其特性| | 多层可修 | 单层 |
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| 砂轮种类 | 树脂结合剂砂轮 | 陶瓷结合剂砂轮 | 金属结合剂砂轮 | 电镀砂轮 | 钎焊砂轮 |
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| 结合剂类型 | 树脂 | 陶瓷 | 金属 | (金属) | 金属 |
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| 制造工艺 | 热压固化 | 高温烧结 | 粉末冶金 | 常温电镀 | 高温钎焊 |
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| 气孔 | 无 | 有 | 无 | - | - |
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| 结合强度 | 不高 | 高 | 高 | 不高 | 高 |
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| 修整 | 困难，整形后尚须修锐 | 容易 | 困难，整形后尚须修锐 | 无需修整 | 无需修 |
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| 其它 | 不耐温，易老化 | 耐温，耐腐蚀 | 耐温，导热性好 | 磨料出露高度约20～30% | 磨料出露高度达70%～80% |
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2 单层电镀超硬磨料砂轮
为了克服传统多层砂轮浪费大量磨料的缺点，人们发明了单层电镀超硬磨料砂轮，相对于多层砂轮，电镀砂轮有以下的优势。 - 电镀工艺简单，砂轮制备容易：
- 虽然只有单层磨料，但仍有足够高的使用寿命：
- 无需修整，使用方便：
- 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工作速度等。
正是单层电镀砂轮自身的这些优势，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则更是占据着无可争议的主导地位。事实上，可能正是由于电镀砂轮在生产中的大量应用，才使得它的一些原本未被重视的弊端开始逐步暴露出来，其中电镀砂轮结合强度不高的固有缺陷暴露得最为充分。电镀砂轮上的镀层金属并不是磨具行业严格意义上称的结合剂，在镀层金属与基体和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或镀层成片剥落而导致整体失效。另外也正因为不存在牢固的冶金化学结合，为了增加把持力就必须增加镀层厚度以减少磨粒的出露高度，这又带来了容屑空间小，砂轮容易发生堵塞的弊端，结果为了降低磨削温度又要大量使用冷却液，这与多层砂轮在绿色制造方面的不足是完全一样的。另外砂轮在电镀过程中使用的电镀液也会造成环境污染。很明显，在大力提倡绿色制造的今天，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制造业的应用。 3 单层钎焊超硬磨料砂轮
为了更充分发挥单层超硬磨料砂轮的优势，国外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。 高温钎焊单层超硬磨料砂轮，其着眼点就是期望藉钎焊所能提供的界面上的化学冶金结合力从根本上改善磨料、结合剂(钎焊合金材料) 、基体三者间的结合强度。由于高温钎焊所提供的界面上的结合强度是如此之高，以至仅需将磨粒间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。这么薄的结合层厚度意味着钎焊砂轮可以提供高达70%～80%的磨料裸露高度，并大大扩展了磨粒间的充裕的容屑空间，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。钎焊砂轮极高的结合强度加上接近理想的锋利地貌，已使它显示出传统砂轮所无法比拟的优异性能，譬如由于结合强度高，即使在大负荷的磨削作业中仍可有效地避免磨粒、结合剂层的脱落与剥落的情况出现，单层磨料的利用更加充分，砂轮寿命更高，大大提高了磨料资源的利用率：又由于砂轮锋利、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、磨削温度更低，甚至可以接近冷态切削，这样使得磨削加工过程中可以少用冷却液甚至不用冷却液，减少了冷却液的排放对环境所造成的污染，大幅度提高了磨削加工的绿色度，使磨削加工朝着绿色制造发展，符合当今所倡导的可持续发展的战略。另外钎焊砂轮在制造过程中对环境也不存在任何污染，如笔者近期利用Ni-Cr合金在真空条件下所进行的钎焊砂轮的研究。 4 研制开发单层超硬磨料砂轮
目前生产上使用的单层超硬磨料砂轮无一例外都是电镀的，有关钎焊单层超硬磨料砂轮的设计和研制仍是空白。既然单层钎焊超硬磨料砂轮有如此明显的优势，它取代传统电镀砂轮将是不可避免的，我们应大力研制开发钎焊砂轮。笔者近期围绕着钎焊单层超硬磨料砂轮做了一系列实验研究，取得了较好的结果。图2就是我们用Ni-Cr合金在真空条件下研制成功的钎焊单层金刚石砂轮的SEM照片。
(a)钎焊单层金刚石砂轮的SEM图
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(b)钎焊砂轮单颗金刚石的SEM图
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图2 Ni-Cr合金钎焊单层金刚石砂轮的SEM图 |
2018-09-06
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