技术问答 Q&A
活性熔固（钎焊）超硬工具设计原则
活性熔固超硬磨料工具主要由三部分组成：基体、磨料、熔固合金(焊料）。如图2.3所示，基体作为超硬磨粒的载体并以特定的形状配合加工条件；磨料相当于加工的刀具，起到材料去除的作用；熔固合金是将基体与磨料连接的材料，决定了磨料的焊接性能，甚至影响整个工具的性能。
超硬磨料活性熔固原理是什么？
超硬磨料活性熔固原理
超硬磨料活性熔固技术是利用特殊熔固合金在超高洁真空环境或保护气氛中对超硬材料进行高温熔固的技术。其原理是利用熔固合金的活性成分与超硬材料表层元素在高温下的有机化学键合，以达到高强度连接目的。超硬材料包括人造金刚石、立方氮化硼（CBN）与聚晶金刚石、硬质合金等，利用活性熔固技术熔固超硬材料制备的活性熔固工具可以适用于多种加工场合，包括磨削、切割、钻削以及复合加工等，相比于传统的烧结、电镀、钎焊工具，超硬磨料活性熔固工具有以下优势：
（1）熔固合金对超硬材料的高强度连接，使得超硬材料被牢固把持，并且通过化学键合与基体连接成为一个整体。由于采用特殊的熔固合金与熔固工艺，熔固合金的活性成分与超硬材料表层元素优化匹配，即有高强度连接优势，又不对超硬材料产生过度熔蚀，极大提高了超硬材料的理化性能。
（2）由于采用超高洁真空环境或保护气氛，不仅保证了超硬材料的硬度与抗压强度，亦保证了熔固合金的优良熔固性能，特别是在高温熔固时真空负压的精确控制，抑制了熔固合金成分的挥发，保证了熔固效果。
（3）熔固合金对超硬材料的化学键合强度高，使得超硬材料出刃高度远大于电镀、烧结工艺效果，且相比于钎焊超硬材料工艺，超硬磨料活性熔固技术使得超硬材料出露刃口更多，超硬材料表面更为清洁，熔固合金层一致性更高。
（4）超硬磨料活性熔固技术采用的熔固合金雾化制备，多级筛选，与不同规格的超硬材料优化匹配，适宜于多种熔固工艺，形成的超硬材料工具表面一致性佳，尺寸精度高，特别适宜于精密与超精密加工。
基于上述优势，基于超硬磨料活性熔固技术制备的超硬磨料活性熔固工具可广泛应用于加工大理石、花岗岩、混凝土、超硬陶瓷等硬脆材料，加工灰口铸铁、球墨铸铁、高强度钢、不锈钢等黑色金属材料，加工铝、铝合金、黄铜、紫铜等有色金属，加工碳纤维、尼龙、塑料、树脂、微晶玻璃等特殊材料，加工CFRP、钢筋混凝土、复合板材等复合型材料。因此，超硬磨料活性熔固工具可以在多个应用场合发挥巨大的优势，如石材加工、铸铁清理等领域，特别是在航空航天、海陆装备、新能源（风电、光伏）的高端制造领域具有独特的经济性与环境优势。
（2）由于采用超高洁真空环境或保护气氛，不仅保证了超硬材料的硬度与抗压强度，亦保证了熔固合金的优良熔固性能，特别是在高温熔固时真空负压的精确控制，抑制了熔固合金成分的挥发，保证了熔固效果。
（3）熔固合金对超硬材料的化学键合强度高，使得超硬材料出刃高度远大于电镀、烧结工艺效果，且相比于钎焊超硬材料工艺，超硬磨料活性熔固技术使得超硬材料出露刃口更多，超硬材料表面更为清洁，熔固合金层一致性更高。
（4）超硬磨料活性熔固技术采用的熔固合金雾化制备，多级筛选，与不同规格的超硬材料优化匹配，适宜于多种熔固工艺，形成的超硬材料工具表面一致性佳，尺寸精度高，特别适宜于精密与超精密加工。
基于上述优势，基于超硬磨料活性熔固技术制备的超硬磨料活性熔固工具可广泛应用于加工大理石、花岗岩、混凝土、超硬陶瓷等硬脆材料，加工灰口铸铁、球墨铸铁、高强度钢、不锈钢等黑色金属材料，加工铝、铝合金、黄铜、紫铜等有色金属，加工碳纤维、尼龙、塑料、树脂、微晶玻璃等特殊材料，加工CFRP、钢筋混凝土、复合板材等复合型材料。因此，超硬磨料活性熔固工具可以在多个应用场合发挥巨大的优势，如石材加工、铸铁清理等领域，特别是在航空航天、海陆装备、新能源（风电、光伏）的高端制造领域具有独特的经济性与环境优势。
自动化专机在铸件打磨领域的应用
当前，铸造行业中铸件的清理打磨仍然使用大量的人工，而人工成本的不断上涨加重了铸造企业的负担，同时粉尘飞扬的打磨环境对工人身体健康造成极大危害，职业病预防、工伤赔偿进一步提高了人工成本，作业环境差、劳动强度大也使企业陷入了招工难的困境。另外，大型铸件使用人工打磨，需要大量的场地，效率低下，打磨质量不能保证，这些都无形中增加了企业的生产成本。针对以上问题，提出了利用工业机器人的多自由度柔陛化加工的特点，研究用其替代人工对铸件浇口残留及飞边进行打磨。
机器人具备柔性、多维度、自动化特点，且能持续不间断地工作，可以满足铸件打磨操作。随着打磨工具、检测技术等相配套技术的升级，人工打磨将逐步被机器人自动打磨所替代将是必然发展趋势。
选用双头大功率、大扭矩砂轮机，配置一厚一薄两种砂轮片，分别用于切割和打磨，使砂轮机打磨工件更灵活，可用于处理铸件的浇冒口残留和较大飞边、飞针、毛刺。本系统打磨的产品主要是铸钢件，因此砂轮选择活性砂熔固金刚石砂轮。该砂轮具有硬度较高、耐热性强、耐磨损等优点，可以较好地保证打磨效率和打磨质量。
机器人具备柔性、多维度、自动化特点，且能持续不间断地工作，可以满足铸件打磨操作。随着打磨工具、检测技术等相配套技术的升级，人工打磨将逐步被机器人自动打磨所替代将是必然发展趋势。
选用双头大功率、大扭矩砂轮机，配置一厚一薄两种砂轮片，分别用于切割和打磨，使砂轮机打磨工件更灵活，可用于处理铸件的浇冒口残留和较大飞边、飞针、毛刺。本系统打磨的产品主要是铸钢件，因此砂轮选择活性砂熔固金刚石砂轮。该砂轮具有硬度较高、耐热性强、耐磨损等优点，可以较好地保证打磨效率和打磨质量。
活性熔固问答
活性熔固技术（active brazing technology)是基于钎焊工艺的优化与改善
活性熔固技术是利用特殊熔固合金在超高洁真空环境或保护气氛中对超硬材料进行高温熔固的技术。其原理是利用熔固合金的活性成分与超硬材料表层元素在高温下的有机化学键合，以达到高强度连接目的。（1）活性熔固工具使用方式是否与传统树脂砂轮工具一样？
答：活性熔固工具由于基体为钢基体，强度有保证，按照正常树脂砂轮片的操作方式完全没有问题。而且还可以进行复合加工，即又磨又切。传统树脂砂轮片切磨不宜同时进行。
但是由于活性熔固工具基体较重，在使用时推荐应用于垂直向下作业的方式，不推荐举起向上作业的方式。
（2）活性熔固工具单层磨料寿命真的会比传统工具长很多？
答：活性熔固工具目前多采用人造金刚石、CBN等磨料。此磨料本身就比传统的刚玉磨料强度高一个数量级以上，而且磨料固着强度远远高于树脂结合剂，正常作业下，超硬磨粒不会脱落。且长期使用后磨粒会慢慢磨平，再破碎出新的磨削刃，达到持续使用的目的。因此会比传统的树脂砂轮片长很多的寿命。
上述说法建立在活性熔固工具被优化熔固，磨粒参数与加工条件匹配的前提下，而非常规工艺简单组合。
（3）活性熔固工具除了应用于加工铸铁，还可以应用加工哪些材料？性能如何？
基于活性熔固技术制备的活性熔固工具可广泛应用于加工大理石、花岗岩、混凝土、超硬陶瓷等硬脆材料，加工灰口铸铁、球墨铸铁、高强度钢、不锈钢等黑色金属材料，加工铝、铝合金、黄铜、紫铜等有色金属，加工碳纤维、尼龙、塑料、树脂、微晶玻璃等特殊材料，加工CFRP、钢筋混凝土、复合板材等复合型材料。因此，活性熔固工具可以在多个应用场合发挥巨大的优势，如石材加工、铸铁清理等领域，特别是在航空航天、海陆装备、新能源（风电、光伏）的高端制造领域具有独特的经济性与环境优势。由于领域不同，产品的适应性需要精确对应，产品的性能在具体领域需要根据应用场合、加工条件综合确定。
（4）活性熔固工具产品价格比较高，为什么？
答：首先，活性熔固工具所采用的技术为活性熔固工艺，与传统的树脂砂轮制备工艺差别巨大，所用的设备为高真空高温熔固炉，制备工序精度要求高，工艺难度大，其次，熔固工具原材料为高品级人造金刚石、粘结剂为活性贵金属熔固合金，上述原因决定了活性熔固磨盘成本远远高于树脂砂轮片。其次活性熔固工具虽然单只成本高，但结合其磨削性能与寿命来看，综合性能比仍然较高，按完成相当工作量计算，活性熔固工具可使车间节省20%以上的成本。
（5）大型的磨轮基体是钢，重量太大，适不适合我的砂轮机？
答：正常磨轮应用于砂轮机是带有减重孔的，此外砂轮基体还进行了减薄加工，部分降低了磨轮的重量，虽然相比树脂砂轮有一定的重量增加，但在正常操作情况下，基本不影响砂轮机的性能与寿命。但为了保证砂轮机的寿命，建议提高砂轮机轴承品质。为了进一步推广活性熔固磨轮，并最大程度发挥磨轮的潜力，建议选用高速砂轮机（转速可达2000转/分钟以上）。
铸铁打磨用金刚石磨盘相关问题
关于钎焊金刚石磨盘应用于灰铸铁加工的基础应用问题，问答如下：
1、 问：这款产品效率为什么会比普通的砂轮片高？
答：这个打磨片采用熔接金刚石技术制作而成，表面为高温焊接的金刚石，而非砂轮片所用的刚玉磨粒。金刚石为最硬的物质，硬度高，锋利，对材料的去除率更高。此外，采用新一代金刚石工具制作技术—熔接技术，可以保证在金刚石出露很高（可达50%以上）的情况下仍然牢牢焊接。
2、 问：打磨片表面就一层金刚石，寿命为什么会这么长？
答：打磨片的寿命长的关键因素就是我们的技术与设备。新一代的熔接技术（南京航空航天大学高科技技术产业转化）保证了金刚石的高强度焊接。所使用的高性能真空钎焊设备（国内专业厂家生产的顶级配置真空钎焊设备，生产质量稳定可靠），保证了金刚石的优异性能。这样保证了金刚石颗粒，在使用过程中磨损小，不脱落。大大延长了使用寿命。因此，即使是单层金刚石工具，仍然可以达到普通砂轮片数百倍的功效。
3、 问：打磨片的火花为什么这么小？
答：传统打磨所产生的火花原因有两个：一是打磨掉的金属，另一个是树脂砂轮片本身的掉砂。由于传统打磨片排屑效果差，导致打磨面温度很高，则容易出现大量火花。而且我们的打磨片表面磨粒是金刚石，熔接焊在基体上，出露高，散热效果好。温度低，火花不易产生。另一方面，我们的打磨片不会掉砂，基体也不会磨损，因此产生的火花更小。
4、 问：这个打磨片的振动小为什么？
答：这是由于我们设计了独特的减振结构，采用了特殊的弹性阻尼材料，使磨盘的打磨振动大为降低，提高了产品使用的舒适性。
5、 问：无污染指的是什么？
答：是指在打磨过程中本打磨片不会掉砂，不会磨损。无粉尘产生，对工人的健康有保障。此外，传统的砂轮片都是用树脂固化成的，温度一高，树脂会熔化，不仅掉砂，而且树脂的挥发气体有毒，对人体危害很大。我们的磨盘则避免了这一点。这正符合绿色环保的理念。
6、 问：这个打磨片安全体现在哪？
答：我们的打磨片的一大亮点是：在使用过程中不会断裂。不会像传统树用树脂砂轮片那边稍微使用不当就会有断裂造成安全事故的危险。这是由于我们采用的是优选的特种钢材，独特的结构设计，基体为整体式，从根本上杜绝了断裂的可能性。
7、 问：经济性高是怎么回事？
答：工厂使用工具打磨。最主要的还是成本问题。那我们的产品便具有这样的优势。采用我们的打磨片，首先，工人的效率提高了40%以上，节约了人工成本。其次，超长的寿命使得工人不用再频繁的更换砂轮片，节约使用成本。再者，我们的产品可以保证达到传统砂轮片寿命的100倍以上，仅从产品本身的性价比上来看，我们的产品也是具有相当高的性价比的。最后，我们的打磨片不会产生大量废料，粉尘，省却了清理，运输成本。安全性高也避免了因操作事故或健康因素带来的经济损失。
新型磨抛工具应符合哪些要求？
1、所用砂轮必须能够对铸件高效磨削。磨削效率高于传统磨抛工具。
2、所用砂轮能够适应不同工况要求。即能磨抛毛刺、突起、凸槽、内凹槽飞边等不同工况。
3、所用砂轮能够适应不同工作平面，即对够对平面、斜面、小面积、拐角、尖端等进行加工。
4、所用砂轮能够进行磨削、抛光、平铲等。即所用工具应具有万能加工的作用。
5、所用砂轮不能过重，能够手持进行。而且手感舒适，利于操作人员工作。
6、所用砂轮需要有较长的寿命与安全性、环保性。
7、所用砂轮必须具有较高的经济性。由于所用的磨抛工具在工业、五金加工领域广泛存在，其工具的经济性即性价比必须合理，才能达到推广的目的。即从原材料、制备工艺、生产效率等各方面都能够满足工业化批量生产的要求，而非仅仅为实验室样品。
8、所用砂轮必须能够满足干磨削的要求。
金刚石磨粒对黑色金属的加工可行性
金刚石工具对黑色金属的加工存在天然的局限，但这种局限在一定条件下是可以降低的。下面具体分析一下：
受磨抛条件与加工环境限制，钎焊金刚石磨盘须在无冷却液条件下干磨抛高强度钢。由于无冷却液的冷却与润滑作用，磨盘磨粒更易磨损，工件表面更易烧伤，这对钎焊金刚石磨盘提出了更高的制作要求。磨盘干磨抛类似于干磨削，干磨削技术基于干切削技术理论[[i],][[ii]]发展而来，由于切削液对操作人员以及环境带来的危害，基于可持续发展以及新型材料的加工需求，且有新型刀具不断被研发的有利条件[[iii]]，干切削技术得到了显著的发展，在欧洲大约有10％～15％的加工已经采用干切削工艺[[iv]]。而干磨削技术由于磨削机理与切削不同，磨削散热条件差，容易烧伤的缺点导致发展较为缓慢，近年来亦有研究人员采用优化地貌的超硬磨料砂轮[71]进行干磨削尝试，并取得一定的成果。南京航空航天大学赫青山[[v]]制备的热管电镀砂轮可以将磨削温度维持在较低的水平并防止工件烧伤。国外有采用强制风冷技术进行干磨削的方式，其原理是通过热交换器，压缩空气把液氮从20℃冷却到-110℃，然后经喷嘴喷射到磨削区，由于压缩空气温度很低，所以极少有火花出现。此系统需配备专业的CBN磨具才可有效发挥作用。霍文国[[vi]]分析了钛合金大型构件内外型面的干式磨抛存在的问题，认为选用钎焊超硬磨料砂轮，通过优化砂轮条件和磨抛加工用量，可有效解决砂轮磨粒表面钛合金粘附和被磨抛工件表面烧伤的问题。
金刚石工具加工高强度钢时存在金刚石石墨化以及破碎的机械化学磨损现象，金刚石磨粒与黑色金属材料接触在磨削刃端点产生1000℃以上的瞬时高温，黑色金属中铁元素在高温下使金刚石顶端的局部微小区域向石墨转变，但磨粒磨削刃接触区域瞬时积聚的热量会被导热性极好的金刚石传导出去，在磨粒出露较高的情况下，金刚石磨粒本身温度可维持在较低水平，除顶端与黑色金属材料接触的界面部位外，磨粒不易发生石墨化转变。当磨粒的温度能够迅速传导后，铁元素对金刚石的热磨蚀以及两者的反应程度均会大大减轻。Brinksmeier E[[vii]]表明金刚石进行车削与铣削合金钢是可行的，而且当钢合金表层区域发生了热化学改性后，阻碍金刚石中碳元素与加工材料中铁元素的氧化反应。Shimada S[[viii]]通过金刚石切削黑色金属试验与磨损仿真认为，在控制一定温度的情况下，金刚石加工黑色金属时的磨损可控。
因此在结合钎焊金刚石磨粒高出露、高散热空间的优势基础上，有效地控制磨削力与磨削区域温度情况下，金刚石磨粒的机械化学磨损可控。通过上述的研究可知，在磨粒被高强度把持、磨粒高出露情况下，钎焊金刚石磨盘应用于干磨抛高强度钢具是可行性的。
受磨抛条件与加工环境限制，钎焊金刚石磨盘须在无冷却液条件下干磨抛高强度钢。由于无冷却液的冷却与润滑作用，磨盘磨粒更易磨损，工件表面更易烧伤，这对钎焊金刚石磨盘提出了更高的制作要求。磨盘干磨抛类似于干磨削，干磨削技术基于干切削技术理论[[i],][[ii]]发展而来，由于切削液对操作人员以及环境带来的危害，基于可持续发展以及新型材料的加工需求，且有新型刀具不断被研发的有利条件[[iii]]，干切削技术得到了显著的发展，在欧洲大约有10％～15％的加工已经采用干切削工艺[[iv]]。而干磨削技术由于磨削机理与切削不同，磨削散热条件差，容易烧伤的缺点导致发展较为缓慢，近年来亦有研究人员采用优化地貌的超硬磨料砂轮[71]进行干磨削尝试，并取得一定的成果。南京航空航天大学赫青山[[v]]制备的热管电镀砂轮可以将磨削温度维持在较低的水平并防止工件烧伤。国外有采用强制风冷技术进行干磨削的方式，其原理是通过热交换器，压缩空气把液氮从20℃冷却到-110℃，然后经喷嘴喷射到磨削区，由于压缩空气温度很低，所以极少有火花出现。此系统需配备专业的CBN磨具才可有效发挥作用。霍文国[[vi]]分析了钛合金大型构件内外型面的干式磨抛存在的问题，认为选用钎焊超硬磨料砂轮，通过优化砂轮条件和磨抛加工用量，可有效解决砂轮磨粒表面钛合金粘附和被磨抛工件表面烧伤的问题。
金刚石工具加工高强度钢时存在金刚石石墨化以及破碎的机械化学磨损现象，金刚石磨粒与黑色金属材料接触在磨削刃端点产生1000℃以上的瞬时高温，黑色金属中铁元素在高温下使金刚石顶端的局部微小区域向石墨转变，但磨粒磨削刃接触区域瞬时积聚的热量会被导热性极好的金刚石传导出去，在磨粒出露较高的情况下，金刚石磨粒本身温度可维持在较低水平，除顶端与黑色金属材料接触的界面部位外，磨粒不易发生石墨化转变。当磨粒的温度能够迅速传导后，铁元素对金刚石的热磨蚀以及两者的反应程度均会大大减轻。Brinksmeier E[[vii]]表明金刚石进行车削与铣削合金钢是可行的，而且当钢合金表层区域发生了热化学改性后，阻碍金刚石中碳元素与加工材料中铁元素的氧化反应。Shimada S[[viii]]通过金刚石切削黑色金属试验与磨损仿真认为，在控制一定温度的情况下，金刚石加工黑色金属时的磨损可控。
因此在结合钎焊金刚石磨粒高出露、高散热空间的优势基础上，有效地控制磨削力与磨削区域温度情况下，金刚石磨粒的机械化学磨损可控。通过上述的研究可知，在磨粒被高强度把持、磨粒高出露情况下，钎焊金刚石磨盘应用于干磨抛高强度钢具是可行性的。
[[i]]Tawakoli T, Azarhoushang B. Influence of ultrasonic vibrations on dry grinding of soft steel. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48(14): 1585~1591
[[ii]]任家隆，刘志峰，唐文献，干切削理论与加工技术，北京：机械工业出版社，2012年第一版，213～215
[[iii]]Poulachon G, Moisan A, Jawahir I S. Tool-wear mechanisms in hard turning with polycrystalline cubic boron nitride tools. Wear, 2001, 250(1): 576~586
[[iv]]Sreejith P S, Ngoi B K A. Dry machining: machining of the future. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 101(1): 287~291
[[v]]赫青山.热管砂轮高效磨削加工技术研究，[博士学位论文].南京：南京航空航天大学, 2013
[[vi]]霍文国. 钛合金干式磨抛加工技术研究，[博士学位论文].南京：南京航空航天大学, 2010
[[vii]]Brinksmeier E, Gläbe R, Osmer J. Ultra-precision diamond cutting of steel molds. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2006, 55(1): 551-554
[[viii]]Shimada S, Tanaka H, Higuchi M, et al. Thermo-chemical wear mechanism of diamond tool in machining of ferrous metals. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2004, 53(1): 57~60
