南京航空航天大学学报单层钎焊砂盘磨粒分布有序性研究谢国治左敦稳王珉（南京航空航天大学机电工程学院南京， 016）究，砂盘作为一种手握粗磨削工具，降低磨削力是最重要的，文中借鉴砂带及单层高温钎焊超硬磨料砂轮的一些研究，提出了砂盘的磨粒在基体上有序性分布的概念，将此概念应用于砂盘钎焊制造工艺上，在相同的制造工艺和磨削深度条件下，对得到的磨粒有序性及无序性分布的砂盘进行了磨削对比实验。结果表明，砂盘磨粒的有序性分布能显著降低其磨削力。此概念也可应用于国内正在开展的单层高温钎焊超硬磨料砂轮研究。
引言砂盘是最近国外出现的一种单层非砂轮通用型磨削工具，属于一种手握粗磨削工具。砂盘刀具基体是厚约0. 5mm的薄普碳钢板，基体上随机分布固结着锋锐的硬质合金片状小颗粒作为磨粒，硬质合金磨粒长、宽（厚）、高的尺寸范围在5mm×0. 5mm×2mm以内。基体做成平面和卷成棒状两种，用机械方法定位在带有电机的托架上，对应托架形状象抛光机或手电钻。砂盘在建筑、石材、木材、橡胶、皮革、雕刻等一些行业及家庭中都可以得到十分广泛的应用，如建筑业中的不毁损墙体修补及拆除，混凝土、墙壁、石材、木材、塑料、玻璃钢胶合面等打磨，皮革的修整、钻孔，铝、铜雕刻等方面。根据国外反馈的信息，国际市场对砂盘的需求量很大，国内尚未见到有类似工具研究和生产的报道，为将我国的工具打入国际市场，进行砂盘的研制开发工作并最终投入工业化生产是十分必要的。
砂盘作为一种单层磨削工具，缺乏象普通多层磨具所具有的自励性，一旦硬质合金磨粒在磨削过程中脱落或破碎，必然导致整个工具的失效，理想的失效形式是硬质合金磨粒磨损，此时磨粒利用率也最高，这就要求磨粒在基体上要有优良的结合强度，从这一点考虑，采用钎焊制造工艺是一种很适宜的方法，钎焊的结合强度高，可以形成化学冶金结合，钎焊结合层只要达到磨粒高度的20～30 ，在磨削过程中就足以提供对磨粒牢固的把持力，使第一作者：谢国治，男，博士生， 1970年2月生。
硬质合金磨粒在磨削过程中不致脱落或破碎，通过前期的研究，剪切实验证明磨粒和机体在钎焊结合层的剪切强度甚至超过了硬质合金自身的剪切强度，采用钎焊制造工艺不仅得到了高结合强度的钎焊结合层，而且使磨粒在基体上的有序性分布成为可能，可以降低磨削力，提高容屑空间等，从而提高砂盘的磨削性能。事实上，磨料的合理有序分布也一直是国内外磨具行业致力追求的目标，对最常用的磨具――砂轮，已经有不少关于精密控制磨粒间隙，磨粒裸露高度，磨粒尺寸，组织结构的文献，认为这些因素的一致性对降低磨削力和磨削温度，提高磨除效率，减少砂轮堵塞及提高工件表面质量有较大的促进作用[1～6 ]，到目前为止，虽已有人提出了砂轮磨粒有序性的概念[7 ]，但具体到砂轮制造工艺上，并无太大的实用指导价值。而采用了钎焊制造工艺的砂盘，使磨粒有序性排布成为可能。
1单层钎焊砂盘磨粒有序性分布概念单层钎焊砂盘磨粒有序性分布概念是根据砂带和单层高温钎焊砂轮而提出的。
砂带磨削是至今唯一的一项凭借磨料的相对有向合理分布大幅度提高磨具的静态锋利度实现高效磨削的成功范例。至今仍属专利的静电植砂技术由于可使有一定长径比的磨料一律锋刃向上以合理的间距直立排布在砂带的工作面上，并由β射线装置连续测量和控制砂带的厚度，所以砂带具有磨粒均匀、切削刃锋利、等高性好、有效切削面积大等构造上的特点。随着对砂带磨削机理研究的加深，有可能针对不同对象设计砂带上砂粒的排布方式和疏密程度，造成最好的容纳切屑和切削液的条件，获得最优的有效磨粒数和磨粒刃口参数单层高温钎焊超硬磨料砂轮是国外在80年代中后期为克服传统的单层电镀超硬磨料砂轮的缺点而开发的。单层电镀超硬磨料砂轮最主要的缺陷就是磨料和基体的结合强度不高，希望采用高温钎焊工艺，使钎焊材料在钎焊过程中和基体、磨料之间产生相互扩散作用，形成化合反应，从而大大提高磨料与基体间的结合强度单层钎焊砂轮的磨粒在基体上有足够把持强度的低的结合层[10～12 ]，这样单层钎焊砂轮可以具有更大的磨粒裸露高度，有文献称单层钎焊砂轮磨粒裸露高度可达磨粒高度的70～80 ，而单层电镀砂轮磨粒裸露高度只达到磨粒高度的30～40 [13 ]，相比之下，单层钎焊砂轮具有更高的磨粒锋利地貌，磨粒间的容屑空间也得到极大的扩展。
在单层钎焊超硬磨料砂轮上，磨粒排布的一致性研究受到了很大的重视。单层钎焊砂轮磨粒的一致性分布，目的在于得到锋利地貌和大的容屑空间，这两个目标是相埔相成，相互影响的，概括起来是要求钎焊砂轮表面具有低的、一致的钎焊结合层，磨粒在基体上分布具有均匀的密度。认为钎焊层的厚度不一致不仅会影响磨粒的裸露净高度的一致性，导致不佳的砂轮表面地貌，并减小了容屑空间，而且磨粒中间的厚钎焊层更加剧了这种倾向，甚至会影响磨粒的结合强度（润湿性）。此外，磨粒在基体上的随意分布会不可避免引起聚集的磨粒周围钎焊层变厚，导致砂轮容易堵塞，太高的磨粒分布密度也容易导致容屑困难，一致的钎焊层厚度是降低磨削力、磨削能量和磨削温度的关键，而不均布的磨粒和厚度不一致的钎焊金属是导致不一致钎焊层厚度的原因从上述可知，磨料间距、磨深、结合剂厚度是单层磨削工具磨粒有序性分布概念的基础，但具体到单层钎焊砂盘，还有一个硬质合金磨粒在基体上排布方向的问题。因为在单层钎焊砂盘的磨料是片状W C磨粒，有一个磨粒取向的因素。
谢国治，等：单层钎焊砂盘磨粒分布有序性研究可以将钎焊砂盘的片状硬质合金磨粒和基体接触面近似看作矩形，长、宽（厚）分别为高（磨深）为c，将受力方向分两种极端情况，一是从垂直端面的X方向，一是从平行端面的Y方向，如图1所示。
从材料力学来看，如果两个方向受力大小一样时，则剪切强度和弯矩M也一样，但抗弯强度相差很大。因为当弯矩一定时，最大抗弯强度和抗弯截面系数W呈反比， X方向的惯性矩W /6， Y方向的惯性矩W则e不固定，一般在1～5mm之间，则e的值在2～10之间，这是从静态抗弯强度的角度来考察两个方向受力情况。实际上，在这种尺寸范围有关材料力学的假设前提已经很难成立，应力集中相当严重， e趋于更大。毫无疑问，在磨削时对磨削力和抗冲击强度也有同样的情况出现，即磨削时X方向时磨粒受到的磨削力也较大，在磨削实验中将初步验证这一点。
综合以上所述，提出钎焊砂盘的磨料有序性概念是： WC硬质合金磨粒在基体上分布的方向、间距（磨粒在基体上的面密度）、磨粒的等高性、钎焊层厚度四个方面的一致性。磨粒在基体分布间距和磨粒的等高性控制容屑空间，而磨削不同的材料以及要求的精度不同，磨粒间距和磨粒的等高性有不同的最佳尺寸，从而造成最好的容屑空间，钎焊层的厚度是由钎焊工艺（主要是钎焊温度和时间）所决定。本文首先要研究的是磨粒在基体分布的方向对钎焊砂盘磨削性能的影响。
2实验钎焊加热设备是郑州长城机电研究所生产的型热压烧结机，基体选用厚0. 5 mm的A 3普碳钢板，钎焊材料选用HL 801铜基钎料片， W C磨粒高度选为1mm左右。
将铜焊粉和液态石蜡混合涂覆在铜基钎料片上，钎料片放在基体表面， W C片状颗粒均匀铺在铜基钎料片上， WC颗粒铺入时，方向选取了和将来磨削时线速度方向平行及垂直两种方向A 3，然后将普碳钢板放入石墨模腔内在热压烧结机上进行钎焊加热，钎焊温度为900℃，钎焊时间为4 m in.钎焊原理如图2所示。
磨削实验是在摇臂钻床上分两部分进行的，砂盘用504胶粘结在自制的抛光轮上，抛光轮直径为45，首先采用恒定为2. 1 kg的磨削压力，磨削方式采用定向干磨削，每次磨削时间为20 s，磨削总时间为15 m in，观察两种磨粒取向不同的砂盘W C磨粒的脱落情况。
随后在摇臂钻床上记录磨削切向力和法向力随不同的磨削深度变化情况，使用的测试仪器是自制的八角环测力仪，通过动态电阻应变仪由X Y函数记录仪输出，测试系统如图3所示。被磨削的材料是较硬的四川旺苍红，莫氏硬度为7. 5级，属于硬系列石材，为提高磨削线速度，磨削转度为2 000 r/m in，换算磨削线速度大约为4 m /s.
南京航空航天大学学报3结果与分析3. 1恒压定磨削结果不同的砂盘在磨削前后的照片。图4（ a）中砂盘磨粒取向与磨削方向平行，图4中砂盘磨粒取向与磨削方向垂直，图4（ c）为磨粒取向与磨削方向平行的砂盘磨削后的照片，图4（ d）为磨粒取向与磨削方向垂直的砂盘磨削后的照片。从图4（ a， b）中可以看出在两种砂盘上大部分磨粒取向具有与磨削方向平行或垂直的规则性，磨削实验中将主要观察有规则取向的磨粒的磨削耐用度。磨削结果发现，磨粒取向与磨削方向平行的砂盘在断续磨削15 m in后，基体表面的WC磨粒没有一个脱落或破碎而磨粒取向与磨削方向垂直的砂盘在断续磨削后，有一个磨粒取向与磨削方向垂直的磨粒从根部自身处断裂。两种砂盘参与磨削的磨粒都有很明显的磨损痕迹。
（ a）砂盘磨粒取向与磨削方向平行（ b ）砂盘磨粒取向与磨削方向垂直（ c）磨粒取向与磨削方向平行砂盘磨削后照片（ d）磨粒取向与磨削方向垂直砂盘磨削后照片3. 2磨削力的测量在干磨削的条件下，对两种磨粒取向的砂盘在不同的磨削深度下进行磨削力的测量，磨谢国治，等：单层钎焊砂盘磨粒分布有序性研究为两种砂盘磨削切向力变化情况，图5（b ）为两种砂盘磨削法向力变化情况。需要指出的是，在图3的平面磨削中，磨削平面上产生的是磨削扭矩，但考虑八角环测力仪只能测量磨削平面的纵向，故测量的力在一定程度上可表征磨削法向力，在这里看作是是磨削法向力。
（ a）两种砂盘磨削切向力变化情况（ b）两种砂量磨削法向力变化情况很难保证两者的完全一致性。但从图5的结果看，在磨削过程中，磨粒取向垂直于磨削线速度方向的砂盘，其磨削切向力和法向力都明显高于磨粒取向平行于磨削线速度方向的砂盘，前者的磨削面积较大应是主要的原因。
4结论（ 1）提出了关于单层钎焊砂盘磨粒排列有序性的概念，并在钎焊制造工艺中初步实现了磨粒排列有序性（ 2）在磨削实验中表明：良好的磨粒有序性排列具有好的磨削性能和小的磨削力（ 3）在开展高温钎焊超硬磨料砂轮的研究中，磨料有序性的概念也完全可以运用。
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