电镀金刚石砂轮结构设计

　　　矿产资源是有限的不可再生资源，建设资源节约型社会，发展循环经济是当今的必然趋势。

　　　报废的金刚石工具中还残留有昂贵的金刚石磨粒，对残留的金刚石磨粒、结合剂和工具基体进行回收和再利用能够实现资源的合理利用，符合可持续发展的需求。

　　　南通首超超硬材料有限公司,面对每年大量的工业金刚石工具消耗量，世界各国开始关注报废金刚石工具的回收和再利用，中国已经成为全球工业金刚石的第一生产大国，有必要大力研发金刚石工具的绿色制造技术。

　　　电镀金刚石工具以金属为结合剂，一般包括工具基体和金刚石磨料层两部分，要实现电镀金刚石工具的全面回收，关键是实现磨料层与基体的高效、绿色分离。

　　　现有的电镀金刚石工具基体为一个整体结构，不易实现磨料层与基体的绿色分离，常用的回收方法主要有化学法和电化学法两种，化学法将金属结合剂进行溶解，电化学法利用电解的原理将金属结合剂进行电解，两者虽都实现了对金刚石磨粒的回收，但得到的工具基体存在腐蚀现象，影响工具基体的再次使用，而且回收过程中产生的有毒、有害气体既污染环境也有害人体健康。

　　　可拆卸性设计是绿色设计的关键技术之一，是实现报废产品回收和重用的前提。如果在金刚石工具的结构设计时考虑基体的可拆卸性，将金刚石工具磨料层与基体的分离与绿色设计相结合，将为实现金刚石工具的绿色回收和再制造提供一种新的研究思路。

　　　本文以电镀金刚石砂轮为研究对象，提出一种新型可再制造的电镀金刚石砂轮结构，通过试验验证了所设计电镀金刚石砂轮进行绿色回收和再制造的可行性，并分析了砂轮拆卸过程中磨料层与基体的破坏形式，最后对磨料层的裂纹产生机制和砂轮结构进行了分析和设计。

1 电镀金刚石砂轮结构设计

1. 1 结合材料的破坏形式

　　　南通首超超硬材料有限公司，电镀金刚石砂轮的磨料层与基体通过电镀形式连接，欲实现磨料层与基体的分离，应首先进行结合材料的界面破坏。磨料层与基体的破坏属于结合材料的破坏问题，通常结合材料的破坏可分为材料的界面破坏和材料的曲折破坏两种形式，如图 1 所示。

　　　通常情况下，结合材料的曲折破坏发生与否，与界面的结合强度和结合材料的断裂韧性密切相关，当结合材料发生曲折破坏时，材料应力强度因子的临界值基本呈椭圆分布。图 2 描述了( 2) 式的椭圆曲线，由于( 1) 式是最易发生界面破坏的情况，对应于椭圆的短轴。

　　　将电镀金刚石砂轮的磨料层与基体简化成理想条件下的界面模型，相对于砂轮基体，磨料层属于较弱材料，在外载荷作用下，磨料层与基体结合材料的破坏情形可分为:

1) 当裂纹有向基体发生曲折破坏的趋势时，例如图 2 中A 区域的情形 1，由于界面破坏准则先于基体曲折破坏准则，因此，结合材料先发生界面破坏；

2) 当裂纹有向磨料层发生曲折破坏的趋势时，如果 K2/ K1较小( 即曲折破坏角度较小) ，例如图 2中 B 区域的情形 2，则首先达到界面破坏准则，发生界面破坏; 如果 K2/ K1较大时( 即曲折破坏角度较大) ，例如图 2 中 C 区域中的情形 3，由于首先达到曲折破坏准则，因此，会发生磨料层的曲折破坏。

　　　显然，结合材料的破坏可为磨料层与基体的分离创造条件，在外载荷作用下，磨料层的曲折破坏和界面破坏均有利于实现磨料层与基体的分离。

1. 2 电镀金刚石砂轮结构

　　　根据结合材料的破坏准则，设计一种可拆卸的电镀金刚石砂轮基体结构，在拆卸过程中，磨料层受外载荷作用，使界面附近结合材料发生破坏，最终实现磨料层与基体的分离。

　　　本文提出的电镀金刚石砂轮结构如图 3( a) 所示，基体端面上设置有沿基体径向分布的滑道和螺孔，滑块通过螺钉装配在基体的滑道中，装配完整后的滑块与基体通过车削加工形成一个完整的装配外圆表面，磨料层电镀在车削加工好的外圆表面上，最后得到成品的电镀金刚石砂轮。图 3( b) 是装配完整的砂轮基体。

　　　　在砂轮拆卸过程中，首先向内推动滑块，实现磨料层与滑块的分离。然后再向外推动滑块，使滑道附近的磨料层与基体产生一定的界面破坏或曲折破坏，并使磨料层发生断裂。最后沿着磨料层的断裂处向磨料层的两边剥离磨料层，使磨料层与基体分离。

　　　　拆卸后的电镀金刚石砂轮的 3 个部分都可以进行绿色回收和再利用，图 4 是电镀金刚石砂轮的再制造流程图。将镍结合剂磨料层放在阳极钛篮中，并置于 Ni SO4电解液中，令镍板为电解的阴极，通过电解过程便可以将磨料层中的镍溶解，并沉积到阴极的镍板上，用于砂轮电镀。而随着磨料层的溶解，金刚石磨粒自然从磨料层中分离出来，通过电解液的过滤便可以获得金刚石磨粒。因为，在整个电解过程中，电解液成分无变化，还可作为砂轮的电镀溶液。

　　　　将拆卸后的滑块和基体重新装配，将滑块伸出基体外圆表面微小距离，并进行外圆车削加工，使滑块和基体再次共同形成一个完整的适于金刚石电镀的装配外圆表面，再次进行电镀，便可以重新得到新的电镀金刚石砂轮。显然，上述砂轮结构可以实现滑块、基体、镍结合剂和金刚石磨粒的再次利用。

2 试验方法

　　　　砂轮基体选择 45 号钢，外径 114 mm，厚度 12 mm，中心孔直径 32 mm，基体端面上均匀分布有 4 个直径为 12 mm 的半圆形滑道，滑道表面设置有 2 个螺孔。半圆形滑块通过 Ф12 mm × 42 mm 的圆柱销加工得到，滑块呈阶梯形，螺钉穿过滑块上的滑槽与基体固定连接，滑块与基体的外圆周面通过车削形成一个完整的装配外圆表面，将金刚石磨料电镀在装配外圆表面上。

　　　镀液成分为: Ni SO4·6H2O 250 g / L，Ni Cl2·6H2O40 g / L，H3BO335 g / L，C12H25SO4Na 0. 1 g / L 以及少许添加剂，镀液温度为 45 ℃，p H 值为 4 ～ 4. 5． 金刚石磨粒的粒度号为 45 /50．

电镀工艺流程为:

基体前处理→空镀→上砂→加厚→出槽后处理。

　　　　其中上砂镀的电流密度为 0. 6 A/dm2，时间为 120 min． 加厚镀的电流密度为 1 A/dm2，时间为 420 min．拆卸固定滑块与基体的螺钉，通过 1. 2 节所述方法进行砂轮的回收与再制造。

　　　　　设计不同结构的滑块，利用螺旋测微仪和内径千分尺测量滑块与基体的配合间隙，用 SZ760 型体式显微镜观察和测量镀层表面的凹陷宽度，研究滑块基体配合间隙与镀层凹陷的关系。

3 结果与讨论

3. 1 砂轮拆卸

　　　　　向内推压滑块，实现了滑块与磨料层的分离，如图 5( a) 所示。向外推压滑块，滑块表面的磨料层发生了断裂现象，如图 5( b) ，断裂处附近的磨料层与基体也发生了局部开裂，如图 5( c) 箭头 A 所示。

　　　　　对滑块的多次推压试验发现，滑块表面的磨料层均出现了不同程度的断裂，同时在磨料层的断裂区域都伴随有磨料层与基体的局部开裂，这说明，在滑块的推压作用下，磨料层首先达到了界面破坏准则，出现了如图 1( a) 所示磨料层与基体的界面破坏。

　　　　如果持续增加滑块载荷，基体端面与滑块边界处的磨料层产生了如图 1( b) 所示的曲折破坏，并迅速向周围延伸，使磨料层发生了断裂。

　　　　以磨料层与基体的局部开裂为基础，应用刀片沿圆周方向剥离磨料层，便可以实现磨料层与砂轮基体的完全分离，图 6 是分离后的砂轮基体与磨料层。

　　　　　上述试验过程未使用和消耗任何化学物品，没用到复杂的仪器和设备，也不需要高温、高压等条件，整个拆卸过程仅仅通过简单的物理方法，便实现了磨料层与基体的高效、绿色分离，表明本文提出的电镀金刚石砂轮可以实现绿色回收和再制造。

3. 2 滑块形状

           　选择方形和半圆形两种滑块进行对比，对应的砂轮基体分别设计成方形滑道和半圆形滑道 2 种不同结构。在基体端面铣削出方形滑道，将 6 mm ×6 mm的方形滑块装配在滑道中，基体的外圆直径，中心孔直径和厚度均与上述试验中的半圆形滑块砂轮尺寸相同。

　　　　　图7为磨料层受力分析模型，图 8 为两种不同滑块结构的基体表面镀层质量对比，半圆形滑块基体的镀层表面质量明显优于方形滑块基体的镀层表面质量，半圆形滑块表面的镀层平整度好，基本不存在较大的表面凹陷，而装配方形滑块的基体镀层表面存在较明显的凹陷，镀层表面平整度较低。

　　　　　从图 8( b) 中可以看到两种缺陷: 滑块与滑道的边界缺陷( 如箭头 B 所示) 、滑块直角处的缺陷( 如箭头 C 所示) 。上述缺陷是由滑块与基体的配合间隙和制造误差所造成的。图 9 为滑块与基体的配合间隙变化图，设 c 为配合间隙，c1为半圆形滑块与滑道在 y 轴方向上的任意点配合间隙，cmax为最大配合间隙。

　　　　　如果两种滑块具有相等的最大配合间隙 cmax，则半圆形滑块与滑道的配合间隙沿 y 轴逐渐增大，如图 9( c) 中的曲线所示; 方形滑块与滑道的配合间隙则不随 y 轴的变化而变化，始终等于最大值 cmax，即为图 9( c) 平行于 y 轴的线段。半圆弧能有效消除滑块与滑道之间的配合间隙，而方形滑块的直角和侧面处存在不可消除的间隙。

　　　　　因此，基体装配并经过外圆车削后，半圆形滑块的基体表面镀层表现出更好的平整性。图 10 为方形滑块与基体的侧面配合间隙与镀层表面凹陷宽度的变化曲线。

　　　　　可以看到，镀层表面的凹陷宽度随滑块和滑道的配合间隙增大而增大，当 c 在 0. 056 mm 以下时，镀层表面才观察不到明显的缺陷。

　　　　　砂轮基体表面的凹陷将影响结合剂对金刚石磨粒的把持力度和磨料层的表面平整性，因此，在制造过程中应优先选择有半圆形滑块的基体结构。

3. 3 滑块结构

　　　　　对于常用的外圆直径在200 mm 以下的电镀金刚石砂轮，考虑砂轮基体的制造工艺性和砂轮的拆解需求，可以选择 2 ～ 4 个滑块数量，且滑块在基体中均匀分布。

　　　　　对于外圆直径更大的砂轮，如果为了便于砂轮的拆解，也可以适当增加滑块的数量。滑块的长度需要略小于砂轮基体的外圆与内孔直径差的一半。根据砂轮基体的厚度确定半圆形滑块的半径，考虑到磨料层的断裂和砂轮基体的强度要求，在一般情况下，可以选择砂轮基体厚度的一半尺寸作为半圆形滑块的半径。

　　　　　在基体的装配过程中，需要将滑块微微伸出基体外圆表面，以便于通过车削加工得到完整的适于电镀的外圆表面。显然，在砂轮的每次再制造过程中，滑块的去除量最多，所以砂轮的重复利用次数主要取决于滑块的重复利用率。

　　　　　本文提出两种滑块结构，如图 11 所示，一种滑块为对称式凹形结构，可以实现滑块的两端多次重复利用，另一种滑块为阶梯形结构，可以实现滑块的一端重复利用。

4 结论

　　　　　砂轮的拆卸试验和理论分析表明，在砂轮的拆卸过程中，磨料层的裂纹首先产生在滑块与基体端面的交界点处，滑道附近的磨料层与基体发生界面破坏或曲折破坏，产生了局部开裂，向两边剥离磨料层，可以实现磨料层与基体的分离。

　　　　　金刚石砂轮的拆卸过程简单、高效，避免了化学法和电化学法的环境污染和基体腐蚀问题。滑块的形状和结构影响磨料层的质量和砂轮的重复利用率，装配半圆形滑块的砂轮外圆基体表现出较好的表面平整性，采用对称式凹形滑块结构可以提高电镀金刚石砂轮的重复利用次数。本文提出的新型砂轮结构可以实现电镀金刚石砂轮的绿色拆卸与再制造。

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