磨料磨具 這樣的砂輪還算不算工業(yè)耗材？

礦產(chǎn)資源是有限的不可再生資源，建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是當(dāng)今的必然趨勢(shì)。

報(bào)廢的金剛石工具中還殘留有昂貴的金剛石磨粒，對(duì)殘留的金剛石磨粒、結(jié)合劑和工具基體進(jìn)行回收和再利用能夠?qū)崿F(xiàn)資源的合理利用，符合可持續(xù)發(fā)展的需求。

面對(duì)每年大量的工業(yè)金剛石工具消耗量，世界各國(guó)開(kāi)始關(guān)注報(bào)廢金剛石工具的回收和再利用，中國(guó)已經(jīng)成為全球工業(yè)金剛石的第一生產(chǎn)大國(guó)，有必要大力研發(fā)金剛石工具的綠色制造技術(shù)。

電鍍金剛石工具以金屬為結(jié)合劑，一般包括工具基體和金剛石磨料層兩部分，要實(shí)現(xiàn)電鍍金剛石工具的全面回收，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)磨料層與基體的高效、綠色分離。

現(xiàn)有的電鍍金剛石工具基體為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，不易實(shí)現(xiàn)磨料層與基體的綠色分離，常用的回收方法主要有化學(xué)法和電化學(xué)法兩種，化學(xué)法將金屬結(jié)合劑進(jìn)行溶解，電化學(xué)法利用電解的原理將金屬結(jié)合劑進(jìn)行電解，兩者雖都實(shí)現(xiàn)了對(duì)金剛石磨粒的回收，但得到的工具基體存在腐蝕現(xiàn)象，影響工具基體的再次使用，而且回收過(guò)程中產(chǎn)生的有毒、有害氣體既污染環(huán)境也有害人體健康。

可拆卸性設(shè)計(jì)是綠色設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)報(bào)廢產(chǎn)品回收和重用的前提。如果在金剛石工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮基體的可拆卸性，將金剛石工具磨料層與基體的分離與綠色設(shè)計(jì)相結(jié)合，將為實(shí)現(xiàn)金剛石工具的綠色回收和再制造提供一種新的研究思路。

本文以電鍍金剛石砂輪為研究對(duì)象，提出一種新型可再制造的電鍍金剛石砂輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電鍍金剛石砂輪進(jìn)行綠色回收和再制造的可行性，并分析了砂輪拆卸過(guò)程中磨料層與基體的破壞形式，最后對(duì)磨料層的裂紋產(chǎn)生機(jī)制和砂輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

1 電鍍金剛石砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 1 結(jié)合材料的破壞形式

電鍍金剛石砂輪的磨料層與基體通過(guò)電鍍形式連接，欲實(shí)現(xiàn)磨料層與基體的分離，應(yīng)首先進(jìn)行結(jié)合材料的界面破壞。磨料層與基體的破壞屬于結(jié)合材料的破壞問(wèn)題，通常結(jié)合材料的破壞可分為材料的界面破壞和材料的曲折破壞兩種形式，如圖 1 所示。

通常情況下，結(jié)合材料的曲折破壞發(fā)生與否，與界面的結(jié)合強(qiáng)度和結(jié)合材料的斷裂韌性密切相關(guān)，當(dāng)結(jié)合材料發(fā)生曲折破壞時(shí)，材料應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值基本呈橢圓分布。圖 2 描述了( 2) 式的橢圓曲線，由于( 1) 式是最易發(fā)生界面破壞的情況，對(duì)應(yīng)于橢圓的短軸。

將電鍍金剛石砂輪的磨料層與基體簡(jiǎn)化成理想條件下的界面模型，相對(duì)于砂輪基體，磨料層屬于較弱材料，在外載荷作用下，磨料層與基體結(jié)合材料的破壞情形可分為:

1) 當(dāng)裂紋有向基體發(fā)生曲折破壞的趨勢(shì)時(shí)，例如圖 2 中A 區(qū)域的情形 1，由于界面破壞準(zhǔn)則先于基體曲折破壞準(zhǔn)則，因此，結(jié)合材料先發(fā)生界面破壞；

2) 當(dāng)裂紋有向磨料層發(fā)生曲折破壞的趨勢(shì)時(shí)，如果 K2/ K1較小( 即曲折破壞角度較小) ，例如圖 2中 B 區(qū)域的情形 2，則首先達(dá)到界面破壞準(zhǔn)則，發(fā)生界面破壞; 如果 K2/ K1較大時(shí)( 即曲折破壞角度較大) ，例如圖 2 中 C 區(qū)域中的情形 3，由于首先達(dá)到曲折破壞準(zhǔn)則，因此，會(huì)發(fā)生磨料層的曲折破壞。

顯然，結(jié)合材料的破壞可為磨料層與基體的分離創(chuàng)造條件，在外載荷作用下，磨料層的曲折破壞和界面破壞均有利于實(shí)現(xiàn)磨料層與基體的分離。

1. 2 電鍍金剛石砂輪結(jié)構(gòu)

根據(jù)結(jié)合材料的破壞準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)一種可拆卸的電鍍金剛石砂輪基體結(jié)構(gòu)，在拆卸過(guò)程中，磨料層受外載荷作用，使界面附近結(jié)合材料發(fā)生破壞，最終實(shí)現(xiàn)磨料層與基體的分離。

本文提出的電鍍金剛石砂輪結(jié)構(gòu)如圖 3( a) 所示，基體端面上設(shè)置有沿基體徑向分布的滑道和螺孔，滑塊通過(guò)螺釘裝配在基體的滑道中，裝配完整后的滑塊與基體通過(guò)車(chē)削加工形成一個(gè)完整的裝配外圓表面，磨料層電鍍?cè)谲?chē)削加工好的外圓表面上，最后得到成品的電鍍金剛石砂輪。圖 3( b) 是裝配完整的砂輪基體。

在砂輪拆卸過(guò)程中，首先向內(nèi)推動(dòng)滑塊，實(shí)現(xiàn)磨料層與滑塊的分離。然后再向外推動(dòng)滑塊，使滑道附近的磨料層與基體產(chǎn)生一定的界面破壞或曲折破壞，并使磨料層發(fā)生斷裂。最后沿著磨料層的斷裂處向磨料層的兩邊剝離磨料層，使磨料層與基體分離。

拆卸后的電鍍金剛石砂輪的 3 個(gè)部分都可以進(jìn)行綠色回收和再利用，圖 4 是電鍍金剛石砂輪的再制造流程圖。將鎳結(jié)合劑磨料層放在陽(yáng)極鈦籃中，并置于 Ni SO4電解液中，令鎳板為電解的陰極，通過(guò)電解過(guò)程便可以將磨料層中的鎳溶解，并沉積到陰極的鎳板上，用于砂輪電鍍。而隨著磨料層的溶解，金剛石磨粒自然從磨料層中分離出來(lái)，通過(guò)電解液的過(guò)濾便可以獲得金剛石磨粒。因?yàn)?，在整個(gè)電解過(guò)程中，電解液成分無(wú)變化，還可作為砂輪的電鍍?nèi)芤骸?/p>

將拆卸后的滑塊和基體重新裝配，將滑塊伸出基體外圓表面微小距離，并進(jìn)行外圓車(chē)削加工，使滑塊和基體再次共同形成一個(gè)完整的適于金剛石電鍍的裝配外圓表面，再次進(jìn)行電鍍，便可以重新得到新的電鍍金剛石砂輪。顯然，上述砂輪結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)滑塊、基體、鎳結(jié)合劑和金剛石磨粒的再次利用。

2 試驗(yàn)方法

砂輪基體選擇 45 號(hào)鋼，外徑 114 mm，厚度 12 mm，中心孔直徑 32 mm，基體端面上均勻分布有 4 個(gè)直徑為 12 mm 的半圓形滑道，滑道表面設(shè)置有 2 個(gè)螺孔。半圓形滑塊通過(guò) Ф12 mm × 42 mm 的圓柱銷(xiāo)加工得到，滑塊呈階梯形，螺釘穿過(guò)滑塊上的滑槽與基體固定連接，滑塊與基體的外圓周面通過(guò)車(chē)削形成一個(gè)完整的裝配外圓表面，將金剛石磨料電鍍?cè)谘b配外圓表面上。

鍍液成分為: Ni SO4·6H2O 250 g / L，Ni Cl2·6H2O40 g / L，H3BO335 g / L，C12H25SO4Na 0. 1 g / L 以及少許添加劑，鍍液溫度為 45 ℃，p H 值為 4 ～ 4. 5． 金剛石磨粒的粒度號(hào)為 45 /50．

電鍍工藝流程為:

基體前處理→空鍍→上砂→加厚→出槽后處理。

其中上砂鍍的電流密度為 0. 6 A/dm2，時(shí)間為 120 min． 加厚鍍的電流密度為 1 A/dm2，時(shí)間為 420 min．拆卸固定滑塊與基體的螺釘，通過(guò) 1. 2 節(jié)所述方法進(jìn)行砂輪的回收與再制造。

設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的滑塊，利用螺旋測(cè)微儀和內(nèi)徑千分尺測(cè)量滑塊與基體的配合間隙，用 SZ760 型體式顯微鏡觀察和測(cè)量鍍層表面的凹陷寬度，研究滑塊基體配合間隙與鍍層凹陷的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

3. 1 砂輪拆卸

向內(nèi)推壓滑塊，實(shí)現(xiàn)了滑塊與磨料層的分離，如圖 5( a) 所示。向外推壓滑塊磨料磨具，滑塊表面的磨料層發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，如圖 5( b) ，斷裂處附近的磨料層與基體也發(fā)生了局部開(kāi)裂，如圖 5( c) 箭頭 A 所示。

對(duì)滑塊的多次推壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滑塊表面的磨料層均出現(xiàn)了不同程度的斷裂，同時(shí)在磨料層的斷裂區(qū)域都伴隨有磨料層與基體的局部開(kāi)裂，這說(shuō)明，在滑塊的推壓作用下，磨料層首先達(dá)到了界面破壞準(zhǔn)則，出現(xiàn)了如圖 1( a) 所示磨料層與基體的界面破壞。

如果持續(xù)增加滑塊載荷，基體端面與滑塊邊界處的磨料層產(chǎn)生了如圖 1( b) 所示的曲折破壞，并迅速向周?chē)由?，使磨料層發(fā)生了斷裂。

以磨料層與基體的局部開(kāi)裂為基礎(chǔ)，應(yīng)用刀片沿圓周方向剝離磨料層，便可以實(shí)現(xiàn)磨料層與砂輪基體的完全分離，圖 6 是分離后的砂輪基體與磨料層。

上述試驗(yàn)過(guò)程未使用和消耗任何化學(xué)物品，沒(méi)用到復(fù)雜的儀器和設(shè)備，也不需要高溫、高壓等條件，整個(gè)拆卸過(guò)程僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單的物理方法，便實(shí)現(xiàn)了磨料層與基體的高效、綠色分離，表明本文提出的電鍍金剛石砂輪可以實(shí)現(xiàn)綠色回收和再制造。

3. 2 滑塊形狀

選擇方形和半圓形兩種滑塊進(jìn)行對(duì)比，對(duì)應(yīng)的砂輪基體分別設(shè)計(jì)成方形滑道和半圓形滑道 2 種不同結(jié)構(gòu)。在基體端面銑削出方形滑道，將 6 mm ×6 mm的方形滑塊裝配在滑道中，基體的外圓直徑，中心孔直徑和厚度均與上述試驗(yàn)中的半圓形滑塊砂輪尺寸相同。

圖7為磨料層受力分析模型，圖 8 為兩種不同滑塊結(jié)構(gòu)的基體表面鍍層質(zhì)量對(duì)比，半圓形滑塊基體的鍍層表面質(zhì)量明顯優(yōu)于方形滑塊基體的鍍層表面質(zhì)量，半圓形滑塊表面的鍍層平整度好，基本不存在較大的表面凹陷，而裝配方形滑塊的基體鍍層表面存在較明顯的凹陷，鍍層表面平整度較低。

從圖 8( b) 中可以看到兩種缺陷: 滑塊與滑道的邊界缺陷( 如箭頭 B 所示) 、滑塊直角處的缺陷( 如箭頭 C 所示) 。上述缺陷是由滑塊與基體的配合間隙和制造誤差所造成的。圖 9 為滑塊與基體的配合間隙變化圖，設(shè) c 為配合間隙，c1為半圓形滑塊與滑道在 y 軸方向上的任意點(diǎn)配合間隙，cmax為最大配合間隙。

如果兩種滑塊具有相等的最大配合間隙 cmax，則半圓形滑塊與滑道的配合間隙沿 y 軸逐漸增大，如圖 9( c) 中的曲線所示; 方形滑塊與滑道的配合間隙則不隨 y 軸的變化而變化，始終等于最大值 cmax，即為圖 9( c) 平行于 y 軸的線段。半圓弧能有效消除滑塊與滑道之間的配合間隙，而方形滑塊的直角和側(cè)面處存在不可消除的間隙。

因此，基體裝配并經(jīng)過(guò)外圓車(chē)削后，半圓形滑塊的基體表面鍍層表現(xiàn)出更好的平整性。圖 10 為方形滑塊與基體的側(cè)面配合間隙與鍍層表面凹陷寬度的變化曲線。

可以看到，鍍層表面的凹陷寬度隨滑塊和滑道的配合間隙增大而增大，當(dāng) c 在 0. 056 mm 以下時(shí)，鍍層表面才觀察不到明顯的缺陷。

砂輪基體表面的凹陷將影響結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持力度和磨料層的表面平整性，因此，在制造過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先選擇有半圓形滑塊的基體結(jié)構(gòu)。

3. 3 滑塊結(jié)構(gòu)

對(duì)于常用的外圓直徑在200 mm 以下的電鍍金剛石砂輪，考慮砂輪基體的制造工藝性和砂輪的拆解需求，可以選擇 2 ～ 4 個(gè)滑塊數(shù)量，且滑塊在基體中均勻分布。

對(duì)于外圓直徑更大的砂輪，如果為了便于砂輪的拆解，也可以適當(dāng)增加滑塊的數(shù)量?；瑝K的長(zhǎng)度需要略小于砂輪基體的外圓與內(nèi)孔直徑差的一半。根據(jù)砂輪基體的厚度確定半圓形滑塊的半徑，考慮到磨料層的斷裂和砂輪基體的強(qiáng)度要求，在一般情況下，可以選擇砂輪基體厚度的一半尺寸作為半圓形滑塊的半徑。

在基體的裝配過(guò)程中，需要將滑塊微微伸出基體外圓表面，以便于通過(guò)車(chē)削加工得到完整的適于電鍍的外圓表面。顯然，在砂輪的每次再制造過(guò)程中，滑塊的去除量最多，所以砂輪的重復(fù)利用次數(shù)主要取決于滑塊的重復(fù)利用率。

本文提出兩種滑塊結(jié)構(gòu)磨料磨具，如圖 11 所示，一種滑塊為對(duì)稱(chēng)式凹形結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)滑塊的兩端多次重復(fù)利用，另一種滑塊為階梯形結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)滑塊的一端重復(fù)利用。

4 結(jié)論

砂輪的拆卸試驗(yàn)和理論分析表明，在砂輪的拆卸過(guò)程中，磨料層的裂紋首先產(chǎn)生在滑塊與基體端面的交界點(diǎn)處，滑道附近的磨料層與基體發(fā)生界面破壞或曲折破壞，產(chǎn)生了局部開(kāi)裂，向兩邊剝離磨料層，可以實(shí)現(xiàn)磨料層與基體的分離。

金剛石砂輪的拆卸過(guò)程簡(jiǎn)單、高效，避免了化學(xué)法和電化學(xué)法的環(huán)境污染和基體腐蝕問(wèn)題?；瑝K的形狀和結(jié)構(gòu)影響磨料層的質(zhì)量和砂輪的重復(fù)利用率，裝配半圓形滑塊的砂輪外圓基體表現(xiàn)出較好的表面平整性，采用對(duì)稱(chēng)式凹形滑塊結(jié)構(gòu)可以提高電鍍金剛石砂輪的重復(fù)利用次數(shù)。本文提出的新型砂輪結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電鍍金剛石砂輪的綠色拆卸與再制造。

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