于愛兵，吳磊

(寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波315211)

0 引言

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)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008 年全球金剛石工具的市場(chǎng)容量突破200 億美元，到2010 年達(dá)到300 億美元，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)將一直保持著年均15%左右的增長(zhǎng)率。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)開始關(guān)注報(bào)廢金剛石工具的回收和再利用，例如，2008 年美國(guó)從報(bào)廢的金剛石工具中回收到的金剛石達(dá)3 430 萬(wàn)克拉，價(jià)值高達(dá)1 770 萬(wàn)美元[1]。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[2－3]，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[4－5]。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[6]，如圖1 所示。當(dāng)材料的界面應(yīng)力強(qiáng)度因子滿足下述條件時(shí)，將最易產(chǎn)生結(jié)合材料的界面破壞[7]:

式中:K1，K2為結(jié)合材料在Ⅰ型和Ⅱ型裂紋模式下的應(yīng)力強(qiáng)度因子;ε 為雙材料常數(shù)。

圖1 結(jié)合材料的破壞形式Fig.1 Crack modes of bonding materials

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[7－8]:

圖2 磨料層與基體的界面破壞和曲折破壞評(píng)價(jià)Fig.2 Evaluations of interface and kinking cracks between abrasive layer and substrate

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[7]。

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，滑塊通過螺釘裝配在基體的滑道中，裝配完整后的滑塊與基體通過車削加工形成一個(gè)完整的裝配外圓表面，磨料層電鍍?cè)谲囅骷庸ず玫耐鈭A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。

圖3 電鍍金剛石砂輪Fig.3 Electroplated diamond wheel

在砂輪拆卸過程中，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NiSO4電解液中，令鎳板為電解的陰極，通過電解過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)，通過電解液的過濾便可以獲得金剛石磨粒。因?yàn)椋谡麄€(gè)電解過程中，電解液成分無(wú)變化，還可作為砂輪的電鍍?nèi)芤骸?/p>

圖4 電鍍金剛石砂輪的再制造流程圖Fig.4 Remanufacturing flow chart for electroplated diamond wheel

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φ12 mm ×42 mm 的圓柱銷加工得到，滑塊呈階梯形，螺釘穿過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車削形成一個(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:NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 40 g/L，H3BO335 g/L，C12H25SO4Na 0.1 g/L 以及少許添加劑，鍍液溫度為45 ℃，pH 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，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，并迅速向周圍延伸，使磨料層發(fā)生了斷裂。以磨料層與基體的局部開裂為基礎(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)過程未使用和消耗任何化學(xué)物品，沒用到復(fù)雜的儀器和設(shè)備，也不需要高溫、高壓等條件，整個(gè)拆卸過程僅僅通過簡(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 磨料層開裂形式

分析滑塊向外推壓作用時(shí)，磨料層的應(yīng)力狀態(tài)。圖7 為磨料層的受力分析模型，設(shè)r1為基體半徑，r2為滑塊半徑，p 為滑塊作用在磨料層上的均布載荷，則磨料層所受均布載荷p 的合力F 為

根據(jù)力的平衡原則，載荷p 的合力F 應(yīng)等于磨料層剪切面上的剪切力。由于磨料層較薄，假定剪應(yīng)力在整個(gè)剪切面上均勻分布，設(shè)A 為磨料層在載荷p 作用下的剪切面的面積，δ 為磨料層厚度，故剪應(yīng)力τ 可通過(4)式計(jì)算:

圖5 推拉后的磨料層與基體Fig.5 Abrasive layer and substrate after pulling and pushing actions

圖6 磨料層與基體的分離Fig.6 Separation between abrasive layer and substrate

基體上的磨料層沿滑塊軸線對(duì)稱，因此邊界區(qū)域的磨料層受力狀態(tài)也是對(duì)稱的，沿平行于基體端面的平面截取圖7(a)，得到如圖7(b)所示的截面。其中，d3為所截取滑道的寬度，r3為其寬度的一半。截面D－D 上的剪切應(yīng)力τ 可分解為法向剪應(yīng)力τxy和切向正應(yīng)力σx，設(shè)θ 為τ 與τxy的夾角，因此，可以計(jì)算出τxy和σx的值:

圖7 磨料層的應(yīng)力分析模型Fig.7 Stress analysis model of abrasive layer

根據(jù)彈性力學(xué)平面問題的主應(yīng)力計(jì)算公式，由(4)式～(6)式得到磨料層剪切面上的最大主應(yīng)力表達(dá)式

對(duì)于給定的基體半徑r1，滑塊半徑r2，載荷p 和磨料層厚度δ，(7)式可以看作未知變量r3的函數(shù)，為了確定σmax的極值位置，對(duì)(7)式求導(dǎo)

從而得到(7)式的極值條件為

根據(jù)斷裂準(zhǔn)則σ1=σb，鍍層的最大應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限σb時(shí)，磨料層將產(chǎn)生斷裂，也就導(dǎo)致了磨料層的曲折破壞。根據(jù)上述計(jì)算分析，基體端面與滑塊邊界處(即r3=r2處)的磨料層，首先達(dá)到強(qiáng)度極限而產(chǎn)生曲折裂紋，如圖7(a)所示的N1或N2點(diǎn)，在載荷的持續(xù)作用下，該點(diǎn)的磨料層裂紋將逐漸向周圍擴(kuò)展，圖5(b)和圖5(c)所示的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述的理論計(jì)算結(jié)果。

3.3 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)過外圓車削后，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，在制造過程中應(yīng)優(yōu)先選擇有半圓形滑塊的基體結(jié)構(gòu)。

圖8 基體表面鍍層對(duì)比Fig.8 Comparisons of substrate electroplating surfaces

圖9 滑塊與基體的配合間隙Fig.9 Fitting clearances between slide and substrate

圖10 方形滑塊基體的鍍層表面凹陷寬度變化曲線Fig.10 Pit size curve on electroplating surface for substrate with square slides

3.4 滑塊結(jié)構(gòu)

對(duì)于常用的外圓直徑在φ200 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。

在基體的裝配過程中，需要將滑塊微微伸出基體外圓表面，以便于通過車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)，如圖11 所示，一種滑塊為對(duì)稱式凹形結(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。

圖11 滑塊結(jié)構(gòu)Fig.11 Schematic of slide structures

對(duì)于對(duì)稱式凹形滑塊結(jié)構(gòu)，l1為滑塊兩端能夠去除的長(zhǎng)度，l2為滑塊能夠移動(dòng)的最大距離，若l1=l2，則滑塊可以得到2l1的利用長(zhǎng)度。對(duì)于階梯形滑塊結(jié)構(gòu)，l3為滑塊的可去除長(zhǎng)度，l4為滑塊的可移動(dòng)距離，若l3= l4，則滑塊可以實(shí)現(xiàn)l3的利用長(zhǎng)度。若忽略其余微小長(zhǎng)度，階梯形的滑塊利用率為l3/ (l3+l4)= 50%，對(duì)稱式的滑塊利用率為2l1/ (2l1+l2)=66.7%，高于階梯形滑塊的利用率，所以對(duì)稱式滑塊結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的重復(fù)利用次數(shù)。例如，假設(shè)滑塊每次裝配時(shí)的車削去除量為0.2 mm，對(duì)于l1=10 mm 的對(duì)稱式凹形滑塊可重復(fù)利用100 次，而對(duì)于同等長(zhǎng)度的階梯形滑塊l3=15 mm，則可重復(fù)利用75 次。

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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