CN101362316A

CN101362316A - 低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮

Info

Publication number: CN101362316A
Application number: CNA2008101520192A
Authority: CN
Inventors: 李志宏; 朱玉梅
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2009-02-11

Abstract

本发明公开了一种低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，由基体、粘结层和砂轮块组成，所述砂轮块为立方氮化硼砂轮块，其原料组分及重量百分比含量为：45～80％立方氮化硼磨料，0～20％刚玉，20～35％陶瓷结合剂；所述陶瓷结合剂为一种微晶玻璃陶瓷结合剂，原料组分及重量百分比含量为：40～70％SiO₂，5～25％B₂O₃，2～5％Al₂O₃，2～15％Na₂O，2～5％K₂O，2～4％MgO，2～4％CaO，1～10％Li₂O，2～5％ZrO₂，2～5％Sb₂O₃。本发明提供了一种砂轮使用线速度可达160m/s、加工精度高、使用寿命长、不污染环境、能与高速高效数控曲轴磨床配套的高效磨削工具，主要用于汽车曲轴磨削加工及各类高速数控磨削加工。

Description

低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮

技术领域

本发明是关于磨削加工工具的，涉及各类高速数控磨削加工，尤其是汽车曲轴磨削加工的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼(CBN)砂轮。

背景技术

曲轴是发动机最重要的零部件之一，被喻为发动机的脊梁骨，是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，在发动机五大件中最难以保证加工质量。由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴材质以及加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。影响曲轴的加工精度除了机床本身的因素外，还有一个重要的因素就是加工工具的因素。普通磨料砂轮的加工效率、形状保持性、耐用度和使用寿命都低，需频繁修整或更换，因此修整工具损耗加快，辅助时间和劳动强度增加，既影响了生产效率，加大了生产成本，又难以保证加工工件的尺寸精度和公差的一致性。另外，由于砂轮用量大，其质量波动也影响了磨削工艺的稳定性，又因大量磨削残物的产生，增加了磨削液的过滤清理量，对环境造成一定的污染。随着高效高速数控专用磨床的出现和发展，对立方氮化硼砂轮的使用速度、加工效率、使用寿命、修整频次等要求越来越高，目前的砂轮难以满足其要求。

发明内容

本发明的目的是使氮化硼砂轮更好地适于汽车曲轴等零部件磨削加工的需要，采用微晶玻璃陶瓷结合剂取代现有技术的陶瓷结合剂，提供一种硬度高、磨削能力强、加工精度高、使用速度可达160m/s、寿命长、生产效率高、修整频次少、不对环境造成污染、能与高速高效数控磨床配套的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮。

本发明的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，由基体、粘结层和砂轮块组成，其特征在于，所述砂轮块为立方氮化硼砂轮块，立方氮化硼砂轮块的原料组分及重量百分比含量为：45～80％立方氮化硼磨料，0～20％刚玉，20～35％陶瓷结合剂；所述陶瓷结合剂为一种低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂，其原料组分及重量百分比含量为：40～70％SiO₂，5～25％B₂O₃，2～5％Al₂O₃，2～15％Na₂O，2～5％K₂O，2～4％MgO，2～4％CaO，1～10％Li₂O，2～5％ZrO₂，2～5％Sb₂O₃。

所述的基体为金属基体。

所述的金属基体为钢基体。

所述的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮使用的线速度可达160m/s。

所述的立方氮化硼磨料的粒度，与刚玉粒度相一致，为70/80～270/325目。

所述的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮直径为φ450～900mm。

本发明的有益效果是，提供了一种砂轮使用速度可达160m/s、硬度高、磨削能力强、加工精度高、使用寿命长、生产效率高、修整频次少、能与高速高效数控磨床配套的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮。为解决曲轴的高效精密加工，该砂轮工具的尺寸精度准确，自锐性好、形状保持性好、磨削刃锋利、制备工艺简单。

附图说明

图1是低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的主视图；

图2是低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的俯视图。

附图标记说明如下：

1——基体 2——粘结层 3——砂轮块

具体实施方式

下面结合本发明的发明构思和实施例对本发明作进一步描述。

立方氮化硼是目前世界上已知的硬度仅次于金刚石的材料，但金刚石与铁族元素的化学稳定性差，不能用于磨削大多数的金属和合金，所以立方氮化硼是适于加工大多数金属和合金的最硬的磨削材料。立方氮化硼磨料不仅硬度高，而且热稳定性和化学惰性好，立方氮化硼磨削工具与普通磨料磨具相比不仅能解决硬、韧难磨加工材料的加工问题、满足新材料的磨削加工，而且磨具磨削锋利，耐磨性能好，单位磨损小，加工工件表面质量好，生产效率高。另外其导热性比刚玉要大得多，磨削热能可以迅速扩散，因而可减少工件扭曲变形，使工件的尺寸精度得以保证，同时磨具的修整频次减少，提高了机械化和自动化程度，降低了加工工件的尺寸公差，提高了其尺寸精度和一致性。

70年代初中国亦合成出了立方氮化硼颗粒，但立方氮化硼本身属于脊性材料，在常压下无法烧结成制品，必须选用其它材料作为结合相与其复合才可以制备制品。用陶瓷材料作为结合相制备的立方氮化硼砂轮具有可控的气孔率，砂轮表面的气孔能够为磨屑提供容屑和排屑空间，有利于磨屑从磨削区排除而避免砂轮的堵塞和由此而产生的磨擦热，砂轮表面的气孔同时能为冷却液提供通道，使冷却液在磨削接触区及其附近广泛分布，因而使磨削温度较低，减少或避免了磨削烧伤；陶瓷材料的良好耐热性能可以使超硬磨料的性能得到充分发挥，所以砂轮的使用寿命较长；陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮容易修整，修正和修锐可一次完成，修整间隔较长，减少了修整频度，维护费用较低；陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮的化学稳定性好，对磨削液的适应范围较广。

由于立方氮化硼在高温下易氧化分解，所以其烧结温度不能超过1000℃，否则会影响立方氮化硼的超硬特性发挥，而且烧结温度越低越有利于超硬材料超硬特性的保持。而一般陶瓷材料在这样的温度下又难以烧结，因此一般陶瓷材料不能作为超硬材料的结合剂。我们通常所说的“陶瓷结合剂”实为一种玻璃结合剂。

微晶玻璃是指通过玻璃热处理来控制晶体的生长发育而获得的一种多晶材料。它既具有玻璃的基本性能也有陶瓷多晶体的特征，所以又称为玻璃陶瓷。玻璃陶瓷可以通过控制玻璃的析晶过程而控制析出晶体的组成、含量，从而调节材料的性能。一般玻璃陶瓷的强度远高于母体玻璃，并具有可调的热膨胀系数等性能，是一类性能优良并有挖掘潜力的材料。因此本发明采用一种可低温烧结并析晶，具有较低热膨胀系数，较高强度的低温微晶玻璃作为立方氮化硼的结合剂，以保证用其结合的立方氮化硼砂轮具有更高的强度、耐蚀性、磨削效率和使用寿命。

立方氮化硼砂轮块为弧型，若干个弧型砂轮块组成砂轮层，其原料组成为立方氮化硼、刚玉(辅助磨料)、微晶玻璃陶瓷结合剂，均采用工业原料，采用常规的制备方法。立方氮化硼磨料的粒度根据具体使用中被磨削曲轴表面粗糙度加工要求选用，刚玉粒度与立方氮化硼的粒度一致，为70/80～270/325目。根据砂轮的硬度要求设计砂轮块的密度和单重，根据模具的大小和砂轮直径计算整体砂轮需要的砂轮块的块数。经过配料、混合、过筛，然后加入粘结湿润剂，再混合、过筛，然后将混合料按一定的单重投入到模具中进行压制成型、烧结、析晶，制得立方氮化硼砂轮块。模具设计要一定保证烧结后的立方氮化硼砂轮块的弧度、宽度尺寸刚好与金属基体相吻合。具体实施例详见表1。

表1

№	立方氮化硼磨料(％)	刚玉(％)	微晶玻璃陶瓷结合剂(％)
№	立方氮化硼磨料(％)	刚玉(％)	微晶玻璃陶瓷结合剂(％)	实施例1	80	0	20
实施例2	75	5	20	实施例1	80	0	20
实施例2	75	5	20	实施例3	70	5	25
实施例4	65	10	25	实施例3	70	5	25
实施例4	65	10	25	实施例5	55	15	30
实施例6	45	20	35	实施例5	55	15	30

低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂采用常规的化工原料和常规的粉末烧结制备方法，将按配比称取的原料，经混合、熔炼、淬冷、粉碎而制得玻璃粉，这种玻璃粉低温下(低于920℃)经热处理而析晶，当其作为超硬材料工具的结合剂时，在合适的烧结温度下即可经保温热处理而析晶，而成为一种微晶玻璃陶瓷结合剂。

微晶玻璃陶瓷结合剂的具体实施例详见见表2。

表2

№	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
№	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	SiO₂(％)	51	62	55	40	58	70
B₂O₃(％)	17	12	15	25	10	5	SiO₂(％)	51	62	55	40	58	70
B₂O₃(％)	17	12	15	25	10	5	Al₂O₃(％)	2	2	3	2	5	2
Na₂O(％)	10	5	5	15	5	2	Al₂O₃(％)	2	2	3	2	5	2
Na₂O(％)	10	5	5	15	5	2	K₂O(％)	4	2	3	5	2	2
MgO(％)	4	3	5	3	2	2	K₂O(％)	4	2	3	5	2	2
MgO(％)	4	3	5	3	2	2	CaO(％)	2	4	2	3.5	3	2
Li₂O(％)	3	5	5	1	7	10	CaO(％)	2	4	2	3.5	3	2
Li₂O(％)	3	5	5	1	7	10	ZrO₂(％)	2	2.5	3	3.5	5	3
Sb₂O₃(％)	5	2.5	4	2	3	2	ZrO₂(％)	2	2.5	3	3.5	5	3
Sb₂O₃(％)	5	2.5	4	2	3	2	析晶温度(℃)	720	840	720	700	800	920

实施例1～6的具体析晶温度即为结合剂的烧结温度。可根据超硬材料和具体性能要求的不同而设计和制备不同析晶温度的微晶玻璃陶瓷结合剂。

具体的陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮块的烧结温度与所选用的具体微晶玻璃陶瓷结合剂的烧结析晶温度相一致。

将烧结后的立方氮化硼砂轮块3采用环氧树脂粘结剂粘接到基体1上，本实施例的基体1为钢基体，也可以采用其它金属材料作基体，环氧树脂粘结剂形成粘结层2，粘结层2要保证立方氮化硼砂轮块与块之间及立方氮化硼砂轮块与基体1之间不存有大的缝隙，然后加压、固化。

将固化好的组合砂轮卸压，进行表面清理和外观的修整，并对砂轮进行回转强度和动平衡等检测，使之满足不同曲轴磨削的具体要求。

本发明的检测方法采用欧洲标准EN 13236：2001。

本发明实施例1～6的具体检测指标为：

砂轮回转强度≥180m/s，砂轮外圆跳动≤0.01mm、端面跳动≤0.02mm；锥孔配合接触面积90％以上；动不平衡精度G0.4级。

磨削效果为：磨六缸柴油机曲轴(加工余量直径方向1.2mm)，加工节拍为10～12分钟/根，表面粗糙度≤Ra0.4，砂轮单次修整可磨削30根以上，单片砂轮寿命达到6000～8000根，与现有砂轮的约140m/s的回转强度和4000～6000根的砂轮磨削寿命相比，砂轮转速和砂轮磨削寿命均得以提高。

本发明并不局限于上述实施例，很多细节的变化是可能的，但这并不因此违背本发明的范围和精神。

Claims

1.一种低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，由基体、粘结层和砂轮块组成，其特征在于，所述砂轮块为立方氮化硼砂轮块，立方氮化硼砂轮块的原料组分及重量百分比含量为：45～80％立方氮化硼磨料，0～20％刚玉，20～35％陶瓷结合剂；所述陶瓷结合剂为低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂，其原料组分及重量百分比含量为：40～70％SiO₂，5～25％B₂O₃，2～5％Al₂O₃，2～15％Na₂O，2～5％K₂O，2～4％MgO，2～4％CaO，1～10％Li₂O，2～5％ZrO₂，2～5％Sb₂O₃。

2.根据权利要求1所述的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，其特征在于，所述的基体为金属基体。

3.根据权利要求2所述的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，其特征在于，所述的金属基体为钢基体。

4.根据权利要求1所述的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，其特征在于，所述砂轮使用的线速度可达160m/s。

5.根据权利要求1所述的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，其特征在于，所述的立方氮化硼磨料的粒度，与刚玉粒度相一致，为70/80～270/325目。

6.根据权利要求1所述的低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮直径为φ150～900mm。