CN101590626B - 一种竹陶瓷砂轮及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种竹陶瓷砂轮及其制备方法和应用，所述竹陶瓷砂轮是由下列原料经混合、装模、热压成型、脱模，得到毛坯砂轮，烘焙后制成；所述的原料质量配比组成为：酚醛树脂20％～30％、磨粒20～30％、竹炭粉40％～60％。本发明所述的竹陶瓷砂轮用于ELID磨削，可使得加工表面质量更优良。与现有技术相比，本发明在原料中引入了竹炭，竹炭资源丰富且环保，并且由于竹炭具有微孔结构，有助于磨削。本发明砂轮制备简单，制得的的竹陶瓷砂轮加工表面具有极高的表面完整性及洁净度、加工效率高、可以加工粘性、软性等难加工材料，为磨削加工开辟了新途径，环保无污染。
Description
技术领域
本发明属于精密与超精密加工领域，涉及一种竹陶瓷砂轮及其制备方法和应用，尤其是在ELID平面磨削加工中的应用。
背景技术
在线电解修整(ELID，Electrolysis In-process Dressing)磨削可实现硬脆材料高效率、超精密表面加工，已成为今后超精密磨削加工的主要手段与研究方向之一。随着新型材料与精密器件的不断开发出现，对于加工表面质量的要求越来越高。
现有ELID磨削主要采用铸铁基结合剂金刚石或CBN砂轮，依靠铸铁结合剂材料经过电解在砂轮表面形成氧化膜，使金刚石磨粒露出砂轮表面，产生在线电解修锐的效果。这种方法尚存在以下问题：
1)铸铁结合剂金刚石砂轮制造需要特殊的烧制工艺与设备，以及在氮气保护下高达1100℃的烧结炉内高压烧结，成本昂贵，制作大型砂轮异常困难。
2)铸铁结合剂金刚石砂轮刚性较高，加工过程中的振动和冲击易造成工件表面的损伤，对于加工设备与工艺有较高要求。
3)铸铁氧化膜形成需要较大的电解电流及较长的预电解时间，需要较大功率的电解电源，以及较长的预电解时间。
4)对于单晶硅、铌酸锂等功能材料的超光滑表面加工，要求加工表面具有极高的表面完整性及洁净度，ELID磨削过程中工件加工表面有受到砂轮中的铁、钼等金属元素污染的可能性。
因此，有必要开发一种新型环保的ELID磨削用砂轮，结合ELID磨削技术，开发出一种制作更容易、使用更方便、加工表面质量更优良的超精密加工方法与技术，为超精密加工技术的研究与发展提供一个新的方向与途径。
发明内容
为了解决上述现有ELID磨削主要采用的铸铁基结合剂金刚石或CBN砂轮存在的制作困难、成本昂贵、对加工设备和工艺要求高、并且对于功能材料的洁净表面加工容易造成污染等诸多问题，本发明提供了一种新型环保、制备容易、使用方便的竹陶瓷砂轮(BambooCharcoal Bond砂轮，简称BCB砂轮)。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种竹陶瓷砂轮(BCB砂轮)，是由下列原料经混合、装模、热压成型、脱模，得到毛坯砂轮，烘焙后制成；所述的原料质量配比组成为：酚醛树脂20～30％、磨粒20～30％、竹炭粉40～60％。
本发明所述的磨粒为可以导电的磨粒，如氧化铝磨粒、金刚石等。所述的酚醛树脂作为结合剂，所述的竹炭粉可增强导电性。本领域技术人员可以根据实际需要(比如砂轮是用于精磨还是粗磨等)来控制磨粒的粒度。本发明中磨粒直径一般在1μm～0.5mm，树脂和竹炭粉的直径都要比所选的磨粒直径小。
本发明还提供了一种竹陶瓷砂轮的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料混合：将酚醛树脂、磨粒、竹炭粉称重后按质量配比投料，搅拌混合均匀制成混合料；
(2)装模、热压成型、脱模：将步骤(1)制得的混合料装模、热压成型、脱模，得到毛坯砂轮；
(3)高温炭化：将步骤(2)制得的毛坯砂轮置于马弗炉中，常压下加热至500～900℃，保持2～2.5h，冷却即得到竹陶瓷砂轮。
(4)砂轮检测：动平衡测试，外圆修正。
本发明所述的磨粒为可以导电的磨粒，如氧化铝磨粒、金刚石等。所述的酚醛树脂作为结合剂，所述的竹炭粉可增强导电性。本领域技术人员可以根据实际需要(比如砂轮是用于精磨还是粗磨等)来控制磨粒的粒度。本发明中磨粒直径一般在1μ～0.5mm，树脂和竹炭粉的直径都要比所选的磨粒直径小。进一步，本发明步骤(2)所述的热压成型可采用常规工艺条件，具体推荐步骤(2)所述的热压成型条件为：从室温加热到100～120℃保持10～20min，加压力20～25MPa；然后将温度加热到240～260℃保持40～60min，加压力40～45MPa。
步骤(3)中，优选以10℃/min的平均升温速度加热至500～900℃，最优选加热至900℃进行炭化反应。
本发明所述的竹陶瓷砂轮用于ELID磨削，可使得加工表面质量更优良。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
a)本发明在原料中引入了竹炭，竹炭资源丰富且环保，并且由于竹炭具有微孔结构，有助于磨削。本发明制得的竹陶瓷砂轮加工表面具有极高的表面完整性及洁净度、加工效率高、可以加工粘性、软性等难加工材料，为磨削加工开辟了新途径，环保无污染。
b)本发明所述的竹陶瓷砂轮采用生活中常见的竹炭作为原材料，制造简单，不需要氮气保护下高达1100℃的烧结炉内高压烧结、制造成本低。
附图说明
图1为本发明采用的热压成型工艺流程；
图2为本发明制得的竹陶瓷砂轮的内部成分结构，其中①为磨粒，②为竹炭，③为结合剂，④为气孔；
图3为本发明制得的竹陶瓷砂轮的SEM照片；
图4为酚醛树脂、磨粒、竹炭粉按质量比例20％∶20％∶60％；在不同温度下炭化得到的竹陶瓷砂轮的X射线衍射分析结果对比图；
图5为本发明采用的ELID磨削加工系统，其中1为砂轮，2为电刷，3为工件，4为工作台，5为喷嘴，6为电极，7为磨削液，8为电源。
具体实施例
下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
酚醛树脂(2123型)、磨粒(氧化铝3000#)、竹炭粉(12500#)三种材料分别称重后按质量比例20％∶20％∶60％用搅拌机搅拌10分钟，混合均匀制成混合料；混合料装入模具中，合模。将模具放入热压机中，从室温加热到120℃保持10min，加压力20MPa，温度加热到240℃保持42min，加压力40MPa。取出模具使其冷却到室温，开模取出毛胚砂轮。将成型的半成品砂轮放入马弗炉里，常压下，以10℃/min的平均升温速度加热至900℃，保持2h，最后随炉冷却，即得到竹陶瓷砂轮1，其性能如表1所示。
实施例2
酚醛树脂(2123型)、磨粒(氧化铝3000#)、竹炭粉(12500#)三种材料分别称重后按质量比例25％∶20％∶55％用搅拌机搅拌10分钟，混合均匀制成混合料；混合料装入模具中，合模。将模具放入热压机中，从室温加热到120℃保持20min，加压力10MPa，温度加热到240℃保持40min，加压力42MPa。取出模具使其冷却到室温，开模取出毛胚砂轮。将成型的半成品砂轮放入马弗炉里，常压下，以10℃/min的平均升温速度加热至900℃，保持2h，最后随炉冷却，其性能如表1所示。
实施例3
酚醛树脂(2123型)、磨粒(氧化铝3000#)、竹炭粉(12500#)三种材料分别称重后按质量比例30％∶20％∶50％用搅拌机搅拌10分钟，混合均匀制成混合料；混合料装入模具中，合模。将模具放入热压机中，从室温加热到120℃保持10min，加压力20MPa，温度加热到240℃保持42min，加压力40MPa。取出模具使其冷却到室温，开模取出毛胚砂轮。将成型的半成品砂轮放入马弗炉里，常压下，以10℃/min的平均升温速度加热至900℃，保持2h，最后随炉冷却，即得到竹陶瓷砂轮3，其性能如表1所示。
实施例4
改变高温炭化温度，在常温下分别以10℃/min的平均升温速度加热至500℃、750℃，其他条件同实施例1。所制得的竹陶瓷砂轮的X衍射图谱如图4所示。
表1竹陶瓷砂轮的性能测试结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 洛氏硬度/HRB | 61 | 81 | 90 |
| 抗压强度/MPa | 52.07 | 67.34 | 98.91 |
| 质量磨损量/g | 0.4 | 0.25 | 0.2 |
质量磨损试验条件：在磨损试验机上，工作条件压力500N，转速80r/min
实施例5：竹陶瓷砂轮和CBN铸铁结合剂砂轮磨削不锈钢结果对比
试验条件：新型BCB砂轮(实施例1)和市售CBN铸铁结合剂砂轮(郑州砂轮厂生产，磨粒4000#)磨削加工试验是在由ELID磨削专用高频脉冲电源、搭载ELID磨削系统的MM7120A型卧轴矩台精密平面磨床(在原先平面磨床上安装了ELID系统，用于在线电解磨削加工，ELID系统是在1987年由日本理化学研究所大森整博士开发出了在线电解修整砂轮磨削技术)以及磨削液(上海光铧科技有限公司生产的GH-8002磨削液)组成的加工系统，如图5所示。
磨削加工实验中新型BCB砂轮进给深度5μm，CBN铸铁结合剂砂轮进给深度1μm，其他加工条件相同下，加工SUS304不锈钢进行对比实验，加工实验参数如表2所示，实验结果如表3所示。
表2加工实验参数
表3竹陶瓷砂轮及CBN铸铁结合剂砂轮粗糙度
| 粗糙度Ra(μm) | 砂轮磨削深度(μm) | |
| BCB砂轮 | 0.020 | 5 |
| CBN铸铁结合剂砂轮 | 0.040 | 1 |
从实验结果对比可以看出，竹陶瓷砂轮比铸铁结合剂CBN砂轮加工表面质量好(粗糙度值较低)，加工效率高(砂轮磨削深度较大)。
Claims (10)
1.一种竹陶瓷砂轮，是由下列原料经混合、装模、热压成型、脱模，得到毛坯砂轮，烘焙后制成；所述的原料质量配比组成为：酚醛树脂20％～30％、磨粒20～30％、竹炭粉40％～60％；
所述竹陶瓷砂轮的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料混合：将酚醛树脂、磨粒、竹炭粉称重后按质量配比投料，搅拌混合均匀制成混合料；
(2)装模、热压成型、脱模：将步骤(1)制得的混合料装模、热压成型、脱模，得到毛坯砂轮；
(3)高温炭化：将步骤(2)制得的毛坯砂轮置于马弗炉中，常压下加热至500～900℃，保持2～2.5h，冷却即得到竹陶瓷砂轮。
2.如权利要求1所述的竹陶瓷砂轮，其特征在于所述的酚醛树脂、磨粒、竹炭粉按质量配比为20～30％∶20％∶50％～60％。
3.如权利要求1或2所述的竹陶瓷砂轮，其特征在于所述的磨粒为氧化铝磨粒或金刚石磨粒。
4.一种如权利要求1所述的竹陶瓷砂轮的制备方法，其特征在于所述制备方法包括如下步骤：
(1)将酚醛树脂、磨粒、竹炭粉按质量配比20～30％∶20～30％∶50％～60％投料，搅拌混合均匀制成混合料；
(2)将步骤(1)制得的混合料装模、热压成型、脱模，得到毛坯砂轮；
(3)将步骤(2)制得的毛坯砂轮置于马弗炉中，常压下加热至500～900℃，保持2～2.5h，冷却即得到竹陶瓷砂轮。
5.如权利要求4所述的竹陶瓷砂轮的制备方法，其特征在于所述的酚醛树脂、磨粒、竹炭粉按质量配比为20～30％∶20％∶50％～60％。
6.如权利要求4或5所述的竹陶瓷砂轮的制备方法，其特征在于所述的磨粒为氧化铝磨粒或金刚石磨粒。
7.如权利要求4或5所述的竹陶瓷砂轮的制备方法，其特征在于步骤(2)所述的热压成型条件为：从室温加热到100～120℃保持10～20min，加压力20～25MPa；然后将温度加热到240～260℃保持40～60min，加压力40～45MPa。
8.如权利要求4或5所述的竹陶瓷砂轮的制备方法，其特征在于步骤(3)中以10℃/min的平均升温速度加热至500～900℃。
9.如权利要求4或5所述的竹陶瓷砂轮的制备方法，其特征在于步骤(3)中加热至900℃。
10.如权利要求1所述的竹陶瓷砂轮在ELID磨削中的应用。
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