CN102229127A - 磨料工具的液态铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磨料工具的液态铸造方法，通过以下步骤实现：A、制备铸造磨料工具的成型模具；B、在该成型模具的内腔中排布多个磨料颗粒；C、将胎体材料熔炼成熔融的液态胎体材料；D、将液态的该胎体材料浇入该成型模具中，并控制该胎体材料的冷却温度；E、待该胎体材料在该成型模具中冷却成型后，去掉该成型模具并取出含有该磨料颗粒的铸件，便制成磨料工具。本发明磨料工具的液态铸造方法，可以增加胎体材料对磨料颗粒的把持力，提高磨料工具的使用性能和寿命，另外也可缩短磨料工具的生产制造周期。

Description

磨料工具的液态铸造方法
技术领域
本发明涉及一种磨料工具的制造方法，特别是涉及一种磨料工具的液态铸造方法。
背景技术
磨料工具在工程应用中广泛应用于精密加工、材料的锯切、钻探等工程领域，而磨料工具主要有以下两种制备方法：烧结和电镀。
第一种烧结方法中，通过烧结使结合剂与磨料颗粒形成机械钳合、化学键合或二者混合的联结方式。大量研究认为，结合剂与磨料之间产生化学键合时，磨料颗粒才能被牢固把持，不易脱落，磨具才具有较高的磨削效率和使用寿命；但考虑到磨料的热稳定性，烧结温度一般较低，胎体难于形成真正的合金状态，与磨料颗粒无法充分形成化学结合。
第二种电镀方法中，电镀磨料工具中磨料颗粒只是被机械包埋在镀层金属中，把持力小，磨料颗粒在负荷较重的高效磨削中易脱落，或镀层成片剥落而导致整体失效；而采用增加镀层厚度以增加把持力，会使磨料颗粒的裸露高度和容屑空间减小，容易发生堵塞，散热效果差，工件表面容易发生烧伤。这些弊端大大限制了电镀磨料工具在高效磨削中的应用，因而电镀磨料工具一般用于磨削负荷较小的场合。
为了开发更好的磨料工具，人们一直在探索生产制造磨料工具的新方法和技术，以便提高磨料工具的加工效率和使用寿命，同时降低其生产周期和成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种制造成本低且磨料颗粒不易脱落的磨料工具的液态铸造方法。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种磨料工具的液态铸造方法，通过以下步骤实现：A、制备铸造磨料工具的成型模具；B、在该成型模具的内腔中排布多个磨料颗粒；C、将胎体材料熔炼成熔融的液态胎体材料；D、将液态的该胎体材料浇入该成型模具中，并控制该胎体材料的冷却温度；E、待该胎体材料在该成型模具中冷却成型后，去掉该成型模具并取出含有该磨料颗粒的铸件，便制成磨料工具。
所述步骤B中，用粘结剂将所述磨料颗粒粘结在所述成型模具的内腔中，或在所述成型模具的内腔中排布多个凹坑，在该凹坑内设置所述磨料颗粒，或用固定板排布所述磨料颗粒；或在所述步骤D的铸造过程中，通过喷射或溅射的方式加入所述磨料颗粒。
所述步骤C和D在空气中、真空环境或惰性气体中进行。
所述胎体材料使用铝基、铁基、铜基、钴基和镍基合金中的一种或多种。
所述胎体材料使用陶瓷材料或橡胶材料。
所述胎体材料中添加钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)和镍(Ni)元素中的一种或多种。
所述步骤D中，通过模具温度控制系统控制所述胎体材料的冷却温度，该模具温度控制系统的冷却介质使用空气、水、液态氨、液态氮和液态惰性气体中的一种或多种。
所述磨料颗粒使用金刚石和立方氮化硼(CBN)中的一种或多种。
所述磨料颗粒使用碳化硅和刚玉中的一种或多种。
所述成型模具的型腔对应成型单层的磨料工具或多层的磨料工具；或者所述成型模具的型腔对应成型磨具、锯切工具或钻探工具。
采用上述方法后，本发明磨料工具的液态铸造方法具有以下有益效果：
一、将胎体材料熔炼成熔融的液态金属，浇注入事先设计制造好的成型模具中，使胎体材料冷却而制成磨料工具，通过铸造的方法，将液态金属作为液态结合剂而与成型模具的内腔中的磨料颗粒结合，增加胎体材料对磨料颗粒的把持力，提高磨料工具的加工效率和使用寿命，同时降低其生产周期和成本；
二、通过模具温度控制系统控制胎体材料的冷却温度，进一步提高了冷却温度的控制精度，使温度的波动范围更小，更稳定。
附图说明
图1为磨料颗粒的固定示意图；
图2为模具温度控制系统的原理图。
图中：
成型模具 1    胎体材料 2
磨料颗粒 3    粘结剂   4
固定板   5
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例一
磨料工具的液态铸造方法通过以下步骤实现：
A、根据待制备金刚石工具单层砂轮的形状和特点制备合适的铸造成型模具及模具温度控制系统；
其中，模具温度控制系统的原理如图2所示，成型模具1以冷却水为介质，冷却水依次流经通过管路连接的水压表、水温表、第一手动流量调节阀、第一电磁流量调节阀和流量计后进入成型模具1，从成型模具1流出后流经另一水温表测温后流出。连接第一手动流量调节阀和第一电磁流量调节阀的管路并联有备用冷却水管路，该备用冷却水管路也依次连接有第二手动流量调节阀和第二电磁流量调节阀；第一电磁流量调节阀和第二电磁流量调节阀受数据采集与控制系统CPU控制。该数据采集与控制系统CPU的对应输入端与埋设在成型模具1中的热电偶的输出端相连接；该数据采集与控制系统CPU的对应输入端与温度设定模块的输出端相连接，该数据采集与控制系统CPU的对应输出端与温度显示和温度超限警报模块的输入端相连接。
该模具温度控制系统带有上、下限温度设定和温度超限警报功能，可以实现金属型在50-600℃的可控温度范围。冷却水流量可以由数据采集与控制系统CPU控制、第一电磁流量调节阀和第二电磁流量调节阀等来实现自动调节，也可以由第一手动流量调节阀和第二手动流量调节阀等来实现手动调节。在调试阶段，冷却水流量由第一手动流量调节阀和第二手动流量调节阀来实现开通、关闭和调节流量的大小。
通过设置上述备用冷却水管路，可以提高系统的可靠性，当型温超过设定上限温度或主冷水路发生故障时，上述备用冷却水管路开通；当型温低于设定下限温度时，上述备用冷却水管路关闭。
模具温度控制系统设置了冷却水流量控制伺服系统，根据上述热电偶检测到的金属型温度的高低程度，控制上述第一电磁流量调节阀和上述第二电磁流量调节阀，以实现自动调节冷却水流量，使金属型温度波动范围更小，更稳定，进一步提高了金属型温度的控制精度。这里的“金属型”即指用金属材料制成的铸型；
B、如图1所示，选用适当的粘结剂4先将磨料颗粒3按照预先确定的排布要求粘结在成型模具1的内腔中；或者用适当材料制成的固定板5来排布磨料颗粒3，固定板5沿成型模具1内腔壁的四周设置；或者在成型模具1的内腔中根据要求先在成型模具1的内腔的腔壁上制备排布磨料颗粒3的凹坑，在该凹坑内设置磨料颗粒3；其中，磨料颗粒3可使用金刚石或立方氮化硼(CBN)等超硬磨料，也可以使用碳化硅或刚玉等普通磨料；
其中，粘结剂4是用来固定磨料颗粒，其成分为质量百分比浓度为5～9％的水玻璃(Na2SiO3)的水溶液。
C、选用锡青铜ZQSn 6-6-3作为胎体材料2，并添加铬元素，在真空环境中进行熔炼，使其成为熔融的液态金属；根据磨料工具的胎体金属材料的特性，可选用在空气、真空环境或特殊气体保护气氛中熔炼胎体金属材料，使胎体金属成为熔融的液态金属；
D、将温度为1150℃的液态胎体材料作为结合剂快速浇注入步骤B中的成型模具1中，浇注时间≤5s，并通过模具温度控制系统控制步骤C中的该胎体金属的冷却速度；其中，模具温度控制系统的介质可以使用空气、水、液态氨、液态氮和液态惰性气体中的一种或多种；
其中，冷却方式为待快速浇注完毕后，强冷至1050℃、然后保温6min，再以20℃/min冷却速度进行冷却；
E、待液态金属在模具冷却成型并达到适当的温度，例如200℃后，去掉成型模具并取出含有金刚石的铸件，便得到金刚石工具单层砂轮。
实施例二
磨料工具的液态铸造方法通过以下步骤实现：
A、根据待制备金刚石工具多层砂轮的形状和特点制备合适的铸造成型模具及模具温度控制系统；
B、选用锡青铜ZQSn 6-6-3作为胎体材料2，并添加铬元素，在真空环境中进行熔炼，使胎体金属成为熔融的液态金属；
C、将温度为1150℃的液态胎体材料浇入步骤A中的成型模具中，并在浇注过程中通过喷射或溅射的方式加入金刚石颗粒，浇注时间≤3s，并通过模具温度控制系统控制胎体金属的冷却温度；
其中，冷却方式为待快速浇注完毕后，强冷至1050℃、然后保温6min，再以20℃/min冷却速度进行冷却。
D、待液态胎体金属在成型模具中冷却成型并达到适当的温度，例如200℃后，去掉成型模具并取出含有金刚石颗粒的铸件，便得到金刚石工具多层砂轮。
本发明磨料工具的液态铸造方法中，用于铸造磨料工具的胎体材料可以采用铝基、铁基、铜基、钴基和镍基合金以及它们中的一种或几种形成的混合合金，也可以为陶瓷材料或橡胶材料；为了提高胎体对磨料颗粒的把持力，在胎体材料的基础上根据要求可添加钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)和镍(Ni)等元素。
采用本发明磨料工具的液态铸造方法，可以将成型模具及磨料工具制成各种形状，可以是规则的圆盘状、碟状或锥状等，也可以是不规则的形状；磨料工具可以制成单层或多层，磨料颗粒可以随机分布也可以按照特定的要求进行排布。总之，本发明磨料工具的液态铸造方法所制成的磨料工具包括磨具、锯切工具、钻探工具等，应用范围十分广泛。
上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
A、制备铸造磨料工具的成型模具；
B、在该成型模具的内腔中排布多个磨料颗粒；
C、将胎体材料熔炼成熔融的液态胎体材料；
D、将液态的该胎体材料浇入该成型模具中，并控制该胎体材料的冷却温度；
E、待该胎体材料在该成型模具中冷却成型后，去掉该成型模具并取出含有该磨料颗粒的铸件，便制成磨料工具。
2.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述步骤B中，用粘结剂将所述磨料颗粒粘结在所述成型模具的内腔中，或在所述成型模具的内腔中排布多个凹坑，在该凹坑内设置所述磨料颗粒，或用固定板排布所述磨料颗粒；或在所述步骤D的铸造过程中，通过喷射或溅射的方式加入所述磨料颗粒。
3.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述步骤C和D在空气中、真空环境或惰性气体中进行。
4.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述胎体材料使用铝基、铁基、铜基、钴基和镍基合金中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述胎体材料使用陶瓷材料或橡胶材料。
6.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述胎体材料中添加钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)和镍(Ni)元素中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述步骤D中，通过模具温度控制系统控制所述胎体材料的冷却温度，该模具温度控制系统的冷却介质使用空气、水、液态氨、液态氮和液态惰性气体中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述磨料颗粒使用金刚石和立方氮化硼(CBN)中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述磨料颗粒使用碳化硅和刚玉中的一种或多种。
10.如权利要求1所述的磨料工具的液态铸造方法，其特征在于，所述成型模具的型腔对应成型单层的磨料工具或多层的磨料工具；或者所述成型模具的型腔对应成型磨具、锯切工具或钻探工具。
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