CN102416602A - 立方氮化硼砂轮 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个目的是提供一种尤其适于粗研磨的立方氮化硼砂轮。CBN砂轮(30)中包括的CBN磨粒具有多晶CBN磨粒(32)和具有四面体构造的单晶CBN磨粒(31)。单晶CBN磨粒(31)的共混比例等于或大于单晶和多晶CBN磨粒体积总和的50％。

Description

立方氮化硼砂轮
技术领域
本发明涉及通过包括立方氮化硼(在下文称为CBN)磨粒形成的CBN砂轮。
背景技术
在现有的CBN砂轮中，例如日本专利申请特开2010-131699公开了一种具有一类CBN磨粒的CBN砂轮。在其它现有CBN砂轮中，例如日本专利申请特开平9-267266公开了一种具有单晶CBN磨粒和多晶CBN磨粒二者的CBN砂轮。单晶CBN磨粒因为自发产生切割部分而具有良好的切割锐度，而多晶CBN磨粒因为磨粒自身的优异强度而具有良好的涂饰性(finishing)，如在日本专利申请特开平9-267266中公开的。
一般而言，需要一种在粗研磨中减小研磨力和磨损的砂轮。减小研磨力导致抑制发热值并且提高加工效率。减少磨损提高砂轮的寿命。
发明内容
鉴于前述情形，本发明的一个目的是提供一种特别适于粗研磨的立方氮化硼砂轮。
为了实现上述和其它目的，本发明的一个方面提供一种立方氮化硼(在下文称为CBN)砂轮，其通过用粘合剂材料粘结CBN磨粒形成，其中所述CBN磨粒包括具有四面体构造的单晶CBN磨粒和多晶CBN磨粒；并且所述单晶CBN磨粒的体积相对于所述单晶和多晶CBN磨粒的体积之和的比例等于或大于50％。由于所述具有四面体构造的单晶CBN磨粒具有锐利的劈面，所以单晶CBN磨粒有助于减小研磨力。另一方面，由于多晶CBN磨粒具有高韧性的特性，所以多晶CBN磨粒具有自身不磨损的趋势。因此，倾向于多晶CBN磨粒可以位于距离CBN砂轮表面远的位置处，而具有四面体构造的单晶CBN磨粒位于多晶CBN磨粒沿径向的内侧位置处。通过该结构，多晶CBN磨粒可以承受较大的力，而单晶CBN磨粒承受较小的力。通过CBN砂轮表面上的这些构造，具有四面体构造的单晶CBN磨粒可以减小研磨力，使得多晶CBN磨粒可以实现其优异的耐磨性能。由于单晶CBN磨粒的体积比等于或大于50体积％，所以具有四面体构造的单晶CBN磨粒被稳定地定位以能够研磨工件。因此，根据本发明的CBN砂轮可以实现粗研磨所需的有用特性。
本发明的第二方面主要提供粘合剂材料，所述粘合剂材料中不包括与大气连通的连续孔，但是其中包括不与所述大气连通的各自孤立的微细孔。一般而言，具有连续孔的CBN砂轮倾向于具有不良的磨粒保持力，使其难以将单晶CBN磨粒和多晶CBN磨粒保持在其初始状态。因此，现有的CBN砂轮在提高耐磨性能和减小研磨力方面有困难。一般而言，CBN砂轮能够制造为在粘合剂材料中没有任何的孔，使得CBN砂轮能够提高保持力，但是具有进行修整(dressing)的问题，因此实际上无法制造所述CBN砂轮。然而，根据第二方面的CBN砂轮包括各自孤立的微细孔，使其可以实现高的保持力，由此将单晶CBN磨粒和多晶CBN磨粒保持在其初始状态。结果，本发明可提高耐磨性能并减小研磨力。
本发明的第三方面主要提供包含氧化物材料和非晶态玻璃的粘合剂材料。由此，氧化物材料和非晶态玻璃用作泡沫材料以制造各自孤立的微细孔，从而实现上述效果。
附图说明
本发明的各种其他目的、特征和许多伴随优点将容易理解，因为其通过参考以下优选实施方案的详细说明并结合附图考虑而变得更好理解，附图中：
图1是从轴向观察的砂轮的图；
图2是CBN砂轮的示意图；
图3是示出CBN砂轮的砂轮寿命和研磨功率的关系的图。
具体实施方式
下面将参考图1和2描述根据本发明的具有立方氮化硼(在下文称为CBN)砂轮的砂轮的优选实施方案。砂轮10包括由金属如铁、铝等形成的圆盘状基底20，接合在基底20的外围表面上的多段CBN砂轮30，如图1所示。所述多段CBN砂轮30由沿径向厚5至10mm的多个弧形段构成并且集中且排列成一个圆环形状。
如图2所示，每个CBN砂轮30都包括具有四面体构造的单晶CBN磨粒31、多晶CBN磨粒32和玻璃化结合粘合剂材料33。
具有四面体结构的单晶CBN砂轮31具有能够相对容易地被载荷磨破或破碎从而变成具有变锐利的劈面状态的特性。锐利的劈面因为四面体构造而明显出现。多晶CBN磨粒32具有高韧性特性。CBN砂轮30的单晶CBN磨粒31的体积相对于单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32的体积相加的总体积的比例等于或大于50体积％。单晶CBN磨粒31的平均直径与多晶CBN磨粒32的平均直径之比为3/5至4/5。下面将详细描述体积比和平均直径比的内容。
玻璃化结合粘合剂材料33由氧化物颗粒33a和非晶态玻璃33b构成。玻璃化结合粘合剂材料33分别覆盖在单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32的表面上，以使单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32彼此结合。使预定数目的各自孤立的微细孔33c填充在玻璃化结合粘合剂材料33中。每个所述各自孤立的微细孔33c构造成为不暴露于大气。从上述构造，各自封闭的微细孔33c不是与大气连通的连续孔。因此，玻璃化结合粘合剂材料33不包括与大气连通的连续孔。
下面将详细说明玻璃化结合粘合剂材料33。添加氧化物颗粒33a以增强非晶态玻璃33b的强度，所述氧化物颗粒33a选自硅酸盐矿物如锆石(ZrSiO4)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化铝(Al2O3)等中的一种。非晶态玻璃33b可以选自硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃等。氧化物颗粒33a和非晶态玻璃33b各自的线性热膨胀系数基本上等于粘结后CBN磨粒31、32的线性热膨胀系数。线性热膨胀系数可能在(3.5±2)×10-6/℃(三点五加或减二后乘以十的负六次方/摄氏度)的范围内。在此条件下，CBN磨粒31、32、氧化物颗粒33a和非晶态玻璃33b不会因温度变化而导致分离，由此保持CBN砂轮30的品质。
构成玻璃化结合粘合剂33的氧化物颗粒33a和非晶态玻璃33b以3∶7～4∶6的体积比混合并成型。其原因在于，如果氧化物颗粒的体积比在30％之下，则非晶态玻璃33b的流动性不能受限而使CBN砂轮30的轮廓在焙烤期间或之后破坏其边角成圆的。并且，如果氧化物颗粒33a的体积比超过40％，则包括氧化物颗粒33a的非晶态玻璃33b变得过于刚性和坚硬，使得修整能力变差并且发热值大，由此导致研磨烧损。结果，CBN砂轮30构造为使氧化物颗粒33a的体积比介于30％和40％之间，以使CBN砂轮30被烧制成具有合适刚性的期望轮廓。
最佳的是按下述方式制造CBN砂轮30：玻璃化结合粘合剂33的体积相对于CBN磨粒31、32的体积总和之比为1∶1～6∶1。该体积比对应于CBN磨粒31、32的50至200的集中度(concentrating degree)。低集中度导致CBN砂轮30从开始就不承受任何大的研磨力，由此不产生研磨烧损。
添加锆石(ZrSiO4)作为氧化物颗粒33a并且经烧制的玻璃化结合粘合剂材料33覆盖CBN磨粒31、32的外围并且嵌入CBN磨粒31、32之间的空间中，并且使每个CBN磨粒31、32结合。多个各自孤立的微细孔33c以预定体积比形成在玻璃化结合粘合剂材料33中，并且嵌入CBN磨粒31、32之间的空间中。各自孤立的微细孔33c是各自封闭或孤立的、不与大气连通的孔。预定体积比是适于维持玻璃化结合粘合剂材料33与CBN磨粒31、32的保持力并维持玻璃化结合粘合剂材料33的修整能力的体积比。玻璃化结合粘合剂材料33的各自孤立的微细孔33c与非晶态玻璃33b的预定体积比最佳为8％±4％。控制各自孤立的微细孔33c的体积比是通过调节下述制造过程中混合的泡沫材料的体积来实现的。各自孤立的微细孔33c的平均直径最好形成为CBN磨粒31、32的平均直径的从1％至12％或13％。
“砂轮的制造工艺”
下面将说明砂轮10的制造工艺。首先，将说明圆形CBN砂轮30的制造工艺。均匀混合氧化物颗粒33a和非晶态玻璃33b的粉末，并且全部氧化物颗粒33a的总体积与全部非晶态玻璃33b的总体积之比为3∶7～4∶6。以单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为90∶10～50∶50的状态均匀混合具有四面体结构的单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32。调节单晶CBN磨粒31的平均直径与多晶CBN磨粒32的平均直径之比为3/5至4/5。
将单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32混入玻璃化结合粘合剂材料33中以均匀散射。玻璃化结合粘合剂材料33的体积相对于CBN磨粒31、32的总体积之比为1∶1～6∶1。
形成玻璃化结合粘合剂材料33中的各自孤立的微细孔33c的泡沫材料是六方氮化硼(hBN)，并且均匀混合hBN的粉末。泡沫材料的量为0.5体积％至2体积％的非晶态玻璃33b。泡沫材料可以是萤石(CaF2)或碳酸钙(CaCO3)。
玻璃化结合粘合剂材料33、CBN磨粒31、32和泡沫材料的混合物进入模具中以通过预定压力进行压制并随后烧制。玻璃化结合粘合剂材料33的结合力通过调节用于压制的压力来调节。作为泡沫材料的hBN和非晶态材料33b在烧制期间反应生成气体。所产生的气体变成在玻璃化结合粘合剂材料33中形成的各自孤立的微细孔33c。
多个各自孤立的微细孔33c形成在玻璃化结合粘合剂材料33中以通过上述制造工艺制造具有四面体构造的单晶CBN磨粒31以及具有多晶CBN磨粒32的CBN砂轮30。有益的是使各自孤立的微细孔33c的平均直径为CBN磨粒31、32的平均直径的从1％至12％或13％。例如，有益的是，通过调节泡沫材料的量，在CBN磨粒31、32的平均直径为100微米的情况下，各自孤立的微细孔33c的平均直径为从1微米至12或13微米。砂轮10通过将所制造的CBN砂轮30的多个弧形段结合到主体20的外围表面来完成，如图1所示。
“评价试验”
下文说明CBN砂轮30关于砂轮寿命和研磨力的评价试验。
“评价条件”
评价条件如下。工件由球墨铸铁(FCD)制成，并且为圆柱形式，对其外围表面进行感应淬火。砂轮10是盘状形式，直径为350mm。表面速度为80m/s(每秒80米)，并且研磨效率是50mm3/mm/s(50立方毫米每毫米每秒)。
关于由砂轮10构成的CBN砂轮30，准备了几种类型的单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比以及单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的平均直径比。在本发明的该实施方案中，所准备的四种类型的单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为100∶0、90∶10、75∶25和0∶100。在具有单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32二者的类型中，两种类型的单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的平均直径比为1∶1和2∶3。
“试验结果”
试验结果在图3中示出。图3的横轴表示砂轮寿命，纵轴表示由研磨力换算的研磨功率。图3中的符号“A”示出单晶CBN磨粒31为100％体积比的类型，图3中的符号“B”示出多晶CBN磨粒32为100％体积比的类型。符号“C1”示出单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为90∶10并且单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的平均直径比为1∶1的类型。符号“C2”示出单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为90∶10并且单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的平均直径比为2∶3的类型。符号“D1”示出单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为75∶25并且单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的平均直径比为1∶1的类型。符号“D2”示出单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为75∶25并且单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的平均直径比为2∶3的类型。
如图3所示，与由“A”示出的单晶CBN磨粒31为100％体积比的类型相比，由“B”示出的多晶CBN磨粒32为100％体积比的情形表现出砂轮寿命提高，但是表现出大的研磨力(其换算成图3中的研磨功率)。因此，需要的是具有与单晶CBN磨粒31为100％体积比的类型相同的研磨力并且具有提高的砂轮寿命的砂轮10。此处示出了两种类型中从“A”至“B”的直线，每种类型都仅有多晶CBN磨粒32或仅有单晶CBN磨粒31，目的是将具有单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32的共混物的“C1”、“C2”、“D1”和“D2”中的类型与在“A”和“B”中的类型相比较。
“C1”、“C2”、“D1”和“D2”均位于“A”和“B”的直线下方，使得“C1”、“C2”、“D1”和“D2”中的每一个均相比于具有相同砂轮寿命的符号显示出减小的研磨力。该结果表明，通过共混单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32可以减小研磨力并保持合理的砂轮寿命。
在研磨力过高的情况下，可能发生研磨烧损。因此，应将研磨力控制在较低水平。“C1”、“C2”、“D1”或“D2”处的研磨力与单晶CBN磨粒31为100％体积比的类型相比不是很大。结果，“C1”、“C2”、“D1”或“D2”处的研磨力是可用的。因此，“C1”、“C2”、“D1”或“D2”的类型大幅提高砂轮寿命，且同时该类型具有与单晶CBN磨粒31为100％体积比的类型相同的研磨力。
参考图3，其将说明单晶CBN磨粒31的平均直径与多晶CBN磨粒32的平均粒径不同的类型。这是图3中“C1”和“C2”的比较以及“D1”和“D2”的比较。
由于符号“C2”示出单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为90∶10并且单晶CBN磨粒31的平均直径为多晶CBN磨粒32的平均直径的三分之二(2/3)的类型，所以与具有相同平均直径的“C1”类型相比，“C2”的类型具有几乎相同的砂轮寿命但是减小了研磨力。由于符号“D2”示出单晶CBN磨粒31与多晶CBN磨粒32的体积比为75∶25并且单晶CBN磨粒31的平均直径为多晶CBN磨粒32的平均直径的三分之二(2/3)，所以与具有相同平均直径的“D1”类型相比，“D2”的类型具有几乎相同的砂轮寿命但是减小了研磨力。因此，通过单晶CBN磨粒31的平均直径为多晶CBN磨粒32的平均直径的三分之二(2/3)的方式，可以在相同砂轮寿命的情况下减小研磨力。
“证实”
将证实，通过将单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32混合，大幅减小了研磨力。如图2所示，单晶CBN磨粒31和多晶CBN磨粒32在砂轮10的外围表面上从玻璃化结合粘合剂材料33暴露出来。CBN磨粒31、32均可以通过从玻璃化结合粘合剂材料33暴露出来而研磨工件。
具有四面体构造的单晶CBN磨粒31具有能够相对容易地被载荷磨破或破碎从而变成具有锐利的劈面状态的特性，如上所述。另一方面，由于多晶CBN磨粒32具有高韧性特性，所以其不像单晶CBN磨粒31那样容易磨破或破裂。因此，倾向于多晶CBN磨粒32可以位于距离砂轮10表面远的位置处，而具有四面体构造的单晶CBN磨粒31位于多晶CBN磨粒32的内侧位置处，如图2所示。通过这种构造，多晶CBN磨粒32可以承受较大的力，而单晶CBN磨粒31承受较小的力。
通过砂轮10的表面上的这些构造，具有四面体构造的单晶CBN磨粒31通过多晶CBN磨粒32能实现其优异的耐磨性的方式而不容易被磨破或破裂。由此，通过具有四面体构造的单晶CBN磨粒31，砂轮寿命可以延长，并且可稳定地实现研磨力减小。在选定单晶CBN磨粒31的体积比等于或大于50％体积的类型时，暴露的单晶CBN磨粒31的比例增加，使得工件可以被具有四面体构造的单晶CBN磨粒31稳定地研磨。因此，研磨力可以稳定地减小。
更好的情形是，单晶CBN磨粒31的平均直径与多晶CBN磨粒32的平均直径之比等于或小于五分之四(4/5)。通过单晶CBN磨粒31的平均直径小于多晶CBN磨粒32的平均直径的构造，多晶CBN磨粒32位于比单晶CBN磨粒31距离砂轮10的表面更远的位置处，由此其可以将具有四面体构造的单晶CBN磨粒31定位在多晶CBN磨粒32的内侧位置处，如图2所示。
此外，最佳的情形是，单晶CBN磨粒31的平均直径与多晶CBN磨粒32的平均直径之比等于或大于五分之三(3/5)。通过单晶CBN磨粒31的平均直径不比多晶CBN磨粒32小太多的构造，单晶CBN磨粒31可以从砂轮10的表面上的玻璃化结合粘合剂材料33稳定地暴露出来。因此，通过单晶CBN磨粒31的平均直径与多晶CBN磨粒32的平均直径比之为五分之三(3/5)至五分之四(4/5)的构造，多晶CBN磨粒32可以位于离砂轮10的表面远的位置处，而具有四面体构造的单晶CBN磨粒31可以位于多晶CBN磨粒的内侧位置处。
各自孤立的微细孔33c不是与大气连通的连续孔，并且形成在嵌入CBN磨粒31、32之间的空间的玻璃化结合粘合剂材料33中，使得CBN磨粒31、32的保持力增加。由此，可以将CBN磨粒31、32保持在上述状态。换言之，本发明的CBN砂轮10通过具有各自孤立的微细孔33c而可以提高耐磨性并且降低研磨力。而且，本发明的CBN砂轮10可以通过各自孤立的微细孔33c而具有良好的修整能力，由此通过各自孤立的微细孔33c而使CBN砂轮30具有高的性能。
如上所述，根据本发明的CBN砂轮30可以通过上述构造而降低研磨力和磨损性。降低磨损性有助于抑制发热值并提高加工效率。降低磨损性提高砂轮寿命。降低研磨力和磨损性尤其在粗研磨中是重要的因素。因此，砂轮10适于粗研磨，由此能够用于取代车削(turning)。
虽然已经参考优选的实施方案详细描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明不限于这些实施方案，并且在权利要求范围内的多种其他实施方案中可以实现本发明。
例如，虽然粘合剂材料在所述实施方案中是玻璃化结合材料，但是本发明不限于这种构造，而是可以应用多种粘合剂材料如金属结合剂。

Claims (5)

1.一种立方氮化硼(CBN)砂轮(30)，所述砂轮(30)通过用粘合剂材料(33)粘结CBN磨粒形成，其中：
所述CBN磨粒包括具有四面体构造的单晶CBN磨粒(31)，和多晶CBN磨粒(32)；并且
所述单晶CBN磨粒(31)的体积相对于所述的单晶CBN磨粒和多晶CBN磨粒的体积之和的比例等于或大于50％。
2.根据权利要求1所述的立方氮化硼(CBN)砂轮(30)，其中所述单晶CBN磨粒(31)的直径与所述多晶CBN磨粒(32)的直径之比为3/5至4/5。
3.根据权利要求2所述的立方氮化硼(CBN)砂轮(30)，其中所述粘合剂材料(33)中不包括与大气连通的连续孔，但是其中包括不与所述大气连通的各自孤立的微细孔(33c)。
4.根据权利要求3所述的立方氮化硼(CBN)砂轮(30)，其中所述粘合剂材料(33)包含氧化物材料和非晶态玻璃。
5.一种立方氮化硼(CBN)砂轮(30)，所述砂轮(30)通过用粘合剂材料(33)粘结CBN磨粒形成，其中：
所述CBN磨粒包括具有四面体构造的单晶CBN磨粒(31)，和多晶CBN磨粒(32)；
所述单晶CBN磨粒(31)的体积相对于所述的单晶CBN磨粒和多晶CBN磨粒的体积之和的比例等于或大于50％；
所述单晶CBN磨粒(31)的直径与所述多晶CBN磨粒(32)的直径之比为2/3；
所述粘合剂材料(33)中不包括与大气连通的连续孔，但是其中包括不与所述大气连通的各自孤立的微细孔(33c)；并且
所述粘合剂材料(33)包含氧化物材料和非晶态玻璃。
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