CN103406841B - 实现磨料与空心球三维协同有序排布的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
磨料与空心球三维协同有序排布装置及其方法，通过水平旋转丝杆端部的手轮，经丝杆另一端连接的抱合件使丝杠的水平旋转运动变成顶杆的上下直线运动，从而在顶杆的带动下模块进行升降微调，改变上下模块之间的填充厚度，在下模块内填充复合结合剂材料，上模块压实，同时将下模块升至离模具型腔顶部的0.5-0.8d1，其中d1为超硬磨粒直径；借助磨料模板排布磨粒，并将磨粒压入结合剂层，下移下模块至离模具型腔顶部0.5-0.8d2，d2为空心球外径；借助空心球模板排布空心球并压实，下移下模块至离模具型腔顶部1mm的位置；重复以上步骤，获得型腔填充物；将顶杆移出模具型腔；冷压制坯脱模；填充物脱模；活化烧结，获得砂轮工作层节块。实现超硬磨料及空心球的高效、有序排布，缩短砂轮制造周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现磨料与空心球三维协同有序排布的装置及方法，属于多层超硬磨料工具制作领域。
背景技术
高性能超硬磨料砂轮是磨削加工的执行者和工具保障，承担着能否高效去除材料的决定性作用。磨粒、气孔、结合剂（胎体材料）是砂轮组织结构三要素。其中，磨粒是磨削行为的主体，现阶段，超硬磨料主要包括金刚石和立方氮化硼（CBN）。结合剂主要起将磨粒粘结成具有一定几何形状工具的作用，而气孔主要通过容屑、排屑、散热等作用直接影响磨削效率和质量，同时多孔结构还可在一定程度上降低砂轮的修整难度。但是，目前多层砂轮工作层造孔主要是添加造孔剂法和气体发泡法来制备，但是存在孔形不理想、孔尺寸不均匀、多孔体强度不够等问题，导致加工效率不高、质量稳定性差、砂轮修整频繁，这已成为制约高效深切磨削技术发展的瓶颈问题。为此，丁文锋等人成功研制了陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼砂轮（专利号ZL201212521616.5），将氧化铝（Al2O3）空心陶瓷球颗粒作为成孔材料，再添加TiN、TiC等增强颗粒到活性胎体合金组成复合结合剂，利用液相烧结过程中CBN磨粒、Al2O3陶瓷颗粒与胎体合金之间的化学连接制作具有多孔结构与高强度特性的砂轮工作层。目前，该砂轮工作层采用的生产工艺是将复合结合剂材料加一定浓度的CBN磨料，采用机械混料的方式，将CBN磨料与复合结合剂混合在一起，然后加入氧化铝空心球颗粒搅拌均匀，再装入模具内进行冷压制坯，最后进真空炉活化烧结成型。该工艺存在以下问题：（1）机械混料无法保证CBN磨料在金属结合剂中均匀分布，致使砂轮工作层局部表面CBN磨料聚集，局部表面只有结合剂无CBN磨料；（2）因CBN磨粒、氧化铝空心球颗粒分布不均，砂轮局部表面无空心球颗粒区域修整困难，磨削时结合剂易粘附堵塞，磨削阻力大；（3）因氧化铝空心球颗粒直径大，与粉末状结合剂混料后易分层，倒入模具时空心球易聚集在顶部，造成磨料层气孔率不一致，气孔率过大区域在重负荷磨削条件下易造成型面保持性差。此外，该专利仅涉及砂轮组元的配比及烧结工艺等砂轮制作层面，未涉及磨料与空心陶瓷球的三维可控有序排布技术的实现。因此，只有实现多层磨料与空心球在工作层内三维协同有序排布才能根本上解决上述问题。
近年来，在金刚石工具行业推出刀头金刚石磨料有序排布的新工艺，提高了锯切效率，延长了工具寿命，同时可节约金刚石等工具成本。其中韩国新韩金刚石工业公司开发的ARIX自动排布系统，可在刀头中均匀有序排布金刚石磨料。台湾的中国砂轮公司宋健民博士提出的专利技术（U.S.Patent6039641）是用模板法实施金刚石磨料的有序排布。瑞士ETH机床与加工研究所G.Burkhard博士提出的专利技术（EP1208345A）是利用点胶工艺排布磨料。专利（CN101745877A）和专利（CN101786263A）都提供了一种金刚石磨料有序排布系统及排布工艺方法，用于锯片刀头金刚石磨料的高效、有序排布。
上述专利基本实现了金刚石在锯片刀头中的有序排布，但目前为止，还未有专利涉及磨料与空心球协同有序排布技术与装置，并应用于多层超硬磨料砂轮工具的制作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磨料与空心球三维协同有序排布装置及方法，以实现多层砂轮工作层制造过程中超硬磨料及空心球的高效、有序排布，提高排布可操作性，缩短砂轮制造周期。
本发明提供的磨料与空心球三维协同有序排布装置，包括模具装置和下模块升降装置，模具装置与下模块升降装置通过紧固螺栓与底座之间的连接固定相对位置。
所述模具装置包括适合压制各种形状尺寸工作层的模具型腔和上下模块，上下模块可在模具型腔内做上下移动，上下模块之间用于填充工作层组元包括复合结合剂材料、磨料及空心陶瓷球，磨料与空心球分别采用不同的模板进行排布；所述下模块升降装置主要包括顶杆、基座、抱合件、丝杠、丝杠螺母、手轮、撑脚等。所述下模块升降运动主要通过旋转手轮，经抱合件使丝杠的旋转运动变成顶杆的直线运动，从而使顶杆带动下模块进行升降微调，改变上下模块之间的填充厚度。上下模块与模具型腔之间的配合公差为0.03~0.05mm。
磨料模板与空心球模板的外形尺寸同模具型腔；磨料模板和空心球模板上均用光化学刻蚀出均布的通槽，用来排布条状的超硬磨料和空心球，以实现砂轮磨料及气孔的径向连续分布；磨料模板和空心球模板的通槽位置正好错开；磨料模板厚度为d1，通槽宽度为1.3-1.5d1，通槽中心距为1-8mm；空心球模板厚度为0.5-0.8d2，通槽宽度为1.3-5d2，通槽中心距同磨料模板为1-8mm；其中d1为超硬磨料直径，d2为空心球外径；
所述磨料与空心球三维协同有序排布方法如下：
（1）旋转手轮使下模块升至离模具型腔顶部1mm的位置，填充复合结合剂材料，用上模块压实，同时将下模块升至离模具型腔顶部的0.5-0.8d1位置；其中d1为超硬磨粒直径；
（2）将磨料模板置于压实的复合结合剂表层，排布磨粒，移去模板后用上模块将磨粒压入结合剂层，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部0.5-0.8d2的位置；
（3）将空心球模板置于型腔顶部，排布空心球，移去模板后填充复合结合剂材料并用上模块压实，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部1mm的位置；
（4）重复以上操作若干次，获得一定高度的型腔填充物；
（5）松开紧固螺栓，旋转手轮用顶杆将填充物移出模具型腔；
（6）卸下模具，讲填充物置于粉末压片机上进行冷压制坯；
（7）脱模后置于真空炉中进行活化烧结，获得一定厚度的砂轮工作层节块。
复合结合剂材料包括金属胎体Cu-Sn-Ti合金和石墨颗粒，其中石墨颗粒占总质量的5-15%，混合后机械搅拌10分钟。磨料为超硬磨料CBN或金刚石，粒径为150-600微米。空心球为陶瓷空心球，材质可为氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）等，直径为0.2-2mm。
上述下模块离模具型腔顶部的距离和磨料直径（d1）及空心球外径（d2）的关系，是为了保证模板的通槽内正好排布一层磨粒和一层空心球。
本发明具有以下优点：
（1）凭借空心球颗粒形状尺寸的一致性，可主动控制砂轮工作层内气孔形状及分布情况，为砂轮提供充足的容屑空间和冷却效果；
（2）可以实现砂轮表面CBN磨粒有序排布；
（3）结合下模块升降装置，排布可操作性和灵活性好。
附图说明
图1为磨料与空心球三维可控协同排布装置结构示意图；
图2为模具型腔结构示意图；
图3为磨料排布模板结构示意图；
图4为空心球排布模板结构示意图；
图5为磨粒与空心球协同有序排布方式1示意图；
图6为砂轮表面磨粒形貌示意图；
图7为磨粒与空心球协同有序排布方式2示意图。
图8为磨粒与空心球协同有序排布方式3示意图。
图中：1、上模块，2、下模块，3、模具，4、顶杆，5、紧固螺栓，6、底座，7、抱合件，8、丝杆，9、丝杆螺母，10、手轮，11、撑脚，12、气孔，13、磨粒，14、复合结合剂。
具体实施方式
图1为磨料与空心球三维可控协同排布装置结构示意图；参照图1所示，磨料与空心球三维协同有序排布装置，包括模具装置和下模块升降装置，模具装置与下模块升降装置通过紧固螺栓5与底座6之间的连接固定相对位置。
所述模具装置包括适合压制各种形状尺寸工作层的模具型腔和上下模块1、2，上下模块可在模具型腔内做上下移动，上下模块之间的空间用于填充工作层组元包括复合结合剂材料、磨料及空心陶瓷球，复合结合剂材料包括金属胎体Cu-Sn-Ti合金和石墨颗粒，其中石墨颗粒占总质量的5-15%，混合后机械搅拌10分钟；磨料为超硬磨料CBN或金刚石，粒径为150-600微米。空心球为陶瓷空心球，材质可为氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）等，直径为0.2-2mm。
磨料与空心球分别采用不同的模板进行排布；所述下模块升降装置主要包括顶杆4、基座、抱合件7、丝杠8、丝杠螺母9、手轮10、撑脚11等。
下模块升降运动主要通过水平旋转丝杆8端部的手轮10，经丝杆另一端连接的抱合件7使丝杠8的水平旋转运动变成顶杆4的上下直线运动，从而在顶杆4的带动下模块进行升降微调，改变上下模块之间的填充厚度。
实施例1
图2为模具型腔结构示意图，如图2所示，模具型腔为弧形，外径400mm，内径388mm，弧度12°，30个砂轮节块制备一个直径为400mm砂轮。复合结合剂材料为粉末状，包括金属胎体合金Cu-Sn-Ti粉末和石墨颗粒，质量比为12.5:1，混合后机械搅拌10分钟。磨料选用CBN320，粒径（d1）为180微米。空心球选用氧化铝（Al2O3）空心陶瓷球，外径（d2）为600微米，壁厚约30微米。旋转手轮使下模块升至离模具型腔顶部1mm的位置，填充复合结合剂材料，用上模块压实，同时将下模块升至离模具型腔顶部的0.1mm位置；将CBN磨料模板（磨料模板的通槽宽度为0.3mm，通槽中心间距为2mm，如图3所示）置于压实的复合结合剂表层，排布CBN磨粒，移去模板后用上模块将CBN磨粒压入结合剂层，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部0.3mm的位置；将空心球模板（空心球模板的通槽宽度为1.5mm，通槽中心间距为2mm，如图4所示）置于型腔顶部，排布空心球，移去模板后填充复合结合剂并用上模块压实，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部1mm的位置；重复以上操作15次，获得约15mm高的型腔填充物；松开紧固螺栓，旋转手轮用顶杆将填充物移出模具型腔；卸下模具，置于粉末压片机上进行冷压制坯；脱模后置于真空炉中进行活化烧结，获得工作层节块厚约8mm。实施例1所实现的工作层内部多层磨粒与空心球协同有序排布效果如图5所示。
实施例2
模具型腔为弧形，外径150mm，内径138mm，弧度30°，12个砂轮节块制备一个直径为150mm砂轮。复合结合剂材料由粉末状金属胎体合金Cu-Sn-Ti合金和石墨颗粒，按质量比12.5:1混合后机械搅拌10分钟。磨料选用CBN982，粒径为500微米。空心球选用氧化铝（Al2O3）空心陶瓷球，外径为600微米，壁厚约60微米。旋转手轮使下模块升至离模具型腔顶部1mm的位置，填充复合结合剂材料，用上模块压平；将CBN磨料模板（磨料模板的通槽宽度为0.8mm，通槽中心间距为3mm）置于压平的复合结合剂表层，排布CBN磨粒，移去模板后用上模块将CBN磨粒压入结合剂薄坯层，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部0.5mm的位置；将空心球模板（空心球模板的通槽宽度为2mm，通槽中心间距为3mm）置于型腔顶部，排布空心球，移去模板后填充复合结合剂薄坯并用上模块压实，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部1mm的位置；重复以上操作15次，获得约15mm高的型腔填充；松开紧固螺栓，旋转手轮将顶杆移出模具型腔；卸下模具，置于粉末压片机上进行冷压制坯；脱模后置于真空炉中进行活化烧结，获得工作层节块厚约8mm。实施例2所实现的工作层内部多层磨粒与空心球协同有序排布效果如图6所示。
实施例3
模具型腔为弧形（如图2），外径150mm，内径138mm，弧度30°，12个砂轮节块制备一个直径为150mm砂轮。复合结合剂材料由粉末状金属胎体合金Cu-Sn-Ti合金和石墨颗粒，按质量比12.5:1混合后机械搅拌10分钟，然后调成糊状压成厚度为1mm的弧形薄坯。磨料选用金刚石YK9，粒径为180微米。空心球选用氧化铝（Al2O3）空心陶瓷球，直径为300微米，壁厚约20微米。旋转手轮使下模块升至离模具型腔顶部1mm的位置，置入弧形薄坯，用上模块压平；将金刚石磨料模板（磨料模板的通槽宽度为0.3mm，通槽中心间距为2mm）置于压平的复合结合剂薄坯表层，排布金刚石磨粒，移去模板后用上模块将金刚石磨粒压入结合剂薄坯层，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部0.2mm的位置；将空心球模板（空心球模板的通槽宽度为1.2mm，通槽中心间距为2mm）置于型腔顶部，排布空心球，移去模板后填充复合结合剂薄坯并用上模块压实，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部1mm的位置；重复以上操作15次，获得约15mm高的型腔填充；松开紧固螺栓，旋转手轮将顶杆移出模具型腔；卸下模具，置于粉末压片机上进行冷压制坯；脱模后置于真空炉中进行活化烧结，获得工作层节块厚约8mm。实施例3所实现的工作层内部多层磨粒与空心球协同有序排布效果如图7所示。
实施例1-3实现的工作层表面磨粒形貌如图8所示，磨粒间距p可通过调整磨料与空心球模板上的通槽中心距（1-8mm）实现。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
Claims (3)
1.磨料与空心球三维协同有序排布装置，其特征在于包括模具装置和下模块升降装置，模具装置与下模块升降装置通过紧固螺栓与底座之间的连接固定相对位置；
所述模具装置包括模具型腔和上下模块，上下模块可在模具型腔内做上下移动，上下模块之间用于填充包括复合结合剂材料、磨料及空心陶瓷球的工作层组元，磨料与空心陶瓷球分别采用磨料模板、空心陶瓷球模板进行排布；
下模块升降装置包括顶杆、基座、抱合件、丝杠、丝杠螺母、手轮、撑脚，丝杆端部设置手轮，另一端经连接的抱合件连接到顶杆，下模块在顶杆的上下直接运动的带动下进行升降微调，改变上下模块之间的填充厚度;
上下模块与模具型腔之间的配合公差为0.04±0.01mm；
模具型腔为弧形；磨料模板与空心陶瓷球模板的外形尺寸同模具型腔；磨料模板和空心陶瓷球模板上均匀布置通槽，且磨料模板和空心陶瓷球模板的通槽相互错位；磨料模板厚度为d1，通槽宽度为(1.3-1.5)d1，通槽中心距为1-8mm；空心球模板厚度为(0.5-0.8)d2，通槽宽度为(1.3-5)d2，空心陶瓷球模板的通槽中心距与磨料模板的通槽中心距相同；其中d1为超硬磨料直径，d2为空心球外径。
2.基于权利要求1所述的磨料与空心球三维协同有序排布装置的磨料与空心球三维协同有序排布方法，其特征在于步骤如下：
（1）旋转手轮使下模块升至离模具型腔顶部便于填充复合结合剂材料的位置，填充复合结合剂材料，用上模块压实，同时将下模块升至离模具型腔顶部的（0.5-0.8）d1位置；复合结合剂材料包括金属胎体Cu-Sn-Ti合金和石墨颗粒，其中石墨颗粒占总质量的5-15%，混合后机械搅拌均匀；磨料为超硬磨料CBN或金刚石，粒径为150-600微米；空心球为陶瓷空心球，材质为氧化铝或氧化锆，直径为0.2-2mm；
（2）将磨料模板置于压实的复合结合剂表层，排布磨粒，移去模板后用上模块将磨粒压入结合剂层，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部(0.5-0.8)d2的位置；
（3）将空心球模板置于型腔顶部，排布空心球，移去模板后填充复合结合剂材料并用上模块压实，同时旋转手轮下移下模块至离模具型腔顶部1mm的位置；
（4）重复以上步骤，获得型腔填充物；
（5）松开紧固螺栓，旋转手轮将顶杆移出模具型腔，卸下模具；
（6）将模具置于粉末压片机上进行冷压制坯，获得成型的填充物；
（7）填充物脱模后置于真空炉中进行活化烧结，获得砂轮工作层节块。
3.根据权利要求2所述的磨料与空心球三维协同有序排布方法，其特征在于所述步骤（1）便于填充复合结合剂材料的位置是距离模具型腔顶部1mm的位置。
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