CN103586784A

CN103586784A - 一种超高速磨削用复合材料砂轮

Info

Publication number: CN103586784A
Application number: CN201310551593.6A
Authority: CN
Inventors: 傅玉灿; 杨路; 徐九华; 田霖; 赵家延
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Jiangsu Hangpu Guochuang Composite Material Research Institute Co.,Ltd.
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-08
Also published as: CN103586784B

Abstract

本发明公开了一种超高速磨削用复合材料砂轮，包括砂轮基体、结合剂层和磨料层，其特征在于：所述砂轮基体由金属骨架和复合材料包覆体构成，所述的金属骨架包括轮毂、轮缘以及连接所述轮毂和轮缘的辐板，在所述的轮毂上设有至少三个位于同一圆上的安装孔，所述的复合材料包覆体设置在所述的轮毂与轮缘之间并与所述的辐板成为一体，所述的结合剂层以及磨料层设置在所述轮缘的外表面。本发明砂轮通过高频感应钎焊工艺实现超硬磨料与基体高强度连接，磨削速度可以达到200m/s以上。

Description

一种超高速磨削用复合材料砂轮

技术领域：

本发明涉及超高速磨削领域，具体涉及一种超高速磨削用复合材料砂轮。

背景技术：

超高速磨削是机械加工领域中先进制造技术的重要组成部分，是通过提高砂轮线速度（即磨削速度）来达到提高金属磨除率和工件加工质量的工艺方法，应用高效率、高精度、高自动化、高柔性的磨削设备，能最大限度地提高工件加工效率，加工精度和加工表面质量。随着能源、汽车、航空航天等高端产业对零件的加工精度与效率越来越高的要求，国际上许多发达国家均把超高速磨削工艺与装备的研究作为机械制造领域的重要课题列入研究范围。

超高速磨削研究中，由于主轴转速高达上万转每分钟，其要求砂轮基体和磨料层具有极高的机械强度，并且同时要求结合剂具有极高的连接强度以保证砂轮磨料层在超高速磨削条件下能够稳固可靠地工作。此外，砂轮在如此高转速条件下，其径向膨胀量应尽可能减小，砂轮基体材料还应具有极高的弹性模量。砂轮基体的重量也应尽可能的减小，以使得整个主轴系统承载减小，其固有频率提升，而且易于安装。极高的阻尼特性，高的导热率，以及耐高温特性也是超高速磨削砂轮在设计制造时所必须考虑的。

目前常用的高速超高速砂轮结构大多是基体中心带有法兰盘安装通孔的结构，且砂轮直径和厚度尺寸较大，选用材料多为钢类密度较大材料，导致砂轮笨重，不宜安装于高精密、高转速的主轴上，且随着主轴转速的提高，基体由于自身质量产生的离心力将成转速平方的关系增高，故而其中心通孔会在离心应力的作用下膨胀，导致法兰与砂轮基体配合间隙增大，定位精度极大降低，砂轮基体易膨胀变形，从而使得磨削精度降低，不利于超高速磨削机理的研究。

国外也有使用CFRP（碳纤维增强树脂）砂轮进行超高速磨削研究的相关报道，虽然基体和磨料的强度很高，且整个砂轮重量相对较轻，但其基本都是用陶瓷结合剂进行基体和磨料粘结的，由于该结合剂自身特性的限制，一般磨削速度最高可达200m/s，理论上无法实现更高的磨削速度，因而使用范围受到约束。

发明内容：

发明目的：

针对以上存在的问题，本发明的目的在于提供一种适合超高速磨削用的磨削精度高且磨粒不易脱落的复合材料砂轮，以便可以进行磨削速度可达200m/s以上的超高速磨削研究。

技术方案：

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种超高速磨削用复合材料砂轮，包括砂轮基体、结合剂层和磨料层，其特征在于：所述砂轮基体由金属骨架和复合材料包覆体构成，所述的金属骨架包括轮毂、轮缘以及连接所述轮毂和轮缘的辐板，在所述的轮毂上设有至少三个位于同一圆上的安装孔，所述的复合材料包覆体设置在所述的轮毂与轮缘之间并与所述的辐板成为一体，所述的结合剂层以及磨料层设置在所述轮缘的外表面。

本发明砂轮的轮毂上有安装孔，通过螺钉与主轴安装固定，从而可以保证砂轮在高转速条件下的安装精度，且基体上预留动平衡用螺纹孔。考虑到复合材料密度小，如CFRP材料密度仅1.6g/cm³，用该材料做基体的砂轮重量相比钢基体砂轮将大幅度减小（幅度可达75%），从而降低了高速主轴轴端承载力，提高了整个主轴系统固有频率，砂轮也易于安装和拆卸。此外，复合材料砂轮比弹性模量（弹性模量与材料密度之比）和比强度（抗拉强度与材料密度之比）极高，CFRP材料热膨胀系数仅为钢的7.7%左右，阻尼特性好，故本发明所述砂轮基体材料主要用复合材料如CFRP材料。

所述的复合材料包覆体包括第一包覆体和第二包覆体，所述的第一包覆体位于所述的辐板之间并与所述辐板上下表面平齐，所述的第二包覆体位于所述辐板的上下两个表面，在辐板上下两个表面厚度方向上沿环向和径向分层交替布置复合材料纤维并通过合成树脂热压成所述的第二包覆体。复合材料纤维沿环向和径向分层交替布置，可提高砂轮径向和环向的抗拉强度，避免了砂轮在高速回转时某个方向可能产生的疲劳变形。

在所述相邻两辐板之间的轮缘内侧设置有环形孔，所述的复合材料纤维绕制在所述的环形孔内并通过所述合成树脂与轮缘整体连接。

在所述的砂轮基体上设置有动平衡孔。

所述磨料层为金刚石或立方氮化硼磨料，并均匀有序排布于结合剂层表面。

所述砂轮结合剂层为Ag-Cu-Ti钎料，通过高频感应钎焊工艺实现磨料层与砂轮基体高强度连接。

结合剂种类很多，但适合超高速磨削一般只有陶瓷结合剂、电镀以及钎焊工艺。考虑到磨削速度可达200m/s以上，本例采用超高频感应钎焊工艺，其要求被钎焊材料导电，故所述砂轮基体除了复合材料之外，还有金属材料，如45钢。

所述砂轮基体用复合材料采用沿轮毂圆周方向纤维缠绕或沿所述砂轮厚度方向分层网状纤维堆积并在金属材料结构上设置环形孔用于复合材料纤维与金属材料结构局部强化连接，最后用合成树脂热压成型。

有益效果：

1、本发明超高速磨削用复合材料砂轮，取消基体中心孔，采用轮毂外圆柱面和端面定位并用螺钉与主轴连接，从而可以保证砂轮在高转速条件下的安装精度，且基体上预留动平衡用螺纹孔，可实现极高的动平衡精度。

2、所述砂轮基体选用复合材料如CFRP，可以很大程度减小砂轮重量，减小主轴承载，提高主轴系统固有频率，且复合材料比强度和比弹性模量较大，可以减少砂轮高速时的应力膨胀变形，此外，复合材料砂轮热膨胀系数极小，减小了砂轮的热膨胀变形。复合材料砂轮阻尼特性好，减小振动，且耐高温。

3、所述砂轮采用超高频感应钎焊的结合剂方式。基体轮缘表面布有Ag-Cu-Ti钎料作为结合剂，然后在其表面均匀有序排布单层超硬磨粒如金刚石或CBN，通过高频感应钎焊工艺，实现磨粒与砂轮基体高强度连接，在超高速磨削过程中，磨粒与基体结合强度高，不易脱落，最大安全线速度可达200m/s以上。

附图说明：

图1是本发明超高速磨削用复合材料砂轮实施例1主视图；

图2是实施例1旋转剖结构示意图（按某一比例放大）；

图3是实施例1基体中金属材料结构部分示意图；

图4是实施例1基体中金属材料结构与复合材料结构一组合示意图；

图5是本发明超高速磨削用复合材料砂轮实施例2主视图；

图6是实施例2半剖视图（按某一比例放大）。

图中各标号的名称：1、10：砂轮基体；2、20：结合剂层；3、30：磨料层；

11、101：金属材料结构；12：复合材料结构一；102：复合材料结构二；13：复合材料结构三；

111、1011：轮毂；112、1012：安装孔：113、1013：轮缘；114：环形孔；115、1015：辐板；116、1016：动平衡孔。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实例对本发明进一步说明：

本发明超高速磨削用复合材料砂轮实施例1如图1、图2、图3、图4所示。

图1所示为实施例1主视图，所发明砂轮主要由砂轮基体1，结合剂层2和磨料层3组成，且考虑到超高速运转，砂轮必须进行相应的动平衡，从而在砂轮基体1上沿周向均布8～12个动平衡孔116，通过加重或减重的方式实现砂轮高动平衡精度。

如表1所示为CFRP和45钢材料物理性能对比。考虑到复合材料密度小，如CFRP材料密度仅为1.6g/cm³，用该材料做基体的砂轮重量相比钢基体砂轮将大幅度减小（幅度可达75%），从而降低了高速主轴轴端承载力，提高了整个主轴系统固有频率，砂轮也易于安装和拆卸。此外，复合材料砂轮比弹性模量（弹性模量与材料密度之比）和比强度（抗拉强度与材料密度之比）极高，CFRP材料热膨胀系数仅为钢的7.7%左右，阻尼特性好。更重要的是由于复合材料纤维排布可控，只要结构设计允许，复合材料砂轮基体部分可以进行局部强度强化。故本发明所述砂轮基体材料主要用复合材料如CFRP材料。

表1CFRP和45钢材料物理性能对比

材料	CFRP	45钢
			密度（g/cm³）	1.6	7.85
纵向抗拉强度（GPa）	2.25-2.55	1.86
			横向抗拉强度（MPa）	57	1860
纵向弹性模量（GPa）	142-150	210
			横向弹性模量（GPa）	5.7	210
泊松比	0.27	0.3
			最大纵向应变（%）	1.3-1.5	4.0
最大横向应变（%）	0.6	4.0
			纵向热膨胀系数（×10^-6℃）	0.9	11.7

结合剂种类很多，但适合超高速磨削一般只有陶瓷结合剂、电镀以及钎焊工艺。考虑到磨削速度可达200m/s以上，本例采用超高频感应钎焊工艺，其要求被钎焊材料导电，故所述砂轮基体1除了复合材料之外，还有金属材料，如45钢。

图3所示为实施例1基体中金属材料结构部分示意图。轮毂111上有安装孔112,通过高强度螺钉将砂轮安装到主轴上。轮缘113用于钎焊磨料工艺，环形孔114用于将复合材料中纤维缠绕排布，辐板115用于将轮毂111和轮缘113连接，以保证整个砂轮基体1的高强度，且辐板115的厚度小于轮缘113的厚度。

根据表1可知，复合材料如CFRP具有各向异性，其纵向抗拉强度和弹性模量远比横向抗拉强度和弹性模量大，故而用于制作砂轮的复合材料需同时考虑径向和环向两个方向的高强度。目前常用的制作复合材料结构方法为纤维缠绕或者沿厚度方向采用网状织物堆积，然后用合成树脂进行热压成型。

如图4所示为实施例1砂轮基体的结构示意图，其中金属骨架为金属材料结构11，复合材料包覆体包括复合材料结构一12构成的第一包覆体和复合材料结构二13构成的第二包覆体。复合材料结构12可以是沿厚度方向分层网状纤维堆积并用合成树脂热压成型后，以扇形块状形式压入金属材料结构11相邻幅板之间空间，然后再次用合成树脂热压使二者可靠粘结；亦可以直接基于金属材料结构11及辐板115进行纤维缠绕然后用合成树脂热压使复合材料与金属材料可靠粘结。但该两种方式都需满足复合材料结构一12厚度与辐板厚度一致。基于此，在组合体上下两个表面厚度方向上沿环向和径向分层交替布置复合材料纤维，且在有环形孔114位置处沿径向贯穿缠绕复合材料纤维以增强复合材料与金属材料11之间连结强度，并且各层复合材料之间和复合材料与金属基体11之间均布置合成树脂，最终再次热压成型，此方法形成复合材料结构三13。

根据上述实施方案，最终形成本发明超高速磨削用复合材料砂轮基体1，然后在其轮缘113表面均匀布置结合剂层2，如Ag-Cu-Ti钎料，接着在其面上均匀有序排布磨料层3，如超硬磨料CBN磨粒和金刚石磨粒，通过高频感应钎焊工艺，实现磨料层与基体高强度粘结。如图2所示为实施例1旋转剖结构示意图。

本发明超高速磨削用复合材料砂轮实施例2如图5和图6所示。

图5是本发明超高速磨削用复合材料砂轮实施例2主视图。所发明砂轮主要由砂轮基体10，结合剂层20和磨料层30组成，且考虑到超高速运转，砂轮必须进行相应的动平衡，从而在砂轮基体10上沿周向均布8～12个动平衡孔1016，通过加重或减重的方式实现砂轮高动平衡精度。

图6是实施例2半剖视图。相比较于实施例1，实施例2的辐板1015采用回转连续体，然后在其上下两个表面厚度方向上沿环向和径向分层交替布置复合材料纤维，并且各层复合材料之间和复合材料与金属材料结构101之间均布置合成树脂，最终热压成型；亦可以在辐板1015上下两个表面上，沿着轮毂1011进行纤维缠绕，然后以合成树脂进行与金属材料结构101热压成型，此方法形成复合材料结构二102。

根据上述实施方案，最终形成本发明超高速磨削用复合材料砂轮基体10，然后在其轮缘1013表面均匀布置结合剂层20，如Ag-Cu-Ti钎料，接着在其面上均匀有序排布磨料层30，如超硬磨料CBN磨粒和金刚石磨粒，通过高频感应钎焊工艺，实现磨料层与基体高强度粘结。

在超高速磨削过程中，按实施例1或实施例2制作出的复合材料砂轮重量大幅度减小，变形量大幅度减小，受热时砂轮膨胀量大幅度减小且更耐高温，阻尼特性大幅提高，磨粒与基体结合强度高，不易脱落，可达到最大安全线速度200m/s以上，更适合于超高速磨削工艺的研究。

Claims

1.一种超高速磨削用复合材料砂轮，包括砂轮基体、结合剂层和磨料层，其特征在于：所述砂轮基体由金属骨架和复合材料包覆体构成，所述的金属骨架包括轮毂、轮缘以及连接所述轮毂和轮缘的辐板，在所述的轮毂上设有至少三个位于同一圆上的安装孔，所述的复合材料包覆体设置在所述的轮毂与轮缘之间并与所述的辐板成为一体，所述的结合剂层以及磨料层设置在所述轮缘的外表面。

2.根据权利要求1所述的一种超高速磨削用复合材料砂轮，其特征在于：所述的复合材料包覆体包括第一包覆体和第二包覆体，所述的第一包覆体位于所述的辐板之间并与所述辐板上下表面平齐，所述的第二包覆体位于所述辐板的上下两个表面，在辐板上下两个表面厚度方向上沿环向和径向分层交替布置复合材料纤维并通过合成树脂热压成所述的第二包覆体。

3.根据权利要求2所述的一种超高速磨削用复合材料砂轮，其特征在于：在所述相邻两辐板之间的轮缘内侧设置有环形孔，所述的复合材料纤维绕制在所述的环形孔内并通过所述合成树脂与轮缘整体连接。

4.根据权利要求1所述的一种超高速磨削用复合材料砂轮，其特征在于：在所述的砂轮基体上设置有动平衡孔。

5.根据权利要求1所述的一种超高速磨削用复合材料砂轮，其特征在于：所述磨料层为金刚石或立方氮化硼磨料，并均匀有序排布于结合剂层表面。

6.根据权利要求1所述的一种超高速磨削用复合材料砂轮，其特征在于：所述砂轮结合剂层为Ag-Cu-Ti钎料，通过高频感应钎焊工艺实现磨料层与砂轮基体高强度连接。