CN103846817B - 磨料群与气孔三维可控排布cbn砂轮制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮及其制造方法，该砂轮由基体和粘接于基体的磨料层组成，磨料层包含磨料群区和胎体区两部分，磨料群在磨料层中呈连续或离散分布。磨料群与气孔可控排布通过控制磨料群排布模板、胎体材料排布模板、陶瓷空心球排布模板的槽孔或圆孔相对于模具型腔的位置及尺寸分层实现，磨料群排布模板的槽孔与胎体材料排布模板的槽孔位置互补，气孔排布模板孔群区和胎体材料排布模板槽孔区重合。该方法工艺简单、成本低廉，制备的砂轮寿命长、自锐性好、磨削效率高，适用于高温合金和钛合金等高强韧性难加工材料的高效精密磨削。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮及其制造方法，属于超硬磨料磨具制造技术领域。
背景技术
CBN砂轮因其磨粒优异的物理化学性能而被广泛应用于镍基合金、钛合金为代表的高强韧难加工材料的高效精密和超精密磨削加工。当前CBN超硬磨料砂轮可分为单层砂轮和多层砂轮两种，单层CBN砂轮的理论研究和磨削实践已经证明合理控制CBN磨料在砂轮工作层的分布可大幅提高砂轮的磨削性能。由于技术水平所限，目前CBN砂轮磨粒有序排布多在单层砂轮内实现，单层砂轮工作层只含有一层磨料，砂轮修整难度大，砂轮磨削性能严重受CBN砂轮基体形状精度及磨粒等高性的影响。同时单层砂轮使用寿命不足。这在一定程度上限制了CBN砂轮高效磨削潜能的发挥。因此，开发一种磨料在三维空间内可控排布的CBN砂轮一直是业内一致追求的目标。
有鉴于此，丁文锋等提出了通过使用纤维磨粒实现磨粒在陶瓷结合剂CBN砂轮内三维有序排布的方法（专利申请号：201210203443.1），此方法通过将提前制备的截面尺寸为(0.3~0.5)mm×(0.3~0.5)mm、长度为3~5mm的纤维磨粒在陶瓷结合剂CBN砂轮内部实现有序分布从而实现磨粒在CBN砂轮内部的有序排布。该方法制备的陶瓷结合剂CBN砂轮具有磨粒或磨料群在砂轮磨料层中有序性好，砂轮自锐性好，寿命长和磨削效率高的优异性能，然而需要提前制备大量微细尺寸的纤维磨粒，纤维磨粒制备过程对设备要求高且制备的纤维磨粒质量不易控制，因此CBN砂轮制备具有工艺复杂，成本高的特点。针对这个问题，同时考虑到多层CBN砂轮气孔结构的无序性带来的CBN砂轮气孔有效率低、工作层强度差的特点，上述专利持有者丁文锋等人于2013年又开发出了一种实现磨粒与气孔在多层超硬磨料砂轮内部三维协同排布的方法及其装置（专利申请号：201310321169.2），该方法不需要制备纤维磨粒，使用陶瓷空心球作为造孔材料，通过特定的模板、模具装置和下模块升降装置实现磨粒与气孔在超硬磨料砂轮内部的三维协同排布，该方法简化了磨粒三维可控排布CBN砂轮的制备工艺，同时可控制磨料层中气孔大小及分布情况，从而为砂轮提供充足的容屑空间和冷却效果。但磨粒有序排布砂轮磨粒间距一般远大于磨粒随机分布CBN砂轮，带来的后果为磨粒有序排布CBN砂轮磨削过程中单颗磨粒切厚大，磨粒承受载荷大，磨粒容易快速磨损或脱落，然而磨粒有序排布砂轮磨粒脱落后原位置没有后续磨粒补充，因而造成砂轮工作状态失衡，影响了磨粒有序排布砂轮优异磨削潜能的发挥。
高航等曾提出磨料群三维多层可控优化排布电镀工具的制备思路及方法（专利申请号：200710010921.6），该方法通过增厚复合电镀掩膜的制备实现磨料群在电镀工具内的三维可控排布。该类型磨具因磨料层具有多层磨粒，因此可以修整，从而可降低磨具对基体加工精度和装配精度的要求，降低磨具制造成本。同时磨料群中部分磨粒脱落后会有后续磨粒补充，因此可避免磨粒脱落导致的砂轮工作状态失衡现象。理论上砂轮可具备较好的磨削性能。然而制备该类型磨具的出发点主要为解决单层磨具性能过度依赖于基体加工精度和装配精度的问题，制备的磨具磨料层数有限（一般低于5层），因此工具寿命也难有根本性的改善。
发明内容
本发明的目的是，克服现有磨粒与气孔多层可控排布CBN砂轮制备工艺复杂、成本高，磨粒浓度低、磨粒脱落后无后续磨粒补充的问题，提供一种磨料群与气孔可控排布CBN砂轮及制备方法。简化工艺，提高CBN砂轮锋利度和寿命。
本发明通过如下技术方案予以实现：
磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮，其特征在于包括金属基体和磨料层，磨料层粘接于金属基体上；所述磨料层与基体粘接是通过高强度胶黏剂粘接，结合强度满足砂轮线速度200m/s使用要求。磨料群在磨料层中可呈连续分布或离散分布，磨料群区磨粒占体积分数为25%~75%，其余为复合结合剂，胎体区仅含复合结合剂。
复合结合剂由质量百分比为0~20%且大于0的石墨和Cu-Sn-Ti活性钎料混合后添加临时粘结剂获得。Cu-Sn-Ti活性钎料包括10重量%Ti、60重量%Cu、30重量%Sn。
磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮的制备方法，包括以下步骤：首先将复合结合剂及磨料群区原料配混料，然后将磨料群与气孔协同排布并压制成型为磨料层毛坯节块、磨料层毛坯烧结、磨料层节块与基体粘接、砂轮回转试验、磨料层外圆及端面修整、砂轮磨料层检查、动平衡、外观处理得到砂轮，基体直径为200~400mm、厚度为10~20mm，材料为45钢；磨料群与气孔可控排布通过控制磨料群排布模板、胎体材料排布模板和陶瓷空心球排布模板的槽孔或圆孔相对于模具型腔的位置及尺寸分层实现，磨料群排布模板的槽孔与胎体材料排布模板的槽孔位置互补，气孔排布模板孔群区和胎体材料排布模板槽孔区重合。
所述的磨料层毛坯的烧结过程在高真空环境中进行，升温曲线为：10分钟自室温升至150℃，保温10分钟； 1小时升温至600℃；1小时升温至880℃，保温30分钟；然后随炉冷却至室温后出炉。
磨料群与气孔可控排布磨料层节块制作过程为：（1）先将磨料群可控排布模板置于模具型腔表面，模具下模块位于模具型腔表面以下3h1（h1为每次所制备磨料层薄层厚度，h1=1.0~1.2d1，d1为所用陶瓷空心球直径）处，将混好的磨料群区原料置于磨料群可控排布模板表面，使磨料群原料通过模板槽孔漏入模具型腔中，形成一层磨料群可控分布薄层；
（2）撤掉磨料群可控排布模板，将胎体区原料排布模板置于模具型腔表面，将胎体区原料置于胎体区原料排布模板表面，在磨料群薄层间隙部位填满胎体区结合剂；
（3）撤掉胎体区原料排布模板，将气孔可控排布模板置于模具型腔表面，在胎体区结合剂内排布陶瓷空心球；
（4）用模具上模块压实已经排布的磨料层，并使上模块、磨料层、下模块在模具型腔内同时下移，使磨料层上表面位于模具型腔表面以下3h1处；
（5）重复步骤（1）-（4）n1次，获得要求厚度的磨料群呈连续分布的磨料层型腔填充物，其中n1=h/h1(若所需制备的整个磨料层中磨料群呈连续分布，则h与最终所制备出的磨料层总厚度相同；若所需制备的整个磨料层中磨料群呈离散分布，则h为1~3mm，即该步骤仅制备包含单层完整磨料群的磨料层型腔填充物，且应继续执行步骤（6）-（7）完成磨料群离散分布的整个磨料层节块制作)；
（6）将磨料群可控排布模板槽孔位置顺时针旋转角度θ（该角度与最终所制备离散分布的磨料群下层相对于上层的转动角度相同），同时胎体区及气孔可控排布模板也应旋转相应角度θ，重复步骤（1）-（5）继续制备一层包含单层完整磨料群的磨料层型腔填充物；
（7）重复步骤（6），获得要求厚度的磨料群离散分布的磨料群与气孔可控排布磨料层型腔填充物，重复的次数由要实现的磨料层的总厚度决定。
最终实现的磨料群在磨料层中呈直线连续分布的磨料群与气孔可控排布效果示意图如图5所示；磨料群在磨料层中呈离散分布的磨料群与气孔可控排布效果示意图如图6所示。
本发明具有以下优点：
（1）可实现不同排布方式和排布参数的多层CBN砂轮磨料群与气孔可控排布，排布方法操作简便，成本低；
（2）磨料群与气孔可控排布CBN砂轮磨料层浓度适中，磨料脱落后有后续磨粒连续补充，可避免CBN砂轮过早失效，提高砂轮寿命。
附图说明
图1为磨料群可控排布模板结构示意图；
图2为胎体区原料排布模板结构示意图；
图3为气孔可控排布模板结构示意图；
图4为磨料群与气孔可控排布CBN砂轮磨料层制作用模具示意图；
图5为磨料群在工作层呈直线连续排布效果示意图；
图6为磨料群在工作层呈离散分布效果示意图。
图中：1、模具上模块，2、模具型腔，3、模具下模块，4、磨料群区，5、胎体区，6、气孔。
具体实施方式
实施例1
一种磨料群在CBN砂轮工作层中呈连续直线排布的磨料群与气孔可控排布CBN砂轮（工作层示意图如图5，磨料群区4宽度为2mm，间距 6mm，气孔6直径0.8mm，胎体区5气孔率30%），CBN砂轮外径400mm，内径388mm，单个工作层节块弧度11.25°，环砂轮一周镶嵌32个砂轮工作层节块。其制作方法为：
（1）复合结合剂制备：磨料群区与胎体区复合结合剂分别制取：磨料群区复合结合剂石墨占质量分数为5%，胎体区复合结合剂石墨占质量分数为20%，其余为Cu-Sn-Ti活性钎料（10%Ti，60%Cu，30%Sn），将石墨与Cu-Sn-Ti活性钎料混合后机械搅拌10min，添加临时粘接剂并进一步配混均匀后制成复合结合剂，备用。
（2）磨料群区原料制备：磨粒选用CBN230，粒度为150/180目，磨粒与磨料群区复合结合剂质量比为1:4（此时制备出的磨料群区磨料体积分数为50%,发明还制备了磨料群区磨粒体积分数为25%、75%磨料群区原料）。称取磨粒和复合结合剂，混合后人工搅拌10min制成磨料群区原料。
（3）磨料群与气孔可控排布磨料层制备:包括如下步骤：
①控制模具下模块3距离模具型腔2表面3.0mm处，将磨料群排布模板（如图1所示，槽孔宽2mm，槽孔间距6mm）置于模具型腔2上面，将混好的磨料群区原料置于磨料群排布模板上面，使磨料群原料通过磨料群排布模板槽孔漏入模具型腔中，从而形成一层磨料群；撤掉磨料群排布模板，将与磨料群可控排布模板相对应的胎体区原料排布模板（如图2所示，胎体区原料排布模板的槽孔与磨料群排布模板的槽孔交叉设置，即胎体区原料排布模板的槽孔对应与磨料群排布模板的相邻两槽孔的间隔区）置于模具型腔上面，通过将混好的胎体区原料置于胎体区原料排布模板上面，在磨料群间隙部位填满胎体区结合剂；撤掉胎体区原料排布模板，将气孔可控排布模板（如图3所示，孔径0.85mm，间距2mm，孔的位置与胎体区原料排布模板的槽孔对应）置于模具型腔表面，在胎体区结合剂内排布陶瓷空心球。
②用模具上模块1压实已经排布的磨料层，并使上模块1、磨料层、下模块3在模具型腔内同时下移至磨料层上表面距离模具型腔表面3.0mm处。
③重复步骤①、②10次，获得高度约为20mm的磨料层型腔填充，将磨料层连同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，获得磨料层节块厚约10mm。磨料群区4与胎体区5间隔排布，气孔6均匀分布在胎体区5内。
④采用高强度胶黏剂粘接金属基体与磨料层节块，然后通过砂轮强度试验机进行回转试验，并采用普通磨床修整磨料层外圆及端面，检查砂轮磨料层有无缺陷，对砂轮进行动平衡，最后对外观进行修饰处理，由此完成砂轮制作。
实施例2
一种磨料群在CBN砂轮工作层中呈离散分布的磨料群与气孔可控排布CBN砂轮（工作层示意图如图6所示，磨料群截面尺寸2mm×2mm，间距 6mm，气孔直径0.8mm，胎体区气孔率30%），CBN砂轮外径400mm，内径388mm，弧度11.25°，环砂轮一周镶嵌32个砂轮工作层节块。其制作方法为：
（1）复合结合剂及磨料群区原料制备。制备方法同实施例1的步骤（1）；
（2）磨料群与气孔可控排布磨料层制备。具体制备过程包括如下步骤：
①控制模具下模块3距离模具型腔2表面3.0mm处，将磨料群排布模板（如图1所示，槽孔宽2mm，槽孔间距6mm）置于模具型腔2表面，将混好的磨料群区原料置于磨料群排布模板表面，使磨料群原料通过磨料群排布模板孔漏入模具型腔中，从而形成一层可控排布的磨料群；撤掉磨料群排布模板，将与磨料群可控排布模板相对应的胎体区原料排布模板（如图2所示，胎体区原料排布模板的槽孔与磨料群排布模板的槽孔交叉设置，即胎体区原料排布模板的槽孔对应与磨料群排布模板的相邻两槽孔的间隔区）置于模具型腔表面，通过将混好的胎体区原料置于胎体区原料模板表面，在磨料群间隙部位填满胎体区结合剂；撤掉胎体区原料排布模板，将气孔可控排布模板（如图3所示，孔径0.85mm，间距2mm，孔的位置与胎体区原料排布模板的槽孔对应）置于模具表面，在胎体区结合剂内排布陶瓷空心球。
②用模具上模块1压实已经排布的磨料层，并使上模块1、磨料层、下模块3在模具型腔内同时下移至磨料层上表面距离模具型腔表面3.0mm处。
③重复以上步骤①、②一次。
④重复以上步骤①、②、③一次，不同之处在于磨料群可控排布模板相对于上述步骤①中磨料群模板中槽孔位置相对圆心顺时针旋转0.9375度，即模板上槽孔的位置相对移动半个槽孔间距，其他胎体区及气孔可控排布模板相应改变。
⑤重复以上步骤①~④两次获得高度约为24mm的磨料层型腔填充，将磨料层连同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，获得磨料层节块厚约12mm。
④采用高强度胶黏剂粘接金属基体与磨料层节块，然后通过砂轮强度试验机进行回转试验，并采用普通磨床修整磨料层外圆及端面，检查砂轮磨料层有无缺陷，对砂轮进行动平衡，最后对外观进行修饰处理，由此完成砂轮制作。
Claims (3)
1.磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮的制备方法，所述的磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮包括金属基体和磨料层，磨料层粘接于金属基体上；所述的磨料层包括磨料群区和胎体区两部分, 磨料群呈连续或离散分布；磨料群区磨粒体积分数为25%~75%，其余为复合结合剂，胎体区仅含复合结合剂；
磨料群在磨料层中呈连续分布时磨料群区宽度为1~3mm，长度及厚度与磨料层尺寸一致；磨料群在磨料层中呈离散分布时磨料群截面尺寸为1~3mm×1~3mm，长度与磨料层尺寸一致；
所述的复合结合剂由石墨和Cu-Sn-Ti活性钎料混合后添加临时粘结剂获得，其中石墨的质量百分比为0~20%且大于0；所述的Cu-Sn-Ti活性钎料包括10重量%Ti、60重量%Cu、30重量%Sn；
其特征在于，包括以下步骤：首先将复合结合剂及磨料群区原料配混料，然后将磨料群与气孔可控排布并压制成型为磨料层毛坯节块、磨料层毛坯节块烧结、磨料层节块与基体粘接、砂轮回转试验、磨料层外圆及端面修整、砂轮磨料层检查、动平衡、外观处理得到砂轮，基体直径为200~400mm、厚度为10~20mm，材料为45钢；磨料群与气孔可控排布通过控制磨料群排布模板、胎体材料排布模板和陶瓷空心球排布模板的槽孔或圆孔相对于模具型腔的位置及尺寸分层实现，磨料群排布模板的槽孔与胎体材料排布模板的槽孔位置互补，气孔排布模板孔群区和胎体材料排布模板槽孔区重合。
2.根据权利要求1所述的磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮的制备方法，其特征在于所述的磨料层毛坯的烧结过程在高真空环境中进行，升温曲线为：10分钟自室温升至150℃，保温10分钟； 1小时升温至600℃；1小时升温至880℃，保温30分钟；然后随炉冷却至室温后出炉。
3.根据权利要求1所述的磨料群与气孔三维可控排布CBN砂轮的制备方法，其特征在于磨料群与气孔可控排布磨料层节块制作过程为：
（1）先将磨料群可控排布模板置于模具型腔表面，模具下模块位于模具型腔表面以下3h1处 ，h1为每次所制备磨料层薄层厚度，h1=1.0~1.2d1，d1为所用陶瓷空心球直径，将混好的磨料群区原料置于磨料群可控排布模板表面，使磨料群原料通过模板槽孔漏入模具型腔中，形成一层磨料群可控分布薄层；
（2）撤掉磨料群可控排布模板，将胎体区原料排布模板置于模具型腔表面，将胎体区原料置于胎体区原料排布模板表面，在磨料群薄层间隙部位填满胎体区结合剂；
（3）撤掉胎体区原料排布模板，将气孔可控排布模板置于模具型腔表面，在胎体区结合剂内排布陶瓷空心球；
（4）用模具上模块压实已经排布的磨料层，并使上模块、磨料层、下模块在模具型腔内同时下移，使磨料层上表面位于模具型腔表面以下3h1处；
（5）重复步骤（1）-（4）n1次，获得要求厚度的磨料群呈连续分布的磨料层型腔填充物，其中n1=h/h1，若所需制备的整个磨料层中磨料群呈连续分布，则h与最终所制备出的磨料层总厚度相同，并直接实施步骤（8）完成磨料层制作；若所需制备的整个磨料层中磨料群呈离散分布，则h为1~3mm，即该步骤仅制备包含单层完整磨料群的磨料层型腔填充物，且应继续执行步骤（6）-（7）完成磨料群离散分布的整个磨料层节块制作；
（6）将磨料群可控排布模板槽孔位置顺时针旋转角度θ，该角度为最终所制备离散分布的磨料群下层相对于上层的转动角度相同，同时胎体区及气孔可控排布模板也应旋转相应角度θ，重复步骤（1）-（5）继续制备一层包含单层完整磨料群的磨料层型腔填充物；
（7）重复步骤（6），获得要求厚度的磨料群离散分布的磨料群与气孔可控排布磨料层型腔填充物，重复的次数由要实现的磨料层的总厚度决定；
（8）将磨料层连同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，获得最终的磨料层节块厚约为h/2。
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