CN103934758A - 团族式磨粒超硬磨料砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种团族式磨粒超硬磨料砂轮及其制备方法，砂轮工作层是由团族磨粒和结合剂构成，团族形式的构造磨粒是由多颗单晶超硬磨粒用陶瓷结合剂黏结形成的，团族式构造磨粒占砂轮工作层总体积比20％-60％，树脂粉占砂轮工作层总体积比50％-30％，铜粉占砂轮10％-20％，湿润剂1-3％，其他辅料≤10％。本发明的砂轮磨粒不再是单晶颗粒的简单磨粒，采用多颗单晶超硬磨粒用陶瓷结合剂黏结形成的团族形式的构造磨粒。本发明的砂轮既提高了砂轮的磨削能力，同时又保持了磨削的精密性。

Description

团族式磨粒超硬磨料砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于机械领域，特别涉及一种团族式磨粒超硬磨料砂轮及其制备方法。

背景技术

超硬磨料砂轮是以金刚石和立方氮化硼(简称为CBN)为磨料的磨削砂轮，金刚石是自然界中最硬的材料、CBN硬度仅次于金刚石，作为磨料它们的硬度远远高于通常磨削中使用的碳化硅、刚玉类普通磨料，因此，超硬磨料砂轮与普通磨料砂轮相比在磨削方面具有加工质量好、效率高、磨耗小、寿命长等显著优点。由于其优良的磨削性能，近年来发展迅速，广泛应用于航空、汽车、医学、电子、建材等领域，并成为精密和超精密磨削、高速高效磨削、难加工材料磨削、成形磨削、磨削自动化等技术的基础。

但是由于超硬磨料砂轮出现仅仅三十多年，还处于发展初期阶段，因此在超硬磨料的磨削技术和砂轮制造方面，还存在许多理论和应用方面的问题需要解决、完善，还有巨大的发展空间。其中砂轮的磨粒把持能力弱和砂轮的自锐性不好是目前超硬磨料砂轮磨削中存在的主要问题，制约了其磨削能力的提高。

超硬磨料砂轮是由超硬磨料颗粒加结合剂通过一定的工艺制造而成。根据结合剂不同将超硬磨料砂轮分成不同的种类，目前超硬磨料砂轮种类主要有：树脂结合剂超硬磨料砂轮、陶瓷结合剂超硬磨料砂轮、金属结合剂超硬磨料砂轮、电镀结合剂超硬磨料砂轮和钎焊超硬磨料砂轮等。

树脂结合剂超硬磨料砂轮是以超硬磨料颗粒为磨料，树脂粉为粘结材料，经过配制、混合、热压成型制成的。树脂结合剂超硬磨料砂轮具有弹性好、强度高、耐冲击，有利于改善工件表面的粗糙度，加工表面光洁度好等优点，加之制造工艺简单、成本低，应用最为广泛。但是由于树脂结合剂自身强度和对磨料把持力相对较弱，在对磨粒的把持力和磨粒的自锐性方面的矛盾更为突出，磨粒容易脱落，表现为耐磨性差，不适合大负荷磨削。

造成这种磨粒的把持力和磨粒的自锐性方面的矛盾问题的原因是由于树脂结合剂超硬磨料砂轮构造方式造成的。

树脂结合剂超硬磨料砂轮工作部分由超硬材料磨粒、结合剂和气孔组成，如图1所示。其中超硬磨粒是磨削行为的主体起切削作用；结合剂将超硬磨粒粘结成具有一定几何形状的磨具；气孔表征磨具的密实程度，对磨削效率和工件质量有直接影响，还起散热和容屑作用。目前所做的超硬磨料砂轮中超硬磨粒都是以单晶体颗粒形式存在的，都是密实的单颗磨粒，如超硬材料单晶、多晶或聚晶。

由于超硬磨粒非常的坚硬，而结合剂的把持能力有限，导致这种以简单的单颗超硬磨粒和结合剂的组合构成的超硬磨料砂轮存在基本的结构缺陷。这种缺陷可归结为两大方面，其一是，由于这些单个磨粒自身材料结合紧密，其具有很高的机械强度，不能被修整为多齿形的切削微刃，所以磨削加工时每个磨粒是一个整体，相当于一个切削刃，这种超硬磨粒强度过高不容易被修整成微刃的缺陷，造成粗颗粒磨粒砂轮的磨削精度受到限制，也就是说粗颗粒砂轮只能进行粗磨，精密级磨削要用细粒度的磨粒完成，这就提高了磨削工艺的复杂性，增加了磨削成本；其二是，要想磨削加工过程取得好的效果，工作层表面的磨粒必须露出结合剂一定的高度，才能形成磨削需要的切削刃和容屑槽。而这种单颗粒磨粒对结合剂的镶嵌性很差，因此要想增加磨粒的裸露高度就必须提高结合剂把持强度，但增加结合剂把持强度就会降低磨粒的自锐性，影响磨削锋利性，这就造成超硬磨料砂轮工作表面磨粒裸露高度受到限制，因而制约了砂轮的磨削效率。

现有树脂结合剂超硬磨料砂轮是以超硬磨料颗粒为磨料，树脂粉为粘结材料，经过配制、混合、热压成型制成的。树脂结合剂超硬磨料砂轮具有弹性好、强度高、耐冲击，有利于改善工件表面的粗糙度，加工表面光洁度好等优点，加之制造工艺简单、成本低，应用最为广泛。但是由于树脂结合剂自身强度和对磨料把持力相对较弱，在对磨粒的把持力和磨粒的自锐性方面的矛盾更为突出，表现为磨粒容易脱落、耐磨性差、磨粒突出不够，不适合大负荷磨削。

由于树脂超硬磨料砂轮均是采用单晶磨粒和多晶磨粒即单颗粒磨粒作为磨料的砂轮，单晶磨粒砂轮由于单晶磨粒基本上是一个完整的晶体，因此作为磨料基本单元的磨粒整体强度和硬度非常高，在磨削和修整过程中基本不能产生破碎，因此造成目前现有各种超硬磨料砂轮自锐性不好或没有自锐能力的状态和磨粒突出高度低的缺点，此外也是由于超硬磨料颗粒不能破碎使得超硬磨料砂轮修整非常困难，这些造成了超硬磨料砂轮与理想的砂轮相比存在自锐性差、磨削负荷低和修整困难等方面的不足之处，阻碍了超硬磨料性能的完全发挥。

造成这种磨粒的把持力和磨粒的自锐性方面的矛盾问题的原因是由于树脂结合剂超硬磨料砂轮构造方式造成的。

发明内容

本发明的目的在于解决超硬磨料砂轮结合剂对磨粒把持力弱、磨粒自锐性不好和磨粒突出高度不够的问题，提供一种团族式磨粒超硬磨料砂轮及其制备方法。为了实现本发明的目的，拟采用如下技术方案

本发明一方面涉及一种团族式磨粒超硬磨料砂轮，其特征在于包括砂轮工作层由团族式构造磨粒和结合剂构成，团族式构造磨粒由单晶超硬磨粒和陶瓷结合剂构成，团族式构造磨粒占砂轮工作层总体积比20％-60％，结合剂包括树脂粉占砂轮工作层总体积体积比50％-30％、铜粉占10％-20％、湿润剂占1-3％、其他辅料≤10％。

在本发明的一个优选实施方式中，每颗团族式的构造磨粒包含单晶超硬磨料在3粒以上，其颗粒直径范围为0.001mm～2mm。

在本发明的另一个优选实施方式中，所述的团族形式的构造磨粒是通过如下步骤制备得到的：把单晶超硬磨粒与低温陶瓷结合剂经混料充分混合，其中单晶超硬磨粒所占的体积比为6.25％--37.50％，低温陶瓷结合剂占62.50％-93.75％，充分混合后的料采用挤压造粒机通过挤压制粒，颗粒经200℃干燥后烧结制成团族式构造磨粒，烧结温度范围为600℃-850℃。

在本发明的另一方面，还涉及上述团族式磨粒超硬磨料砂轮，其特征在于包括如下步骤：将树脂粉和铜粉及其他辅料放入混料机混合，混到颜色一致为止，然后过80目筛网2遍配制成结合剂料；然后进行成型料的配混：将团族式构造磨粒加湿润剂混合后再与结合剂配混，放入混料机充分混合；将混好的料装入磨具，进行热压成形，热压压力在30～60MPa，热压温度为120℃-230℃，热压时间40-90分钟，脱模后即为成品。

本发明是在制造树脂结合剂超硬磨料砂轮时利用陶瓷结合剂和树脂结合剂结合强度差异采用了团族式构造磨粒技术制造超硬磨料砂轮，先采用脆性的陶瓷结合剂将数粒超硬磨粒黏结成大一点粒度的团族式构造磨粒，再采用柔性的树脂结合剂与团族式构造磨粒混合制造树脂结合剂团族式构造磨粒超硬磨料砂轮。这种新型砂轮摆脱了传统制造砂轮的概念，磨粒不再是单晶颗粒的简单磨粒，而是在单颗磨粒基础上，又进行了一次加工，采用多颗单晶超硬磨粒用陶瓷结合剂黏结形成的团族形式的构造磨粒。这样制造的超硬磨料砂轮有效的利用了陶瓷结合剂和树脂结合剂强度和性能的差异使砂轮在磨削过程中具有了陶瓷结合剂砂轮的把持强度高、自锐性强的特点，同时又具有了树脂结合剂砂轮柔性的特点。团族形式构造磨粒一方面体积比同粒度单晶磨粒大数倍，同样的露出比例情况下磨粒露出高度绝对值也高出数倍；同时团族形式构造磨粒具有更大的表面积、孔洞和粗糙利于镶嵌的表面，提高了结合剂对磨粒的把持强度；另一方面团族形式构造磨粒中的超硬磨料之间是由陶瓷结合剂黏结在一起的，具有陶瓷磨具的良好自锐性，所以采用团族形式构造磨粒制造的树脂结合剂砂轮可以同时具有大的磨粒裸露高度、足够的磨粒把持强度和良好的砂轮自锐性，可以同时适应大负荷的磨削、粗磨和精密磨削，大大提高了砂轮的磨削能力。本发明的砂轮既提高了砂轮的磨削能力，同时又保持了磨削的精密性。

附图说明

图1：现有技术中树脂结合剂超硬磨料砂轮工作层构造结构示意图；

图2：团族式磨粒砂轮磨削工作表面结构示意图；

图3：团族式构造超硬磨料磨粒结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的内容不限于此。

1)本发明提出一种新型团族式构造磨粒的树脂结合剂超硬磨料砂轮，这种砂轮磨料工作层是以团族式构造的磨粒为磨料，用树脂粉为黏结剂，经过配制、混合、热压成型制成的一种树脂结合剂团族式构造磨粒超硬磨料砂轮。这种砂轮中的磨料是采用多颗单晶超硬磨粒用陶瓷结合剂黏结形成的团族形式的构造磨粒，这种团族式的构造磨粒再由树脂结合剂黏结制成砂轮，其超硬磨料工作层结构如图2所示。这种新型超硬磨料砂轮由团族式构造磨粒、树脂结合剂、气孔组成。

2)其中团族式构造磨粒是由单晶超硬磨粒用陶瓷结合剂，经过配制、混合、制粒烧结黏结制成。团族式构造磨粒由单晶超硬磨料、陶瓷结合剂和气孔构成如图3所示。其中结合剂为制作陶瓷结合剂超硬磨料砂轮的低温陶瓷结合剂、磨粒为单晶超硬磨料。其制造工艺为把单晶超硬磨粒(金刚石或立方氮化硼)与低温陶瓷结合剂经混料充分混合，其中单晶超硬磨粒所占的体积比为6.25％--37.50％，低温陶瓷结合剂占62.50％-93.75％，充分混合后的料采用挤压造粒机通过挤压制粒制成粒度为4)中的要求尺寸，颗粒经200℃干燥后烧结制成团族式构造磨粒。烧结温度范围为600℃-850℃。

3)团族式构造磨粒特性参数主要是其中包含的单晶超硬磨粒的浓度和粒度，不同的特性参数会影响其磨削性能。含单晶超硬磨粒的浓度是指单晶超硬磨粒体积占团族式构造磨粒总体积的百分比，范围为6.25％--37.50％。根据国际上通用的浓度表示方法，规定团族式构造磨粒中单晶超硬磨粒占总体积的百分比等于25％，即定义为100％浓度，浓度范围系列有25％、50％、75％、100％、和150％(参照《超硬磨具和锯-形状总览、标记》GB／T6409-1994国家标准)；粒度表示单晶超硬磨料的磨粒粒径大小，粒度的选择依据加工要求、磨削效率确定，粒度从45／50目至230／270目、W63至W0.2(参照《超硬磨料金刚石或立方氮化硼颗粒尺寸》GB／T6406-1996国家标准)。

4)团族式构造磨粒的颗粒大小。每颗团族式构造磨粒包含单晶超硬磨料在3粒以上，因此依据包含单晶磨粒的的数量和粒度粗细变化，其颗粒直径范围为0.001mm～2mm。

5)砂轮磨料层整体含团族式构造磨粒的浓度。用整个砂轮磨料层中团族式构造磨粒体积占磨料层总体积的百分比表示，浓度范围为20％～60％。

6)低温陶瓷结合剂：成分配比重量百分比为Na₂O5％-12％、B₂O₃12％-25％、Al₂O₃3％-8％、SiO₂45％-70％。结合剂制造过程为称量、放入混料机混料、1200～1300℃温度下熔炼、将熔炼的玻璃熔料水淬、干燥、研磨、粉碎至粉末状制成。

7)树脂结合剂团族式构造磨粒超硬磨料砂轮制造。将团族式构造的磨粒作为磨料，用树脂粉(酚醛树脂和聚酰亚胺树脂)为黏结剂，加上辅料(铜粉、金属氧化物、润滑材料及湿润剂)，经过配制、混合、热压成型制成树脂结合剂，团族式构造磨粒超硬磨料砂轮，砂轮团族式构造磨粒的粒径和浓度按4)和5)中的范围配比和压制。磨料和结合剂配比为团族式构造磨粒占体积比20％-60％，结合剂总共占体积百分比为38％-78％，其中树脂粉占体积比50％-30％，铜粉10％-20％，其他辅料(润滑材料)≤10％，另外湿润剂2％。制造工艺为首先结合剂的配混：将树脂粉和铜粉及其他辅料放入混料机混合，时间视混料量的多少和粘壁情况而定，原则是既要混合均匀，又要防止因混合时间过长而结块，一般混到颜色一致为止，然后过80目筛网2遍配制成结合剂料。然后进行成型料的配混：将团族式构造磨粒加湿润剂混合后再与结合剂配混，放入混料机从分混合，混料时间越长，料越均匀，具体时间以混到充分均匀为止。接下来将混好的料装入磨具，进行热压成形，热压压力在30～60MPa，热压温度为120℃-230℃，热压时间40-90分钟，脱模后即为成品。

与传统树脂结合剂超硬磨料砂轮(单晶超硬磨粒直接和结合剂构成的，砂轮工作层中的超硬磨粒都是以单晶体颗粒形式存在)相比团族式构造磨粒的裸露高度是其3-5倍，磨削允许切入深度提高200％以上，砂轮自锐性能与陶瓷结合剂超硬磨料砂轮相当，砂轮磨削比效率提高30％以上，在同样磨削负荷下砂轮整体使用寿命提高30％以上。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种团族式磨粒超硬磨料砂轮，其特征在于砂轮工作层起磨削作用的磨粒是由多颗单晶超硬磨粒用陶瓷结合剂黏结形成的团族形式的构造磨粒，砂轮工作层由团族式构造磨粒和结合剂构成，团族式构造磨粒占砂轮工作层总体积比20％-60％，结合剂包括树脂粉占砂轮工作层总体积体积比50％-30％、铜粉占10％-20％、湿润剂占1-3％、其他辅料≤10％。

2.根据权利要求1所述的团族式磨粒超硬磨料砂轮，团族式构造磨粒由单晶超硬磨粒和陶瓷结合剂构成，每颗团族式的构造磨粒包含单晶超硬磨料在3粒以上，其颗粒直径范围为0.001mm～2mm。

3.根据权利要求1所述的团族式磨粒超硬磨料砂轮，所述的团族形式的构造磨粒是通过如下步骤制备得到的：把单晶超硬磨粒与低温陶瓷结合剂经混料充分混合，其中单晶超硬磨粒所占的体积比为6.25％--37.50％，低温陶瓷结合剂占62.50％-93.75％，充分混合后的料采用挤压造粒机通过挤压制粒，颗粒经200℃干燥后烧结制成团族式构造磨粒，烧结温度范围为600℃-850℃。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的团族式磨粒超硬磨料砂轮的制备方法，其特征在于包括如下步骤：将树脂粉和铜粉及其他辅料放入混料机混合，混到颜色一致为止，然后过80目筛网2遍配制成结合剂料；然后进行成型料的配混：将团族式构造磨粒加湿润剂混合后再与结合剂配混，放入混料机充分混合；将混好的料装入磨具，进行热压成形，热压压力在30～60MPa，热压温度为120℃-230℃，热压时间40-90分钟，脱模后即为成品。