CN104308757B - 一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮，属于砂轮制造技术领域。该砂轮包括砂轮基体、超硬材料金属结合基骨架、填充材料、垫块以及连接块，该砂轮的制备首先选择砂轮基体材质，然后制备及安装超硬材料金属结合基骨架，超硬材料金属结合基骨架由超硬材料与高强度钢板通过电镀钎焊或冲圧或用金属粉末钴、镍、铁、铜、锡压制烧结所制成，通过焊接或用树脂胶接的方法将超硬材料金属结合基骨架固定在砂轮基体上，同时将填充材料挤压到超硬材料金属结合基骨架之间，经过动平衡或静平衡等最后制得高速重负荷砂轮。本发明高速重负荷砂轮使用寿命长，能大幅降低成本，且具有使用安全、节能环保的特点。

Description

一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮

技术领域：

本发明属于砂轮制造技术领域，具体涉及一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮。

背景技术：

目前在钢铁、机械、铁道等行业中大量使用高速重负荷砂轮用来磨削钢坯、钢材、轧辊及铁路道轨面等，其砂轮几乎都是采用高能耗的刚玉或碳化硅树脂砂轮，消耗量大，同吋也造成环境污染而且磨削成本高并砂轮经常爆裂造成不安全，且使用寿命较短。如何用超硬材料如以CBN或金刚石來替代高能耗的刚玉及碳化硅磨料巳成为本行业一大课题，目前只有金属结合基超硬材料砂轮耐磨、耐用并能承受重负荷，并且具有高速度高效率且使用安全可靠的特点，但是现有金属结合基超硬材料砂轮存在致命的问题就是排屑困难，在使用数小时后要从设备上取下用电火花修正或在机床上电解修正后再次使用，这样就严重影响了生产，影响了该类砂轮的推广应用。本发明提出的超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮就是克服了不能排屑的缺点，可一直使用到报废为止，而超硬材料的高硬度及在应用中的高速度及超高速就是其本身的特点。

发明内容：

本发明针对现有高速重负荷砂轮中存在的技术问题，提供一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮。

本发明所提供的一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮包括砂轮基体1、超硬材料金属结合基骨架2、填充材料4、垫块5以及连接块6，该高速重负荷砂轮的制备包括以下步骤：

1、选择砂轮基体材质：构成砂轮的各元件总质量在设备允许使用范围内一般与树脂高速重负荷砂轮等重，为了容纳更多的超硬材料磨料，在抗压强度允许又能满足扭力距的情况下，砂轮基体越轻越好，所以一般釆用高强度铝合金或钛合金制作砂轮基体，砂轮基体尺寸与设备匹配，砂轮基体外径或端面加工成与超硬材料金属结合基骨架非工作层相应的安装沟槽，其功能是传动扭力矩及保持各骨架间距离与曲面定位以及骨架、垫块及螺钉相互间的焊接区域。

2、制备及安装超硬材料金属结合基骨架：超硬材料金属结合基骨架2(即磨头)由超硬材料与高强度钢板通过电镀，钎焊或冲圧或与金属粉末钴、镍、铁、铜或/和锡通过热压烧结所制成；超硬材料金属结合基骨架釆用高强度的钢板如65Mn锰钢或其它钢种，钢板厚度不超过5mm，太厚影响排屑，在负载允许的情况下，钢板厚度愈薄愈有利于排屑，在钢板面电镀或钎焊超硬材料层，或将超硬材料压入呈红塑状态的钢板中，或用超硬材料与金属粉末钴、镍、铁、铜或/和锡热压烧结制成超硬材料金属结合基骨架。将超硬材料金属结合基骨架的非工作层安装在砂轮基体相对应的槽中，通过焊接或用树脂胶接的方法，将超硬材料金属结合基骨架固定在砂轮基体上，超硬材料金属结合基骨架排列首先要考虑到骨架间距具有充足的排屑间隙，安装之前先要通过机械加工使金属结合基骨架工作层顶部与非工作底部相平行且尺寸一致，减少安装后的修磨量。金属结合基骨架的数量及形状由砂轮受的负荷及要求砂轮的使用寿命而定，负载大，要求寿命长，则数量多些，反则少些，而其形状及排列主要考虑方便排屑，金属结合基骨架的浓度、粒度及晶型强度选择主要由被磨削的材质及砂轮的技术要求以及磨削成本决定，超硬材料金属结合基骨架的制作工艺按常规进行。

3、在安装超硬材料金属结合基骨架的同时将填充材料挤压到超硬材料金属结合基骨架之间，同时层层焊接超硬材料金属结合基骨架与垫块，使超硬材料金属结合基骨架通过连接块6、螺钉7与砂轮基体连成一体；该填充材料为树脂、磨料(可以是超硬材料或普通磨料)及其它填料的混合物。填充材料的作用是消除超硬材料金属结合基骨架在磨削时因振动而产生的噪音，同时也参与了磨削，延长了砂轮使用寿命，同时也提高了产品光洁度，因为金属比树脂硬度高，树脂部分磨损快，因此自然形成了金属结合基骨架(即磨头)的排屑间隙。

4、以砂轮基体的内孔定位，通过机械修磨使内外径达到同心，修磨砂轮平面使平面与中心垂直，达到符合砂轮的各项技术要求。

5、将制得的砂轮做动平衡或静平衡测试。

6、在砂轮基体明显处刻字，注明砂轮型号规格及浓度与粒度，最后制得所述高速重负荷砂轮。

本发明提供的一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮可替代目前普遍使用的普通磨料制作的重负荷砂轮。本发明具有以下技术特点：

(1)砂轮使用寿命长，能大幅降低使用成本。

(2)使用安全，不会爆裂。

(3)实现节能减排，保护环境。(如：一片直径500mm宽100mm的重负荷砂轮如采用超硬材料制作(一般金刚石或CBN与碳化硅或白刚玉的磨耗比，如釆用金属结基可达到1：200以上)，那样一片工作层15毫米的金刚石金属结合基砂轮就相当30片普通磨料砂轮，如直径500mmx宽100mm金刚石钢基体金属结合基骨架式高速重负荷砂轮，其磨削部分及骨架安装部分连同金刚石及填充料只有21kg重，其铝合金基体为25kg而普通刚玉砂轮每片重46kg，30片为1380kg重，超硬材料砂轮的铝合金基体可反复使用，其21kg中钢基体为15kg其余为碳，连同磨下的铁屑可回收送入高炉，做到零排放，而普通刚玉砂轮的1380kg的白色粉尘要当染汚物处理，磨下的铁屑也很难回收。

附图说明：

图1：本发明一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮(卧式)；

图2：本发明一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮(立式)。

图中：1、砂轮基体；2、超硬材料金属结合基骨架；3、金属结合基骨架中的超硬材料；4、填充材料；5、垫块；6、连接块；7、螺钉。

具体实施方式：

验正安装在基体上的超硬材料金属结合基骨架能否在磨削中不用修正达到连续磨削的目的及其寿命。(一般用金属结合基砂轮磨削钢材每2－3小时要进行修正或电解去除部分金属结合基，让超硬材料颗粒重新露出，达到继续磨削作用)即排屑良好，且寿命长。通过实验30小时的磨削试验在线速度63M/S用金刚石钢基体金属结合基骨架式砂轮磨削不锈钢取得良好的效果。

超硬材料金属结合基骨架按常规制作，现将其中所提的将超硬材料颗粒直接冲压进钢基体骨架中的一种新的钢基体金属结合基的制作方法加以说明。因为这种方法制造的超硬材料金属结合基骨架也是准备制作的直径500mm金刚石金属结合基骨架式高速重负荷砂轮中的超硬材料金属结合基骨架，因为是湿磨，水冷却，则釆用金刚石，主要可以降低成本，如果是干磨(无冷却液)则釆用另一种超硬材料立方氮化硼(CBN)。

实验工艺流程如下:

用65Mn(65号锰钢)长x宽x厚为50mmx15mmx2.6mm的锰钢板，制作用于砂轮直径为420mm的磨头共24块。

选择超硬材料:选择金刚石(MBD8-45#)，浓度为100％

选择加热设备:选择15千瓦高温箱式炉,将制作磨头用的65Mn钢板(即钢基体放入箱式炉中加温到900度。

选择冲压设备:J21G－25高速开式固定台压力机。

金刚石冲入过程:用胶带纸均匀地粘结金刚石颗粒(按浓度100％的密度排列)，再把此胶带纸粘结在呈三角齿形的上下冲模上，然后把加温到900度的65MN钢片(即磨头钢基体)送到上下冲模之间，驱动冲压机，将钢基体冲成带三角形排屑槽的磨头，同时将金刚石冲入钢基体两侧面表层内，此时65MN钢片厚度由原來的2.6mm減簿至1.8mm。

使用效果：将以65Mn材质的金刚石钢基体金属结合基骨架(即磨头)焊接在直径为390mm钢基体上，构成直径为420mm金刚石砂轮片，再将此砂轮片安装在切割机上作为磨削设备用，此切割机功率为2.2W转速为每分钟2880转。磨削时，釆用水冷却，并采用杠杆自动加压进行磨削,力矩为2.48公斤/米，以每天6小时共5天30小时磨削宽X厚为80mmx100mm的不锈钢试块,磨削槽深达92.5mm，槽宽5.2mm即磨去体积38.48立方厘米，此时砂轮外径由420mm减少为418.8mm(即损耗其体积1.3立方厘米)，此时砂轮对不锈钢磨耗比为1:29，用浓度100％其它金属结合基金刚石砂轮是很难达到的，而且在磨2－3小时后砂轮因其结合基原因排屑受阻，要从设备上取下砂轮片，经电火花修磨(或电解修磨或机械修磨)后再能使用，连续磨削30小时是很难达到的，尤其是磨削不锈钢。其使用寿命长，且无污染，成本低，排屑效果好，同时也说明了65MN钢基体也参与了磨削。因此也说明采用超硬材料金属结合基骨架式制作重负荷砂轮是可行的。

以某钢厂磨园钢外径剥皮机用重负荷砂轮为例说明:其砂轮规格为500mmx100mmx203mm(直径x宽x孔径)其重量为46kg，系刚玉树脂砂轮，转速80M/S，要求使用寿命磨钢不得低于80T(相当于砂轮连续磨削5-6小时)，该厂三班作业，每班实际工作时间为6小时，每天消耗砂轮三片，磨削时，水冷却。如果采用金刚石金属结合基骨式制作,其采用呈园周形骨架20片组成，其工作层(含金刚石部分)高为15mm，厚为2mm，因砂轮宽100mm，其只占工作层区域的40％其余60％用于排屑间隙，为避免骨架磨削时发生的振动噪音而填充的树脂与磨料及其它填料的混合物，它也起到部分磨削作用，但不是主要作用，在这里把它忽略不计。因为在实验中砂轮骨架30小时磨损量为1.2mm(直径)即每小时磨损0.04mm，考虑到实验中的线速度与使用中的线速度差距及磨削区金刚石宽只占工作区的40％(其余60％为排屑间隙,由低硬度的树脂及其它填充物)，因此每小时实际磨损量为:0.04÷40％x1.1(线速度差)＝0.11mm，如每天工作18小时，即磨损1.98mm×0.5＝0.99mm近似1mm(即半径方向磨损)，因工作层高15mm，因此测算出金刚石金属结合基骨架式高速重负荷砂轮使用寿命为15mm÷1.mm＝15天。考虑到30％的不确定因素即15天×70％＝10.5天，而10天刚玉重负荷砂轮需要30片，其总重达1380㎏，作为排放物处理，废铁屑也难回收。而金刚石金属结合基骨架式重负荷砂轮只消耗了21㎏(包括金属骨架15㎏，金刚石3㎏其它垫料3㎏),连同磨下的铁粉回收进入高炉，而铝合金基体(重25㎏)可反复利用,做到绿色磨削,零排放。

过去本公司制作的金属结合基重负荷砂轮(都是传统的整体结构)，均因运转2－3小時后因排屑受阻而失败告终；通过实验数据带排屑槽的金刚石金属结合基骨架式完全可以满足排屑要求。综上所述本发明超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮是可行的，目前超硬材料陶瓷结合基砂轮已普遍应用，并逐步取代进口砂轮，但它无法用于重负荷，因为要爆裂破碎不安全，所以国内外至今延用高污染短寿命的树脂普通砂轮用作重负荷砂轮。

Claims (1)

1.一种超硬材料金属结合基骨架式高速重负荷砂轮，所述高速重负荷砂轮包括砂轮基体、超硬材料金属结合基骨架、填充材料、垫块以及连接块，其特征在于所述高速重负荷砂轮是通过以下步骤制备的：

（1）选择所述砂轮基体的材质：要求构成砂轮的各元件总质量在设备允许使用范围内，与树脂高速重负荷砂轮等重，为了容纳更多的超硬材料磨料，在抗压强度允许又能满足扭力距的情况下，砂轮基体越轻越好，釆用高强度铝合金或钛合金制作砂轮基体，所述砂轮基体尺寸与设备匹配，砂轮基体外径或端面加工成与超硬材料金属结合基骨架非工作层相应的安装沟槽；

（2）制备及安装超硬材料金属结合基骨架：所述超硬材料金属结合基骨架由超硬材料与高强度钢板通过电镀、钎焊或冲压或与金属粉末钴、镍、铁、铜或/和锡通过热压烧结所制成；所述超硬材料金属结合基骨架釆用高强度钢板，钢板厚度不超过5mm，太厚影响排屑，在负载允许的情况下，钢板厚度愈薄愈有利于排屑，在钢板面电镀或钎焊超硬材料层，或将超硬材料压入呈红塑状态的钢板中，或用超硬材料与金属粉末钴、镍、铁、铜或/和锡热压烧结制成所述超硬材料金属结合基骨架；将所述超硬材料金属结合基骨架的非工作层安装在砂轮基体相对应的槽中，通过焊接或用树脂胶接的方法，将所述超硬材料金属结合基骨架固定在砂轮基体上，安装之前先要通过机械加工使金属结合基骨架工作层顶部与非工作底部相平行且尺寸一致，减少安装后的修磨量；所述金属结合基骨架的数量及形状由砂轮受的负荷及要求砂轮的使用寿命而定，负载大，要求寿命长，则数量多些，反则少些，而其形状及排列主要考虑方便排屑，金属结合基骨架的浓度、粒度及晶型强度选择主要由被磨削的材质及砂轮的技术要求以及磨削成本决定，超硬材料金属结合基骨架的制作工艺按常规进行；

（3）在安装所述超硬材料金属结合基骨架的同时将填充材料挤压到超硬材料金属结合基骨架之间，同时层层焊接所述超硬材料金属结合基骨架与垫块，使所述超硬材料金属结合基骨架通过连接块（6）、螺钉（7）与所述砂轮基体连成一体，所述填充材料为树脂、磨料及其它填料的混合物；

（4）以所述砂轮基体的内孔定位，通过机械修磨使内外径达到同心，砂轮的平面与轴心垂直，达到符合砂轮的各项技术要求；

（5）将步骤（4）制得的砂轮做动平衡或静平衡测试；

（6）在所述砂轮基体明显处刻字，注明砂轮型号规格及浓度与粒度，最后制得所述高速重负荷砂轮。