CN105583743B

CN105583743B - 一种金刚石砂轮及其制备方法

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Publication number: CN105583743B
Application number: CN201510979065.XA
Authority: CN
Inventors: 叶腾飞; 李少杰
Original assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2019-01-01
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: CN105583743A

Abstract

本发明公开了一种金刚石砂轮及其制备方法。该金刚石砂轮，包括砂轮基体和附着在砂轮基体上的磨料层，所述磨料层由以下体积百分比的组分组成：金刚石磨料20～30％，酚醛树脂40～50％，羰基铁5～15％，冰晶石5～15％，石墨10～20％。通过合理选取金刚石、结合剂和功能填料，各组分科学配比，使该砂轮块磨削锋利，在用于磨削碳化硅陶瓷材料时，具有较高的磨削效率；在应用于碳化硅密封环倒角加工时，倒角表面光洁度能够达到Ra0.1，R倒角≤0.05mm。采用特定圆锥体形结构的砂轮，能够安装在普通磨床上对碳化硅密封环的倒角直接进行磨削成型加工，加工效率高，不用调节磨床角度，且加工的倒角一致性好。

Description

一种金刚石砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于机械加工中的超硬材料及制品领域，具体涉及一种应用于碳化硅陶瓷材料密封环倒角磨削用金刚石砂轮及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)陶瓷是一种具有优良的机械性能、热学性能和化学性能的新型陶瓷材料。由于其具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等性能，被大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、汽车、钢铁等领域，尤其在热机工程及机械密封行业中显示了其良好的应用性能和开发潜力。烧结碳化硅(SiC)陶瓷材料密封环具有高强度、高韧性、低蠕变性的特点，另外还具有良好的耐腐蚀、耐磨损、抗氧化性以及低的热膨胀系数。目前，工业生产所用的机械密封材料中有近一半采用碳化硅(SiC)陶瓷材料。

碳化硅(SiC)密封环能够在极高的温度下保持良好的尺寸，且具有自润滑性和摩擦系数小(仅为硬质合金材料的一半)的特点，其材料烧结硬度在70-100(HRA)之间，体积密度为3.0-3.1g/cm³，抗弯强度为2500kg/cm³-3200kg/cm³，弹性模量为3.2×10⁶，碳化硅密封环端面平面度要求低于0.01mm，倒角处光洁度要求Ra＜0.1μm。目前针对该材料的加工主要包括：外圆加工、平面加工、内圆加工以及倒角加工，上述加工全部为磨削加工。碳化硅密封环的特性对磨具的磨削效率和加工精度提出了很高的要求。

CN103923607A公开了一种金刚石树脂磨具及制备方法，该磨具由以下质量百分比的组分组成：固体酚醛树脂粉25～45％，铜粉或铁粉30～50％，氧化锌、三氧化二铬或三氧化二铁5～10％，石墨3～5％，冰晶石3～5％，金刚石5～15％。该磨具主要解决了如何减少磨具内部缺陷，保证磨具组织均匀性的问题，并没有进一步研究其磨削效率和加工精度。在对碳化硅陶瓷材料密封环进行倒角加工时，金刚石、结合剂及功能填料的选取或搭配不当，往往会造成磨削效率下降，加工精度难以满足要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种金刚石砂轮，从而解决现有技术中，对碳化硅陶瓷材料密封环进行倒角加工时，磨削效率和加工精度难以兼顾的问题。

本发明的第二个目的是提供一种上述金刚石砂轮的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案是：

一种金刚石砂轮，包括砂轮基体和附着在砂轮基体上的磨料层，所述磨料层由以下体积百分比的组分组成：金刚石磨料20～30％，酚醛树脂40～50％，羰基铁5～15％，冰晶石5～15％，石墨10～20％。

本发明所提供的金刚石砂轮，通过合理选取金刚石、结合剂和功能填料，各组分科学配比，使该砂轮块磨削锋利，在用于磨削碳化硅陶瓷材料时，具有较高的磨削效率。以酚醛树脂为结合剂，对金刚石磨料和羰基铁粉、冰晶石、石墨粉组成的功能填料具有良好的润湿和粘结能力；石墨粉具有润滑和抛光作用，使各组分易于混料均匀，其抛光作用能够提高密封环倒角的表面光洁度；羰基铁粉能够对砂轮结构进行增强，且导热效果好，增加了结合剂本身的强度和硬度，使砂轮强度高，耐磨性好，寿命长；冰晶石具有散热作用，冰晶石和石墨的添加，能够增加热传导速率，且增加了砂轮层内部结构中的孔隙率，使砂轮内部组织结构具有一定的疏松空间，增加容屑和排屑空间，使砂轮在磨削加工时，能够很好的排屑，不易烧伤工件，磨削锋利。上述各组分协同作用，使该砂轮块具有较高的磨削效率，加工出的角度无划痕，无崩边，表面光洁度好，能够使碳化硅密封环达到很好的密封效果。

所述金刚石磨料为镀镍金刚石或多晶金刚石。应用于粗磨加工时，金刚石磨料优选为镀镍金刚石磨料，该种磨料能够增加结合剂对于金刚石的把持力，增加金刚石寿命，且磨削锋利。应用于精磨加工时，金刚石磨料优选为多晶金刚石，其自锐性好，磨削锋利，在对粗磨后的工件进行精磨加工时，容易得到倒角表面光洁度高，无崩口的碳化硅密封环。多晶金刚石磨料为现有技术，可选择河南飞孟金刚石工业有限公司生产的PDG3型多晶金刚石。

优选的，所述砂轮基体为铸铝基体。进一步优选的，铸铝的抗拉强度≥150Mpa。以铸铝为基体的金刚石砂轮，具有一定的强度和硬度，能够保证砂轮的安装精度，并能够配合磨床的刚性，便于对碳化硅密封环进行高效加工。

上述金刚石砂轮，通过对磨料层和砂轮基体结构的合理设计，能够安装在普通磨床上对碳化硅密封环的倒角直接进行磨削成型加工，具有加工效率高，不同调节磨床角度，且加工的倒角一致性好的特点。

上述金刚石砂轮，所述砂轮基体包括磨削部，所述磨削部为圆锥体形凸起或倒圆锥体形凹槽，所述磨料层附着在磨削部表面。磨料层附着在圆锥体形凸起的外表面或倒圆锥体形凹槽的内表面上形成磨削部。

采用磨削部为圆锥体形凸起结构的砂轮，通过磨料层可以对碳化硅密封环的内倒角方便加工，避免了传统内倒角的加工需要不断的对内圆磨砂轮进行角度修整，导致内圆磨砂轮消耗一致性不好，大大降低密封环的加工效率和加工精度的问题。

采用磨削部为倒圆锥体形凹槽结构的砂轮，通过磨料层可以对碳化硅密封环的外倒角方便加工，避免了现有技术在加工碳化硅密封环的外倒角时，需要调整角度，砂轮形状保持性不好的问题。

采用上述结构的金刚石砂轮，可方便对碳化硅密封环的内外倒角进行加工，加工过程无需繁杂的砂轮角度修整过程，大大提高加工效率，同时砂轮形状保持性好，使用寿命长，加工的倒角精度高，加工的R角≤0.05mm，加工工件无崩边，无划痕，表面光洁度达到Ra0.1，能够使密封环达到很好的密封效果。

上述结构中，磨料层厚度为3～10mm。磨削部的高度为50～200mm，磨削部的外径为50～250mm。磨削部的高度为圆锥体形凸起的高度或倒圆锥体形凹槽的深度。

上述的金刚石砂轮的制备方法，包括：将金刚石磨料、酚醛树脂粉、羰基铁粉、冰晶石粉、石墨粉混合均匀，与砂轮基体组合后热压成型，固化，即得。

金刚石磨料的粒度为120#～400#；酚醛树脂粉的粒径为30～60μm；羰基铁粉的粒度为300#～400#；冰晶石粉的粒度为150#～400#；石墨粉的粒度为600#。

本发明提供的金刚石砂轮，金刚石磨料选择镀镍金刚石磨料，粒度选择120#～200#，可用于制作粗磨用金刚石砂轮；金刚石磨料选择多晶金刚石磨料，粒度选择200#～400#，可用于制作精磨磨用金刚石砂轮。

热压成型的温度为140～150℃，压力为2～10Mpa，时间为40～60min。所述固化是在80～100℃下保温4～6h，后在140～160℃下保温4～6h，再在170～190℃下保温4～6h。优选的，所述固化是在100℃下保温5h，后在150℃下保温4h，后在180℃下保温5h。

本发明提供的金刚石砂轮的制备方法，通过热压工艺即可方便的制备金刚石砂轮块；通过金刚石类型和粒度的选择，可以根据需要制备出不同规格的粗磨砂轮和精磨砂轮；磨料层和基体一体成型，可通过与砂轮形状相配合的模具制作上述具有圆锥体磨削面的倒角砂轮，实现对碳化硅密封环倒角高效精确的加工；该方法制备工艺简单，磨料层与基体的结合力好，适于大规模的推广应用。

附图说明

图1为本发明应用于碳化硅密封环内倒角加工的砂轮示意图；

图2为本发明应用于碳化硅密封环外倒角加工的砂轮示意图；

图3为应用于万能外圆磨床上的平行结构砂轮。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。以下实施例中，CN56型镀镍金刚石磨料、PDG3型多晶金刚石磨料，均购自河南飞孟金刚石工业有限公司。

实施例1

本实施例的金刚石砂轮，如图1所示，包括砂轮基体2和附着在砂轮基体2上的磨料层1；所述砂轮基体为抗拉强度≥150Mpa的铸铝基体；所述砂轮基体2包括磨削部和与磨削部一体成型的安装部，所述磨削部具有圆锥体形凸起，磨料层1设置于外圆锥面上。

本实施例的金刚石砂轮为粗磨砂轮，金刚石磨料选择120#的CN56型镀镍金刚石磨料，由以下体积百分比的组分组成：金刚石磨料20％，酚醛树脂45％，羰基铁10％，冰晶石10％，石墨15％。

本实施例的金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

1)将金刚石磨料、酚醛树脂粉、羰基铁粉、冰晶石粉、石墨粉在半自动混料机内混合2h，过筛网三次，得到均一的混合料；所述酚醛树脂粉的粒径为30μm；羰基铁粉的粒度为300#；冰晶石粉的粒度为150#；石墨粉的粒度为600#；

2)将步骤1)所得混合料与砂轮基体配合模具组合后，在140℃、10MPa下热压40min，然后置于硬化烘箱中于固化，固化分为三个阶段，先在80℃下保温6h，后在140℃下保温6h，再在170℃下保温6h；固化后经端面、孔径加工，修型和修锐开刃即得。

实施例2

本实施例金刚石砂轮，如图2所示，包括砂轮基体2和附着在砂轮基体2上的磨料层1；所述砂轮基体为抗拉强度≥150Mpa的铸铝基体；所述砂轮基体2包括磨削部和安装部，所述磨削部上设置有倒圆锥形凹槽，所述磨料层1设置在倒圆锥形凹槽的内表面上。

本实施例的金刚石砂轮为粗磨砂轮，金刚石磨料选择200#的CN56型镀镍金刚石磨料，由以下体积百分比的组分组成：金刚石磨料21％，酚醛树脂46％，羰基铁10％，冰晶石8％，石墨15％。

本实施例的金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

1)将金刚石磨料、酚醛树脂粉、羰基铁粉、冰晶石粉、石墨粉在半自动混料机内混合2h，过筛网三次，得到均一的混合料；所述酚醛树脂粉的粒径为60μm；羰基铁粉的粒度为400#；冰晶石粉的粒度为400#；石墨粉的粒度为600#；

2)将步骤1)所得混合料与砂轮基体配合模具组合后，在150℃、2MPa下热压60min，然后置于硬化烘箱中固化，固化分为三个阶段，先在100℃下保温5h，后在150℃下保温4h，再在180℃下保温5h；经端面、孔径加工，修型和修锐开刃即得。

实施例3～8

实施例3～8的金刚石砂轮为粗磨砂轮，组成和磨削部形状如表1所示。

表1实施例3～8的用于粗磨加工的金刚石砂轮的组成和磨削部形状

实施例3～5金刚石砂轮的制备方法与实施例1相同；实施例6～8金刚石砂轮的制备方法与实施例2相同。

实施例9

本实施例的金刚石砂轮为精磨砂轮，金刚石磨料选择300#的PDG3型多晶金刚石磨料，由以下体积百分比的组分组成：金刚石磨料20％，酚醛树脂40％，羰基铁10％，冰晶石10％，石墨20％。

本实施例的金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

2)将步骤1)所得混合料与砂轮基体配合模具组合后，在140℃、10MPa下热压50min，然后置于硬化烘箱中固化，固化分为三个阶段，先在100℃下保温4h，后在160℃下保温4h，再在190℃下保温4h；经端面、孔径加工，修型和修锐开刃即得。

实施例10

本实施例的金刚石砂轮为精磨砂轮，金刚石磨料选择选择400#的PDG3型多晶金刚石磨料，由以下体积百分比的组分组成：金刚石磨料21％，酚醛树脂41％，羰基铁10％，冰晶石8％，石墨20％。

本实施例的金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：

1)将金刚石磨料、酚醛树脂粉、羰基铁粉、冰晶石粉、石墨粉在半自动混料机内混合2h，过筛网三次，得到均一的混合料；所述酚醛树脂粉的粒径为60μm；羰基铁粉的粒度为400#；冰晶石粉的粒度为300#；石墨粉的粒度为600#；

2)将步骤1)所得混合料与砂轮基体配合模具组合后，在150℃、2MPa下热压60min，然后置于硬化烘箱中固化，固化分为三个阶段，先在90℃下保温5h，后在150℃下保温5h，再在180℃下保温5h；经端面、孔径加工，修型和修锐开刃即得。

实施例11～16

实施例11～16的金刚石砂轮为精磨砂轮，组成和磨削部形状如表2所示。

表2实施例11～16的用于精磨加工的金刚石砂轮的组成和磨削部形状

实施例11～13金刚石砂轮的制备方法与实施例9相同；实施例14～16金刚石砂轮的制备方法与实施例10相同。

对比例

图3为现有技术应用于碳化硅密封环倒角加工的平行结构砂轮，包括磨料层1和砂轮基体2。在对碳化硅密封环的外倒角进行加工时，大多将平行树脂结合剂砂轮(图3)安装在万能外圆磨床上(如M1420)进行磨削加工。其磨削效率低，且砂轮装上后需要调整角度，加工精度欠佳，平行砂轮形状保持性不好，如果密封环倒角精度要求高，就需要不断的对砂轮进行修整，进一步降低了加工效率。

对于碳化硅密封环内倒角加工时，多采用万能内圆磨床(如M2120)或者自制机床调整角度进行内倒角加工，这种加工方式一方面机床安装的砂轮和密封环工件尺寸容易受到限制，另一方面需要不断的对内圆磨砂轮进行角度修整，内圆磨砂轮消耗一致性不好，造成倒角面的光洁度不均匀，大大降低了密封环的加工效率和加工精度。

据生产测试，用200#粒度内圆磨金刚石砂轮进行倒角加工，磨削第一片工件的光洁度可达Ra0.5，当磨到第20片工件时，由于砂轮消耗一致性不好，同样的加工工艺工件光洁度则为Ra0.8，造成偏差较大，生产过程中需要不断修整和检测。

采用本实施例的特定结构砂轮进行倒角加工，磨削20件后，砂轮形状保持和消耗一致性好，加工工件的光洁度达到Ra0.1，加工的R角≤0.05mm，总体加工时间减少30％以上，在保证高加工精度和表面光洁度的基础上，大大提高了加工效率。

Claims

1.一种碳化硅密封环倒角磨削用金刚石砂轮，其特征在于：包括砂轮基体和附着在砂轮基体上的磨料层，所述磨料层由以下体积百分比的组分制成：金刚石磨料20~30%，酚醛树脂粉40~50%，羰基铁粉5~15%，冰晶石粉5~15%，石墨粉10~20%；制备步骤包括：将金刚石磨料、酚醛树脂粉、羰基铁粉、冰晶石粉、石墨粉混合均匀，与砂轮基体组合后热压成型，固化，即得；所述金刚石磨料为镀镍金刚石或多晶金刚石；所述金刚石磨料的粒度为120#~400#；酚醛树脂粉的粒径为30~60μm；羰基铁粉的粒度为300#~400#；冰晶石粉的粒度为150#~400#；石墨粉的粒度为600#。

2.根据权利要求1所述的金刚石砂轮，其特征在于：所述砂轮基体为铸铝基体。

3.根据权利要求1~2任一项所述的金刚石砂轮，其特征在于：所述砂轮基体包括磨削部，所述磨削部为圆锥体形凸起或倒圆锥体形凹槽，所述磨料层附着在磨削部表面。

4.根据权利要求3所述的金刚石砂轮，其特征在于，磨料层厚度为3~10mm。

5.根据权利要求3所述的金刚石砂轮，其特征在于，磨削部的高度为50~200mm，磨削部的外径为50~250mm。

6.一种金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：包括砂轮基体和附着在砂轮基体上的磨料层，所述磨料层由以下体积百分比的组分制成：金刚石磨料20~30%，酚醛树脂粉40~50%，羰基铁粉5~15%，冰晶石粉5~15%，石墨粉10~20%；制备步骤包括：将金刚石磨料、酚醛树脂粉、羰基铁粉、冰晶石粉、石墨粉混合均匀，与砂轮基体组合后热压成型，固化，即得；所述金刚石磨料为镀镍金刚石或多晶金刚石；所述金刚石磨料的粒度为120#~400#；酚醛树脂粉的粒径为30~60μm；羰基铁粉的粒度为300#~400#；冰晶石粉的粒度为150#~400#；石墨粉的粒度为600#。

7.根据权利要求6所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：热压成型的温度为140~150℃，压力为2~10Mpa，时间为40~60min。

8.根据权利要求6所述的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：所述固化是在80~100℃下保温4~6h，后在140~160℃下保温4~6h，再在170~190℃下保温4~6h。