CN107020583A - 一种硬度均匀超硬磨料油石的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硬度均匀超硬磨料油石的制备方法。该制备方法是在布料时，使对应待成型油石两端部分的待烧结粉料多于对应待成型油石中间部分的待烧结粉料，以使烧结时待成型油石的两端部分压力高于中间部分压力，合模，烧结，即得。该制备方法在布料时使对应待成型油石的待烧结粉料呈现中间部分厚度小，两端部分厚度大的特征，合模烧结时使烧结压力呈现两头大、中间小的特点，平衡了烧结时由于向外热辐射造成的烧结温度两头低、中间高而引起的烧结动力不均，显著提高了油石的硬度均匀性。

Description

一种硬度均匀超硬磨料油石的制备方法

技术领域

本发明涉及超硬材料制品技术领域，具体涉及一种硬度均匀超硬磨料油石的制备方法。

背景技术

金属结合剂超硬磨料油石是由超硬磨料100(金刚石或立方氮化硼)和金属结合剂101制成的条状磨削工具(如图1所示)。其中，超硬磨料起磨削作用；结合剂粘结超硬磨料形成油石形状，同时保证磨削时油石的自锐性和一定的耐用度。金属结合剂超硬磨料油石由于具有加工效率高、磨料把持力强、使用寿命长、强度高、磨削精度高等优点，广泛应用于轴承沟道及滚道、内燃机缸、机床导轨、光学器件、电子仪器等精密零件的粗加工、半精及精加工等。

硬度均匀性是金属结合剂超硬磨料油石最重要的质量指标之一：通常油石的耐磨性与油石硬度成正比，如油石的硬度均匀性差，则油石不同部位在使用过程中的消耗速率将不一致，这不仅会导致油石的形状及尺寸精度无法保证(此时必须对油石进行修整以保证其形位精度，但由于修整频繁，极大地降低了生产效率)，同时更严重的是会引起加工过程的严重不稳定，造成工件划伤、磨削精度降低、表面粗糙度不均匀等加工问题。因此，对于超硬磨料油石尤其是精加工、超精加工用油石，其硬度均匀性应严格控制，不同位置的硬度值差应在5以内。

金属结合剂超硬磨料油石普遍基于热压烧结工艺制备，具体工艺流程如下：①混料，将所需超硬磨料与金属结合剂粉末在三维涡流混料机等设备中混合均匀，得到待烧结粉料；②根据油石尺寸选取合适的石墨模具，石墨模具组装后，向石墨模具型腔投入所需单重的待烧结粉料，并将粉料均匀摊平(如图2所示)，之后盖上模具上压板(上压板与粉料接触面为平面)；③将待烧结模具放到热压烧结机上，按照设定的烧结工艺(烧结温度、烧结压力)进行烧结，得到油石毛坯；④对油石毛坯进行精加工，得到最终产品。

以上传统热压烧结工艺制备的金属结合剂超硬磨料油石的硬度均匀性较差，油石不同部位的洛氏硬度值差达10以上，并且通常油石中部硬度高，两端硬度较低，无法满足半精加工、精加工超硬磨料油石要求。出现以上问题的关键原因在于：金属结合剂油石的硬度与烧结压力、烧结温度密切相关，均呈正比例关系；传统热压烧结工艺中，成型粉料均匀分布、表面刮平，烧结时压力分布较为均匀；但油石各部位的烧结温度是不均匀的，这是由于热压烧结基于大电流作用下石墨模具产热形成高温，进而对模具中金属粉末进行烧结，由于烧结过程在敞开环境中进行，石墨模具不可避免的存在对环境的热辐射现象，因此石墨模具的温度从内部向外部逐渐降低，相应油石的烧结温度也是中部高，向两侧逐渐降低，造成烧制后油石硬度不均匀，油石硬度从中部向两端逐渐降低，影响油石质量及精密磨削应用。

现有技术中，申请公布号为CN106217273A的专利公开了一种金刚石珩磨油石及其制备方法，金刚石珩磨油石由如下重量百分比的原料制成：粒度为400目～1000目金刚石微粉5～10％和金属结合剂90～95％；所述金属结合剂由铜锡预合金粉45～55％、银粉12～20％、镁粉30～33％和粒度为200目～800目滑石粉2～5％组成；具体制备方法是通过混料、模具成型、烧结、等通道转角挤压等工序制备油石毛坯，最后对油石毛坯进行机械加工，得到尺寸精度合格的成品。该专利通过对油石毛坯进行等通道转角挤压，使油石结合剂晶粒得到充分细化及组织均匀性提高，从而显著提高了油石结合剂的硬度均匀性。但该专利需要采用专用的等通道转角挤压设备，增加了生产成本，生产工序也较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，从而解决现有制备方法存在的生产成本高、生产工序复杂的问题。

为实现上述目的，本发明的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法的技术方案是：

一种硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，布料时，使对应待成型油石两端部分的待烧结粉料多于对应待成型油石中间部分的待烧结粉料，以使烧结时待成型油石的两端部分压力高于中间部分压力，合模，烧结，即得。

本发明提供的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，布料时使待烧结粉料呈现中间部分厚度小，两端部分厚度大的特征，合模烧结时在粉料层厚的位置，烧结时受到上压板传下的压力相对更高，从而提高该位置烧结后的硬度；该制备方法在烧结时使烧结压力呈现两头大、中间小的特点，平衡了烧结时由于向外热辐射造成的烧结温度两头低、中间高而引起的烧结动力不均，显著提高了油石的硬度均匀性，油石不同位置的硬度值差在4以内，完全满足精加工、超精加工对油石硬度均匀性的严格要求；该制备方法工艺简单，可不改造传统烧结设备，生产成本无明显增加。

布料时，使对应待成型油石的待烧结粉料的下表面为平面，上表面为两端对称的下凹面。所述两端对称的下凹面的最低点和最高点之间的连线与水平线形成夹角α，所述夹角α的范围为1°～4°。进一步优选的，所述两端对称的下凹面为凹弧面。

优选的，超硬磨料油石的长度不大于90mm时，夹角α的范围为2°～4°。超硬磨料油石的长度在90～200mm时，夹角α的范围为1°～2°。夹角α过大或过小均不利于提高油石硬度均匀性，当α小于上述范围时，对烧结后油石两端区域硬度的提高能力有限；当α大于上述范围时，容易造成烧结后油石两端硬度提高过大，导致油石硬度两端大，中间低，引起新的硬度不均匀。

上述硬度均匀超硬磨料油石的制备方法中，所述待烧结粉料由超硬磨料和金属结合剂组成，其中金属结合剂的重量百分比为75％～85％。所述金属结合剂为青铜基结合剂、铜基结合剂或钴基结合剂。优选的，金属结合剂的粒度为W10～W28。进一步优选的，青铜基结合剂由以下质量百分比的组分组成：铜80％、锡15％、钴3％、银2％；钴基结合剂由以下质量百分比的组分组成：钴65％、铜20％、铁10％、锡5％；铜基结合剂由以下质量百分比的组分组成：铜70％、锡11％、铁15％、钴4％。

所述烧结的温度为500℃～700℃，烧结的压力为25MPa～45MPa。经烧结后得到油石毛坯，对油石毛坯进行机械加工，得到尺寸精度合格的油石成品。

采用上述优选工艺参数制备的超硬磨料油石的硬度均匀性佳，磨削稳定性好，进而可以显著提高工件的加工精度以及降低表面粗糙度、避免因油石硬度不均造成的工件划伤等问题，提高工件精密加工质量；同时，大幅度降低了油石的修整频率，不仅提高工作效率，同时降低了油石的修整消耗，提升了油石寿命。

上述制备方法所采用的摊料装置的技术方案是：

一种摊料装置，包括机架，所述机架上设有可沿z向延伸的摊料臂和模具安装座，模具安装座用于在油石成型模具长度沿x向延伸、宽度沿y向延伸的姿态下安装油石成型模具，所述摊料臂与模具安装座之间可做沿x向和z向的相对复合往复运动，该复合往复运动的轨迹的两端部分高度高于中间部分高度，所述摊料臂的下端设有摊料头。

优选的，模具安装座可做沿x向的往复运动，摊料臂可做沿z向的往复运动。进一步优选的，所述摊料臂与机架之间顶装有弹性装置，模具安装座包括用于在往复运动过程中与所述弹性装置一起驱动摊料臂往复运动的凹形模框，所述凹形模框顶部具有与摊料臂配合的下凹面。所述摊料臂包括与凹形模框的下凹面滚动配合的滚动部件。

所述滚动部件为沿y向延伸的滚轴。

所述摊料臂的下端设有摊料刀。

本发明的摊料装置，结构简单，可方便将待烧结粉料的上表面摊铺成凹形面，进而用于制备硬度均匀的超硬磨料油石；可通过更换不同凹形模框得到适宜的摊料形状，满足不同尺寸超硬磨料油石的制作需求。

附图说明

图1为油石的结构示意图；

图2为传统油石摊料状态剖视图；

图3为本发明的摊料装置的结构示意图；

图4为图3的三维结构示意图；

图5为图3的正视图；

图6为图3的左视图；

图7为图3的俯视图；

图8为本发明的摊料装置在投料作业时的结构示意图；

图9为本发明的摊料装置在摊料作业时的结构示意图；

图10为本发明的油石摊料状态剖视图；

图11为油石的硬度检测点的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的摊料装置的结构如图3至图7所示，包括通过定位销27连接于模具安装座11上的上下设置的凹形模框17、石墨模框15和石墨底板14，石墨底板14和石墨模框15围成油石成型模具，凹形模框17的上表面沿z向的截面为中间低、两端高的两端对称的凹弧面，凹弧面的最低点和最高点之间的连线与水平线形成夹角α，夹角α范围为1°～4°；模具安装座11通过螺母固定块6与滚珠丝杠副的螺母8固定连接；滚珠丝杠副设于机架10上，机架10上位于滚珠丝杠副的两侧间隔平行设有两条导轨13和与各自导轨13配合的滑块7，滑块7的上端与模具安装座11连接，以实现在滚珠丝杠副的带动作用下，凹形模框17、石墨模框15和石墨底板14可沿导轨方向(x向)作往返移动；

机架10上还设有用于固定摊料臂套筒21的U型支架22，U型支架22的开口朝向机架10，开口的宽度大于两条导轨上相应滑块的外侧之间的宽度，以满足滑块可以在支架的开口内自由滑动；支架的顶部设有摊料时朝向凹形模框17的开口的漏料斗23和沿z向延伸的摊料臂19，摊料臂19具有安装段和工作段，其安装段套设于所述摊料臂套筒21内，摊料臂套筒21内还设有上下设置的压紧螺母25和顶压摊料臂的顶压弹簧24，压紧螺母25和顶压弹簧24形成顶压摊料臂向下运动的顶压结构；摊料臂19的工作段上设有上下设置的沿y向延伸的滚轴20、摊料刀16，滚轴20安装于摊料臂的内部轴承上以实现沿轴线进行滚动，摊料刀16通过摊料刀压紧螺钉18固定于摊料臂的刀槽内，在摊料时顶压结构顶压摊料臂19上的滚轴20与凹形模框17的上表面(下凹面)贴合，这样在凹形模框17作水平往返移动时，滚轴20、摊料刀16作与凹形模框的上表面相吻合的摊料动作，摊料刀16将型腔内的待烧结粉料的上表面摊铺成凹弧面；摊料臂套筒沿竖直方向移动装配于支架22上，并通过摊料臂套筒压紧螺钉26调节摊料臂套筒伸入或离开凹形模框17；凹形模框17的内部宽度方向与压制的超硬磨料油石的宽度一致，以保证摊料刀能够刮到边缘处，凹形模框的长度方向比要压制的超硬磨料油石的长度要长，以避开摊料刀压紧螺钉及滚轴，使摊料刀能运动到石墨模框长度方向边缘处。

机架10上还设有伺服电机1、联轴器2、电机连接法兰3、轴承4、内轴承座5、滚珠丝杠9、外轴承座12，以固定滚珠丝杠副并为其提供动力。

本实施例的摊料装置在投料作业时的结构示意图如图8所示，拧松摊料臂套筒压紧螺钉，将摊料臂套筒上升到最高位置，使摊料头的高度高于定位销的高度，此时伺服电机启动，驱动滚珠丝杠副动作，使螺母做直线运动，以此驱动模具安装座向左移动，进而驱动石墨底板、石墨模框和凹形模框向左移动，达移动距离达到设定距离时，伺服电机反转，驱动石墨底板、石墨模框和凹形模框向右移动，达到设定距离时，伺服电机正转，以此实现了石墨底板、石墨模框和凹形模框的作用往复匀速移动。往复匀速移动形成后，向漏料斗中倒入混好的磨料，磨料自动流入到由石墨底板和石墨模框构成的型腔内，并且由于石墨底板和石墨模框的往复匀速移动，使磨料均匀的分布在型腔内，直至漏料斗内磨料漏完，完成均匀投料过程。

本实施例的摊料装置在摊料作业时的结构示意图如图9所示，投料过程完成以后，伺服电机停止，此时把漏料斗取下，拧松摊料臂套筒压紧螺钉，根据混好的磨料要求，将摊料臂套筒下降到所需位置，此时滚轴紧压在凹形模框的凹弧面，摊料头位于石墨底板和石墨模框构成的型腔内，此时启动伺服电机，使其驱动石墨底板、石墨模框和凹形模框往复匀速移动，此时滚轴的圆柱面在内部弹簧压力下与凹形模框的凹弧面紧密贴合，并可沿凹弧面滚动，由于摊料臂套筒固定在支架上，因此滚轴滚动时的运动轨迹与凹形模框的弧面一致，而摊料头固定在摊料座上，摊料头的运动轨迹也与凹形模框的弧面一致，从而保证刮出的待烧结粉料的上部形状与凹形模框一致。

本发明的摊料装置的其他实施例中，凹形模框的上表面沿z向的截面可以为V形，去除V形底的“平底V形”，去除凹弧形底的“平底凹弧形”或其他中间低、两端高的对称形式；摊料臂与模具安装座之间做沿x向和z向的相对复合往复运动可通过其他形式实现，如利用目前已有的数控机床，实现模具安装座不动，通过控制系统控制摊料臂作沿x向和z向的复合往复运动，将待烧结粉料的上表面摊铺成凹弧形。

本发明的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法的实施例1，欲制备的油石尺寸为80mm(L)×5mm(B)×4mm(C)，采用上述摊料装置，包括以下步骤：

1)取金属结合剂和金刚石磨料在混料机中混合均匀，得到待烧结粉料；其中金属结合剂的质量百分占比为80％，金刚石磨料的质量百分占比为20％；金属结合剂为青铜基结合剂，由以下质量百分比的组分组成：铜粉80％、锡粉15％、钴粉3％、银粉2％；金刚石磨料的粒度为W28；

2)根据油石尺寸，选择合适的石墨模具并组装好，将待烧结粉料均匀投入石墨模具型腔，再将待烧结粉料的上表面摊铺成凹弧面，凹弧面的夹角α为3°，盖上石磨模具上压板(上压板与待烧结粉料的接触面为平面)，得到待烧结模具；

3)将待烧结模具置于热压烧结机上在550℃、25MPa下烧结0.1h，制得油石毛坯，再对油石毛坯进行机械加工，得到尺寸精度合格的油石成品。

本实施例中，油石摊料状态的剖视图如图10所示，按图11所示的标识位置从左向右依次打HRB硬度(共测13点数据)；对比例1油石制作时采用传统工艺摊料(即将粉料在石墨模具中均匀摊平)，油石的配方及其他制造工艺与实施例1完全相同，同样按图11检测各点硬度，结果如表1所示。

将实施例1和对比例1所得油石用于铸铁工件的磨削，其磨削效果对比如表2所示。

表1实施例1与对比例1所得油石的各点硬度值对比表

表2实施例1与对比例1所得油石的磨削效果对比表

	表面粗糙度(Ra/μm)	修整频率(件/次)	工件划伤情况	油石寿命
					实施例1	0.2	1400	无	18000
对比例1	0.4	600	划伤较多	8500

本发明的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法的实施例2，欲制备的油石尺寸为150mm(L)×6mm(B)×6mm(C)，采用上述摊料装置，包括以下步骤：

1)取金属结合剂和金刚石磨料在混料机中混合均匀，得到待烧结粉料；其中金属结合剂的质量百分占比为85％，金刚石磨料的质量百分占比为15％；金属结合剂为钴基结合剂，由以下质量百分比的组分组成：钴粉65％、铜粉20％、铁粉10％、锡粉5％；金刚石磨料的粒度为W14；

2)根据油石尺寸，选择合适的石墨模具并组装好，将待烧结粉料均匀投入石墨模具型腔，再将待烧结粉料的上表面摊铺成凹弧面，凹弧面的夹角α为2°，盖上石磨模具上压板(上压板与待烧结粉料的接触面为平面)，得到待烧结模具；

3)将待烧结模具置于热压烧结机上在700℃、45MPa下烧结0.2h，制得油石毛坯，再对油石毛坯进行机械加工，得到尺寸精度合格的油石成品。

本实施例中，油石摊料状态的剖视图如图10所示，按图11所示的标识位置从左向右依次打HRB硬度(共测13点数据)；对比例2油石制作时采用传统工艺摊料(即将粉料在石墨模具中均匀摊平)，油石的配方及其他制造工艺与实施例1完全相同，同样按图11检测各点硬度，结果如表3所示。

将实施例2和对比例2所得油石用于不锈钢工件的磨削，其磨削效果对比如表4所示。

表3实施例2与对比例2所得油石的各点硬度值对比表

表4实施例2与对比例2所得油石的磨削效果对比表

	表面粗糙度(Ra/μm)	修整频率(件/次)	工件划伤情况	油石寿命
					实施例2	0.1	1800	无	32000
对比例2	0.2	850	划伤较多	13500

本发明的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法的实施例3，欲制备的油石尺寸为200mm(L)×7mm(B)×5mm(C)，采用上述摊料装置，包括以下步骤：

1)取金属结合剂和金刚石磨料在混料机中混合均匀，得到待烧结粉料；其中金属结合剂的质量百分占比为75％，金刚石磨料的质量百分占比为25％；金属结合剂为铜基结合剂，由以下质量百分比的组分组成：铜粉70％、锡粉11％、铁粉15％、钴4％；金刚石磨料的粒度为W10；

2)根据油石尺寸，选择合适的石墨模具并组装好，将待烧结粉料均匀投入石墨模具型腔，再将待烧结粉料的上表面摊铺成凹弧面，凹弧面的夹角α为1°，盖上石磨模具上压板(上压板与待烧结粉料的接触面为平面)，得到待烧结模具；

3)将待烧结模具置于热压烧结机上在600℃、30MPa下烧结0.15h，制得油石毛坯，再对油石毛坯进行机械加工，得到尺寸精度合格的油石成品。

本实施例中，油石摊料状态的剖视图如图10所示，按图11所示的标识位置从左向右依次打HRB硬度(共测13点数据)；对比例3油石制作时采用传统工艺摊料(即将粉料在石墨模具中均匀摊平)，油石的配方及其他制造工艺与实施例1完全相同，同样按图11检测各点硬度，结果如表5所示。

将实施例3和对比例3所得油石用于硬质合金刀具刃口的磨削，其磨削效果对比如表6所示。

表5实施例3与对比例3所得油石的各点硬度值对比表

表6实施例3与对比例3所得油石的磨削效果对比表

	表面粗糙度(Ra/μm)	修整频率(件/次)	工件划伤情况	油石寿命
					实施例3	0.05	1200	无	11500
对比例3	0.1	490	划伤频繁	4500

由以上检测结果可知，本发明的方法所得超硬磨料油石的不同位置的硬度值差在4以内，硬度均匀性好；磨削效果试验表明，本发明的方法制备的硬度均匀超硬磨料油石，磨削加工的精度高，大幅度降低了油石的修整频次，且基本无工件划伤，提升了油石寿命。

Claims (7)

1.一种硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，其特征在于，布料时，使对应待成型油石两端部分的待烧结粉料多于对应待成型油石中间部分的待烧结粉料，以使烧结时待成型油石的两端部分压力高于中间部分压力，合模，烧结，即得。

2.如权利要求1所述的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，其特征在于，布料时，使对应待成型油石的待烧结粉料的下表面为平面，上表面为两端对称的下凹面。

3.如权利要求2所述的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，其特征在于，所述两端对称的下凹面的最低点和最高点之间的连线与水平线形成夹角α，所述夹角α的范围为1°～4°。

4.如权利要求3所述的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，其特征在于，所述两端对称的下凹面为凹弧面。

5.如权利要求3或4所述的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，其特征在于，超硬磨料油石的长度不大于90mm时，夹角α的范围为2°～4°；超硬磨料油石的长度在90～200mm时，夹角α的范围为1°～2°。

6.如权利要求1～4任一项所述的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，其特征在于，所述待烧结粉料由超硬磨料和金属结合剂组成，其中金属结合剂的重量百分比为75％～85％。

7.如权利要求6所述的硬度均匀超硬磨料油石的制备方法，其特征在于，所述金属结合剂为青铜基结合剂、铜基结合剂或钴基结合剂。