CN109571292A - 一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，包括砂轮基体，所述砂轮基体内近外端处设有一环形管腔，所述环形管腔内填充有环形的泡沫金属，所述环形管腔内还设有气液相变传热工质。所述泡沫金属与所述环形管腔的内侧具有装配缝隙，所述装配缝隙内填充有金属填充块，所述环形管腔的两侧壁贴敷有铜箔/石墨复合片。该新型高导热相变储热超硬磨料砂轮具有导热能力强、传热性能受离心力作用影响小以及使用少量冷却液即可有效控制磨削温度的优点。

Description

一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种砂轮，具体的说，涉及了一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮及其制备方法。

背景技术

目前制约高效磨削加工技术发展与推广应用的关键问题是磨削高温，以及由此带来的工件表面烧伤和加工效率低，这一现象在高效磨削诸如高强韧性材料零件时表现的尤为明显。为达到及时冷却的目的，增大冷却液射流速度和使用量以最大限度强化磨削弧区的换热效果，这是当前抑制磨削烧伤和提高磨削效率的主要方法。但事实上，由于受磨削弧区临界热流密度的限制，以及砂轮高速旋转时周围“气障”的阻碍，冷却液真正能够进入到磨削弧区起到强化换热的作用并不理想，与此同时，大量使用冷却液还会带来一系列成本、环境、健康等负面问题，这有悖于当前绿色制造理念。因此，近些年人们开始尝试加强砂轮工具对磨削弧区的换热作用，其思路是通过大幅提高砂轮工具自身的导热能力，使磨削热能够经由砂轮疏导出去，进而达到降低磨削温度。

例如，专利号CN105773456A，名称为《一种热管砂轮及其制作方法》的发明专利，提供了一种技术方案，利用热管技术来提高砂轮的导热性能；再如，专利号为CN106346377A，名称为《绿色干磨削用相变储热砂轮及其制造方法》的发明专利，在前者基础上改进的技术方案，是在热管冷端位置的内部设置有一个储热元件，通过借助储热元件能够实现将热管内部的热量暂存其中，然后再经砂轮基体逐渐将热量疏散至外界环境，这提升了热管冷端的散热能力，以及稳定内部传热。

但是，这两种结构都存在一个共同的问题，就是针对热管部分，由于砂轮高速旋转时产生的离心力会阻碍工质吸热汽化后向冷端移动以及在冷端放热冷凝，进而导致热管内部的气液相变传热过程及效率减弱，热管部分的热阻增加。因此，上述结构砂轮仅在低速工作条件下具有优异的传热能力，在高速磨削条件下，上述结构砂轮的传热能力下降。

基于以上问题，在借助热管技术的同时，如何能够消除离心力对热管内部相变传热性能的影响，且最大限度的提高砂轮内部相变传热效率与降低砂轮自身热阻，同时增强砂轮冷端的散热能力，这是开发高导热超硬磨料砂轮，以及实现利用砂轮高导热特性强化磨削弧区换热，降低磨削温度的关键。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种导热能力强、传热性能受离心力作用影响小以及使用少量冷却液即可有效降低磨削温度的新型高导热相变储热超硬磨料砂轮及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，包括砂轮基体，所述砂轮基体内近外端处设有一环形管腔，所述环形管腔内填充有环形的泡沫金属，所述环形管腔内还设有气液相变传热工质。

基上所述，所述泡沫金属与所述环形管腔的内侧具有装配缝隙，所述装配缝隙内填充有金属填充块。

基上所述，所述泡沫金属和所述金属填充块采用分块组装式结构，各金属填充块之间间隙配合，所述金属填充块分别与泡沫金属和砂轮基体之间过盈配合，各金属填充块之间填充结构胶。

基上所述，所述环形管腔的两侧壁贴敷有石墨片或铜箔或铜箔/石墨复合片，厚度为0.1-0.3mm。

基上所述，所述工质为氟利昂。

基上所述，所述泡沫金属的孔径为5-80PPi，且通孔率高于95%。

基上所述，所述环形管腔内靠近砂轮外圆的内壁面经喷丸处理。

基上所述，所述环形管腔包括开设于所述砂轮基体上的环形槽和密封所述环形槽的环形端盖，所述砂轮基体内具有用于连通所述环形管腔和外界的抽气注液孔，所述砂轮基体上设置封堵所述抽气注液孔的密封堵头，其中一个所述金属填充块上对应所述抽气注液孔开设通孔。

在砂轮基体内的环形管腔部分设置泡沫金属，借助泡沫金属比表面积大以及通过特性，环形管腔的热端在磨削时工质首先在环形管腔的喷丸表面形成液膜，然后受热蒸发向泡沫金属内部移动，且只需移动一个短的距离，即可在泡沫金属表面放热冷凝，随后冷凝工质又在离心力作用下沿泡沫金属表面回流至热端，进而形成一次相变传热过程；与此同时，工质释放的热量能够暂且存储在泡沫金属中，使泡沫金属开始升温（温度梯度由砂轮外圆向内孔递减），由此一来，吸附在泡沫金属表面的工质，以及没有回流至热端的工质，能够吸收泡沫金属中的储热再次蒸发，并沿着泡沫金属向内侧移动，且同样移动一个短的距离，即可再次完成一次相变传热过程，如此往复循环，环形管腔内部的相变传热效率能够大幅提升。

综上所述，在前述热管砂轮的环形管腔部分添加泡沫金属，利用其多孔结构与储热效果，一方面可以促进砂轮基体内环形管腔部分的相变传热过程与效率，另一方面，储热又能够更好的推动相变传热，两者结合，提高了砂轮基体内环形管腔部分（即热管管腔部分）工质的气液两相转换效率，进而降低了砂轮基体内环形管腔部分的热阻。

一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮的制造方法，包括以下步骤：

1）根据设计尺寸制作砂轮基体、端盖、泡沫金属、金属填充块、石墨片或铜箔或铜箔/石墨复合片和抽真空、注液及密封结构；

2）将铜箔石墨复合片等面积的放置在环形管腔的一侧平面上，将另一个石墨片或铜箔或铜箔/石墨片先贴合在泡沫金属的一侧面，然后将泡沫金属拼接放入环形槽内，之后再将各个金属填充块两面涂结构胶，插入泡沫铜、砂轮基体之间的装配缝隙，固化后使三者连接固定，相邻的泡沫金属之间也填充结构胶进行固定；

3）将盖板装配在环形槽上，并进行焊接；

4）对砂轮基体精加工，将其外圆和端面加工至尺寸要求；

5）采用金刚石磨粒或立方氮化硼磨粒进行电镀制作砂轮磨削工作层；

6）对环形管腔部分进行抽真空，注液和密封。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明具有以下优点：

1、砂轮结构新颖，制造工艺简单，同时砂轮具有低热阻、高导热性能。

2、借助泡沫金属比表面积大以及通过特性，和气液相变的传热特点，将磨削热从环形管腔外端逐步向内端传递，提高了砂轮基体内环形管腔部分工质的气液两相转换效率，进而降低了砂轮基体内环形管腔部分的热阻，减小了离心力对于传热性能的影响。

3、该砂轮不仅在低速磨削条件下表现良好，在高速磨削条件下，克服了之前热管砂轮传热性能差的问题；同时该砂轮在减少磨削液使用量的情况下，能够有效降低磨削温度，实现绿色加工。

附图说明

图1是本发明实施例1中新型高导热相变储热超硬磨料砂轮的结构示意图。

图2是本发明实施例1中新型高导热相变储热超硬磨料砂轮的局部放大图。

图3是本发明实施例1中新型高导热相变储热超硬磨料砂轮抽气注液过程中的结构示意图。

图4是砂轮基体内环形管腔部分传热过程温度梯度变化示意图。

图中：1.砂轮基体；2.环形管腔；3.泡沫金属；4.抽气注液孔；5.操作孔；6.密封堵头；7.抽气注液连接件；8.铜箔/石墨复合片；9.工质；10.磨料；11.金属填充块。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如图1-3所示，一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，包括砂轮基体1和磨料10，所述砂轮基体1内近外端处设有一环形管腔2，所述环形管腔2内填充有环形的泡沫金属3，如泡沫铜，所述环形管腔2内还设有气液相变传热工质，所述泡沫铜的孔径为5-80PPi，且通孔率高于95%，本实施例中，由于环形管腔外周侧入口处的台阶结构，泡沫铜不能够完整的填满整个环形管腔，导致泡沫铜与所述环形管腔的内侧具有装配缝隙，因此，需要在装配缝隙内填充金属填充块11。所述泡沫铜3和所述金属填充块11采用分块组装式结构各金属填充块11之间间隙配合，所述金属填11充块分别与泡沫铜3和砂轮基体1之间过盈配合。

为了获得最优的气液相变传热效果，传热工质采用常温下为液态的、且具有低潜热性质气液相变传热工质，即：吸少量的热就能蒸发，释放少量热就能冷凝，这种工质多用于低温热管中，工作范围-30～100℃），如氟利昂。

为了增强热量排出的效率和能力，在本实施例的优选方案中，所述环形管腔2的两侧壁贴敷有铜箔/石墨复合片8，厚度为0.1-0.3mm，泡沫铜3和传热工质还能与侧壁上的铜箔/石墨复合片8进行换热，目的是为了增大接触面积，降低泡沫铜和砂轮基体的接触热阻，进而增强砂轮冷端（砂轮基体+铜箔/石墨复合片）的散热能力。

环形管腔靠近砂轮外圆的内壁面，经喷丸处理，目的是增强表面粗糙度，提高传热面积，同时增强砂轮的结构强度。

工作原理：

借助泡沫铜比表面积大以及通过特性，环形管腔2热端的工质9在砂轮旋转时先在喷丸表面形成液膜，然后受热蒸发向泡沫铜3内部移动，且只需移动一个短的距离，即可在泡沫铜表面放热冷凝，随后冷凝工质又在离心力作用下沿泡沫铜3表面向热端回流，进而形成一次相变传热过程；与此同时，工质9释放的热量能够暂且存储在泡沫铜3中，使泡沫铜3开始升温（温度梯度由砂轮外圆向内孔递减），由此一来，吸附在泡沫铜3表面的工质，以及尚未回流至热端的工质，能够吸收泡沫铜3中的储热再次蒸发，并沿着泡沫铜3向内侧移动，且同样移动一个短的距离，即可再次完成一次相变传热过程，如此往复循环，环形管腔内部的相变传热效率能够大幅提升。

因此，泡沫铜具有的多孔结构与储热效果，一方面促进了砂轮基体内环形管腔内部的相变传热过程与效率，另一方面，储热又能够更好的推动相变传热，两者结合，提高了砂轮基体内环形管腔部分工质的气液两相转换效率，进而降低了砂轮基体内环形管腔部分的热阻。

位于冷端砂轮基体1以及铜箔/石墨复合片8将泡沫铜传递来的热量再传递至外界，完成整个散热过程。

其它实施例中，铜箔/石墨复合片也可以用铜箔或石墨片代替。

本专利结构，环形管腔部分的相变转化过程非常频繁，而且发生的位置在泡沫铜内部表面上，而且不同的位置，由于温度的不同，转化效率也会存在差异，传热和储热是一个协调互补的过程。

本实施例中，环形管腔2的结构包括开设于所述砂轮基体1上的环形槽2-1和密封所述环形槽2-1的环形端盖2-2。所述砂轮基体1内具有连通所述环形管腔2和外界的抽气注液孔4，所述砂轮基体1上设置封堵所述抽气注液孔4的密封堵头。所述砂轮基体1上设置一操作孔5，所述抽气注液孔4沿径向设置并连通所述操作孔5，所述密封堵头8填塞于所述操作孔5处，所述金属填充块11上开设连通所述抽气注液孔的通孔。

为了方便抽气注液的操作，设计抽气注液连接件7，所述操作孔5贯穿所述砂轮基体1，所述抽气注液连接件7的直径与所述密封堵头6一致，所述抽气注液连接件7内设置用于连通所述抽气注液孔和外界的L型穿孔，所述抽气注液连接件7和所述密封堵头8均采用具有多组密封圈及凹槽的径向动密封结构。

抽气注液过程：首先，先将抽气注液连接件7安装在操作孔内，并将L型穿孔对接到抽气注液孔4处，实现环形管腔2与外界的连通，然后通过L型穿孔连接抽气注液设备，进行抽真空和注入换热工质的步骤，操作完成后，用石蜡将密封堵头的一端粘接在抽气注液连接件7的一端，然后缓慢移动，直到密封堵头将抽气注液孔4完全堵住并填封所述操作孔，然后将抽气注液连接件7去除。需拆卸密封堵头时，反向操作即可。

实施例2

一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮的制造方法，包括以下步骤：

1）根据设计尺寸制作砂轮基体、端盖、泡沫金属、金属填充块、铜箔/石墨复合片和抽真空、注液及密封结构；

2）将铜箔/石墨复合片等面积的放置在环形管腔的一侧平面上，将另一个铜箔/石墨片先贴合在泡沫金属的一侧面，然后将泡沫金属拼接放入环形槽内，之后再将各个金属填充块两面涂结构胶，插入泡沫铜、砂轮基体之间的装配缝隙，固化后使三者连接固定，相邻的泡沫金属之间也填充结构胶进行固定；

3）将盖板装配在环形槽上，并进行焊接；

4）对砂轮基体精加工，将其外圆和端面加工至尺寸要求；

5）采用金刚石磨粒或立方氮化硼磨粒进行电镀制作砂轮磨削工作层；

6）对环形管腔部分进行抽真空，注液和密封。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，包括砂轮基体，其特征在于：所述砂轮基体内近外端处设有一环形管腔，所述环形管腔内填充有环形的泡沫金属，所述环形管腔内还设有气液相变传热工质。

2.根据权利要求1所述的一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，其特征在于：所述泡沫金属与所述环形管腔的内侧具有装配缝隙，所述装配缝隙内填充有金属填充块。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，其特征在于：所述泡沫金属和所述金属填充块采用分块组装式结构，各金属填充块之间间隙配合，所述金属填充块分别与所述砂轮基体和所述泡沫金属之间过盈配合，各金属填充块之间填充结构胶。

4.根据权利要求3所述的一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，其特征在于：所述环形管腔的两侧壁贴敷有石墨片或铜箔或铜箔/石墨复合片，厚度为0.1-0.3mm。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，其特征在于：所述工质为氟利昂。

6.根据权利要求4所述的一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，其特征在于：所述泡沫金属的孔径为5-80PPi，且通孔率高于95%。

7.根据权利要求4所述的一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，其特征在于：所述环形管腔包括开设于所述砂轮基体上的环形槽和密封所述环形槽的环形端盖，所述砂轮基体内具有用于连通所述环形管腔和外界的抽气注液孔，所述砂轮基体上设置封堵所述抽气注液孔的密封堵头，其中一个所述金属填充块上对应所述抽气注液孔开设通孔。

8.根据权利要求1或2或4或6或7所述的一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮，其特征在于：所述环形管腔内靠近砂轮外圆的内壁面经喷丸处理。

9.一种新型高导热相变储热超硬磨料砂轮的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）根据设计尺寸制作砂轮基体、端盖、泡沫金属、金属填充块、石墨片或铜箔或铜箔/石墨复合片和抽真空、注液及密封结构；

2）将石墨片或铜箔或铜箔/石墨复合片等面积的放置在环形管腔的一侧平面上，将另一个石墨片或铜箔或铜箔/石墨片先贴合在泡沫金属的一侧面，然后将泡沫金属拼接放入环形槽内，之后再将各个金属填充块内外两面涂结构胶，插入泡沫铜、砂轮基体之间的装配缝隙，固化后使三者连接固定，相邻的泡沫金属之间也填充结构胶进行固定；

3）将盖板装配在环形槽上，并进行焊接；

4）对砂轮基体精加工，将其外圆和端面加工至尺寸要求；

5）采用金刚石磨粒或立方氮化硼磨粒进行电镀制作砂轮磨削工作层；

6）对环形管腔部分进行抽真空，注液，和密封。