CN110744459A - 一种金刚石烧结砂轮棒及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金刚石烧结砂轮棒及其制造方法，所述金刚石烧结砂轮棒包括：棒体，包括主体和位于所述主体一端的连接端；管状磨粒层，包括固定端和与所述固定端连接的刃部，所述固定端套设并固定于所述连接端上，所述刃部呈套筒状；其中，所述管状磨粒层由金属结合剂、金刚石磨粒、添加剂和水基粘结剂混合烧结而成。通过将管状磨粒层的刃部为套筒状，来限定砂轮棒端部侧面的R角磨损上限，将刃部端面侧边R角控制在一个合理的范围内，从而减少给精加工留出的加工余量，降低精加工的成本，且利于加工深孔、槽时的排屑和冷却，最大程度降低了烧刀现象的发生，可提高砂轮棒的使用寿命，同时提高产品的良率。

Description

一种金刚石烧结砂轮棒及其制造方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种金刚石烧结砂轮棒及其制造方法。

背景技术

氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、蓝宝石和钨钢等材料由于其良好的性能，越来越广泛地应用于机械、电子和光学产品上。这些材料同属脆硬材料，传统的切削刀具很难对其进行加工。

目前技术通常采用的金刚石烧结砂轮棒结构，如图1和图2所示，金刚石磨粒与金属结合剂、添加剂等材料成分，通过高温烧结，固化在钢制棒材的一端，形成磨粒层区域。磨粒层区域端部会开有排屑孔和槽以增强排屑和冷却功能。在加工盲孔和槽时，常用加工方式为层铣，进给量和吃刀量依具体情况而定，金刚石烧结砂轮棒的刃部区域的端面和侧面均参与磨削。

加工开始时，首先是砂轮棒的刃部区域端面与被加工材料接触，然后机床主轴继续下移，下移后，高速旋转的砂轮棒刃部区域已经有一部分陷入被加工材料内部，换言之，被加工材料已有一部分被砂轮棒磨削去除，在这个阶段，完全是砂轮棒刃部端面参与加工；然后，主轴开始带动高速旋转的砂轮棒在水平面内平移，去除更大范围内的材料，在这个阶段，砂轮棒刃部的侧面区域开始与端面同时参与加工，换言之，砂轮棒刃部的端面和侧面开始同时发生磨损。由于砂轮棒刃部端面的工作面积较大，磨损速度较刃部侧面更慢。而砂轮棒刃部侧面R角位置的参与加工面积最小，最不耐磨，随着加工的进行，去除量的逐渐增大，磨损会逐渐变大，使砂轮棒端部外缘的R角持续变大。在某一时间节点上，砂轮棒的端部边缘R角尺寸会因磨损而超差，而被加工件尺寸是完全贴合砂轮棒尺寸的，故被加工件的尺寸也会超差，给后道精加工留出的加工余量超出设计范围，如图3和图4所示。

当下道工序的精加工砂轮棒开始工作时，由于上道工序所留的加工余量很大，精加工砂轮棒所担负的加工量大大超过其初始设计能力，砂轮棒会很快耗尽寿命并失效，操作者只能频繁更换新的精加工砂轮棒，造成刀具成本的上升；此外，砂轮的失效有概率发生烧刀、崩边等现象，并且操作者频繁的换刀、对刀，非常容易产生操作失误，加之此序一般为最后一道工序，对精度要求非常高，并且没有后续修补工序，会造成加工良率的下降。

发明内容

本申请提供一种金刚石烧结砂轮棒及其制造方法，解决了现有技术中金刚石烧结砂轮棒加工后的工件尺寸超差，给精加工留出的加工余量超出设计范围，导致精加工的成本较高，甚至在精加工的过程中发生烧刀、崩边的现象，同时导致产品的良率较低的技术问题。

本申请提供一种金刚石烧结砂轮棒，所述金刚石烧结砂轮棒包括：

棒体，包括主体和位于所述主体一端的连接端；

管状磨粒层，包括固定端和与所述固定端连接的刃部，所述固定端套设并固定于所述连接端上，所述刃部呈套筒状；

其中，所述管状磨粒层由金属结合剂、金刚石磨粒、添加剂和水基粘结剂混合烧结而成。

优选地，所述管状磨粒层的厚度为0.5～2mm。

优选地，所述管状磨粒层的厚度小于等于所述管状磨粒层的外径的15％。

优选地，所述主体包括夹持部和中间部，所述中间部连接于所述连接端和夹持部之间。

优选地，所述夹持部的外径小于所述中间部的外径。

优选地，所述连接端的外径小于所述中间部的外径。

优选地，所述中间部的外径等于所述管状磨粒层的外径。

优选地，所述棒体具体为钢制棒体，为一体成型结构。

本申请还提供一种金刚石烧结砂轮棒的制造方法，用于制作如权利要求1-8中所述的金刚石烧结砂轮棒，所述制造方式包括：

将金属结合剂、金刚石磨粒和添加剂混合，获得干粉，再将干粉与水基粘结剂混合调制成混合料；

将所述混合料进行烘干后，冷压成型于棒体的刃部棒体上，获得砂轮棒毛坯，其中，所述棒体还包括夹持部和连接于所述刃部棒体与所述夹持部之间中间部；

将所述砂轮棒毛坯进行干燥后，再进行预修型，使得所述刃部棒体上远离所述中间部的一端露出；

在预修型后，将砂轮棒毛坯进行烧结；

对烧结后的砂轮棒毛坯进行机加工，以在所述刃部棒体外露的端部钻排屑孔；

对砂轮棒毛坯的刃部侧面和端面进行修型，并对机加工的排屑孔进行镗孔，将排屑孔内壁上残留的刃部棒体去除，获得所述金刚石烧结砂轮棒。

优选地，所述将所述膏状物进行烘干，包括：

将膏状物送入鼓风干燥箱进行烘干，设定烘干温度在70℃至120℃，干燥时间2～4小时。

优选地，所述刃部棒体直径设计为管状磨粒层外径的70％至90％。

优选地，将所述砂轮棒毛坯进行干燥，包括：

将所述砂轮棒毛坯送入鼓风干燥箱干燥，设定温度为100℃至120℃，干燥时间为6H至12H。

优选地，对烧结后的砂轮棒毛坯进行机加工，以在所述刃部棒体外露的端部钻排屑孔，包括：

使用车床或铣床对烧结后的砂轮棒毛坯加工所述排屑孔，所述排屑孔的深度比金刚石烧结砂轮棒的有效刃长长至少1mm，所述排屑孔的孔径小于所述刃部棒体的直径。

本申请有益效果如下：

通过将管状磨粒层的刃部为套筒状，来限定砂轮棒端部侧面的R角磨损上限，将刃部端面侧边R角控制在一个合理的范围内，从而减少给精加工留出的加工余量，降低精加工的成本，且利于加工深孔、槽时的排屑和冷却，最大程度降低了烧刀现象的发生，可提高砂轮棒的使用寿命，同时提高产品的良率，解决了现有技术中金刚石烧结砂轮棒加工后的工件尺寸超差，给精加工留出的加工余量超出设计范围，导致精加工的成本较高，甚至在精加工的过程中发生烧刀、崩边的现象，同时导致产品的良率较低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1和图2为现有技术中的金刚石烧结砂轮棒的结构示意图；

图3和图4为图1中的金刚石烧结砂轮棒的使用状态参考图；

图5为本申请提供的一种金刚石烧结砂轮棒的剖面结构示意图；

图6为本申请提供的一种金刚石烧结砂轮棒的制造方法的流程图；

图7-图8为图6中金刚石烧结砂轮棒的制造过程中的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

为了解决现有技术中金刚石烧结砂轮棒加工后的工件尺寸超差，给精加工留出的加工余量超出设计范围，导致精加工的成本较高，甚至在精加工的过程中发生烧刀、崩边的现象，同时导致产品的良率较低的技术问题，本申请提供一种金刚石烧结砂轮棒及其制造方法。首先，对金刚石烧结砂轮棒的结构进行介绍。

如图5所示，为本申请提供的一种金刚石烧结砂轮棒10的剖面结构示意图。所述金刚石烧结砂轮棒10包括棒体11和管状磨粒层12。

所述棒体11包括主体111和位于所述主体111一端的连接端112。所述棒体11具体为钢制棒体，为一体成型结构。具体地，为了便于夹持，在本实施方式中，所述主体111包括夹持部114和中间部113，所述中间部113连接于所述连接端112和夹持部114之间。进一步地，所述夹持部114的外径小于所述中间部113的外径。另外，为了便于连接端112与管状磨粒层12连接，在本实施方式中，所述连接端112的外径小于所述中间部113的外径。

管状磨粒层12包括固定端121和与所述固定端121连接的刃部122，所述固定端121套设并固定于所述连接端112上。具体地，在其它实施方式中，所述管状磨粒层12大致呈套筒状。在其它实施方式中，也可以只将刃部122设置为大致呈套筒状，而将固定端121设置为与连接端112匹配的形状亦可。

其中，所述管状磨粒层12由金属结合剂、金刚石磨粒、添加剂和水基粘结剂混合烧结而成。所述金属结合剂为预合金粉末，粒度为200目，含有银、铜、钛等成分，银含量占30％～50％，铜含量占40％～60％，钛含量占5％～15％，其他成分占比不超过10％。金刚石磨料粒度为100目至500目，具体可根据需要进行确定；添加剂可选用碳化硅，碳化钛等耐磨材料。以上三种组分按20:10:5的比例混合，各组分可根据实际需求在±30％范围内调整，再使用聚乙烯醇和羟基甲丙基纤维素配置的水基粘结剂调制成混合料，水基粘结剂质量为干粉质量的20％至50％。

进一步地，在本实施方式中，所述中间部113的外径等于所述管状磨粒层12的外径，所述连接端112和所述中间部113的外径差等于所述管状磨粒层12的厚度。

具体地，套筒状的所述管状磨粒层12的厚度为0.5～2mm。管状磨粒层12的厚度可以根据具体情况而定，以刃部外径为

为例，管状磨粒层12的壁厚可设计为0.75mm，中心排屑孔直径为6.5mm，刃部长度设计为15mm以上。刃部122内不含钢制结构，全部为金刚石和金属结合剂烧结固化而成，在刃部122的一端有固定端121，固定端121附着在主体111的连接端112上，连接端112长度设计在3mm以上，管状磨粒层12与棒体11的有良好的附着力。

或者，也可以根据所述管状磨粒层12的外径确定所述管状磨粒层12的壁厚。具体地，套筒状的所述管状磨粒层的厚度小于所述管状磨粒层12的外径的15％。本申请的金刚石烧结砂轮棒10可以用于对氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、蓝宝石和钨钢等材料进行加工，在针对不同材料进行加工时，可根据材料的特性对所述管状磨粒层12的厚度进行调整。具体地，在需要采用金刚石烧结砂轮棒10对氧化锆陶瓷材料进行加工时，可将金刚石烧结砂轮棒10的管状磨粒层的厚度设置为管状磨粒层外径的8％至12％；在需要采用金刚石烧结砂轮棒10对碳化硅陶瓷材料进行加工时，可将金刚石烧结砂轮棒10的管状磨粒层的厚度设置为管状磨粒层外径的10％至15％；在需要采用金刚石烧结砂轮棒10对蓝宝石材料进行加工时，可将金刚石烧结砂轮棒10的管状磨粒层的厚度设置为管状磨粒层外径的8％至10％；在需要采用金刚石烧结砂轮棒10对钨钢材料进行加工时，可将金刚石烧结砂轮棒10的管状磨粒层的厚度设置为管状磨粒层外径的5％至10％。

本申请的金刚石烧结砂轮棒在结构上有以下特点：管状磨粒层的刃部为套筒状即管状薄壁结构，刃部端面工作面积小，且刃部端面排屑孔尺寸很大，整个刃部均可参与加工，使得金刚石烧结砂轮棒在进行深孔、槽加工时优势巨大。

管状薄壁结构的磨粒层，在加工时，端面和侧面同时参与磨削，同时发生磨损，端部外缘因砂轮磨损而产生的R角的磨损上限会受到刃部的壁厚的限制，端部外缘R角的磨损上限是由刃部的壁厚尺寸所决定的。此外，由于刃部的端面参与加工的工作面积非常小，磨损速度会比较快，端面的磨损配合侧面的磨损，结合实际生产实际，可达到一种均衡，刃部的端面和侧面同时磨损，控制刃部的端面外缘的R角不会随着磨损而增大。而开篇所述常见的传统金刚石烧结砂轮棒往往刃部的端面磨损很慢，而刃部的端面外缘位置磨损剧烈，很快其外缘R角就会因磨损而增大到尺寸超差，从而减少给精加工留出的加工余量，降低精加工的成本。

另外，由于管状磨粒层的刃部为套筒状，会使得金刚石烧结砂轮棒有非常大的中心排屑孔，非常利于加工深孔、槽时的排屑和冷却，最大程度降低了烧刀现象的发生，可提高砂轮棒的使用寿命，同时提高产品的良率。

再，由于管状磨粒层的刃部为套筒状，整个刃部全部都由具有磨削能力的金刚石磨料烧结体构成，刃部可全部磨损至底，加长其刃长即可延长寿命，而由于管状薄壁磨粒层厚度很小，延长刃长所增加的体积也非常小，增加的成本也较少。

通过将管状磨粒层的刃部为套筒状，来限定砂轮棒端部侧面的R角磨损上限，将刃部端面侧边R角控制在一个合理的范围内，从而减少给精加工留出的加工余量，降低精加工的成本，且利于加工深孔、槽时的排屑和冷却，最大程度降低了烧刀现象的发生，可提高砂轮棒的使用寿命，同时提高产品的良率，解决了现有技术中金刚石烧结砂轮棒加工后的工件尺寸超差，给精加工留出的加工余量超出设计范围，导致精加工的成本较高，甚至在精加工的过程中发生烧刀、崩边的现象，同时导致产品的良率较低的技术问题。

以下对本申请提供的一种金刚石烧结砂轮棒的制造方法进行介绍。具体地，如图6所示，为本申请提供的一种金刚石烧结砂轮棒的制造方法的流程图。

如图6所示，所述金刚石烧结砂轮棒的制造方法包括以下步骤：

步骤61，将金属结合剂、金刚石磨粒和添加剂混合，获得干粉，再将干粉与水基粘结剂混合调制成膏状物。

具体地，将金属结合剂、金刚石磨粒和添加剂可以按照按20:10:5的比例进行混合。具体地，所述金属结合剂为预合金粉末，粒度为200目，含有银、铜、钛等成分，其中，银含量占30％～50％，铜含量占40％～60％，钛含量占5％～15％，其他成分占比不超过10％。金刚石磨料粒度为100目至500目，具体可以根据情况进行确定。添加剂可选用碳化硅、碳化钛等耐磨材料。

具体地，在本实施方式中，所述水基粘结剂具体为聚乙烯醇和羟基甲丙基纤维素。优选地，水基粘结剂质量为干粉质量的20％至50％。

需要说明的是，上述成分和比例只是进行的举例说明，关于金属结合剂成分，粘结剂成分，金刚石粒度，以及最后混合调制的配比，本申请没有具体要求，也不是本发明的重点，要根据砂轮棒的实际工作情况，比如数控机床(CNC)设定加工参数，被加工材料的硬度和可加工性，对砂轮棒自锐性的要求等因素做出判断和调整。

步骤62，将所述混合料进行烘干后，冷压成型于棒体上，获得砂轮棒毛坯，如图7所示。

具体地，将膏状物送入鼓风干燥箱进行烘干，设定烘干温度在70℃至120℃，干燥时间2～4小时，以将混合料干燥至不粘手、不结块。

通过冷压成型，将烘干后的膏状物固形在棒体上。冷压成型可采用单向或双向压制，若砂轮棒刃部长度L达到15mm以上，优选双向压制。压制使用气动压力机，压力设定为0.2MPa至0.5MPa，具体压力依砂轮棒毛坯直径而定：毛坯直径在φ7以下，优选0.2MPa，直径在φ16以上，优选0.5MPa。压制方式为保压，保压时间60s至120s。

具体地，棒体为钢制棒体，钢制棒体包括三部分：刃部棒体115、夹持部114和中间部113，中间部113连接于刃部棒体115和夹持部114之间，夹持部114用于数控机床夹持成品砂轮棒进行加工；中间部113为台阶，未加工前，台阶直径比砂轮棒成品直径略大，其设计目的是在成型时留出加工余量，此余量需要覆盖料坯烧结后的体积收缩量，由于本申请所述砂轮棒的刃部套筒状结构，径向厚度较薄，收缩量较小，台阶直径设计为成品砂轮棒设计直径的115％至125％即可。刃部棒体115作用是使粉料在压力成型过程中固化在其上，刃部棒体115直径依砂轮棒成品的管状薄壁内径设计，优选将刃部棒体115直径设计为管状磨粒层外径的70％至90％。

步骤63，将所述砂轮棒毛坯进行干燥后，再进行预修型，使得所述刃部棒体115上远离中间部113的一端露出。

在获得砂轮棒毛坯后，将砂轮棒毛坯送入鼓风干燥箱干燥，设定温度为100℃至120℃，干燥时间为6H至12H。

砂轮棒毛干燥后，料坯会有一定的强度，可使用锉刀对其进行预修型，预修型的目的是在料坯还未烧结固化、处于疏松易去除状态时，将部分毛坯提前在这道工序去除，以节省砂轮棒的后道电火花修型工序的工时，主要去除的部分为砂轮棒刃部端面部分，此处使用锉刀预修型至端面露出内嵌钢制棒体。

步骤64，在预修型后，将砂轮棒毛坯进行烧结。

具体地，预修型完成后，将砂轮棒体部分擦拭干净，即可送入炉膛烧结。烧结工艺具体可采用真空烧结炉，气压保证低于10^-3帕，烧结温度曲线根据金属结合剂预合金粉末的成分配比调整，此技术点可根据实际情况变化。此处以一种现有实施方式为例进行说明：预合金粉末成分为银72％、铜24％、钛4％，金刚石磨料为MBD10-400目，添加剂为碳化硅，预合金粉末、金刚石磨料、添加剂比例22:10:5.5，烧结温度曲线为：

室温至200℃：15min；

200℃保温：10min；

200℃至600℃：15min；

600℃保温：10min；

600℃至850℃：10min；

850℃保温：5min；

850℃至600℃：10min；

600℃自然冷却至室温。

步骤65，对烧结后的砂轮棒毛坯进行机加工，以在所述刃部棒体115外露的端部钻排屑孔116，钻孔后的砂轮棒毛坯如图8所示。

砂轮棒烧结完成后，在其刃部端面钻排屑孔116，刃部端面在烧结前已经擦拭干净露出钢制棒体端部。可使用车床或铣床，加工排屑孔116，排屑孔116的深度要比砂轮棒设计有效刃长要更大至少1mm，排屑孔116的孔径略小于刃部棒体115的直径，保证钻孔时钻头不会接触烧结磨料层。

步骤65，对砂轮棒毛坯的刃部侧面和端面进行修型，并对机加工的排屑孔116进行镗孔，将排屑孔116内壁上残留的钢制棒体去除，获得如图5所示的金刚石烧结砂轮棒。

砂轮棒刃部端面钻孔后，使用火花放电机对砂轮棒刃部侧面和端面(总长)修型至设计尺寸，然后使用圆柱形电极对机加工的深孔进行镗孔，将排屑孔116内壁上残留的少量钢制棒体去除，保证整个刃部区域全部都是管状薄壁烧结磨粒层，其长度就决定砂轮棒的寿命。具体地，在镗孔，刃部棒体115就被加工成了所述固定端121。

通过将管状磨粒层的刃部为套筒状，来限定砂轮棒端部侧面的R角磨损上限，将刃部端面侧边R角控制在一个合理的范围内，从而减少给精加工留出的加工余量，降低精加工的成本，且利于加工深孔、槽时的排屑和冷却，最大程度降低了烧刀现象的发生，可提高砂轮棒的使用寿命，同时提高产品的良率，解决了现有技术中金刚石烧结砂轮棒加工后的工件尺寸超差，给精加工留出的加工余量超出设计范围，导致精加工的成本较高，甚至在精加工的过程中发生烧刀、崩边的现象，同时导致产品的良率较低的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述金刚石烧结砂轮棒包括：

棒体，包括主体和位于所述主体一端的连接端；

管状磨粒层，包括固定端和与所述固定端连接的刃部，所述固定端套设并固定于所述连接端上，所述刃部呈套筒状；

其中，所述管状磨粒层由金属结合剂、金刚石磨粒、添加剂和水基粘结剂混合烧结而成。

2.如权利要求1所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述管状磨粒层的厚度为0.5～2mm。

3.如权利要求1所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述管状磨粒层的厚度小于等于所述管状磨粒层的外径的15％。

4.如权利要求1所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述主体包括夹持部和中间部，所述中间部连接于所述连接端和夹持部之间。

5.如权利要求4所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述夹持部的外径小于所述中间部的外径。

6.如权利要求4所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述连接端的外径小于所述中间部的外径。

7.如权利要求4所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述中间部的外径等于所述管状磨粒层的外径。

8.如权利要求1所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述棒体具体为钢制棒体，为一体成型结构。

9.一种金刚石烧结砂轮棒的制造方法，用于制作如权利要求1-8中所述的金刚石烧结砂轮棒，其特征在于，所述制造方式包括：

将金属结合剂、金刚石磨粒和添加剂混合，获得干粉，再将干粉与水基粘结剂混合调制成混合料；

将所述混合料进行烘干后，冷压成型于棒体的刃部棒体上，获得砂轮棒毛坯，其中，所述棒体还包括夹持部和连接于所述刃部棒体与所述夹持部之间中间部；

将所述砂轮棒毛坯进行干燥后，再进行预修型，使得所述刃部棒体上远离所述中间部的一端露出；

在预修型后，将砂轮棒毛坯进行烧结；

对烧结后的砂轮棒毛坯进行机加工，以在所述刃部棒体外露的端部钻排屑孔；

对砂轮棒毛坯的刃部侧面和端面进行修型，并对机加工的排屑孔进行镗孔，将排屑孔内壁上残留的刃部棒体去除，获得所述金刚石烧结砂轮棒。

10.如权利要求9所述的制造方式，其特征在于，所述将所述膏状物进行烘干，包括：

将膏状物送入鼓风干燥箱进行烘干，设定烘干温度在70℃至120℃，干燥时间2～4小时。

11.如权利要求9所述的制造方式，其特征在于，所述刃部棒体直径设计为管状磨粒层外径的70％至90％。

12.如权利要求9所述的制造方式，其特征在于，将所述砂轮棒毛坯进行干燥，包括：

将所述砂轮棒毛坯送入鼓风干燥箱干燥，设定温度为100℃至120℃，干燥时间为6H至12H。

13.如权利要求9所述的制造方式，其特征在于，对烧结后的砂轮棒毛坯进行机加工，以在所述刃部棒体外露的端部钻排屑孔，包括：

使用车床或铣床对烧结后的砂轮棒毛坯加工所述排屑孔，所述排屑孔的深度比金刚石烧结砂轮棒的有效刃长长至少1mm，所述排屑孔的孔径小于所述刃部棒体的直径。

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