CN111515767B - 一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，首先将大粒度不规则磨粒和细粒度规则磨粒混合，并与活性钎料粉末、成型剂等均匀混合制备出喂料；利用模压成型和真空钎焊技术制备出多粒度多形态磨粒钎焊磨具，并采用在线电解修整技术对其进行修整，使钎焊磨具表面生成一层均匀、致密且厚度较薄的氧化膜。磨削过程中，大粒度不规则磨粒牢固把持在钎料基体中，持续破碎形成微切削刃对工件进行切削；而细粒度规则磨粒均匀分散、容纳于电解生成的氧化膜中，加工时起到研磨、抛光作用，消除不规则大粒度磨粒在工件表面形成的划痕与裂纹层。多粒度多形态磨粒协同作用，实现磨削与抛光作用的集成，获得高效低损伤的加工表面质量。

Description

一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法

技术领域

本发明涉及先进制造领域中的新型工具制备及其加工技术，具体涉及一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法。

背景技术

传统工艺制造的固结磨粒砂轮和电镀砂轮的磨粒出刃高度有限，砂轮容易堵塞而引起磨削热损伤；且这两类砂轮都存在磨粒把持强度低，磨粒在磨削过程中易过早脱落的不足，进而影响磨削加工表面质量和工件使用寿命。为了克服传统砂轮存在的上述不足，相关学者利用高温钎焊技术开发了单层钎焊超硬磨粒砂轮。利用钛、铬等活性金属元素在金刚石等超硬磨粒界面处形成化学冶金结合，大大提高结合剂对磨粒的把持强度和磨粒的出刃高度，有效增大了砂轮的锋利性和容屑空间。但单层钎焊超硬磨粒砂轮工作层过薄，磨粒磨损后没有后续磨粒补充，砂轮使用寿命有限。对此，发明人在前期研究中，利用模压成型和真空钎焊技术制备出了一种磨粒把持力大且多层分布、组织均匀的大粒度多层钎焊金刚石砂轮，并采用在线电解修整技术解决了钎焊金刚石磨钝后不能及时脱落的问题，保证了钎焊砂轮的锋利性和容屑空间。但前期制备的多层钎焊砂轮采用的是粒径较粗且形态规则的磨粒，虽然能保证较大的材料去除量，加工效率高，但粒径较大的磨粒会产生较深的表面划痕和损伤。特别对于规则的大粒度磨粒而言，其破碎率较低，磨粒磨平失去切削能力时还残留较大的粒径，一旦电解脱落进入到氧化膜中被容纳、承托，其对加工表面的刮伤和切削作用就更明显，从而造成加工表面质量的降低。而目前常用的电解修整用砂轮的磨粒粒径都很细小（通常为微米级或亚微米级），细粒度规则磨粒砂轮虽能获得良好的加工表面质量，但加工效率低，磨粒损耗较大。通过上述分析可知，传统工艺制备的砂轮很难真正获得高效与低损伤加工的统一。对此，本发明提出制备一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具，磨具工作层中既包含有大粒度不规则的磨粒，也包含有细粒度规则磨粒（数微米级规则磨粒或/和纳米级球形磨粒）；并采用在线电解修整技术在钎焊砂轮表面生成一层均匀、致密、厚度约为数微米~十几微米的氧化膜。磨削加工中，同时参与切削的磨粒有固着于钎料基体中的大粒度不规则磨粒和包覆于电解氧化膜中的细粒度规则磨粒。大粒度不规则磨粒具有锋利的切削刃和棱角，能实现高效率的材料去除；而包覆于电解氧化膜中的细粒度规则磨粒则能实现材料的微量去除，起到研磨、抛光的作用，并能有效消除大粒度不规则磨料引起的工件表面划伤。通过不同粒度、不同形态磨粒的协同作用有效实现加工材料的高效精密加工，这将会在工程陶瓷、硬质合金等难加工材料的高效精密磨削加工中具有广阔的市场空间和应用前景。

发明内容

本发明提供一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法。该方法首先将大粒度不规则磨粒和细粒度规则磨粒（数微米级规则磨粒或/和纳米级球形磨粒）作为混合磨粒，细粒度规则磨粒填入大粒度不规则磨粒之间的空隙中，这既能保证单位体积内有效磨粒数的增多，同时也为发挥大粒度不规则磨粒与细粒度规则磨粒协同切削作用提供了前提条件。利用三维混料机将磨粒与活性钎料粉末均匀混合制备出喂料，并加入分散剂以促进纳米级磨粒的均匀分散；接着采用模压成型和高温钎焊技术制备出磨粒把持力大、力学性能优异的磨具工作层；并利用低熔点焊膏将磨具工作层与基体进行整体焊接以制备出多粒度多形态磨粒钎焊磨具。多粒度多形态磨粒钎焊磨具制备后，采用在线电解修整技术使其表面持续生成均匀、致密且厚度为数微米~十几微米的氧化膜。磨削加工中，同时参与切削的磨粒有固着于钎料层的大粒度不规则磨粒和包覆于电解氧化膜中的细粒度规则磨粒。大粒度不规则磨粒具有锋利的切削刃和棱角，能实现高效率的材料去除；而细粒度规则磨粒则能实现材料的微量去除，起到研磨、抛光的作用，能有效消除大粒度不规则磨料引起的工件表面划伤，从而获得低损伤或无损伤的加工表面质量。通过不同粒度、不同形态磨粒的协同作用可有效实现高效精密加工效果；且电解修整技术可促使钎焊磨具的下层磨粒能持续出露维持良好的切削性能，磨粒能充分利用，钎焊磨具使用寿命长。

本发明采用的技术方案是：

一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，具体包括如下步骤：

（1）多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备：将大粒度不规则磨粒和细粒度规则磨粒进行混合得到混合磨粒，细粒度规则磨粒填入大粒度不规则磨粒之间的空隙中，所述的细粒度规则磨粒为数微米级规则磨粒或/和纳米级球形磨粒，加入质量百分数为0.1%~0.3%的阴离子表面活性剂作为分散剂，采用三维混料机将混合磨粒与钎料粉末进行机械混合制备出喂料，其中钎料粉末与磨粒的体积比为1.0~1.5：1，混料机的转速为300~500转/分钟，混料时间为20~30分钟；然后利用模压成型机对喂料进行模压成型，由于细粒度规则磨粒填充于大粒度不规则磨粒空隙中，喂料堆积密度大，且磨粒作为硬质点不能压缩变形，所以需采用较大的模压压力110~150MPa；为了避免成型过快而造成模具压溃和磨粒破碎情况的出现，模压采用分步施压方式进行，即开始缓慢施加110~120MPa，并保压5~10分钟，然后再施加140~150MPa的模压力，保压5~10分钟后脱模。脱模后采用高温钎焊技术实现致密化烧结以获得磨粒把持力大、力学性能优良的磨具工作层。钎焊工艺参数选取为：钎焊气氛为真空钎焊，钎焊温度为900℃~920℃，钎焊时间为10~15分钟。磨具工作层制备后，利用低熔点焊剂将磨具工作层与基体材料进行整体焊接制备出多粒度多形态磨粒钎焊磨具；

（2）多粒度多形态磨粒钎焊磨具的在线电解修整及对工件的磨削：配制电解修整电解液，包括按质量百分比计的如下组分：硝酸钠0.1%～0.3%；磷酸氢二钠1.2%~1.4%，聚醚改性聚硅氧烷消泡剂0.4~0.6%，肌醇六磷酸脂0.2～0.3%，其余为去离子水；该电解液要求电解作用剧烈程度较小，使钎焊磨具表面能持续生成均匀、致密且厚度为数微米~十几微米的氧化膜。主电解质为硝酸钠，用于电解腐蚀钎焊磨具表面的钝化层，且该主电解质的电解腐蚀成膜不是很剧烈，氧化膜的成膜速率和成膜厚度较平缓；磷酸氢二钠为钝化剂，其可进一步缓解电解腐蚀的剧烈程度，有效控制氧化膜的成膜速率，且能使得生成的氧化膜致密度得到保证，不至于在离心力或电解液冲刷作用而非正常脱落；聚醚改性聚硅氧烷消泡剂作为消泡剂，该类消泡剂同时兼有聚醚类消泡剂和有机硅类消泡剂的优点，对气泡起到抑制和消除的作用，防止氧化膜出现疏松和孔洞的现象；肌醇六磷酸脂作为有机防锈剂，防止电解液对机床的侵蚀，且其具有环保性，不会引起水质污染；

此外，为了进一步保证氧化膜的成膜厚度在数微米~十几微米之间，选取较低的电解工艺参数：电解电压30~60V，占空比40%～60%，电解液流速为0.2～0.5升/分钟；采用在线电解修整技术对上述所得多粒度多形态磨粒钎焊磨具进行修整，使其生成一层均匀、致密且厚度为数微米~十几微米的氧化膜。此时钎焊磨具表面参与切削的磨粒有固着于钎料基体中的大粒度不规则磨粒和包覆于电解氧化膜中的细粒度规则磨粒。大粒度不规则磨粒具有锋利的切削刃，且自性好，能实现高效率的材料去除；而包覆于氧化膜中的细粒度规则磨粒则能实现材料的微量去除，起到研磨、抛光的作用，有效消除大粒度不规则磨料引起的工件表面划伤，从而获得低损伤或无损伤的加工表面质量，磨粒的协同作用能够有效实现加工材料的高效精密加工效果。

进一步地，所述大粒度不规则磨粒的形态为针状、片状或枝状，粒径为200微米~500微米。

进一步地，所述数微米级规则磨粒的形态为正六面体、正八面体或正十六面体，粒径为1微米~10微米。

进一步地，所述纳米级球形磨粒的粒径为5纳米~20纳米。

进一步地，所述阴离子表面活性剂优选十二烷基硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠，脂肪醇醚硫酸钠或十二烷基二苯醚二磺酸钠。

进一步地，所述磨粒选自氧化铝、碳化硅等普通磨粒，或金刚石、立方氮化硼等超硬磨粒，或普通磨粒与超硬磨粒的组合。

进一步地，钎焊磨具的类型包括钎焊砂轮、钎焊磨头、钎焊研磨盘等。

进一步地，所述的模压成型工艺还可为选择性激光烧结、3D打印等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将大粒度不规则磨粒和细粒度规则磨粒混合制备出多粒度多形态磨粒钎焊砂轮，并采用在线电解修整技术使得多粒度多形态磨粒钎焊磨具表面持续生成均匀、致密且厚度为数微米~十几微米的氧化膜，从而使得钎焊砂轮具有明显优于其它砂轮的性能。磨削过程中，大粒度不规则磨粒实现高效率的材料去除；而细粒度规则磨粒则能起到研磨、抛光的作用。磨粒的协同作用有效实现了高效精密磨削加工。且钎焊磨具随着电解修整的进行，下层磨粒可不断更新发挥其切削性能，磨具的使用寿命长。因此，本发明在实现高效精密磨削加工效果的同时，钎焊磨具的使用寿命也得到保证，在工程陶瓷、硬质合金等难加工材料的高效精密加工中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为多粒度多形态磨粒钎焊磨具在线电解修整过程中的磨粒效果图，其中，1、电解氧化膜；2、纳米球形磨粒；3、数微米级规则磨粒；4、大粒度不规则磨粒；5、砂轮钎焊基体材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。

实施例

一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，具体包括如下步骤：

（1）多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备：将大粒度不规则磨粒（针状和片状，粒径200~300微米）、数微米级规则磨粒（正八面体，粒径为4微米~5微米）和纳米级球形磨粒（粒径为8纳米~10纳米）混合得到混合磨粒，数微米级规则磨粒和纳米级球形磨粒填入大粒度不规则磨粒之间的空隙中，加入质量百分数为0.2%的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠作为分散剂，采用三维混料机将混合磨粒与钎料粉末进行机械混合制备出喂料，其中钎料粉末与磨粒的体积比为1.2：1，混料机的转速为400转/分钟，混料时间为25分钟；然后利用模压成型机对喂料进行模压成型，模压采用分步施压方式进行，即开始缓慢施加115MPa，并保压6分钟，然后再施加145MPa的模压力，保压8分钟后脱模。脱模后采用高温钎焊技术实现致密化烧结以获得磨粒把持力大、力学性能优良的磨具工作层。钎焊工艺参数选取为：钎焊气氛为真空钎焊，钎焊温度为900℃，钎焊时间为12分钟。磨具工作层制备后，利用低熔点焊剂将磨具工作层与基体材料进行整体焊接制备出多粒度多形态磨粒钎焊磨具；

（2）多粒度多形态磨粒钎焊磨具的在线电解修整及对工件的磨削：配制电解修整电解液，包括按质量百分比计的如下组分：硝酸钠0.2%；磷酸氢二钠1.3%，聚醚改性聚硅氧烷消泡剂0.5%，肌醇六磷酸脂0.2%；其余为去离子水；电解工艺参数：电解电压40V，占空比50%，电解液流速为0.3升/分钟。采用在线电解修整技术对多粒度多形态磨粒钎焊磨具进行修整，使其生成一层均匀、致密且厚度为数微米~十几微米的氧化膜，磨削工件的过程中，大粒度不规则磨粒牢固把持在钎料基体中，持续破碎形成微切削刃对工件进行有效切削，而数微米级规则磨粒和纳米级球形磨粒均匀分散、容纳于电解生成的氧化膜中，加工时起到研磨、抛光作用，消除不规则大粒度磨粒在工件表面形成的划痕与裂纹层。电解修整工作层效果图如图1所示。其中，大粒度不规则磨粒底部牢固包埋在钎料基体材料中，磨粒顶部进行有效磨削以去除加工材料，并能持续破碎形成微切削刃保持锋利性；而数微米级规则磨粒和纳米球形磨粒容纳于钎焊磨具表面电解生成的氧化膜中，起到研磨、抛光作用，消除大粒度不规则磨料引起的划痕和划伤，磨粒的协同作用能达到高效精密的加工效果。且随着电解反应的进行，上层磨粒充分发挥切削作用后脱落，下层磨粒能出露更新，磨粒充分利用，且砂轮使用寿命长。

Claims (8)

1.一种多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备：将大粒度不规则磨粒和细粒度规则磨粒混合得到混合磨粒，细粒度规则磨粒填入大粒度不规则磨粒之间的空隙中，所述的大粒度不规则磨粒的粒径为200~500微米，形态为针状、片状或枝状的磨粒；所述的细粒度规则磨粒为数微米级规则磨粒或/和纳米级球形磨粒，加入质量百分数为0.1~0.3%的阴离子表面活性剂作为分散剂，采用三维混料机将混合磨粒与钎料粉末进行机械混合制备出喂料，其中钎料粉末与磨粒的体积比为1.0~1.5:1，混料机的转速为300~500转/分钟，混料时间为20~30分钟; 然后利用模压成型机对喂料进行模压成型，模压采用分步施压方式进行，即开始缓慢施加110~120MPa，并保压5~10分钟，然后再施加140~150MPa的模压力，保压5~10分钟后脱模，脱模后采用高温钎焊技术实现致密化烧结获得磨具工作层，钎焊工艺参数选取为：钎焊气氛为真空钎焊，钎焊温度为900~920℃，钎焊时间为10~15分钟，磨具工作层制备后，利用低熔点焊剂将磨具工作层与基体材料进行整体焊接制备出多粒度多形态磨粒钎焊磨具；

(2) 多粒度多形态磨粒钎焊磨具的在线电解修整及对工件的磨削：配制电解修整电解液，包括按质量百分比计的如下组分：硝酸钠0.1～0.3%；磷酸氢二钠1.2~1 .4%，聚醚改性聚硅氧烷消泡剂0.4~0.6%，肌醇六磷酸脂0.2～0.3%，其余为去离子水；电解工艺参数为：电解电压30~60V，占空比40～60%，电解液流速为0.2～0.5升/分钟；采用在线电解修整技术对多粒度多形态磨粒钎焊磨具进行修整，使其生成一层均匀、致密且厚度为数微米~十几微米的氧化膜，磨削工件的过程中，大粒度不规则磨粒牢固把持在钎料基体中，持续破碎形成微切削刃对加工材料进行有效切削，而数微米级规则磨粒和纳米级球形磨粒均匀分散、容纳于电解生成的氧化膜中，加工时起到研磨、抛光作用，消除不规则大粒度磨粒在加工材料表面形成的划痕与裂纹层。

2.根据权利要求1所述的多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，所述数微米级规则磨粒的形态为正六面体、正八面体或正十六面体，粒径为1~10微米。

3.根据权利要求1所述的多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，所述纳米级球形磨粒的粒径为5~20纳米。

4.根据权利要求1所述的多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，所述阴离子表面活性剂优选十二烷基硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠，脂肪醇醚硫酸钠或十二烷基二苯醚二磺酸钠。

5.根据权利要求1所述的多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，所述的磨粒选自普通磨粒或/和超硬磨粒。

6.根据权利要求5所述的多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，所述的普通磨粒为氧化铝或碳化硅；所述的超硬磨粒为金刚石或立方氮化硼。

7.根据权利要求1所述的多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，钎焊磨具的类型包括钎焊砂轮、钎焊磨头或钎焊研磨盘。

8.根据权利要求1所述的多粒度多形态磨粒钎焊磨具的制备及高效精密磨削方法，其特征在于，所述的模压成型工艺与高温钎焊技术替换为选择性激光烧结或3D打印。

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