CN111730509B - 一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置，具体包括模具、转台、主轴、电热丝、温度传感器、保温层、电机、皮带；驱动电机通过皮带使主轴旋转，主轴上端与转台连接，从而带动转台旋转并产生离心力；转台上安装有模具，模具包含下模具和上模具，下模具中心突起并与砂轮轮毂相配合，上模具存在大量与砂轮微槽相对应的有序排布薄片，模具薄片之间的模具凹槽对应于砂轮磨块的位置；模具外表面依次包覆有电热丝和保温层，模具内安装有温度传感器用于检测模具内部温度，并将温度信号传输到计算机进行分析和显示，实时控制电热丝开关的启闭使得模具内部温度达到压铸所需设置温度。本发明结构简单，能高效制备出磨料分布均匀的砂轮。

Description

一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置

技术领域

本发明涉及一种超硬砂轮的压铸成型装置，特别是一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置。

背景技术

砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具，使用时高速旋转，可对工件的外圆、内圆、平面和各种型面进行粗磨、半精磨、精磨、开槽和切断等。超硬砂轮广泛应用于国防军工、航空航天、芯片制造、工程装备、汽车产业等领域，但超硬砂轮的制造一直是亟待解决的难题之一。

超硬砂轮的制备方法通常比较繁琐，且超硬磨料往往分布不均，特别是表面结构比较复杂的有序微槽结构超硬砂轮，砂轮的微槽阵列常常采用激光进行逐个加工，生产效率低，且制成后的砂轮微槽结构和尺寸一致性差，难以实现有序微槽结构超硬砂轮的大批量生产。现有微细结构砂轮制备工艺中仅有的几种采用模具压铸成型方法，也存在制备过程中模压温度难以精确控制的问题，且制备的砂轮常常存在磨料及结合剂填充不足、磨料分布不均匀、气孔间隙等质量缺陷。

公开号为CN210616250U的专利“砂轮片热压成型装置”，采用真空罩和真空泵形成真空状态，使用上下压头热压成型的方法制备树脂砂轮片，该装置在压制时避免了人手伸入压头移动区域，操作安全，提高了砂轮制备效率。但该装置制备的砂轮磨料通常分布不均并导致砂轮磨损加剧，且不能实时检测和控制压铸所需的温度从而引起磨粒损伤或磨粒结合强度不足，特别是难以实现表面结构异常复杂的有序微槽结构砂轮的铸造。

发明内容

为解决上述砂轮制备装置存在的不足和现有技术的缺陷，本发明提出一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置，通过驱动电机使转盘旋转，从而带动转盘上的模具旋转，产生离心力，实现离心压铸成型，且模具由下模具和上模具组成，下模具中心突起并与轮毂相配合，上模具与砂轮微槽相对应的位置有序均布有大量薄片，模具薄片之间的模具凹槽与砂轮磨块的位置相对应，因此能通过离心压铸制备出有序微槽结构超硬砂轮。该装置制备效率高、压铸效果好，能制备出磨料分布均匀的有序微槽结构砂轮。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置，该装置是由模具成型机构、离心压铸机构和温度控制系统组成；模具成型机构包括模具和压板；所述的模具包含上模具和下模具，所述的上模具内圆周面上有序均布有大量薄片即模具薄片，模具薄片之间即为模具凹槽，模具凹槽对应于砂轮磨料层凸块的位置；模具薄片对应于磨料层凹槽的位置；所述的下模具中心突起并与轮毂的内孔相配合使之同轴，所述的模具上方固定有压板，所述的压板上设有注液孔用于注入熔融铝。

离心压铸机构包括转台、轴承、主轴、支撑架、缓冲装置、轴承座、底座、电机支座、皮带和电机；所述的电机配置有皮带传动能够使主轴旋转，所述的主轴上端与转台连接，驱动电机通过主轴带动转台旋转；所述的支撑架固定在底座上用于保持装置的稳定性，支撑架底端设有缓冲装置，用于消除转台高速旋转产生的振动对砂轮制备质量的影响；主轴通过轴承与支撑架相连接。

温度控制系统包括电热丝、保温层、温度传感器、计算机；所述的电热丝缠绕在模具外表面并能够对其加热，所述的保温层包裹在电热丝外表面以减少后者的热量散失；所述的温度传感器检测模具内部的温度，并将温度信号传输到计算机，计算机对所接收的温度信号进行分析和显示，实时控制电热丝开关的启闭使模具内部温度达到压铸所需的设置温度。

所述的上模具内部均布有大量宽度为400~800 μm、深度为500~750 μm的凹槽和厚度为100~200 μm、高度和凹槽深度相同，高厚比为2.5~7.5的模具薄片。

所述的电机为正反转电机且可无级调速，电机支座焊接在底座上。

所述的温度传感器布置在上模具的内侧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

①磨料分布均匀。在复合粉末填入模具与砂轮轮毂之间的间隙之前，超硬磨料与铝粉需进行充分混合，再将熔融铝倒入模具内，熔融铝在转台高速旋转产生的离心力作用下充分渗入到复合粉末中，并逐步将复合粉末内的铝粉熔化，而超硬磨料会继续保持在铝熔液中的均匀分布状态；特别是铝与超硬磨料的密度相差不大，不会出现超硬磨料在铝熔液中明显下沉的现象，避免了磨料团聚的现象，进一步保证了磨料分布的均匀性。因此，大大提高了砂轮后续的磨削质量和磨削效率，延长了砂轮的使用寿命。

②磨料及结合剂填充充分。将混合均匀的复合粉末倒入模具中，启动电机低速旋转，进一步地，通过主轴带动转台低速旋转，在离心力的作用下，复合粉末充分填入模具与砂轮轮毂之间的间隙, 再注入外部熔融铝，启动电机高速旋转，逐步将复合粉末内的铝粉熔化，同时电热丝加热，使铝粉完全处于熔融状态，并在离心力的作用下，充分渗透到模具凹槽中并起压实的作用，待模具充分冷却后，磨料和结合剂填充完全并具有良好的结合性。

③实时检测和调控温度。模具外设有电热丝和保温层，且安装有温度传感器，电热丝加热模具使其达到压铸所需的温度，同时保温层减少了热量损失，温度传感器将温度信号传输到计算机，通过计算机可以实时显示出模具内的温度曲线，从而实时控制电热丝开关的启闭使模具内温度达到压铸所需的设置温度。

④砂轮微槽的结构和尺寸一致性好。装置可做离心运动，超硬磨料与铝粉组成的复合粉末在离心力的作用下可以填满模具凹槽，熔融铝在高速旋转下能够克服毛细管力渗透到复合粉末的空隙中，并压实复合粉末，因此制备的有序微槽结构超硬砂轮的微槽结构和尺寸一致性好、工艺可重复性强。

⑤制备效率高。采用该装置制备表面结构复杂的有序微槽结构超硬砂轮，只要将模具一次加工出凹槽阵列，就可以通过压铸成型工艺大批量快速地制备出外圆周存在大量复杂微槽的有序微槽结构超硬砂轮，与传统激光束砂轮表面逐个刻槽再电镀的方法相比，砂轮的制备效率显著提高。

附图说明

图1是有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置示意图。

图2是压铸成型装置的上模具结构示意图。

图3是上模具与轮毂的相对位置示意图。

图4是成型有磨块的模具示意图。

图5是有序微槽结构超硬砂轮示意图。

其中：1、注液孔，2、压板，3、轮毂，4、上模具，5、下模具，6、模具，7、转台，8、轴承，9、主轴，10、支撑架，11、缓冲装置，12、轴承座，13、底座，14、电机支座，15、皮带，16、电机，17、保温层，18、电热丝，19、模具凹槽， 20、模具薄片，

21、磨料层凸块，22、磨料层凹槽，23、砂轮， 24、温度传感器，25、计算机

具体实施方案

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步的说明。

如图1至图5所示，一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置是由模具成型机构、离心压铸机构和温度控制系统组成；模具成型机构包括模具6和压板2；所述的模具6包含上模具4和下模具5，所述的上模具4内圆周面上有序均布有大量薄片即模具薄片20，模具薄片之间即为模具凹槽19，模具凹槽19对应于砂轮23磨料层凸块21的位置；模具薄片20对应于磨料层凹槽22的位置；所述的下模具5中心突起并与轮毂3的内孔相配合使之同轴；模具6一次加工出凹槽阵列，再通过压铸成型工艺就可以大批量、高效地制备出外圆周存在大量复杂微槽的有序微槽结构超硬砂轮23，与传统激光束在砂轮表面逐个刻槽再电镀的方法相比，砂轮23的制备效率显著提高。所述的模具6上方固定有压板2，所述的压板2上设有注液孔1用于注入熔融铝。

离心压铸机构包括转台7、轴承8、主轴9、支撑架10、缓冲装置11、轴承座12、底座13、电机支座14、皮带15和电机16；所述的电机16配置有皮带传动能够使主轴9旋转，所述的主轴9上端与转台7连接，驱动电机16通过主轴带动转台7旋转产生离心力；模具6安装在转台7上，在离心力的作用下，混合均匀的复合粉末充分填入模具6与砂轮轮毂3之间的间隙，超硬磨料均匀分布在模具6中；注入外部熔融铝，启动电机16高速旋转，逐步将复合粉末内的铝粉熔化，而超硬磨料会继续保持在铝熔液中均匀分布的状态；特别是铝的密度与超硬磨料的密度相差不大，不会出现超硬磨料在铝熔液中明显下沉的现象，避免了磨料团聚的现象，进一步保证了磨料分布的均匀性；同时电热丝18对模具6进行加热，熔融铝在巨大的离心力作用下能够克服毛细管力渗透到复合粉末的空隙中，并压实复合粉末，直到铝粉完全处于熔融状态，充分填满模具6与轮毂3之间的间隙；因此，制备的有序微槽结构超硬砂轮23的微槽结构和尺寸一致性好，且磨料和结合剂填充充分，大大提高了砂轮23后续的磨削质量和磨削效率，延长了砂轮23的使用寿命。所述的支撑架10固定在底座13上用于保持装置的稳定性，支撑架10的底端设有缓冲装置11，用于消除转台7高速旋转产生的振动对砂轮23制备质量的影响；主轴9通过轴承8与支撑架10相连接。

温度控制系统包括电热丝18、保温层17、温度传感器24、计算机25；所述的电热丝18缠绕在模具6外表面并对其加热，所述的保温层17包裹在电热丝18外表面以减少后者的热量散失；所述的温度传感器24检测模具6的温度，并将温度信号传输到计算机25，计算机25对所接收的温度信号进行分析和显示，实时控制电热丝18开关的启闭使模具6内温度达到压铸所需的设置温度，因此该装置可实时检测和调控温度。

基于该装置制备有序微槽结构超硬砂轮的工艺步骤如下。

步骤一、粉末混合：按体积分数比取超硬磨料和铝粉进行均匀混合得到复合粉末。

步骤二、粉末注入：将砂轮轮毂3置于模具6内；将复合粉末倒入模具6内并使其高度与砂轮轮毂3的厚度一致；启动电机16使转台7低速旋转，复合粉末在离心力作用下会充分填满模具6与砂轮轮毂3之间的间隙。

步骤三、熔融铝渗透：将熔融铝经注液孔1倒入模具6内，再驱动电机16使转台7高速旋转，熔融铝在离心力作用下克服毛细管力渗透到复合粉末的空隙中。

步骤四、固态铝熔化：电热丝18加热模具6内的复合粉末，同时保温层17对熔融铝进行保温；复合粉末会吸收熔融铝的热量，其中的铝粉因为熔点低而被完全熔化，而高熔点的超硬磨料吸热之后仍处于固态；铝的熔点仅为660℃，所以超硬磨料不会受热损伤。

步骤五、砂轮压铸成型：在离心力的作用下，熔融铝和固态超硬磨料均处于压铸状态；电热丝18断电，熔融铝逐步固化形成铝基结合剂，即铝基结合剂、超硬磨料和砂轮轮毂3构成一个整体铸件；转台7停止转动，待模具6充分冷却后，由热胀冷缩原理，在脱模剂的作用下铸件脱模，得到大量磨料层凸块21和磨料层凹槽22呈相间排布的有序微槽结构超硬砂轮23，其中磨料层包括铝基结合剂和超硬磨料。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置，能够实现磨料及结合剂填充充分和磨料分布的均匀性，该压铸成型装置是由模具成型机构、离心压铸机构和温度控制系统组成；离心压铸机构包括转台（7）、轴承（8）、主轴（9）、支撑架（10）、缓冲装置（11）、轴承座（12）、底座（13）、电机支座（14）、皮带（15）和电机（16）；所述的电机（16）配置有皮带传动能够使主轴（9）旋转，所述的主轴（9）上端与转台（7）连接，电机（16）通过主轴带动转台（7）旋转；所述的支撑架（10）固定在底座（13）上用于保持装置的稳定性，所述支撑架（10）的底端设有缓冲装置（11），用于消除转台（7）高速旋转产生的振动对砂轮（23）制备质量的影响；主轴（9）通过轴承（8）与支撑架（10）相连接；其特征在于：

模具成型机构包括模具（6）和压板（2）；所述的模具（6）包含上模具（4）和下模具（5），所述的上模具（4）内圆周面上有序均布有大量薄片即模具薄片（20），模具薄片（20）之间即为模具凹槽（19），模具凹槽（19）对应于砂轮（23）磨料层凸块（21）的位置；模具薄片（20）对应于磨料层凹槽（22）的位置；所述的下模具（5）中心突起并与轮毂（3）的内孔相配合使之同轴；所述的模具（6）上方固定有压板（2），所述的压板（2）上设有注液孔（1）用于注入熔融铝；通过在模具的上模具（4）内圆周上一次加工出模具凹槽（19）阵列，再通过压铸成型工艺就可以制备出外圆周存在大量复杂的磨料层凹槽（22）的有序微槽结构超硬砂轮（23）；

温度控制系统包括电热丝（18）、保温层（17）、温度传感器（24）、计算机（25）；所述的电热丝（18）缠绕在模具（6）外表面并能够对其加热，所述的保温层（17）包裹在电热丝（18）外表面以减少后者的热量散失；所述的温度传感器（24）实时检测模具（6）内部的温度，并将温度信号传输到计算机（25），计算机（25）对所接收的温度信号进行分析和显示，实时控制电热丝（18）开关的启闭使模具（6）内部温度达到压铸所需的设置温度；

将混合均匀的复合粉末倒入模具（6）中，启动电机（16）低速旋转，进一步地，通过主轴（9）带动转台（7）低速旋转，在离心力的作用下，复合粉末充分填入模具（6）与砂轮轮毂（3）之间的间隙, 再注入外部熔融铝，启动电机（16）高速旋转，逐步将复合粉末内的铝粉熔化，同时电热丝（18）加热，使铝粉完全处于熔融状态，并在离心力的作用下，充分渗透到模具凹槽（19）中并起压实的作用，待模具（6）充分冷却后，磨料和结合剂填充完全并具有良好的结合性；

注入外部熔融铝，启动电机（16）高速旋转，逐步将复合粉末内的铝粉熔化，而超硬磨料会继续保持在铝熔液中均匀分布的状态；铝的密度与超硬磨料的密度相差不大，不会出现超硬磨料在铝熔液中明显下沉的现象，避免了磨料团聚的现象，进而实现了保证了磨料分布的均匀性；同时电热丝（18）对模具（6）进行加热，熔融铝在巨大的离心力作用下能够克服毛细管力渗透到复合粉末的空隙中，并压实复合粉末，直到铝粉完全处于熔融状态，充分填满模具（6）与轮毂（3）之间的间隙；制备的有序微槽结构超硬砂轮（23）的微槽结构和尺寸一致性好。

2.根据权利要求1所述的一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置，其特征在于：所述的上模具（4）内部均布有大量宽度为400~800 μm、深度为500~750 μm 的模具凹槽（19）和厚度为100~200 μm、高度与模具凹槽（19）深度相同，高厚比为2.5~7.5的模具薄片（20）。

3.根据权利要求1所述的一种有序微槽结构超硬砂轮的压铸成型装置，其特征在于：所述的温度传感器（24）布置在上模具（4）的内侧。

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