CN111805442B

CN111805442B - 磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷cbn砂轮及制备方法

Info

Publication number: CN111805442B
Application number: CN202010712564.3A
Authority: CN
Inventors: 李伟超; 王媛媛
Original assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN111805442A

Abstract

本发明公开了一种磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮及制备方法，由钢基体和CBN磨料层构成。其中，CBN磨料层粘接剂为高强度陶瓷结合剂，相比现有陶瓷结合剂，用量可降低20‑25%，有效提高砂轮的磨料出刃率，增加砂轮锋利性；同时，砂轮采用热压工艺，弥补了高强度结合剂流动性差的缺点，使CBN和结合剂接触力更大，以保证烧结时候结合剂对CBN磨料的把持力。相比通用陶瓷CBN砂轮，本发明砂轮在航天航空用钛合金工件磨削时效率更高，寿命更长。

Description

磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮及制备方法

技术领域

本发明属于磨削加工技术领域，具体涉及到一种磨削航天航空专用钛合金的热压高强度陶瓷CBN砂轮。

背景技术

钛合金是以钛金属作为基础，添加其他元素（比如锡、钒、铝、铌和钼等）所组成的复合金属。钛合金强度高，密度小，机械性能好，同时具有良好的韧性和抗腐蚀性，所以被广泛应用于各种领域，尤其是在航天航空工业中。但是钛合金的加工性能差，效率低下，生产加工工艺复杂。传统上用于磨削钛合金的砂轮是刚玉为磨料，存在效率低、工件表面质量差等问题。而立方氮化硼（CBN）作为一种新型的超硬磨料，已经在很多磨削加工中，替代了刚玉砂轮。但是在实际加工钛合金材质过程中，CBN砂轮也存在着其他的问题，比如粘屑，划伤工件，修整间隔短，寿命低等问题，无法体现CBN超硬砂轮的优势。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新型航天航空钛合金用热压工艺高强度CBN砂轮。该砂轮采用更高强度的结合剂，可以增加砂轮的使用寿命，同时可降低20-25%结合剂含量，大幅度提高砂轮磨料的出刃率，增加砂轮锋利性；另一方面，采用热压工艺，解决高强度结合剂流动性差的问题，使CBN和结合剂接触力更大，以保证烧结时候结合剂对CBN磨料的把持力。

本发明通过以下的技术方案来达到上述目的：

一种磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮，包括基体以及CBN砂轮层；所述CBN砂轮层包括CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉以及树脂粉；所述陶瓷结合剂的制备原料包括二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡。

本发明中，基体为钢基体；CBN砂轮层用胶水粘接在基体上，为常规技术；树脂粉为酚醛树脂粉。

本发明中，所述CBN砂轮层由以下原料制备：

进一步的，所述CBN砂轮层由以下原料制备：

本发明中，CBN磨料的粒度为80/100~170/200；白刚玉的粒度为100/120~230/270。

本发明中，所述陶瓷结合剂由以下原料制备：

进一步的，所述陶瓷结合剂由以下原料制备：

上述磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮的制备方法包括以下步骤：

（1）混合CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉以及树脂粉，得到混合料；然后将混合料冷压后热压，得到砂轮坯体；然后烧结砂轮坯体，得到陶瓷CBN砂轮结块；

（2）将所述陶瓷CBN砂轮结块粘接在基体上，得到磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮。

进一步的，冷压的压力15～50吨，时间为15～25分钟；热压的压力15～50吨，时间为15～25分钟，温度为185～195℃；烧结为分阶段保温烧制，烧结为在4～5小时内从室温升至500 ℃，并保温3小时；之后在5～6小时内升至990 ℃，并保温3小时；最后随炉冷却至室温，得到陶瓷结合剂CBN砂轮结块，具体为采用程序控温的方式，设置的烧结工艺为在5小时内从室温升至500 ℃，并保温3小时；之后继续升温，在6小时内升至990 ℃，并保温3小时；最后随炉冷却至室温，得到陶瓷结合剂CBN砂轮结块。

进一步的，将陶瓷CBN砂轮结块粘接在预先热处理过的钢基体上，再经过机械加工，即可得到磨削航天航空钛合金用的陶瓷CBN砂轮。

本发明中，称取二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡，混合后于1550℃熔炼；接着将熔炼过的混合料通过水冷的方式冷却，并用球磨机打磨成粉状；最后烘干过筛得到所需的陶瓷结合剂；水冷为本领域常规技术手段。

本发明技术方案与现有技术对比，具有以下优点：

1. 本发明采用CBN作为磨料，相比于传统的刚玉磨料，其硬度更高；同时采用高强度的陶瓷结合剂，也可以在一定程度上增加砂轮的耐用性，提高其使用寿命。

2. 本发明相比于其他通用CBN技术方案，结合剂含量可降低20-25%，可以有效提高砂轮的出刃率，增加砂轮锋利性。

3. 本发明采用热压工艺，解决了高强度结合剂流动性差的缺点，使CBN和结合剂接触力更大，以保证烧结时候结合剂对CBN磨料的把持力。同时，热压工艺中使用树脂粉替代常规树脂液作为临时粘接剂，也可以在很大程度上避免冷压工艺中因对粉料的干湿度控制不好而带来的问题。

附图说明

图1为本发明陶瓷CBN砂轮的结构示意图；

图2为本发明陶瓷CBN砂轮的俯视图；

其中：1、砂轮层；11、砂轮块；2、粘接层；3、钢基体。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明磨削航天航空钛合金用的陶瓷CBN砂轮由钢基体3和陶瓷CBN砂轮层1组成、粘结层组成，钢基体3和砂轮层1通过中间粘接层2粘接在一起，陶瓷CBN砂轮层由砂轮块11通过粘接层3粘接得到。所述CBN砂轮层包括CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉以及树脂粉；所述陶瓷结合剂的制备原料包括二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡。

以CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉以及树脂粉重量和为100%，CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉以及树脂粉的重量百分数分别为60~80%、10~20%、余量、1~10%。

以二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡重量和为100%，二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡的重量百分数分别为40～60%、20～35%、5～20%、5～15%、余量。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

砂轮钢基体在使用前常规进行热处理，并精车出所需的形状，用于陶瓷CBN砂轮块的粘接，为常规方法。

陶瓷CBN砂轮块由CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉以及酚醛树脂粉制备。具体的制备过程如下：

（1）按照53:27:6:10:4的重量百分比称取二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡，并充分混合均匀；之后将混合料放入1550 ℃的熔块炉中进行常规熔炼；再将熔炼过的混合料水冷后用球磨机打磨成粉状；最后烘干过60目筛得到所需的陶瓷结合剂；

（2）按照73:12:10:5的重量百分比称取CBN磨料、上述陶瓷结合剂、白刚玉以及酚醛树脂粉，并进行充分混合；具体的混料方式是先将各种原料在研钵中搅拌均匀；然后过60目筛网后，将筛下物混合料放入搅拌罐中，并加入研磨体，密封后使用球磨机进行机械混料；球磨机工作2小时之后，将罐内粉料再过一遍60目筛网，取筛下物用于步骤（3）；CBN磨料的粒度为80/100；白刚玉的粒度为100/120；

（3）将混合均匀的粉料投入模具中，用刮料板将料刮平整；接着先在25吨压力下进行室温冷压成型，再将模具放入上下压板为190 ℃的热压机中，并设置压力为25吨；热压20分钟后，即可结束压制，取出模具进行脱模，得到CBN砂轮坯体；

（4）将压制成型的CBN砂轮坯体放入电炉中垫砂烧结。采用程序控温的方式，设置的烧结工艺为5小时从室温升至500 ℃，并保温3小时；之后继续升温，5小时升至990 ℃，并保温3小时；最后随炉冷却至室温，得到陶瓷结合剂CBN砂轮结块；

（5）使用现有双组分的环氧快固胶将CBN砂轮结块粘接在钢基体上，同时在砂轮结块之间也使用现有双组分的环氧快固胶进行粘接；之后在室温下静置12小时，胶水固化完全，得到加工磨削钛合金用的陶瓷结合剂CBN砂轮；可将砂轮进行机械加工，包括车加工和磨加工等常规机械加工方式。

对比例

在实施例一的基础上，不加入白刚玉，其余不变，得到对比CBN砂轮1。

在实施例一的基础上，将步骤（2）CBN磨料、上述陶瓷结合剂、白刚玉以及酚醛树脂粉的重量比调整为60:25:10:5，其余不变，得到比对CBN砂轮2。

在实施例一的基础上，将二氧化钛、氧化钡分别更换为碳酸钾、氧化钙，其余不变，得到对比CBN砂轮3。

应用实施例

将本发明的陶瓷CBN砂轮和现用陶瓷CBN砂轮进行对比，在“外圆磨”磨床上加工同样的航空航天用钛合金工件。具体的参数及结果如下：

从上述结果可知，在外圆磨削加工钛合金工件时，本发明的陶瓷结合剂CBN砂轮不论是在加工状态还是在加工效率方面，都比现用陶瓷CBN砂轮有所提高，不会出现粘屑划伤，如果超出表中进给速率则加工品质变差。所以完全可以用本发明的陶瓷CBN砂轮替代现有的通用陶瓷CBN砂轮，保证生产的高效性和成本的可控性。

现有CN108747857A公开了用于加工高韧性钢合金，砂轮效果好，但是将其实施例一的砂轮用来加工上述同样的航空航天用钛合金工件却不适用，无法加工。

将本发明的陶瓷CBN砂轮和现用陶瓷CBN砂轮进行对比，在“平面磨”磨床上加工同样钛合金工件。具体的参数及结果如下：

从上述结果可知，在平面磨削加工钛合金工件时，本发明的陶瓷CBN砂轮的单次进给速率是现用陶瓷CBN砂轮的1.6倍，如果超出表中单次进给速率则加工品质变差；同时在加工过程中，没有出现粘屑、烧伤的现象；加工单个钛合金工件后的砂轮损耗量也得到了降低，砂轮使用寿命更长。

Claims

1.一种磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮，包括基体以及CBN砂轮层；所述CBN砂轮层包括CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉以及树脂粉；所述陶瓷结合剂的制备原料包括二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡；所述磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮的制备方法包括以下步骤：

（2）将所述陶瓷CBN砂轮结块粘接在基体上，得到磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮；

所述CBN砂轮层中，按重量百分数，CBN磨料为60~80%，陶瓷结合剂为10~20%，树脂粉为1~10%，白刚玉为余量；所述陶瓷结合剂的制备原料中，按重量百分数，二氧化硅为40~60%，硼砂为20~35%，氧化铝为5~20%，二氧化钛为5~15%，氧化钡为余量；冷压的压力15～50吨，时间为15～25分钟；热压的压力15～50吨，时间为15～25分钟，温度为185～195℃；烧结为分阶段保温烧结。

2.根据权利要求1所述磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮，其特征在于，所述基体为钢基体；树脂粉为酚醛树脂粉。

3.根据权利要求1所述磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮，其特征在于，称取二氧化硅、硼砂、氧化铝、二氧化钛、氧化钡，混合后于1550℃熔炼；接着将熔炼过的混合料水冷后球磨，得到陶瓷结合剂。

4.权利要求1所述磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮在加钛合金工件中的应用。

5.权利要求1所述磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述磨削航天航空钛合金用热压高强度陶瓷CBN砂轮的制备方法，其特征在于，烧结为在4～5小时内从室温升至500 ℃，并保温3小时；之后在5～6小时内升至990 ℃，并保温3小时；最后随炉冷却至室温，得到陶瓷结合剂CBN砂轮结块。