CN113427411A - 一种铸件打磨用钎焊金刚石磨轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，是一种轴心为通孔的回转件，在磨轮外圆面，圆角面和侧平面均分布不同的粒度和强度的金刚石颗粒。本发明基于工件形状以及材料去除要求，根据磨轮结构特点，对磨轮进行了外圆面、圆角、侧面三部分区分。在不面表面排布不同粒度、品级、密度的金刚石磨粒，并且基于工况负载以及钎焊金刚石工艺，设计不同的出露形貌，达到磨轮在加工工件时，整体表面磨料同步磨损，发挥钎焊金刚石磨轮的长寿命、高效率的优势。
Description
技术领域
本发明属于超硬磨料工具制造领域，具体涉及一种铸件打磨用钎焊金刚石磨轮及其制备方法。
背景技术
钎焊金刚石磨轮为回转型轮状结构，主要利用外圆表面的金刚石磨粒对材料进行加工去除，可有效应用于打磨铸件材料表面毛刺、飞边以及冒口等形貌，并且在石材加工领域可对大理石、花岗岩等硬脆材料进行仿形磨削、磨边等加工。
钎焊金刚石磨轮是利用含可与金刚石发生化学冶金反应的活性焊料，在高温环境中将金刚石与钢基体焊接制备而成。磨轮一般是外圆面布金刚石磨料，后利用外圆的金刚石对材料进行加工。由于钎焊金刚石磨轮磨粒出露高，金刚石把持牢固，因此在加工各种铸件时不仅使用寿命远长于树脂砂轮片，而且相对电镀金刚石磨轮亦具有一定的优势。
但由于铸件形状结构多变，打磨去除量不一，传统的单层金刚石砂轮为平行结构，表面排布金刚石磨料，然而表面的金刚石排布不一定与工件的加工状态完全匹配，导致磨轮应用时出现局部区域过早磨损，从而导致磨轮失效。
由于磨轮成本较好，应用寿命长，过早的磨料磨损导致磨轮的寿命达不到预期，难以体现钎焊单层金刚石工具的优势与性价比。
发明内容
本发明针对工件的打磨状态以及磨轮的结构形貌，优化设计金刚石磨料在磨轮基体表面的分布特征，设计最优的参数，以实现金刚石磨轮表面磨料的同步磨损，发挥磨轮的最大优势。
本发明基于工件形状以及材料去除要求，根据磨轮结构特点，对磨轮进行了外圆面、圆角、侧面三部分区分。在不面表面进行排布不同粒度、品级、密度的金刚石磨粒，并且基于工况负载以及钎焊金刚石工艺，设计不同的出露形貌，达到磨轮在加工工件时，整体表面磨料同步磨损，发挥钎焊金刚石磨轮的长寿命、高效率的优势。
本发明所述铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，是一种轴心为通孔的回转件，其整体厚度为H1，其上下面向内凹陷，且侧面由外圆面和边缘圆角面组成，所述外圆面的宽度为H，边缘圆角面的半径为R，上下面的内部凹陷的外缘与磨轮边缘圆角面的外缘组成的平面为侧平面，侧平面的宽度为W，本发明所述铸件打磨用钎焊金刚石磨轮在外圆面，圆角面和侧平面均分布不同的粒度和强度的金刚石颗粒。
磨轮外圆面金刚石优先选以下参数：金刚石粒度25/30～30/35目，金刚石平均抗压强度不低于350N～550N，金刚石排布密度为110～160颗/cm2。金刚石出露高度为颗粒粒径的40～50％。
磨轮侧面金刚石优先选以下参数：金刚石粒度25/30～30/35目，金刚石平均抗压强度280～370N，金刚石排布密度为90～140颗/cm2。金刚石出露高度为颗粒粒径的40～65％。
磨轮圆角面的金刚石优先选以下参数：金刚石粒度30/35～35/40目，金刚石平均抗压强度400～550N，金刚石排布密度为140～200颗/cm2。金刚石出露高度为颗粒粒径的30～45％。
铸件清理打磨虽然工况多变，但基本都是将工件需要打磨处进行磨削，即对工件施加一定的压力，将打磨部位紧靠于磨轮的金刚石磨料表面，通过磨轮的高速转动，将要去除部分磨削去除。
多数铸造工件结构相对简单，毛刺、冒口等边缘多为直线或简单弧线，适用于磨轮磨削，磨轮的外圆面、侧平面，以及圆角面三部分，基本可以满足多数工件的打磨。
由于工件各部位的打磨去除量不同，打磨区域不同，单位面积负载也不相同，因此各个区域表面金刚石磨粒参数的要求不同，为更好匹配金刚石磨损状态，提高磨轮磨削整体寿命，对磨轮表面金刚石的参数进行区域分布。
其中适于安装在砂轮机上用于打磨铸件的磨轮外径一般在250～600mm范围内。整体厚度H1在7～55mm范围内。
磨轮外圆面是工件打磨的主要工作面，由于多数工件形状简单，铸造产生的毛刺多为线形或小面积的二维面，将工件置于磨轮外圆面可有效对材料进行去除。
此外负载较大，且存在二维面的磨削，排屑要求高，因此，此区域需要排布高品级、大粒度的金刚石，排布密度适中。
磨轮外圆面金刚石优先选以下参数：金刚石粒度25/30～30/35目，金刚石平均抗压强度不低于350N～550N，金刚石排布密度为110～160颗/cm2。金刚石出露高度为颗粒粒径的40～50％。
磨轮的外圆面厚度H基于磨轮制备要求以及打磨要求、安装要求、设备参数要求，一般选择5～50mm范围，优选15～36mm范围，更具有适用性。
磨轮侧面是工件打磨的副工作面，主要进行线形的磨削，工作强度较低，打磨去除余量小，因此此区域需要排布中高品级、大粒度的金刚石，排布密度中等偏稀疏。磨轮侧面金刚石优先选以下参数：金刚石粒度25/30～30/35目，金刚石平均抗压强度280～370N，金刚石排布密度为90～140颗/cm2。金刚石出露高度为颗粒粒径的40～65％。
磨轮侧面宽度W根据打磨要求以及加工设备工况，一般选择5～40mm,优选8～17mm范围，更具有适用性。
磨轮圆角面多对工件的拐角，以及弧线形毛刺表面进行加工，由于圆角面的面积小，打磨时与工件基本为点接触或小区域线接触，工作负载大，对金刚石把持强度要求高，抗压强度要求高。圆角区域易于散热，排屑空间较大，则金刚石可优先保证把持强度。因此此区需要排布高品级、中等粒度金刚石，排布密度大。磨轮圆角面的金刚石优先选以下参数：金刚石粒度30/35～35/40目，金刚石平均抗压强度400～550N，金刚石排布密度为140～200颗/cm2。金刚石出露高度为颗粒粒径的30～45％。
磨轮圆角面的半径根据打磨要求以及加工设备工况，一般选择2～10mm,优选5～8mm范围，更具有适用性。
同一只磨轮表面，外圆面排布金刚石粒度与侧面金刚石粒度一致，圆角面排布的金刚石粒度低一个等级。
当存在圆角为非主要工作部位时，圆角面的金刚石粒度与品级要求可以降低一个等级，或者为制备更为简单，采取与其余部位一致的金刚石参数。
本发明所述铸件打磨用钎焊金刚石磨轮的制备方法，包括工艺步骤：
(1)磨轮钢基体表面进行去油、去锈清理。
(2)磨轮外圆面、圆角面以及侧面进行刷涂油性粘结剂，所述油性粘结剂由丙烯酸酯与丙酮体积比1：3的比例组成。
粘结剂的作用是用以粘附金刚石颗粒与合金焊料颗粒，在进炉钎焊之前固定在基体表面。
(3)制备两种种形状的掩膜，掩膜材料为硅胶，厚度0.4～1.2mm，易于贴覆。掩膜基本尺寸与磨轮外圆面、侧面的布料区域一致。然后将其贴覆于磨轮正面与侧面。
两种形状的掩膜，一种是环状，贴覆于磨轮侧面，环状的宽度是侧面布料的宽度。一种是带状，贴覆于磨轮的外圆面，带状的宽度是磨轮外圆面的宽度。带状的长度由磨轮外径确定，首尾相接在磨轮外圆面形成封闭圆环
(4)对磨轮圆角进行金刚石布料。
由于磨轮外圆面与侧面两个区域被掩膜挡住，不会粘附金刚石颗粒。实现了对圆角的金刚石排布。此处的金刚石布料密度较密，均匀布洒，达到140～200颗/cm2的要求。
(5)布料后，滚布40目～60目的合金焊料，填补圆角金刚石的空隙。
常用的合金焊料为镍基合金焊料，性能稳定，不易氧化，通用性好，将磨轮布料区域置于盛满40目～60目颗粒合金焊料的容器中，布有金刚石的区域全部埋入焊料中，转动磨轮，合金焊料便粘附在磨轮圆角上。由于外圆面与侧面有掩膜，不能粘附焊料颗粒，这样便实现了对圆角区域金刚石的焊料排布。
(6)撤去外圆面与侧面的掩膜，分别布洒不同参数的金刚石。
由于外圆面与侧面垂直，布洒时可有效挡住金刚石干涉混淆。由于圆角面已布洒合金焊料，外圆面与侧面金刚石亦进不去，达到了区域性布料的效果。
(7)滚布合金焊料。
由于圆角面已布过焊料，本次步骤对其不产生影响。操作方式与步骤5相同。
(8)根据金刚石粒度要求的不同，继续整体滚布50～80目的合金焊料，以及80目～120目的合金焊料，直至填补所有缝隙。
通常情况下，30/35目的金刚石，滚动40～60，50～80，80～120三遍焊料已基本达到焊料包埋金刚石的用量要求，但由于金刚石磨轮表面焊料的包埋要求不同，为达到更好的区域包埋效果，需要进行再次喷涂粘结剂再粘附一层焊料。
实施再添加焊料的另一个原因是焊料颗粒密度大，且为球形，粘附在磨轮表面的粘结强度不够高，进炉钎焊前有掉落的可能，因此需要表面再喷涂粘结剂再补充焊料。
(9)喷涂粘结剂。
整体喷涂一层稀的油性粘结剂，所述油性粘结剂为丙烯酸酯与丙酮体积比1：8，目的是固定已粘附的金刚石与焊料颗粒，并为将要添加的焊料提供一定的粘结性。由于所添加需要的焊料较少，因此，此处粘结剂浓度可较低。
(10)磨轮整体滚布一层50目～80目合金焊料，操作方式同步骤5。
(11)用毛刷对表面进行清理，保证区域焊料厚度按要求分配。
滚布后的焊料通过毛刷的作用，会使焊料颗粒填补于金刚石的缝隙之间，且由于合金焊料粒度较大，基本不会涂在金刚石表面，焊后可保证金刚石有效出露。通常来说，所滚布的焊料量是大于实际要求的，但三个区域焊料用量不同，因此利用毛刷进行去除时，按区域进行去除，其中：正面与侧面金刚石出露较高，可多去除，保证焊前金刚石能够出露25％～40％，圆角较少去除，保证高把持强度，焊前金刚石出露10～20％
(12)进炉钎焊。
炉中钎焊的工艺采用1020～1030度之间，保证焊料合金熔化，充分焊接金刚石颗粒。
经过此方式制备后，磨轮表面金刚石区域分布，有效发挥金刚石磨料的优势，保证了金刚石磨轮的同步磨损，提高了磨轮的使用寿命。
所采用的制备工艺，工艺简单，所采用的合金焊料为成熟商用材料，掩膜制备简单易行，不需要复杂的设备与工具，制备稳定，速度快，制备成本较低。可有效提高生产效率。此外所选用的金刚石磨料可根据区域选择，部分降低金刚石磨粒成本，提高磨轮附加值，具有良好的应用前景。
附图说明
图1磨轮结构截面结构示意图；
其中H1磨轮整体厚度，H外圆面宽度，R磨轮边缘圆角半径，D磨轮外径，W磨轮侧面布料宽度。
具体实施方式
实例一：
制备一只外径400规格的磨轮，用于对汽车配件铸件进行打磨加工，材料为灰铁250，主要是毛刺，飞边，需要打磨量不大，但结构异型，存在弧线、拐角等打磨位。
根据要求，磨轮设计参数如下：
磨轮尺寸为外径400，内孔50，整体厚度40，圆角为半径5，侧面宽度为10.
磨轮采用正面30/35目金刚石，黄河旋风HSD90+HSD80品级混合按重量比1：1配制，侧面采用30/35目金刚石，黄河旋风HSD80品级，圆角采用35/40金刚石，黄河旋风HSD90品级。
制备步骤如下：
(1)磨轮钢基体表面进行去油、去锈清理。
(2)磨轮外圆面、圆角以及侧面进行刷涂油性粘结剂，丙烯酸酯与丙酮体积比1：3。
(3)根据尺寸制备硅胶掩膜，掩膜厚1mm，按磨轮设计尺寸激光切割出掩膜形状。然后将其贴覆于磨轮正面与侧面。
(4)对磨轮圆角进行金刚石布料，布洒35/40粒度，布洒密度150～170颗/cm2。
(5)布料后，滚布40目～60目的BNi2镍基合金焊料，填补圆角金刚石的空隙。由于其余部分被挡住，不会粘附焊料。
(6)撤去外圆面与侧面的掩膜，分别布洒各自区域的金刚石。外圆面布洒密度120～140颗/cm2。侧面金刚石布洒密度100～130颗/cm2。
(7)滚布BNi2镍基合金焊料，由于圆角已布过焊料，本次步骤对其不产生影响。
(8)继续整体滚布50～80目的BNi2镍基合金焊料，以及80目～120目的BNi2镍基合金焊料，直至填补所有缝隙。
(9)整体喷涂一层稀的油性粘结剂(丙烯酸酯与丙酮体积比1：8)
(10)磨轮整体滚布一层50目～80目BNi2镍基合金焊料。
(11)用毛刷对表面进行清理，磨轮外圆面与侧面焊前金刚石能够出露25％～40％，圆角焊前金刚石出露10～20％
(12)进炉钎焊，采用最高温度1021，升温31分钟，保温8分钟的钎焊工艺制备。
根据上述步骤即可得到所设计的磨轮，金刚石按区域分布，出露与排布密度可控。
实例二：
制备一只外径400规格的磨轮，用于对汽车配件铸件进行冒口打磨加工，材料为球铁350，主要是冒口磨削，需要打磨量较大，但结构简单型。
根据要求，可知主要对冒口进行打磨，则主要依靠外圆面进行磨削，侧面不需要打磨，仅需少量起到防磨损即可。平面的外圆磨，平面可较宽，圆角处基本不参与打磨，圆角可小，磨轮设计参数如下：
磨轮尺寸为外径400，内孔50，整体厚度40，圆角为半径2，侧面宽度为3。
磨轮采用外圆面30/35目金刚石，黄河旋风HSD90品级，侧面与圆角由于布料面积较小且为非关键部位，可采用与外圆磨一致的布料方式，亦可采用HSD80品级的同等粒度金刚石，为进一步控制成本，优化设计，本实例采用HSD80品级金刚石。
制备步骤如下：
(1)磨轮钢基体表面进行去油、去锈清理。
(2)磨轮外圆面、圆角以及侧面进行刷涂油性粘结剂，丙烯酸酯与丙酮体积比1：3。
(3)根据尺寸制备硅胶掩膜，掩膜厚0.5mm，按磨轮设计尺寸激光切割出掩膜形状。然后将其贴覆于外圆面。
(4)对磨轮圆角与侧面进行金刚石布料，布洒30/35粒度，布洒密度140～150颗/cm2。
(5)布料后，滚布40目～60目的BNi2镍基合金焊料，填补圆角面与侧面金刚石的空隙。由于其余部分被挡住，不会粘附焊料。
(6)撤去外圆面的掩膜，布洒金刚石。外圆面布洒密度140颗/cm2。
(7)滚布BNi2镍基合金焊料，由于圆角与侧面已布过焊料，本次步骤对其不产生影响。
(8)继续整体滚布50～80目的BNi2镍基合金焊料，以及80目～120目的BNi2镍基合金焊料，直至填补所有缝隙。
(9)整体喷涂一层稀的油性粘结剂(丙烯酸酯与丙酮体积比1：8)
由于工件为冒口，打磨负载大，排屑要求高，需要金刚石排布均匀较密，且出露较高，因此可以不需要再添加焊料，仅需要将原有的焊料进行固定即可。
(10)进炉钎焊，采用最高温度1021，升温31分钟，保温8分钟的钎焊工艺制备。
根据上述步骤即可得到所设计的磨轮，金刚石按区域分布，出露与排布密度可控。
实例三：
制备一只外径400规格的磨轮，用于对汽车配件铸件进行深槽磨削加工，材料为球铁400，主要是毛刺以及侧面磨削，需要打磨量适中，但工件较窄，侧面需要打磨加工。。
根据要求，可知主要对凹槽进行磨削，则主要依靠圆角进行铣入磨削，侧面打磨毛刺，外圆面基本不参与加工。磨轮设计参数如下：
磨轮尺寸为外径300，内孔50，整体厚度10，圆角为半径5，侧面宽度为20。
磨轮外圆面取消，表面直接半圈形圆角过渡，由于圆角由为关键布料部位，采用30/35目金刚石，黄河旋风HSD90品级，侧面打磨毛刺，负载较小，但打磨深度大，则边宽20mm,HSD80品级，30/35金刚石。
制备步骤如下：
(1)磨轮钢基体表面进行去油、去锈清理。
(2)磨轮圆角以及侧面进行刷涂油性粘结剂，丙烯酸酯与丙酮体积比1：3。
(3)根据尺寸制备硅胶掩膜，掩膜厚0.5mm，按磨轮设计尺寸激光切割出掩膜形状。然后将其贴覆于侧面。
(4)对磨轮圆角进行金刚石布料，布洒30/35粒度，布洒密度140～160颗/cm2。
(5)布料后，滚布40目～60目的BNi2镍基合金焊料，填补圆角面金刚石的空隙。由于其余部分被挡住，不会粘附焊料。
(6)撤去侧面的掩膜，布洒金刚石。外圆面布洒密度120颗/cm2。
(7)滚布BNi2镍基合金焊料，由于圆角已布过焊料，本次步骤对其不产生影响。
(8)继续整体滚布50～80目的BNi2镍基合金焊料，以及80目～120目的BNi2镍基合金焊料，直至填补所有缝隙。
(9)整体喷涂一层稀的油性粘结剂(丙烯酸酯与丙酮体积比1：8)
由于工件类似于切割磨削加工，圆角金刚石要求较高，需要保证较高的密度与把持强度，因此再添加一遍50目～80目合金焊料
(10)磨轮整体滚布一层50目～80目BNi2镍基合金焊料。
(11)用毛刷对表面进行清理，磨轮侧面焊前金刚石能够出露25％～40％，圆角焊前金刚石出露10～20％
(12)进炉钎焊，采用最高温度1021，升温31分钟，保温8分钟的钎焊工艺制备。
根据上述步骤即可得到所设计的磨轮，金刚石按区域分布，出露与排布密度可控。
Claims (9)
1.一种铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，是一种轴心为通孔的回转件，其整体厚度为H1，其上下面向内凹陷，且侧面由外圆面和边缘圆角面组成，所述外圆面的宽度为H，边缘圆角面的半径为R，上下面的内部凹陷的外缘与磨轮边缘圆角面的外缘组成的平面为侧平面，侧平面的宽度为W；其特征在于，所述铸件打磨用钎焊金刚石磨轮在外圆面，圆角面和侧平面均分布不同的粒度和强度的金刚石颗粒；
磨轮外圆面的金刚石参数：金刚石粒度25/30～30/35目，金刚石平均抗压强度不低于350N～550N，金刚石排布密度为110～160颗/cm2，金刚石出露高度为颗粒粒径的40～50％；
磨轮侧面的金刚石参数：金刚石粒度25/30～30/35目，金刚石平均抗压强度280～370N，金刚石排布密度为90～140颗/cm2，金刚石出露高度为颗粒粒径的40～65％；
磨轮圆角面的金刚石参数：金刚石粒度30/35～35/40目，金刚石平均抗压强度400～550N，金刚石排布密度为140～200颗/cm2，金刚石出露高度为颗粒粒径的30～45％。
2.根据权利要求1所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，其特征在于，所述磨轮外径在250～600mm范围内；所述整体厚度H1在7～55mm范围内。
3.根据权利要求1所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，其特征在于，所述磨轮的外圆面厚度H在5～50mm范围。
4.根据权利要求3所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，其特征在于，所述磨轮的外圆面厚度H在15～36mm范围。
5.根据权利要求1所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，其特征在于，所述磨轮侧面宽度W在5～40mm范围。
6.根据权利要求5所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，其特征在于，所述磨轮侧面宽度W在8～17mm范围。
7.根据权利要求1所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，其特征在于，磨轮圆角面的半径R为2～10mm。
8.根据权利要求7所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮，其特征在于，磨轮圆角面的半径R为5～8mm。
9.权利要求1-8所述的铸件打磨用钎焊金刚石磨轮的制备方法，其特征在于，包括下述工艺步骤：
(1)磨轮钢基体表面进行去油、去锈清理；
(2)磨轮外圆面、圆角面以及侧面进行刷涂油性粘结剂，所述油性粘结剂由丙烯酸酯与丙酮体积比1：3的比例组成；
(3)制备两种种形状的掩膜，掩膜材料为硅胶，厚度0.4～1.2mm，掩膜基本尺寸与磨轮外圆面、侧面的布料区域一致；然后将其贴覆于磨轮正面与侧面。
(4)对磨轮圆角进行金刚石布料，金刚石布料均匀布洒，达到140～200颗/cm2的要求；
(5)布料后，滚布40目～60目的合金焊料，填补圆角金刚石的空隙；
(6)撤去外圆面与侧面的掩膜，分别布洒不同参数的金刚石；
(7)滚布合金焊料；
(8)根据金刚石粒度要求的不同，继续整体滚布50～80目的合金焊料，以及80目～120目的合金焊料，直至填补所有缝隙；
(9)喷涂粘结剂；
(10)磨轮整体滚布一层50目～80目合金焊料，操作方式同步骤5；
(11)用毛刷对表面进行清理；正面与侧面金刚石出露较高，保证其焊前金刚石能够出露25％～40％，圆角面的焊前金刚石出露10～20％；
(12)进炉钎焊，炉中钎焊的工艺采用1020～1030度之间。
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