CN114986401A - 一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密磨削加工技术领域，具体涉及一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮及其制备方法和应用。本发明通过对砂轮中结合剂的成分、用量进行调整，并对砂轮的制备工艺进行优化，制备一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，以解决气门杆烧伤及划道，同时还提升了磨削效率。本发明所述砂轮在制备时，针对精磨气门杆R角处和精磨气门杆杆部分别设置两种砂轮配方，在提高砂轮寿命的同时，也降低了修整频次。使用本发明所述发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮对气门杆进行精磨，能够保证测试后R角和杆部圆度满足要求，耐用度30个工件修整一次，磨削后粗糙度Ra≤0.4μm，且无烧伤、无振纹、无划伤等表面缺陷。
Description
技术领域
本发明属于精密磨削加工技术领域，具体涉及一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮及其制备方法和应用。
背景技术
气门作为燃油发动机一个重要组成部件，主要应用于汽车、农机、发电机等领域。
在汽车领域，随着新能源技术在汽车行业的推广应用，燃油车的产量会有所下降，但是，目前新能源基础配套设施(如充电桩、充电站等)的不健全以及新能源汽车的巡航里程相对较短等问题，燃油车在5-10年内很难被替代，而是以混动过渡的方式逐步替代，汽车发动机用气门的需求量在短期会略有下降，但对于国内市场来说，燃油发动机所使用的气门需求量基本持平。中国作为农业大国，农用机械行业的市场规模不断扩大，发展前景非常广阔。而农用机械基本上全部为燃油车，加上国家政策的牵引，在农用机械方面，气门的需求呈增长趋势。由内燃机驱动的发电机具有起动迅速，操作方便等特点，在石油钻井、矿山野外开采以及工业应急备用电源方面应用广泛。
现行的海上能源开采以及矿山开采过程中主要的动力来源于内燃机驱动的发电机，气门作为发电机的重要组成部件需求量也将逐渐增大。此外，国家应急管理政策的落地，对于工业、民用等保障需求，备用电源也将增加，随之带动气门的需求量的持续增加。综上，整体看未来5年气门的需求将呈增长趋势。
燃油发动机气门主要分为进气门和排气门两大类，作为发动机上用于输入空气、排出燃烧废气的部件，进气门的作用是将空气吸入发动机内，与燃料混合并燃烧；排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。气门的材质直接影响气门工作效率的高低。在国内，现行的气门主要为4Cr9Si2、40Cr、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N等材质。随着新型合金材料的不断研发，高温镍基合金也逐渐在发动机气门上开始应用。
气门在制造后需要对其表面进行磨削加工，如图1所示，磨削过程要求杆部粗糙度和圆度不超差，R角保持性好，同时无烧伤、无振纹、无划伤等表面缺陷，砂轮耐用度为30件/修。
普磨陶瓷砂轮主要由陶瓷结合剂和普通磨料所组成，在制备过程中依次经过配混料、压制、烧结及精加工而成，其主要性能特点是：化学性能稳定、耐热、抗腐蚀性好、气孔率大，磨削效率高，磨耗小，能较好地保持磨具的几何形状。陶瓷砂轮具有耐用、磨削性能好的特点，但由于发动机气门杆为精细加工部件，所以需要针对性设计气门杆精磨专用陶瓷砂轮，用于对发动机气门杆的精磨加工。
发动机气门杆最难磨削部位是杆部、以及杆部与锥面连接处的R角处，常规的磨削方法是采用砂轮频繁修整，但是这种磨削方法不仅效率低，而且容易出现R角保持不住的现象，有时也会出现烧伤或划道等问题，在高精密磨削时，也会出现耐用度低，使用寿命短等问题。
现有技术中，虽然也公开了用于磨削发动机气门的砂轮，但是磨削精度均有待提高。例如，公开号为CN204621857U的中国专利公开了一种磨发动机气门用组合式陶瓷微晶刚玉砂轮，通过设置从上至下的6片砂轮结构，可将气门凹槽上部气门杆、气门凹槽及底盘外圆等结构一次性加工完成，大大缩短了磨削时间，提高了磨削精度，降低磨削成本。但是，由于此专利中的砂轮并没有对砂轮的成分进行改进，并不能提高发动机气门杆磨削的精度。
随着气门所用材质及加工精度的提升，未来对发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮的使用性能和指标要求肯定会越来越高。
为此，申请人通过对发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮中的各个组分进行调整，并对结合剂进行优化，设计一种能够提高磨削精度的砂轮，以期解决发动机气门杆杆部与锥面连接处的R角保型性的问题，以及砂轮磨削效率和使用寿命的问题。
发明内容
对于发动机气门杆的精细磨削，一般要求砂轮的保型性好，R角保持性好，无烧伤、无振纹、无划伤等表面缺陷，磨后气门的粗糙度要保证Ra≤0.4μm，基于结合剂对砂轮的性能起着至关重要的作用，本发明对砂轮中结合剂的成分、用量进行调整，并对砂轮的制备工艺进行优化，制备一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明首先提供了一种陶瓷砂轮用结合剂，包括以下重量百分比的组分：黑粘土粉10％-30％，低熔点硼硅玻璃粉25％-40％，纳米石英粉1％-5％，碳酸锂1％-5％，余量为长石粉。
具体的，所述低熔点硼硅玻璃粉耐火度在700-800℃。
所述陶瓷砂轮用结合剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将各组分原料混合配料后得到混合物；
2)将步骤1)中的混合物使用球磨机球磨3-4小时，过筛，即得到结合剂。
进一步的，本发明又提供了一种用于精磨气门杆R角处的发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第一粒度碳化硅70％-90％、造孔材料50‰-120‰、润湿剂18‰-25‰，余量为上述结合剂。
具体的，所述第一粒度碳化硅的规格为150#；所述造孔材料的规格为60#-100#。
进一步的，本发明又提供了一种用于精磨气门杆杆部位置的发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第二粒度碳化硅35％-45％，第三粒度碳化硅35％-45％、造孔材料50‰-120‰、润湿剂18‰-25‰，余量为上述结合剂。
具体的，所述第二粒度碳化硅的规格为120#，第三粒度碳化硅的规格为150#；所述造孔材料的规格为60#-100#。
具体的，本发明中所述造孔材料为氧化铝空心球；所述润湿剂为糊精液，比重1.08g/cm3-1.1g/cm3。
进一步的，本发明还提供了所述发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮的制备方法，包括如下步骤：
(1)先将润湿剂加入磨料(碳化硅)中，混合搅拌10-20min，然后加入结合剂混合搅拌20-30min，再加入造孔材料混合搅拌5-10min，最后过筛，并闷料不低于24小时，得到混料；
(2)将步骤(1)中的混料，在5-10MPa的压力下保压10-20s压制成型，之后在60℃-65℃下干燥不低于96小时，然后在1230～1280℃温度下烧结12-16小时，即得。
进一步的，本发明还提供了所述发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮在发动机气门杆磨削中的应用，具体的，所述发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮用于对发动机气门杆的精磨。
砂轮的修整频次越少越好，使用寿命越长越好，这就需要提高结合剂的锋利性，同时增加结合剂对磨料的把持力，并对结合剂进行改进和提升，基于此，本发明所述发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮在现有的结合剂配比及砂轮制备工艺的基础上，通过引进低熔点单一组分的化学物质从而提升结合剂的性能。
其中低熔点硼硅玻璃粉和纳米石英粉，在有效降低结合剂耐火度的同时，增加了结合剂在高温烧结时的熔融流动性，使结合剂更好地包裹磨料，同时在结合剂中复配比不变的情况下，还增加了砂轮的强度及锋利性，即增加了砂轮的使用寿命，降低了修整频次，同时也解决了碳化硅陶瓷砂轮发泡黑心问题。
另外，本发明在现有发动机气门杆精磨陶瓷结合剂的基础上，又引入碳酸锂(Li2CO3)，碳酸锂在降低结合剂耐火度的同时，又可以增加结合剂的强度，同时也能明显降低烧成温度，实现节能减排。
本发明所述砂轮在制备时，采用混合搅拌和压制成型的方法，同时针对精磨气门杆R角处和精磨气门杆杆部分别设置两种砂轮配方，这样的做法在提高砂轮寿命的同时，也降低了修整频次。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明对磨料(碳化硅)的粒径范围进行优化，选择粒径范围窄、晶形锋利的磨料，来解决气门杆烧伤及划道问题，同时还提升了磨削效率。
2、本发明所述砂轮在制备时，针对精磨气门杆R角处和精磨气门杆杆部分别设置两种砂轮配方，从而解决气门杆杆部与锥面连接处的R角磨削时需要频繁修整及效率低的问题，在提高砂轮寿命的同时，也降低了修整频次。
3、采用现有技术中的砂轮对气门杆进行磨削出现原产品的质量R角保持不住和杆部圆度超差的现象，且耐用度15个工件修整一次。而使用本发明所述发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮对气门杆进行精磨，能够保证测试后R角和杆部圆度满足要求，耐用度30个工件修整一次，磨削后粗糙度Ra≤0.4μm，且无烧伤、无振纹、无划伤等表面缺陷。
附图说明
图1是现有技术中发动机气门杆磨削示意图；
图2是采用实施例2、3制作的砂轮精磨后的气门杆照片；
图3是采用实施例4、5制作的砂轮精磨后的气门杆照片；
图4是采用实施例6、7制作的砂轮精磨后的气门杆照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
具体实施例中所用材料的型号规格、生产厂家如下：
黑粘土粉，规格600目，生产厂家：中国高岭土有限公司，其主要化学成分(质量百分比)如下：
纳米石英粉，规格500纳米，生产厂家：徐州英诺新材料有限公司，其主要化学成分(质量百分比)如下：
| SiO<sub>2</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 其他 | 灼减 |
| ＞99 | ＜0.1 | ＜0.3 | ＜0.2 |
碳酸锂，规格400目，生产厂家：南京泰业化工新材料有限公司，其主要化学成分(质量百分比)如下：
| Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> | 其他 |
| ＞99.9 | ＜0.1 |
长石粉，规格800目，生产厂家：灵寿县宏裕矿产品有限公司，其主要化学成分(质量百分比)如下：
以下实施例中所使用的造孔材料为氧化铝空心球，规格100目，生产厂家：郑州市豫立实业有限公司。
以下实施例中所使用的润湿剂为糊精液，比重1.08g/cm3-1.1g/cm3，生产厂家：郑州市中原新兴糊精厂。
以下实施例中所使用的碳化硅为绿碳化硅，粒度150#，生产厂家：山东金蒙新材料股份有限公司。
所述低熔点硼硅玻璃粉的耐火度在700-800℃，规格600#，生产厂家：郑州海龙化工产品有限公司，其主要化学成分(质量百分比)如下：
实施例1
实施例1提供一种陶瓷砂轮用结合剂的制备方法，具体步骤如下：
1)将原料中各组分混合配料得到混合物，所述原料由以下重量百分比的组分组成：黑粘土粉18％，低熔点硼硅玻璃粉35％，纳米石英粉2％，碳酸锂2％，余量为长石粉；
2)将步骤1)中的混合物使用球磨机球磨3.5小时，过筛，即得到结合剂。
结合剂中纳米石英粉的引入，主要作用是防止制备的绿碳化硅陶瓷砂轮黑心；结合剂中采用纳米级石英，与普通石英相比可以降低结合剂的耐火度；通过引入低熔点硼硅玻璃粉，利用其自身耐火度低的特点，可以增加结合剂的强度。在同样砂轮硬度的情况下，使用本发明的砂轮中结合剂的加入量较少，这样就提升了磨粒的磨除效率，同时减少了砂轮的修整频次；砂轮中造孔材料的加入，可以增加砂轮的锋利型，有效减少砂轮烧伤。
实施例2
一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，实施例2所述陶瓷砂轮用于精磨气门杆R角处，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第一粒度碳化硅150#83％、造孔材料60#-100#40‰、润湿剂20‰，余量为实施例1所述结合剂。
所述发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮的制备方法，具体步骤为：
(1)先将润湿剂加入磨料(碳化硅)中，并使用逆流混料机混合搅拌15min，再加入结合剂混合搅拌25min，再加入造孔材料混合搅拌8min，最后过20目细筛网，并闷料24小时；
(2)使用1000吨冷压机在8MPa的压力下保压20s压制成型，之后在60℃下干燥96小时；采用车室窑进行烧结，烧结温度为1250℃，保温时间14小时，即得。
实施例3
一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，实施例3所述陶瓷砂轮用于精磨气门杆杆部位置，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第二粒度碳化硅120#42％，第三粒度碳化硅150#42％、造孔材料60#-100#40‰、润湿剂18‰，余量为实施例1所述结合剂。
实施例3的制备方法与实施例2相同。
实施例4
一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，实施例4所述陶瓷砂轮用于精磨气门杆R角处，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第一粒度碳化硅150#84％、造孔材料60#-100#70‰、润湿剂20‰，余量为实施例1所述结合剂。
实施例4的制备方法与实施例2相同。
实施例5
一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，实施例5所述陶瓷砂轮用于精磨气门杆杆部位置，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第二粒度碳化硅120#42.5％，第三粒度碳化硅150#42.5％、造孔材料60#-100#70‰、润湿剂18‰，余量为实施例1所述结合剂。
实施例5的制备方法与实施例2相同。
实施例6
一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，实施例6所述陶瓷砂轮用于精磨气门杆R角处，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第一粒度碳化硅150#85％、造孔材料60#-100#70‰、润湿剂20‰，余量为实施例1所述结合剂。
实施例6的制备方法与实施例2相同。
实施例7
一种发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，实施例7所述陶瓷砂轮用于精磨气门杆杆部位置，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第二粒度碳化硅120#43％，第三粒度碳化硅150#43％、造孔材料60#-100#70‰、润湿剂18‰，余量为实施例1所述结合剂。
实施例6的制备方法与实施例2相同。
应用试验
采用实施例2、3，实施例4、5，实施例6、7所制备的砂轮对发动机气门杆进行精磨，其中具体磨削分为精磨气门杆R角处和精磨气门杆杆部位置两个方面的磨削，具体的精磨方法为：
精磨时气门杆磨削余量是2丝，精磨之前粗糙度Ra0.6μm，磨后气门杆粗糙度要求是Ra≤0.35μm，砂轮使用速度是35m/s，砂轮进刀量是0.01，平均磨削20-30个气门杆砂轮修整一次。
磨削时，针对性精磨的气门杆的直径是5mm～6mm，其气门锥角是45°。备注：气门杆精磨参考标准《JB/T7294-2008内燃机.气门推杆.技术条件》；其中精磨气门杆R角处和精磨气门杆杆部位置两个位置的磨削条件是一样的。
试验结果
目前气门杆加工厂家使用常规的砂轮进行磨削，其砂轮修整频繁，且效率低及R角保持不住的现象，有时也会出现烧伤或划道等问题，在高精密磨削时，也会出现耐用度低，使用寿命短等问题。
1、相对于现有技术中对气门杆的磨削加工，采用实施例2、3制作的砂轮，经检测，精磨R角处的部分28砂室(硬度测试等级)三次测试的硬度值分别是：3.8、3.9、3.9，精磨杆部的部分28砂室三次测试的硬度值分别是：4.4、4.4、4.5。
通过实际磨削测试砂轮(所测试的砂轮规格为P-610x203x304.8)，工件R角和杆部圆度均满足要求(磨后工件照片如图2所示)，具体测试结果数据是：R角45℃，杆部圆度5mm，耐用度为12个工件修整一次，磨削后粗糙度Ra 0.25μm，工件表面有轻微烧伤和振纹。
2、采用实施例4、5制作的砂轮，经检测，精磨R角处的部分28砂室(硬度测试等级)三次测试的硬度值分别是：4.0、4.1、4.0，精磨杆部的部分28砂室三次测试的硬度值分别是：4.7、4.8、4.7。
通过实际磨削测试砂轮(所测试的砂轮规格为P-610x203x304.8)，工件R角和杆部圆度均满足要求(磨后工件照片如图3所示)，具体测试结果数据是：R角45.01℃，杆部圆度5.01mm，耐用度为17个工件修整一次，磨削后粗糙度Ra 0.28μm，且工件表面无烧伤、无振纹、无划伤等表面缺陷。
3、采用实施例6、7制作的砂轮，经检测，精磨R角处的部分28砂室(硬度测试等级)三次测试的硬度值分别是：4.2、4.2、4.3，精磨杆部的部分28砂室三次测试的硬度值分别是：5.0、5.0、5.1。
通过实际磨削测试砂轮(所测试的砂轮规格为P-610x203x304.8)，工件R角和杆部圆度均满足要求(磨后工件照片如图4所示)，具体测试结果数据是：R角45.02℃，杆部圆度5.02mm，耐用度为30个工件修整一次，磨削后粗糙度Ra 0.3μm，且工件表面无烧伤、无振纹、无划伤等表面缺陷。
采用本发明所述砂轮对气门杆R角处和杆部位置进行磨削，与常规磨气门杆砂轮相比，本发明所述砂轮使用寿命能够提高50％。
从测试的结果，可以得出，本发明制备的陶瓷结合剂能够用于制备发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，且将所述陶瓷砂轮用于气门杆精磨时，能够通过实际磨削测试，最终实现气门杆R角和杆部圆度均满足要求，耐用度为30个工件修整一次，磨削后粗糙度Ra 0.38μm，且工件表面无烧伤、无振纹、无划伤等表面缺陷，具有良好的使用寿命。
上述实施例为本发明实施方式的举例说明，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种陶瓷砂轮用结合剂，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：黑粘土粉10%-30%，低熔点硼硅玻璃粉25%-40%，纳米石英粉1%-5%，碳酸锂1%-5%，余量为长石粉。
2.权利要求1所述陶瓷砂轮用结合剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将各组分原料混合配料后得到混合物；
2）将步骤1）中的混合物球磨3-4小时，过筛，即得到结合剂。
3.利用权利要求1所述结合剂制备得到的用于精磨气门杆R角处的发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，其特征在于，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第一粒度碳化硅70%-90%、造孔材料50‰-120‰、润湿剂18‰-25‰，余量为结合剂。
4.如权利要求3所述的陶瓷砂轮，其特征在于，所述第一粒度碳化硅的规格为150#；所述造孔材料的规格为60#-100#。
5.利用权利要求1所述结合剂制备得到的用于精磨气门杆杆部位置的发动机气门杆精磨专用陶瓷砂轮，其特征在于，按重量百分比计，所述砂轮的配方为：第二粒度碳化硅35%-45%，第三粒度碳化硅35%-45%、造孔材料50‰-120‰、润湿剂18‰-25‰，余量为结合剂。
6.如权利要求5所述的陶瓷砂轮，其特征在于，所述第二粒度碳化硅的规格为120#，第三粒度碳化硅的规格为150#；所述造孔材料的规格为60#-100#。
7.如权利要求3或5所述的陶瓷砂轮，其特征在于，所述造孔材料为氧化铝空心球；所述润湿剂为糊精液。
8.权利要求3或5所述陶瓷砂轮的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）先将润湿剂加入碳化硅中，混合搅拌10-20min，然后加入结合剂混合搅拌20-30min，再加入造孔材料混合搅拌5-10min，最后过筛，并闷料不低于24小时，得到混料；
（2）将步骤（1）中的混料在5-10MPa的压力下保压10-20s压制成型，之后在60℃-65℃下干燥不低于96小时，然后在1230～1280℃温度下烧结12-16小时，即得。
9.权利要求3或5所述陶瓷砂轮在发动机气门杆磨削中的应用。
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