CN1880019B - 制造用于放电修整的金属结合剂砂轮的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于放电修整的金属结合剂砂轮，在该砂轮中，由金属结合剂结合磨料颗粒而形成的磨料层被固定到金属基体上，其中，所述金属结合剂的成分为62～48wt％Cu和38～52wt％Sn，并且具有Fe∶Cu∶Sn重量比为80～40∶44～15∶16～5的加强层被置于所述磨料层和所述金属基体之间。所述磨料层可包含占总体积的1～30vol％的润滑剂。还公开了一种制造用于放电修整的金属结合剂砂轮的方法，该方法包括以下步骤：以550～700℃烧结用于加强层的材料，以形成加强层；以385～415℃烧结用于所述加强层上的磨料层的材料，以形成磨料层；并且之后将所述加强层结合到金属基体上，以固定所述磨料层。

Description

制造用于放电修整的金属结合剂砂轮的方法

技术领域

本发明涉及一种用于单盘或双盘表面磨削的金属结合剂砂轮，其具有放电修整功能。

背景技术

在双盘表面磨床的领域中，近年来已经发展出了一种能够在线高精度修整砂轮的在线放电修整设备。当采用放电修整设备时，通常使用金属结合剂砂轮。金属结合剂砂轮的金属结合剂必须具有高的放电加工性能。

关于用于放电修整的金属结合剂砂轮，JP2004-249384A公开了一种技术，其通过使用润滑剂(典型地为石墨)作为添加剂，改善了金属结合剂砂轮的修整性能。JP4-19759U公开了在用于放电修整的金属结合剂砂轮中使用铜(Cu)-锡(Sn)青铜型金属结合剂和石墨润滑剂。

关于金属结合剂，JP8-243926A公开了使用由33～75wt％的Cu和18～55wt％的Sn组成的青铜粉末，尽管该对比文件没有把这种金属结合剂砂轮限定为用于放电修整的砂轮。

因为金属结合剂砂轮具有高强度，就牵涉到这样的问题，即颗粒的自整形不容易发生。因此，JP2004-249384A和JP4-19759U使用固体润滑剂来促进颗粒的自整形。但是，在这种情况下，当金属结合剂自身的强度很高时，自整形的促进效果下降很剧烈。在JP2004-249384A中，包含有65wt％Cu、25wt％Sn和10wt％石墨的金属结合剂被测试。但是，当在铜-锡型金属结合剂的情况下铜含量很大时，金属结合剂的强度倾向于增加。因此，具有如JP2004-249384A中所述成分的金属结合剂具有高的结合强度，并且没有关于颗粒保持力方面的问题。但是，存在放电修整性能方面的问题。在以前，还没有进行过为了改善放电修整性能而对金属结合剂的研究。

发明内容

本发明的目的是，通过对金属结合剂成分的研究，提供一种用于放电修整的金属结合剂砂轮，其具有改善的放电修整性能；并且提供一种该砂轮的制造方法。

根据本发明的用于放电修整的金属结合剂砂轮是金属结合剂砂轮，该砂轮中，通过用金属结合剂结合磨料颗粒而形成的磨料层被固定到金属基体上，其中，金属结合剂的成分为62～48wt％的Cu和38～52wt％的Sn，并且Fe∶Cu∶Sn重量比为80～40∶44～15∶16～5的加强层被夹置在磨料层和金属基体之间。

磨料层优选包含在总体积基础上的1～30vol％的润滑剂。

根据本发明用于放电修整的金属结合剂砂轮可以通过这样一种制造方法来制造，该方法包括以下步骤：在550～700℃烧结用于加强层的材料以形成加强层，在加强层上以385～415℃烧结用于的磨料层的材料以形成磨料层，然后把加强层结合到金属基体上以固定磨料层。

进一步地，在用于制造用于放电修整的金属结合剂砂轮的方法中，为了形成加强层，使用具有Fe、Cu和Sn重量比为80～40∶44～15∶16～5的成分的材料，并且为了形成磨料层，使用如下的混合物，该混合物包含：磨料颗粒；金属结合剂，该金属结合剂具有包含62～48wt％Cu和38～52wt％Sn的成分；以及润滑剂，该润滑剂的量占磨料层的总体积的1～30vol％。

根据本发明，用于放电修整的金属结合剂砂轮具有极好的放电修整性能，这是因为金属结合剂具有由62～48wt％的Cu和38～52wt％的Sn组成的成分。此外，通过将包含有重量比为Fe∶Cu∶Sn＝80～40∶44～15∶16～5的加强层夹置在磨料层和金属基体之间，可稳定地产生金属结合。

附图说明

图1为根据本发明在实例1中制造的金属结合剂砂轮的示意性俯视图；

图2为根据本发明在实例1中制造的金属结合剂砂轮的示意性侧视图；

图3为根据本发明在实例1中制造的金属结合剂砂轮的示意性截面图；

图4为示出在实例2和比较例2中进行的双盘表面磨削的示意图。

具体实施方式

本发明的发明人已经研究了金属结合剂成分，以改善用于放电修整的金属结合剂砂轮的放电修整性能。

以前被广泛使用的金属结合剂为铜-锡型或所谓的“青铜型”金属结合剂。当使烧结温度降低的锡含量变大时，青铜型金属结合剂中的结合强度通常会下降。为此，比例为75wt％Cu-25wt％Sn的青铜型金属结合剂一直被主要地使用。但是，按照此青铜成分，在放电修整时金属结合剂很可能会沉积在修整电极上。

本发明使用具有62～48wt％Cu和38～52wt％Sn的青铜成分的金属结合剂，其中，锡含量比通常的成分大，并且在某些情况下，使用具有Cu∶Sn重量比接近1∶1的成分的金属结合剂。本发明中使用的具有高的锡含量的金属结合剂改善了金属结合剂砂轮的放电修整性能。这种结合剂成分在JP8-243926A中被公开。但是，根据该专利文件的一个实例，当使用具有上述成分的金属结合剂来制造砂轮时，在磨料层中出现裂纹，或者在磨料层和金属基体之间的边界出现结合偏差。在如本发明使用的锡含量高的金属结合剂的情况下，磨料层的结合强度不足，或是在结合剂和钢、铝等金属基体之间很可能存在热膨胀系数的差异。因此，结合可能不充分，并且不能稳定地制造用于放电修整的金属结合剂砂轮。

本发明通过在磨料层和金属基体之间设置加强层而解决了这个问题。

更具体地说，具有Fe∶Cu∶Sn重量比为80～40∶44～15∶16～5的加强层被设置在磨料层下面，并被结合到金属基体上。

在本发明中，具有加强层的用于放电修整的金属结合剂砂轮的制造步骤如下.首先，用于加强层的金属粉末材料的混合料在550～700℃被烧结，以形成加强层.在加强层被冷却后，用于加强层上的磨料层的材料在385～415℃被烧结，以形成磨料层.然后，加强层被结合到金属基体上，其中在加强层上结合有烧结后的磨料层.通过这种方法，用于放电修整的金属结合剂砂轮可被稳定地制造，同时避免了磨料层出现裂纹或是磨料层和金属基体之间发生脱落.可以通过任何方法来将加强层结合到金属基体上，只要磨料层可通过加强层被稳定地固定到金属基体上.例如，可使用通常所使用的有机粘结剂.具体地说，可适当地使用环氧树脂型粘结剂.

本发明使用的金属结合剂具有包含62～48wt％Cu和38～52wt％Sn的青铜成分，并且当制造本发明的金属结合剂砂轮时，使用这种成分的合金粉末。金属结合剂的材料必须是具有预定成分的合金粉末。虽然可混合Cu粉和Sn粉并在烧结砂轮时使它们合金化，但是这降低了合金化程度，从而导致砂轮的磨损增加。另外，在这种情况下，主要是具有较低熔点的Sn被熔化，因此不能实现稳定的烧结，并且颗粒保持力出现差异。

当本发明使用的金属结合剂的青铜成分中Cu超过62wt％时，金属结合剂变硬，金属结合剂的放电加工能力恶化，并且因此不能进行平稳的放电修整。另一方面，当Sn超过52wt％时，金属结合剂变脆，颗粒结合强度下降，并且磨料的磨损变大。本发明使用的金属结合剂的青铜成分优选包含60～50wt％Cu和40～50wt％Sn。

在本发明的用于放电修整的金属结合剂砂轮中，作为中间层被设于磨料层和金属基体之间的加强层防止了由于当使用锡含量高的金属结合剂时磨料层强度下降所导致的磨料层开裂、破碎和折断。

加强层包含重量比为80～40∶44～15∶16～5的Fe、Cu和Sn。其中，Fe是熔点最高的金属元素，并决定了加强层的强度。当Fe超过80％时，加强层的熔点变高，以至于不能进行稳定的制造。当Fe含量小于40％时，加强层的强度不足。组分Sn的熔点最低，其起着所谓“烧结助剂”的作用，以促进加强层的烧结。当Sn超过16％时，将发生洗脱，并且加强层的强度下降。当Sn低于5％时，不能促进烧结，并且高的烧结温度变得必要，结果是不能进行稳定的制造。Cu的熔点介于Fe和Sn的熔点之间，并使得可引导稳定的烧结。当Cu大于44％时，不能促进烧结，高的烧结温度变得必要，并且因此不能进行稳定的烧结。当Cu小于15％时，由于Fe和Sn之间熔点差异太大的影响，不能进行稳定的烧结。

加强层还起着缓冲磨料层和金属基体之间热膨胀系数差异的作用。一般来说，优选的是在磨料层和金属基体之间不存在热膨胀系数的差异。但是，在金属基体为钢的情况下，金属基体的热膨胀系数为11～14×10^-6℃^-1，在金属基体为铝的情况下，金属基体的热膨胀系数为23.7×10^-6℃^-1，而磨料层的热膨胀系数为15～20×10^-6℃^-1。因此，磨料层和金属基体之间热膨胀系数的差异在某些情况下变大，并且由于此差异，很可能发生磨料层的脱落。本发明使用的加强层的热膨胀系数主要由组分Fe控制，并且基本上约为14～20×10^-6℃^-1。因此，即使是在金属基体是铝的情况下，即相对于磨料层的热膨胀系数差异变大的情况下，加强层也能在一定程度上起到缓冲它们热膨胀系数差异的作用。

加强层的厚度优选为3～7mm。当厚度小于3mm时，将很难从制造的角度保证加强层的均匀性。当厚度大于7mm时，制造时不会出现问题，但烧结时间变长，由此增加了制造成本。

当通过烧结来形成加强层时，Fe、Cu、Sn均可使用粉末材料。但是，可使用任意的粉末材料，只要具有上述成分的加强层可被最终成形且所期望的效果不被阻碍。例如，可使用Cu-Sn合金粉来代替单独的Cu粉和Sn粉，或是作为单独的Cu粉和Sn粉的一部分。

为了把磨料层固定到金属基体上，可通过使用有机粘结剂而不使用本发明的加强层来将磨料层结合到金属基体上，但是此方法从以下几点来看不优选：(1)磨料层很薄，只有1.5～5mm，从而很难单独地烧结这么薄的磨料层；(2)当磨料层的厚度在磨削过程中减薄时，磨料层可能会发生破碎或折断.

在根据本发明的金属结合剂砂轮的制造方法中，首先通过在550～700℃烧结而形成加强层，然后通过在385～415℃烧结而使磨料层在加强层上形成。对应于材料的成分，550～700℃的高烧结温度是必要的，以便使加强层具有足够的加强强度，而磨料层的烧结在385～415℃进行。因此，当烧结是通过单独的、同时的烧结过程而进行时，加强层和磨料层中的任意一个将偏离适当的烧结温度，从而不能制造令人满意的金属结合剂砂轮。为此，本发明采用了如上所述的所谓的“两阶段烧结”。

由于两阶段烧结的引入，本发明容易保证加强层和磨料层两者的平面度，并且防止了磨料层的翘曲。当磨料层和加强层被同时烧结时，由于这两层堆积密度的差异而导致平面度出现差异，并且热膨胀系数的差异引起磨料层的翘曲。

通过两阶段烧结得到的磨料层和加强层的叠层体可利用例如前述的有机粘结剂而被结合到金属基体上。当采用有机粘结剂时，必须保证加强层和金属基体之间的导电性；出于此目的，一种容易的方法涉及到将螺钉插入砂轮的外周表面，以通过螺钉来建立加强层和金属基体之间的电连接。

为了进一步改善放电修整性能，润滑剂可被添加到本发明的金属结合剂砂轮的磨料层。一种典型的润滑剂是固体润滑剂，已知的例子包括石墨、二硫化钨和二硫化钼。也可以使用除了这些润滑剂以外的润滑剂，只要不损害本发明的目的。所使用的润滑剂基本上在磨料层总体积基础上的1～30％vol的范围内。

根据本发明的金属结合剂砂轮所用的磨料颗粒为金刚石颗粒，或立方氮化硼颗粒，或比如覆有钛金属的覆层磨料颗粒，但是考虑到磨削条件等也可以添加其它磨料颗粒。

金属结合剂和磨料颗粒之间的混合比按体积计基本上为5∶95～30∶70。

实例：

以下将参照实例来解释本发明，但是本发明决不限于这些实例。

实例1和比较例1：

据此将解释金属结合剂砂轮的制造。

具有本发明加强层的砂轮(实例1)和不具有加强层的砂轮(比较例1)被制造。图1(俯视图)、图2(侧视图)和图3(截面图)示意性地示出了根据本发明实例1的砂轮的构造。在这些图中，附图标记1表示磨料层，附图标记2表示形成在磨料层中的槽，附图标记3表示轴孔，附图标记4表示加强层，附图标记5表示金属基体，以及附图标记8表示粘结层。比较例1的砂轮除了不具有加强层4和粘结层8以外，与实例1的砂轮相同。

以下材料以所示的混合比而被用作为磨料层的材料：

CBN颗粒#80076.0g

金属结合剂1,038.2g

石墨润滑剂78.6g

所用的金属结合剂材料是青铜粉末，其中Cu∶Sn重量比为53∶47。

所制成的砂轮为直杯形砂轮，其外直径为305mm，磨料层宽度为75mm，磨料层厚度为3mm，砂轮厚度为47.5mm，并且轴孔直径为80mm。金属基体由铝制成。实例1砂轮的加强层由以下材料按所示混合比形成：

Fe粉1,342g

青铜粉(33Sn-67Cu)538g

Cu粉359g

称重后的磨料层材料通过自动混合粉碎机被混合20分钟，以制备用于磨料层的混合料。类似地，通过用自动混合粉碎机把称重后的金属粉混合20分钟，来制备用于实例1中砂轮加强层的混合料。

实例1的砂轮通过以下步骤被制成。用于加强层的混合料被均匀地填充到烧结/成型机中，以便获得外直径为305mm、宽度为75mm、厚度为5mm的烧结体，并且在600℃的最高温度下烧结。在所产生的烧结体被冷却后，用于磨料层的混合料被均匀地填充，并在400℃的最高温度下烧结。通过使用有机粘结剂(具体地说，环氧树脂型粘结剂)，具有如此获得的两层结构的烧结体被结合到金属基体上。

比较例1的砂轮以如下步骤被制成。金属基体被置于烧结/成型机中，用于磨料层的混合料被均匀地填充，以便获得外直径为305mm、宽度为75mm、厚度为5mm的磨料层，并在400℃的最高温度下烧结，以便使所产生的磨料层被结合到金属基体上。

通过肉眼检查如此制成的实例1和比较例1的砂轮。在实例1的砂轮中没有发现异常，但在比较例1的砂轮的磨料层中出现裂纹。

具有加强层的实例1的砂轮可被正常地制成，而在没有加强层且磨料层是通过烧结而直接被结合到金属基体上的比较例1的砂轮中，磨料层发生开裂。比较例1的结果表明，仅仅使用本发明的金属结合剂，磨料层具有低强度并且与金属基体的结合力低，而且，磨料层和金属基体之间热膨胀系数的差异是有影响的。相反，由于在实例1中提供了具有与磨料层的热膨胀系数相近的热膨胀系数的加强层，可防止磨料层的开裂和翘曲，从而可获得优质的产品。

实例2和比较例2

这里，将解释对磨床上具有放电修整功能的金属结合剂砂轮所作的磨削测试。

根据实例1制成的砂轮被用作为实例2的砂轮。实例2的砂轮在金属基体和加强层之间具有不导电的粘结层。因此，为了保证金属基体部分和磨料层之间的导电，在它们之间插入用于电连接金属基体和加强层的部件。更具体地说，四个螺钉9(图2)被插入，以便电连接金属基体和加强层。

另一方面，在比较例2的砂轮中，通过具有以下混合比的混合料来形成磨料层：

CBN颗粒#80084.1g

金属结合剂471.1g

石墨润滑剂10.0g

金属结合剂材料为青铜粉末，其中Cu∶Sn重量比为75∶25。

金属基体与实例2中砂轮的金属基体相同，并且将该金属基体置入烧结/成型机中。用于磨料层的混合料被均匀地填充，以便获得外直径为305mm、宽度为75mm、厚度为5mm的磨料层，并且在650℃的最高温度下烧结，以获得比较例2的砂轮，其中，磨料层被直接结合到金属基体上。

如图4示意性示出的，通过在Koyo Kikai的双盘表面磨床KVD300SII(7.5KW)中设置两个砂轮6，进行对工件7的磨削测试.该工件使用的是35×25×5mm的高速钢SKH51(60HRC).磨削流体采用的是浓度为2％的“Kure-cut NS201”(可溶型)。

修整和整形条件如下：

预定的放电电压值(EO)：120V

预定的放电电流值：32A

脉冲开启时间(τ_ON)：10μS

脉冲关闭时间(τ_Off)：4μS

伺服电压(SV)：30V

修整次数：10次

切口的修整深度：0.001mm

砂轮转数：400min^-1

放电电极的转数：509min^-1

磨削条件如下：

磨削方式：双盘表面磨削

进给方式：摆臂方式(切入式)

砂轮的周速度：16m/s(1000min^-1)

砂轮旋转方向：

上砂轮：反向(顺时针)

下砂轮：正向(逆时针)

工件驱动振幅：30deg

工件驱动振动速度：25deg/s(1500deg/min)

切口深度：0.04mm/切口

切削条件如表1所示：

表1

通过该表可以理解，磨削进给、精磨进给和无火花磨削的总磨削时间为9.0秒钟。

用以下每个评定项目，即工件尺寸改变量、平行度、平面度、磨削功率和精磨后的表面粗糙度(Rz)，来对砂轮进行评定。

随着磨削工件数量的增加，通过测量每个工件在磨削后的最终尺寸来评定工件的尺寸改变量。用千分尺在四个点测量每个工件磨削后的厚度，计算平均值，并检查初始磨削时的工件(初磨工件)尺寸与平均值之间的差值。此评定的指导值不超过0.002mm/切口。

至于对平行度的评定，随着磨削工件数量的增加，测量磨削后的磨削表面之间的厚度差异。用千分尺在四个点测量磨削后每个工件的厚度，并检查最大值和最小值之间的差值。该评定的指导值不超过0.005mm。

为了评定平面度，用表面粗糙度测定仪来测量磨削后工件的磨削表面，并检查高的部分和低的部分之间的差值。该评定的指导值不超过0.005mm。

在砂轮轴电机消耗电力的基础上测量磨削功率。

在对最终的表面粗糙度(Rz)的评定中，测量磨削后每个工件的磨削表面的表面粗糙度，并检查随着磨削工件数量的变化。评定长度为1.2mm，基准长度为0.25mm，并且截取值为0.25mm。该评定的指导值不超过0.8μm。

实例2的砂轮的测试结果如表2所示。

表2

在比较例2中的砂轮中，在放电修整时金属结合剂沉积到电极修整器上。因此，在进行评定前磨削被停止。

相反，在例2的砂轮中，在放电修整后磨削时不会发生严重的问题，并且也不会出现磨削故障，同时评定值在各个特征值的指导值范围内。由此可证明，根据本发明的金属结合剂砂轮可在放电修整后正常地进行磨削操作。

Claims (2)

1.一种用于制造用于放电修整的金属结合剂砂轮的方法，包括以下步骤：

以550～700℃烧结用于加强层的材料，以形成加强层，该用于加强层的材料具有Fe、Cu和Sn重量比为80～40∶44～15∶16～5的成分；

以385～415℃烧结用于所述加强层上的磨料层的材料，以形成磨料层，该磨料层的材料是包含磨料颗粒和金属结合剂的混合物，该金属结合剂具有包含62～48wt％Cu和38～52wt％Sn的成分；并且然后，

将所述加强层结合到金属基体上，以固定所述磨料层。

2.如权利要求1所述的用于制造用于放电修整的金属结合剂砂轮的方法，其中，所述混合物还包含润滑剂，该润滑剂的量占磨料层的总体积的1～30vol％。

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