CN104070469B - 一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，属于超硬磨料工具制造领域。其包括：(1)根据加工要求确定磨料参数；(2)将超硬工具基体表面清理；(3)在超硬工具基体表面上排布磨料部位刷粘结剂；(4)在刷粘结剂部位贴覆弹性模板，模板上带有按照设计要求打出的若干个小孔，小孔的大小与数量与磨料的粒度与种类比例一致；(5)将磨料根据粒度大小进行严格过筛，并按照磨粒粒度大小从大到小先后利用孔模板排布磨料；(6)排布钎料合金粉末并加热，其中钎料合金粉末中有元素成分能够与负责主要加工作用的磨料同时发生冶金化学结合。本发明所采用的制备工艺简单稳定，易于操作并进行工业化生产，具有较高的经济效益。

Description

一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺

技术领域：

本发明涉及一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其属于超硬磨料工具制造领域。

背景技术：

传统的固结磨料工具按照结合剂不同可分为树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂(包括电镀及烧结)、金刚石工具等几类，这些金刚石工具在生产中的大量应用，极大提升了加工业的总体水平和能力，也改变了加工业的原有面貌，但不论是单层电镀的还是多层烧结(热固化)的金刚石固结磨料工具，磨料只是被机械包埋镶嵌在镀层或胎体金属中，其界面缺乏结合力，在负荷较重的高效磨削作业中，砂轮磨粒或镀层易脱落，为增加把持力就必须增加结合剂层厚度，其结果又会带来磨粒裸露高度和容屑空间减小，工具容易堵塞等问题。

为了从根本上提高磨粒、结合剂、基体三者间的结合强度，国内外在上世纪90年代初期开始着力研究用高温钎焊技术替代电镀开发单层金刚石磨料工具，研究结果表明，高温钎焊可以实现金刚石磨粒和基体高的结合强度，在重负荷磨削加工过程中，高温钎焊金刚石工具可以有效避免磨粒、结合剂层的脱落与剥落，磨粒的利用更加充分，砂轮寿命更高。此外，由于高的界面结合强度，结合剂层厚度只需维持在磨粒高度的30％左右就能够牢固地把持住磨粒，这样钎焊砂轮极大扩展了其容屑空间。相对于传统砂轮，钎焊砂轮的这些优异性能所显示出的加工优越性是非常明显的。

随着钎焊金刚石工具的进一步工业化应用，遇到了一系列加工应用难题，主要是针对不同的加工材料，单一粒度的磨料适应范围低，难以在一个较广的加工范围内均表面优异。以国家高铁建设中所用到的轨道板切削为例。博格板承接钢轨处需要磨削加工，两侧面出露的螺纹钢头及混凝土部分必须切除，传统金刚石锯片在使用过程中暴露出锯片寿命低、加工效率低的问题。后期制备的单层钎焊金刚石锯片样品进行试切割时，在切割初期时，单层钎焊金刚石工具的优势非常明显，切割效率较快，切割平稳，锯片不烧伤，切口平直，负载小，性能优异。但随着切割的进行，部分混凝土粉末及切削产生的切屑粘附于锯片之上，造成磨粒出露降低，切割效率下降，进一步损伤金刚石磨粒，使锯片温度升高，磨粒石墨化，形成恶性循环，导致锯片负载过大无法继续使用。实例说明，单一类型的磨粒工具在应用时难以发挥出长效、稳定的特点，需要新型的制备理论及制备方法来提高钎焊工具的性能。

而随着研究的深入发现，对于难加工的黑色金属材料，传统的单一类型磨料工具难以有效加工，钎焊金刚石工具加工黑色金属材料时散热性能好，但因容易高温石墨化难以高效快速加工；而钎焊CBN(立方氮化硼)工具虽然具有较好的加工黑色金属的性能，但在加工中遇到高温时易与水发生反应，降低其性能，而多数情况下加工条件中都会用到冷却液。碳化硅及三氧化二铝磨料虽然磨料锋利，加工表面质量较高，但磨损量大，消耗快，不适于高端机床加工。目前，钎焊工具的研究主要集中在金刚石磨料的钎焊，金刚石磨料、立方氮化硼磨料、碳化硅磨料、三氧化二铝磨料等多种磨料的同时钎焊以制作寿命更长、加工效率更高的工具的研究尚未涉及。此外，目前市场上还会遇到多种复合材料、混合结构材料等加工新问题，传统的单一类型工具，无论是烧结工具还是钎焊、电镀工具都难以进行。

将多种磨料协同排布于同一个单层钎焊工具中具有较大的困难，这是由于每一种磨料的几何外形是不一致的，常规的排布技术难以将磨料均匀排布，且在多种磨料协同排布时，每一种磨料的粒度不一致，难以做到每种磨料的均匀分布，有可能出现大粒度与小粒度磨料不能均匀分布的现象。传统的磨料排布工艺多集中于单种磨料的有序或者多层结构设计，所针对磨料规格与形状要求较为一致，对于多种磨料的不同形状具有一定的困难。

此外对于多种磨料排布的单层工具的钎焊制备工艺目前尚未有报道涉及，主要是由于目前单种磨料排布技术尚在发展之中，并且对实际生产问题的科学转化尚有一定的滞后，多种磨料排布理论及工艺尚处于理论提出和完善阶段。

综上可知，为了进一步提高超硬磨料工具行业的应用水平，需要一种新的磨料磨具制备理论，即利用多种磨料的优势，并利用合理的制造工艺及制备方法，将其集合于一种工具中，制备出一种新型的磨料工具，使其能够在一些新型领域发挥更大更广泛的作用。

发明内容：

本发明基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺是基于传统钎焊单层超硬磨料工具的制备特点提出的新型超硬磨料工具磨料排布技术，多种磨料的协同排布，通过粒度与磨料种类的不同，形成三维空间结构，实现持续加工效果，并且由于多种磨料的使用，充分有效地利用多种磨料的特点，利用特定的孔模板技术，将其统一地综合到一种加工工具中去，扩大了传统加工工具的应用范围。

本发明采用如下技术方案：一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其步骤如下：

(1)根据加工要求确定磨料参数，所述磨料包括负责主要加工作用的主要磨料，及起辅助作用的辅助磨料，其中主要磨料包括一种或者多种磨料种类，辅助磨料亦包括一种或者多种磨料种类；

(2)将超硬工具基体表面清理；

(3)在超硬工具基体表面上排布磨料部位刷粘结剂；

(4)将孔模板粘贴于超硬工具基体表面；

(5)将步骤(1)中所确定的多种磨料根据粒度大小进行严格过筛，将过筛后的多种磨料按照磨粒粒度大小从大到小先后利用孔模板排布磨料；

(6)揭去孔模板，将钎料排布于磨料的空隙、超硬工具基体表面的表面空白处，高温加热后熔化，钎料中的元素成分与负责主要加工作用的主要磨料同时发生冶金化学结合。

进一步地，所述主要磨料和辅助磨料均为莫氏硬度大于5的磨料。

进一步地，所述主要磨料包括天然金刚石、人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等，所述主要磨料的粒度范围1目～300目。

进一步地，所述辅助磨料包括碳化硅、氧化铝等，所述辅助磨料的粒度范围1目～300目。

进一步地，所述孔模板上孔洞的大小与多种磨料的粒度一致。

进一步地，所述孔模板为单层孔模板或者复合层孔模板。

进一步地，所述多种磨料中所选用的单种磨料平均粒径差范围在10％以内。

进一步地，所述超硬工具基体表面为钻头、锯片、异形磨轮、磨盘具有简单几何型面以及复杂曲面的工具的表面。

本发明具有如下有益效果：

(1).应用范围广，不仅可以应用于传统材料的加工，还可以应用于黑色金属、复合材料、混合材料等难加工材料以及新兴材料的加工，对加工材料的适合性好；

(2).工具综合加工性能优异，通过本发明的工艺可以发挥各种磨粒的优点，使产品稳定、高效；

(3).磨粒出露效果佳，具有持续加工能力，即具有一定的多层钎焊加工能力，极大提高了工具寿命；

(4).宜于工业化生产，结合布料设备，本发明可以进行连续操作，适合工业化生产操作；

(5).本发明所采用的制备工艺与方法工艺简单稳定，易于操作并进行工业化生产，能够有效地扩大钎焊超硬磨料工具的应用范围和工具性能，具有较高的经济效益。

附图说明：

图1为多种磨料磨损阶段。

图2为不同粒度磨料排布。

图3为相同粒度磨料排布。

其中：

1-大粒度磨粒；2-中等粒度磨粒；3-小粒度磨粒；4-磨损后的大粒度磨粒；5-开始磨损的中粒度磨粒；6-磨损后的中等粒度磨粒；7-大孔洞；8-小孔洞；9-重合孔；10-剩余孔。

具体实施方式：

请参照图1至图3所示，本发明基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺的步骤如下：

(1)根据加工要求确定磨料参数，包括(类型、品级、粒度、比例)，所述磨料包括负责主要加工作用的主要磨料，及起辅助作用的辅助磨料，其中主要磨料包括一种或者多种磨料种类，辅助磨料亦包括一种或者多种磨料种类；

(2)将超硬工具基体表面清理；

(3)在超硬工具基体表面上排布磨料部位刷粘结剂；

(4)将孔模板粘贴于超硬工具基体表面；

(5)将步骤(1)中所确定的多种磨料根据粒度大小进行严格过筛，将过筛后的多种磨料按照磨粒粒度大小从大到小先后利用孔模板排布磨料；

(6)揭去孔模板，将钎料排布于磨料的空隙、超硬工具基体表面的表面空白处，高温加热后熔化，钎料中的元素成分与负责主要加工作用的主要磨料同时发生冶金化学结合。

其中磨料参数包括(类型、品级、粒度、比例)的确定可根据加工要求进行确定，这个确定可根据加工条件进行计算推出，亦可通过模拟试验得出，亦可通过经验法估算得出。主要是用来确定适合于特定加工材料与加工条件下的磨料参数，并且适合于多种磨料协同排布的单层钎焊工具的制备工艺。

主要磨料和辅助磨料选择为莫氏硬度大于5的磨料，其中主要磨料主要包括天然金刚石、人造金刚石、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等，且主要磨料的粒度范围1目～300目，辅助磨料主要包括碳化硅、氧化铝等，且辅助磨料的粒度范围1目～300目。

多种磨料协同排布中磨粒种类的确定一般遵循高效、持续的原则，即进行排布的磨料共同实现对加工对象的高效、长久的加工。为实现此目标，必须有主要磨料实现材料去除，辅助磨料起辅助作用。所选择的主要磨料可以是一种，也可以是多种，但必须具有较好的耐磨损性，且具有一定的自锐性，常规的主要磨料选择对象为：人造金刚石、立方氮化硼，一般地，人造金刚石多用于加工脆性材料，立方氮化硼多用于加工金属材料。当对于加工难加工金属材料或者复合材料时，需要将人造金刚石与立方氮化硼混合使用，根据加工对象的难加工程度，若金属硬且韧性大，立方氮化硼的比例可适当提高；若金属易切削，切屑细小，可适当提高金刚石比例。比例高的磨料粒度应大于比例低的磨料。

协同排布是指多种磨粒在同一平面上依据粒度的不同形成的高低不一的加工空间排布。其中不同磨料粒度间的粒度比在1.0～1.8之间。

其中超硬工具基体表面为钻头、锯片、异形磨轮、磨盘等具有简单几何型面以及复杂曲面的工具的表面。

基体表面的清理是多种方式的。对基体表面的清理决定了固着在表面的磨料与钎料的把持强度，因此表面的油污、杂质等必须清除干净，如通过超声清洗加碱液方式去除油污与粉末杂质，通过酒精去除表面水迹与水垢等，或者几种方式相结合。

粘结剂用于固定多种磨料与钎料。其具有粘结性，并且能在高温下迅速挥发，所挥发物质不影响钎焊焊接效果，亦不影响磨料的加工性能。

利用孔模板法进行排布磨料时，首先应将磨料进行过筛，目的是将所选择磨料粒度精确地控制在某一范围之内，这样有利于多种磨料排布时的准确性。多种磨料中所选用的单种磨料平均粒径差范围应在10％以内。

磨料的排布是按照从大粒度到小粒度进行排布的。利用模板法的原理，孔模板即为在模板上打出大小不一的孔洞，孔洞的大小与需要排布的磨粒粒度一致，不同大小的孔洞的密度与磨粒数量比例一致。模板选用具有一定弹性与柔软度的材料，通过粘结剂可以与基体表面较好的贴覆。且孔模板根据多种磨料的粒度可以用单层孔模板，亦可以用两层孔模板组成的复合层孔模板。

将孔模板置于基体表面，先将大粒度磨料排布，由于小孔洞8中大磨料无法进入，因此，小孔洞8为空，大孔洞7布满大粒度磨料。排布结束后，由于粘结剂的粘接作用，大粒度磨料是被固着于基体表面的不会脱落，然后将次粒度的磨料进行布洒，由于大孔洞7已被布满，次粒度磨料无法进入，只能进入小孔洞8，这样通过两次布料便可以将不同粒度的磨料排布于同一基体表面，当磨料种类增加时，按照上述方式依次排布，直至所有粒度排布完毕。

由于在多种磨料粒度选择时磨料粒度有可能是不同的，也有可能是相同的，所选用的磨料排布方式是不相同的。当磨料粒度相同时，需要双层孔模板形成的复合孔模板来实现。复合孔模板由底层孔模板与表层孔模板构成，底层孔模板孔数与所要布料的磨料总数一致，表层孔模板孔数与先布料磨料数量一致。将复合孔模板共同贴附于基体表面时，由于表层孔数少，底层部分孔数会被表层孔模板遮挡住，未被遮挡的地方即是两孔模板重合的孔。此时先布第一种磨料，磨料便排布于重合孔10内，当第一种磨料排由完毕后，揭去表层孔模板，由于重合孔10已被填满，剩余孔9便可用来排布第二种磨料。排布结束后便可以得到多种磨料协同排布于同一表面的单层磨料结构，当磨料种类为三种时，复合孔模板的层数亦是三层，以此类推。

钎料(合金粉末)为Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti等含有能与起主要加工作用的主要磨料发生化学冶金结合成分(如钎料中的Ti元素、Cr元素)。钎料(合金粉末)排布于磨料的空隙、基体的表面空白处，高温加热后熔化，将多种磨料与基体牢固焊料。所用合金粉末的种类必须是能够同时与多种磨料发生化学反应的或者能形成一定的金属结合力的，目的是将主要加工用磨料牢固把持，例如对于金刚石来说铬元素、钛元素、钨元素均能与其发生化学冶金结构，对于立方氮化硼来说，氮元素、硼元素均能与钛元素结合，当两种磨料协同排布时，必须使用能使两者共同发生化学结合的含钛元素合金粉末才能将其共同钎焊。

请参照图1所示，例如多种磨料中以人造金刚石磨料、立方氮化硼等为主要磨料，辅助磨料进行排屑、散热、平抑振动等作用，由于人造金刚石硬度较其它种类磨粒硬，因此选用为大粒度磨粒1，当加工一段时间磨损后，大粒度磨粒磨损，相应低硬度的中等粒度磨粒2如立方氮化硼、小粒度磨粒3如碳化硅等顺次露出，由于其刃口多，更加锋利，因此可以继续保持较高的工具锋利度，并且不影响排屑、表面质量。待中等粒度磨粒立方氮化硼磨损达到一定程度后，大粒度磨粒人造金刚石重新开始磨削，以此循环，达到了多层钎焊工具持续加工的效果。

下面通过两个具体实施例来具体阐述本发明基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺。

实施例一：

制备应用于切割高铁轨道板边缘的锯片刀头。锯片外形尺寸： 锯片刀头基体材质：30CrMo钢，刀头基体尺寸：

制备步骤如下：

(1)确定三种磨料类型：金刚石磨料、立方氮化硼磨料、碳化硅磨料；三种磨料粒度：35/40目：40/45目：50/60目；体积比例按：6：3：1；

(2)刀头基体进行喷砂，再用无水酒精清洗干净；

(3)在刀头表面排布磨料区域刷涂粘结剂；

(4)利用上述孔模板法按照粒度大小的次序从大到小分别布洒金刚石磨粒、立方氮化硼磨料、碳化硅磨料，排布结束后揭去孔模板；

(5)布洒钎料合金粉末，合金粉末选用Ag-Cu-Ti，元素成分质量分数比为：78：16：6；

(6)采用真空钎焊炉钎焊加热，最高温度905度，保温8分钟，真空度保持在0.01帕以内。

实施例二：

制备用于磨削高强度钢结构表面的磨盘。磨盘外径125mm。基体采用盘状外形，在上端平面布料，用于对钢结构表面的磨削，抛光加工。磨盘基体采用65锰钢。

制备步骤如下：

(1)确定3种磨料类型：金刚石磨料、立方氮化硼磨料、三氧化二铝磨料；3种磨料粒度：30/35、30/35、50/60；体积比例按：4：4：2；

(2)磨盘基体进行喷砂，然后进行超声波清洗，晾干待用；

(3)在磨盘表面布磨料区域刷涂粘结剂；

(4)利用上述孔模板法，先根据磨料总数量制备复合孔模板，底层孔模板孔数量与总磨料数量一致，表层孔模板孔数量与先布料的金刚石数量一致，在重合孔内进行金刚石排布后，揭去表层孔模板，再排布立方氮化硼磨料，由于粒度大于三氧化二铝粒度，所排布的立方氮化硼不会填塞三氧化二铝所在位置孔，排布结束后再排布三氧化二铝磨料。布料结束后揭去孔模板，即可得到所需要磨料排布地貌。

(5)布洒钎料合金粉末，合金粉末选用Cu-Sn-Ti，元素成分质量分数比为：75：18：7；

(6)采用真空钎焊炉钎焊加热，最高温度930度，保温15分钟，真空度保持在0.01帕以内。

本发明基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺不仅可以应用于如锯片、钻头、磨轮等钎焊超硬磨料工具制备，亦可以制备电镀超硬磨料工具，所制备工具可以应用于黑色金属、有色金属、复合材料、硬脆材料等的切割、磨削、抛光、钻削等加工工艺。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：步骤如下

(1)根据加工要求确定磨料参数，所述磨料包括负责主要加工作用的主要磨料，及起辅助作用的辅助磨料，其中主要磨料包括一种或者多种磨料种类，辅助磨料亦包括一种或者多种磨料种类；

(2)将超硬工具基体表面清理；

(3)在超硬工具基体表面上排布磨料部位刷粘结剂；

(4)将孔模板粘贴于超硬工具基体表面；

(5)将步骤(1)中所确定的主要磨料与辅助磨料混合的多种磨料根据粒度大小进行严格过筛，将过筛后的多种磨料按照磨粒粒度大小从大到小先后利用孔模板排布磨料；

(6)揭去孔模板，将钎料排布于磨料的空隙、超硬工具基体表面的表面空白处，高温加热后熔化，钎料中的元素成分与负责主要加工作用的主要磨料同时发生冶金化学结合。

2.如权利要求1所述的一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：所述主要磨料和辅助磨料均为莫氏硬度大于5的磨料。

3.如权利要求2所述的一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：所述主要磨料包括天然金刚石、人造金刚石、立方氮化硼、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼，所述主要磨料的粒度范围1目～300目。

4.如权利要求2所述的一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：所述辅助磨料包括碳化硅、氧化铝，所述辅助磨料的粒度范围1目～300目。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：所述孔模板上孔洞的大小与多种磨料的粒度一致。

6.如权利要求5所述的一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：所述孔模板为单层孔模板或者复合层孔模板。

7.如权利要求6所述的一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：所述磨料中所选用的单种磨料平均粒径差范围在10％以内。

8.如权利要求7所述的一种基于孔模板技术的多种磨料协同排布工艺，其特征在于：所述超硬工具基体表面为以钻头、锯片、异形磨轮、磨盘为代表的具有简单几何型面的工具基体表面以及复杂曲面的工具基体的表面。