CN114589638B - 一种陶瓷树脂复合无心磨砂轮及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷树脂复合无心磨砂轮及其制备方法与应用，该砂轮为多组分热压而成，包括基体、陶瓷磨料层、树脂磨料层。本发明陶瓷树脂复合无心磨砂轮中陶瓷磨料层起主要磨削作用，内含气孔，磨削力大，高效磨削；树脂磨料层为抛光作用，粒度细，韧性好，使工件有较高的光洁度；本发明陶瓷树脂无心磨是专门针对高硬度钢所设计，相比于常规陶瓷砂轮和树脂砂轮，既保证了大切削量，又保证了表面粗糙度，使加工工件表面纹路细腻均匀，没有划伤，表面光亮，甚至可达到镜面亮度。

Description

一种陶瓷树脂复合无心磨砂轮及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于磨具加工技术领域，涉及高效高光洁度陶瓷树脂复合无心磨砂轮及其制备。

背景技术

高硬度钢材具有硬度高、耐磨、强度和韧性高、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，使它在现代切削刀具材料、耐磨材料、耐腐蚀材料等中占有重要的地位。随着我国工业的迅速发展，高硬度钢材在航空航天、汽车、医疗行业的应用越来越广，市场占有份额也越来越多。随着行业的发展需求，高硬度钢材使用量越来越大，现有的无心磨砂轮依然采用单独的陶瓷无心磨砂轮、树脂无心磨砂轮分开加工，通过改变粒度来实现粗精磨的要求。但在实际使用时，对于高硬度钢材，使用树脂无心磨无法达到所需的切削力，使用陶瓷无心磨无法达到所需的精度。现有技术公开了一种拼装式无心磨砂轮及其制备方法，拼装式无心磨砂轮包括粗磨砂轮、精磨砂轮和抛光砂轮，粗磨砂轮、精磨砂轮和抛光砂轮由左至右依次连接，还公开了一种无心磨砂轮，由金属基体和磨料层组成；磨料层是由粗磨层、半精磨层、精磨层组成，粗磨层、半精磨层和精磨层粘贴在金属基体上，粗磨层设置在半精磨层的上方，半精磨层设置在精磨层上方。现有拼接式砂轮都是解决多次工序加工的问题，希望一次加工即可实现粗磨以及抛光，但是现有拼接式砂轮针对普通金属加工可行，针对高速磨削（常规认为线速度达到100m/s是高速）存在加工品质较差的问题。申请人之前公开了一种新型陶瓷树脂复合无心磨砂轮，包括基体、陶瓷磨料层、树脂磨料层；陶瓷磨料层与树脂磨料层的内径一致、外径一致；陶瓷磨料层上，与树脂磨料层接触的一面设有凹孔；树脂磨料层上，与陶瓷磨料层接触的一面设有凸起；凸起填充凹孔；将陶瓷磨料层原料（磨料粒度为80#）混合后倒入带有陶瓷基体的模具，小压力冷压进行整形，然后在接触树脂磨料层的一面放置毫米级树脂微球或者塑料粒子等，大压力冷压，使得微球等嵌入陶瓷粉体，然后热压、烧结，得到基体、陶瓷磨料层一体的中间结构，陶瓷磨料层表面带有宏观可见的孔，称为凹孔；然后将树脂磨料层原料（磨料粒度为1500#）混合后倒入带有中间结构的模具中，凹孔被粉料填充，冷压后热压固化，得到新型陶瓷树脂复合无心磨砂轮，填充在凹孔内的粉料一并固化，作为凸起。宏观孔导致树脂磨料层与陶瓷磨料层的界面效应不是太好，制备也偏复杂，且抛光效果与现有生产相比略差；为了改善现有加工品质，针对新的陶瓷树脂复合无心磨砂轮需要改进配方，以符合生产应用。

发明内容

针对上述情况，本发明提供高效高光洁度陶瓷树脂复合无心磨砂轮及其制备方法，以提高高硬度钢棒的加工质量，提高生产效率，降低生产成本。

本发明的具体技术方案为：

一种陶瓷树脂复合无心磨砂轮，包括基体、陶瓷磨料层、树脂磨料层；陶瓷磨料层与树脂磨料层的内径一致、外径一致；陶瓷磨料层由CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、树脂粉以及造孔剂制备；树脂磨料层CBN微粉、树脂粉、橡胶粉、细碳粉制备。所述陶瓷结合剂的制备原料包括硅氧化物、硼氧化物、铝氧化物、钛氧化物、钡氧化物等，比如二氧化硅、三氧化二硼、氧化铝、二氧化钛和氧化钡。优选的，所述CBN磨料的粒度为50～400#，优选70～100#；树脂粉为酚醛树脂粉；造孔剂为颗粒状的聚酰亚胺，粒度50～120μm；CBN微粉的粒度为1000～3000#，优选1200～2000#；橡胶粉为丁腈橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、聚酰胺树脂等弹性体；基体为碳化硅陶瓷基体，为现有产品。

本发明陶瓷树脂复合无心磨砂轮陶瓷磨料层、树脂磨料层位于同一基体上，其结构为陶瓷磨料层为一层、树脂磨料层为一层；或者陶瓷磨料层为一层、树脂磨料层为两层，陶瓷磨料层位于两层树脂磨料层之间；加工时，工件出口为树脂层；陶瓷磨料层的厚度为树脂磨料层厚度的2～3倍。

本发明上述陶瓷树脂复合无心磨砂轮的制备方法，包括以下步骤，

（1）将CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、树脂粉、造孔剂混合后与基体组装，然后热压、烧结，得到陶瓷结合剂CBN砂轮；

（2）将CBN微粉、酚醛树脂粉、橡胶粉、细碳粉混合后与陶瓷结合剂CBN砂轮组装，然后热压，得到上述陶瓷树脂复合无心磨砂轮。

进一步的，可在步骤（2）热压后进行常规端面及外圆磨加工，得到上述陶瓷树脂复合无心磨砂轮。

本发明中，陶瓷磨料层制备时，CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、树脂粉以及造孔剂的重量百分数分别为60～75%、10～25%、1～5%、5～10%以及余量，优选为65～73%、15～20%、2～3%、6～8%以及余量，总重量为100%。树脂磨料层制备时，CBN微粉、树脂粉、橡胶粉、细碳粉重量百分数分别为50～60%、20～30%、5～10%以及余量，优选为52～56%、23～27%、7～8%以及余量，总重量为100%。

本发明的有益效果：在结构上避免了不同基材无心磨砂轮拼装造成的拼装缝、动平衡超差、砂轮损耗不一致等问题，其中的陶瓷层可大进给切削，保证无心磨具有较高的切削力，树脂层可进行弹性抛光，保证工件具有较高的精度和光洁度；结合配方的设计，砂轮同时具有切削和抛光作用，节省了设备数量、占地面积和加工效率，整体结构简单，生产方便，便于推广。

附图说明

图1为实施例一陶瓷树脂复合无心磨砂轮结构示意图；

图2为实施例二陶瓷树脂复合无心磨砂轮结构示意图；

图3为实施例一砂轮加工效果；

图4为现有生产的加工效果。

具体实施方式

本发明上述陶瓷树脂复合无心磨砂轮的制备方法具体步骤如下：

（1）将CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、树脂粉、造孔剂混合1.5~2.5h，得到陶瓷混合料；

（2）将所需规格的陶瓷碳化硅基体放入模具中，加入陶瓷混合料，组装好模具，热压陶瓷磨料层；热压温度160-190℃，时间1.5-2h；

（3）将热压好的砂轮放入电炉中高温烧结，烧结温度曲线为在4～5小时内从室温升至550℃，保温3~4小时；之后在5～6小时内升至930℃，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；

（4）将CBN微粉、酚醛树脂粉、橡胶粉填料、细碳粉按照比例配好后装在三维混料机中，混合1-1.5h，得到树脂料；

（5）将步骤（3）中得到的半成品陶瓷结合剂CBN砂轮放入模具中，组装好树脂料，热压树脂层，热压温度160-170℃，热压1-1.5h；

（6）热压结束后，对砂轮的端面及外圆磨加工，使其成为成品。

模具根据陶瓷树脂复合无心磨砂轮结构，具体为现有技术。本发明原料都是常规制备砂轮的商品，白刚玉500#、细碳粉30～40μm，聚酰亚胺的粒度为80～100μm，陶瓷结合剂10～20μm；具体制备操作以及加工方法都是现有技术，光洁度单位μm。下面结合具体的实施例对本发明做出进一步的说明。

实施例一 一种高效高光洁度陶瓷树脂复合无心磨砂轮，配方及各组分配比（g）如下表所示：

陶瓷结合剂粉末的制作:将质量比为50:10:10:20:10的二氧化硅、三氧化二硼、氧化铝、二氧化钛、氧化钡混合均匀，过80目筛网；将混好的料放到1500℃的熔炼炉中，将熔化的液体冷萃处理成为陶瓷玻璃料；然后将玻璃料以球料比1:20的比例放到球磨机中进行球磨成分粉末；将粉末烘干再球磨过筛网即可。

本实施例陶瓷树脂复合无心磨砂轮的结构见图1，由基体1、陶瓷磨料层2、树脂磨料层3组成；陶瓷磨料层与树脂磨料层的内径一致、外径一致；陶瓷磨料层的厚度为树脂磨料层厚度的2倍，陶瓷磨料层为一层、树脂磨料层为一层；制备方法如下：

1）陶瓷层混合：将CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、酚醛树脂粉、聚酰亚胺粉采用VH高效混合机混合0.5h，得到陶瓷料；

2）陶瓷层压制：将碳化硅陶瓷基体放入模具中，组装好陶瓷料，在指定的部位热压陶瓷磨料层；热压温度180℃，200T压机采用15MPa压力，时间2h；

3）陶瓷层烧结：将热压好的砂轮放入电炉中高温烧结，烧结温度曲线为在4.5小时从室温升至550℃，保温3小时；之后在5小时内升至930℃，并保温3小时；最后随炉冷却至室温，得到含有大量微孔的陶瓷结合剂CBN砂轮；

4）树脂层混合：将CBN微粉、酚醛树脂粉、丁腈橡胶粉、细碳粉按照比例配好后装在三维混料机中，混合1.5h，得到树脂料；

5）树脂层热压：将步骤3）中得到的半成品陶瓷结合剂CBN砂轮放入模具中，组装好树脂料，热压树脂层，热压温度170℃，200T压机采用10MPa压力，热压1.5h，树脂层在陶瓷磨料层的孔隙中流动，有较好的结合力；

6）热压结束后，对砂轮的端面及外圆磨加工，使其成为成品。

实施例二 一种高效高光洁度陶瓷树脂复合无心磨砂轮，配方及各组分配比（g）如下表所示：

陶瓷结合剂粉末与实施例一一致。

本实施例陶瓷树脂复合无心磨砂轮的结构见图2，由基体1、陶瓷磨料层2、树脂磨料层3组成；陶瓷磨料层与树脂磨料层的内径一致、外径一致；陶瓷磨料层的厚度为树脂磨料层厚度的3倍，陶瓷磨料层为一层、树脂磨料层为两层，陶瓷磨料层位于两层树脂磨料层之间；制备方法如实施例一，只是在第5）步树脂层压制时，已经烧结的陶瓷磨料层两侧都有树脂料。

实施例三 一种高效高光洁度陶瓷树脂复合无心磨砂轮，各组分配比与实施例一一致，配方中将细碳粉全部替换为二硫化钼，其余一样，陶瓷结合剂粉末与实施例一一致。本实施例陶瓷树脂复合无心磨砂轮的结构以及制备方法与实施例一一样。

实施例四 一种高效高光洁度陶瓷树脂复合无心磨砂轮，各组分配比与实施例一一致，配方中将聚酰亚胺粉全部替换为酚醛树脂粉，其余一样，陶瓷结合剂粉末与实施例一一致。本实施例陶瓷树脂复合无心磨砂轮的结构以及制备方法与实施例一一样。

实施例五 一种高效高光洁度陶瓷树脂复合无心磨砂轮，配方及各组分配比（g）如下表所示：

陶瓷结合剂粉末的制作:将质量比为50:10:10:20:10的二氧化硅、三氧化二硼、氧化铝、二氧化钛、氧化锌混合均匀，过80目筛网；将混好的料放到1500℃的熔炼炉中，将熔化的液体冷萃处理成为陶瓷玻璃料；然后将玻璃料以球料比1:20的比例放到球磨机中进行球磨成分粉末；将粉末烘干再球磨过筛网即可。

本实施例陶瓷树脂复合无心磨砂轮的结构以及制备方法与实施例一一样。

加工实验，经过高线速度100m/s磨削加工，455×205无心磨加工Ø10×30工件（高硬度钢棒），单次磨削量为30丝，加工结果显示，实施例一砂轮动不平衡小，加工后工件光洁度为Ra0.030，加工效果参见附图3；实施例二砂轮加工后工件光洁度为Ra0.045；实施例三砂轮加工后工件光洁度为Ra0.095，实施例四砂轮加工后工件光洁度为Ra0.083；实施例五砂轮加工后工件光洁度为Ra0.079。作为对照，现有砂轮（粗磨精磨分开）进行同样的加工，工件光洁度为Ra0.051，为现有生产最好的效果，加工效果参见附图4，但是耗时为实施例一的三倍多。作为对照，以实施例一的陶瓷层制备完整的陶瓷砂轮，以实施例一的树脂层制备完整的树脂砂轮，进行同样的加工（粗磨精磨分开），工件光洁度为Ra0.067，不如现有技术效果，说明除了配方之外，陶瓷层、树脂层存在于同一基体上也利于加工品质的提升。市场出售的粗磨精磨拼接砂轮不能用于该加工，得到的产品表面质量太差，为不合格品。

采用本发明中的陶瓷树脂复合无心磨，在结构上避免了不同无心磨砂轮拼装造成的拼装缝、动平衡超差、砂轮损耗不一致等问题，其中的陶瓷层可大进给切削，保证无心磨具有较高的切削力，树脂层可进行弹性抛光，保证工件具有较高的精度和光洁度；结合配方设计，砂轮同时具有切削和抛光作用，节省了设备数量、占地面积和加工效率，整体结构简单，生产方便，便于推广。

Claims (7)

1.一种陶瓷树脂复合无心磨砂轮，包括基体、陶瓷磨料层、树脂磨料层，陶瓷磨料层与树脂磨料层的内径一致、外径一致，其特征在于，陶瓷磨料层由CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、树脂粉以及造孔剂制备；树脂磨料层CBN微粉、树脂粉、橡胶粉、细碳粉制备；所述陶瓷结合剂的制备原料包括硅氧化物、硼氧化物、铝氧化物、钛氧化物、钡氧化物；CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、树脂粉以及造孔剂的重量百分数分别为60～75%、10～25%、1～5%、5～10%以及余量；CBN微粉、树脂粉、橡胶粉、细碳粉重量百分数分别为50～60%、20～30%、5～10%以及余量；陶瓷磨料层的厚度为树脂磨料层厚度的2～3倍。

2.根据权利要求1所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮，其特征在于，所述CBN磨料的粒度为50～400#；树脂粉为酚醛树脂粉；造孔剂为颗粒状的聚酰亚胺，粒度50～120μm；CBN微粉的粒度为1000～3000#；基体为碳化硅陶瓷基体。

3.权利要求1所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

（1）将CBN磨料、陶瓷结合剂、白刚玉、树脂粉、造孔剂混合后与基体组装，然后热压、烧结，得到陶瓷结合剂CBN砂轮；

（2）将CBN微粉、酚醛树脂粉、橡胶粉、细碳粉混合后与陶瓷结合剂CBN砂轮组装，然后热压，得到所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮。

4.根据权利要求3所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮的制备方法，其特征在于，步骤（2）热压后进行端面及外圆磨加工，得到所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮。

5.根据权利要求3所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，烧结为在4～5小时内从室温升至500～550℃，保温3～4小时；之后在5～6小时内升至900～950℃，并保温3小时；最后随炉冷却至室温；步骤（2）中，热压的温度为160～170℃，热压的时间为1～1.5h。

6.权利要求1所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮在制备粗磨精磨一体的磨削工具中的应用。

7.权利要求1所述陶瓷树脂复合无心磨砂轮在磨削高硬度钢工件中的应用。

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