CN102896590B

CN102896590B - 钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺

Info

Publication number: CN102896590B
Application number: CN201210353876.5A
Authority: CN
Inventors: 肖冰; 王波; 段端志; 张子煜
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Jiangsu Soleader Electricaland Mechanical Technology Co ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN102896590A

Abstract

本发明公开了一种钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，包括打磨盘外端边缘布料、打磨盘斜面布料以及打磨盘顶端平面布料，所述的打磨盘外端边缘布料的磨料粒度为16～80目，相邻两颗磨粒的横向间距为1.6d～4.5d，相邻两颗磨粒的纵向间距1.5d~5.5d，其中d为磨料的最大粒径；所述的打磨盘斜面布料的磨料粒度为25～100目，沿磨盘径向相邻相颗磨粒间距范围1.5d～4d，沿径向分布的两列磨粒的间距范围1.5d～6d；所述的打磨盘顶端平面布料的磨料为簇状磨料，单个簇状磨料由1～115颗磨粒密排，磨粒的粒度为35～140目，簇状面积范围3mm²～15mm²。本发明打磨盘具有打磨效率高，手感轻，震动小，无气味，寿命长，外形美观等特点，较为完美地替代了传统的树脂砂轮片，是船舶制造业中船体打磨盘发展的方向。

Description

钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺

技术领域

本发明属于船体焊缝、焊疤及表面氧化皮打磨领域，涉及一种钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布新工艺，适用于大型船体表面除锈、去疤、除飞溅。此外，本发明还可应用于打磨多晶硅、玻璃等非金属材料以及大理石、花岗岩等石材类材料。

背景技术

造船业是为水上交通、海洋开发和国防建设等行业提供技术装备的现代综合性产业，也是劳动、资金、技术密集型产业，我国劳动力资源丰富，拥有适宜造船的漫长海岸线，发展船舶工业具有较强的比较优势。同时，我国对外贸易的迅速增长，也为船舶工业提供了较好的发展机遇，我国船舶工业有望成为最具国际竞争力的产业之一。

2008年难以预料的风险接踵而来，美国金融危机迅速波及全球，受美国金融危机影响我国船舶业面临着金融风暴严峻的冬天。此外，油价的持续高位运行以及钢铁等原材料价格的上涨则构成了行业运营的主要压力。国际产业转移的趋势已经把造船业的巨大机遇展现在中国企业的面前，但在激烈的市场竞争环境，如何规避各种风险，把握机遇，是与企业发展命运攸关的问题。

在船舶制造流程中，其中非常关键的一项工作便是将整只船体的焊接表面清理平整、干净。由于整只船体主要是由高强度结构钢经过特殊焊接在一起，焊接过程反应剧烈，会产生各种形状的焊缝、单个的焊点、焊疤以及在焊接过程中飞溅出来的焊剂与熔点金属形成的大量飞溅点，因此焊缝多、焊缝长、焊点密外形复杂且难以打磨成为船体制造的一个难点。目前常规的方法是打磨工用安装了树脂砂轮片的手动砂轮机进行手动打磨。但由于树脂砂轮片是利用树脂固化的原理将碳化硅等超硬磨料固结成盘状制作而成，其结合强度底，因此在打磨过程中，会出现，打磨盘易消耗，火花大，气味大，粉尘大等缺点。这是由于树脂砂轮片在打磨过程中遇到高强度的焊缝受到过大冲击，导致磨料边磨削边脱落，并由于磨料出露高度低，磨削表面温度高，导致树脂变软、烧熔挥发，散发出有毒、刺激气味。此外，由于磨料出露低导致打磨盘锋利度不理想，打磨效率较慢，使得船体的打磨工作量占船舶整体制造工作量的三分之一左右。

由于存在以上的缺点，再加上船舶制造业对成本控制的要求，需要开发一种新型打磨盘来取代传统打磨盘，以达到磨削效率高、寿命长、无污染等目的。

超硬磨料的固结技术目前有电镀、烧结、钎焊等三种主要结合方式。通过对以上三种结合方式进行对比发现，烧结技术与电镀技术磨料出露高度底，胎体对磨料把持强度低，锋利度不理想，排屑效果差，已证明难以胜任打磨高强度焊缝的要求。而钎焊技术是利用焊料熔化将超硬磨料与基体焊接在一起，焊料与磨料之前发生了化学冶金结合，磨料焊接强度高，因此磨料出露高，磨削锋利，是较为理想的一种制作打磨焊缝的技术。相比其它超硬磨料，金刚石为目前最硬的物质；研磨性好；比热小而导热率大，因此易升温也容易散热，而且金刚石是打磨金属较为理想的材料。相比于传统树脂砂轮片，钎焊金刚石工具由于在使用过程中基本不会出现磨料脱落现象，而且无树脂熔化挥发，因在使用过程安全，无刺激性气味产生，更具有绿色环保的特点。这与目前低碳、环保的发展理念是一致的。

目前，利用钎焊技术，将超硬磨料焊接在钢基体上制备钎焊超硬磨料工具已有部分应用于实际生产中，比如高铁博格板磨轮，钎焊金刚石钻头等。但对于专业打磨船体焊缝的金刚石工具目前尚未有相关报道与专利出现。现有的钎焊金刚石打磨工具种类少，且多用于打磨石材，工具的制作工艺，基体外形、以及打磨设备均有较大不同，无法应用于船体打磨上。

而且目前常规的钎焊磨盘多为在磨盘基体表面无序排布一定数量的金刚石，然后经过高温钎焊制作而成。其磨盘表面磨料排布由于工艺限制，难以做到均匀排布，而且未有根据磨盘的实际形貌进行地貌优化，即浪费了磨料用量，又制约了磨盘的磨削效率与寿命，造成了钎焊磨盘目前仍然未在钢铁打磨领域得到革命性地应用。

磨料排布技术在烧结、钎焊、电镀产品中已有部分应用，实际应用于生产的技术有孔模板法、真空吸附法以及簇状排布法。其中以我国台湾的中国砂轮公司宋健民博士（U.S.Patent6039641）为代表发明的孔模板法是利用特殊材料制成的孔模板来有序分布磨料，其原理是在基板上开有序列小孔，每孔容纳一颗金刚石，然后利用相关工艺将序列排布的磨料粘附于基体表面。此方法多用于制备烧结金刚石工具中，如锯片刀头，目前只能用于平面以及少量简单几何外形。以成都中豪超硬材料有限公司（200820061656.4）为代表发明的真空吸附法是利用抽真空的原理让一带有小孔的模板具有吸附力吸附金刚石，然后置于基体表面，此种方式与孔模板法类似，只能制备一些较为简单的几何面，而且上述两种方法目前尚未做到按照工件使用性能来有序分布磨料。第三种簇状排布法指利用一定几何外形的模板，使金刚石磨料分布于此模板的空隙内，布好后撒去模板即可。此种方式多见于电镀金刚石产品中，由于模板制作较为简单，在电镀产品中应用广泛，但此种方法仅能做到宏观形状有序，而每个空隙中的金刚石磨料排布仍然是无序的，无法做到有序排布，难以有效发挥金刚石磨料的优势。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺。其主要原理是根据船体打磨的具体要求，以打磨用手动砂轮机为配套，结合钎焊超硬磨料工具的钎焊工艺优化计算磨料在打磨盘表面的排布。通过以上参数的优化设计，得出最适于船体打磨的钎焊超硬磨料打磨盘磨料排布以及匹配的磨料选择。

本发明的技术方案如下：

一种钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，包括打磨盘外端边缘布料、打磨盘斜面布料以及打磨盘顶端平面布料，其特征在于：

所述的打磨盘外端边缘布料的磨料粒度为16～80目，相邻两颗磨粒的横向间距为1.6d～4.5d，相邻两颗磨粒的纵向间距1.5d~5.5d，其中d为磨料的最大粒径；

所述的打磨盘斜面布料的磨料粒度为25～100目，沿磨盘径向相邻相颗磨粒间距范围1.5d～4d，沿径向分布的两列磨粒的间距范围1.5d～6d；

所述的打磨盘顶端平面布料的磨料为簇状磨料，单个簇状磨料由1～115颗磨粒密排，磨粒的粒度为35～140目，簇状面积范围3mm²～15mm²。

所述的打磨盘外径范围在60mm～250mm,基体厚度0.1mm～5mm。

所述打磨盘外端边缘的磨粒为高品级的钻切用磨料，相邻两颗磨粒横向间距为 2.5d，相邻两颗磨粒纵向间距3d，磨粒的粒度为30目～40目。

打磨盘斜面布料的磨料为高品级的磨削用磨料，磨料的粒度为35目～50目。

所述打磨盘顶端平面簇状磨料的几何外形是圆形、三角形、矩形或正多边形。

所述打磨盘上端平面排布的每一条簇状磨料形成的轨迹:是直线、圆弧、渐开线或抛物线轨迹，两邻两条轨迹线之间的间距范围3mm~25mm。

所述打磨盘:顶端平面排布的磨料为中等品级的磨削用磨料，磨料的粒度为50目～80目。

通过以上的创造性发明设计，得出最佳的磨料地貌优化效果，并可以利用钎焊超硬工具技术，通过磨料磨料排布方法，将磨料焊接于所设计的新型磨盘基体上，便可制备出应用于船体打磨的新型打磨盘。本发明所设计的地貌优化创造性地将平面单颗磨料有序排布方式与簇状磨料排布相结合，解决了传统磨头排布方法难以根据工况、使用参数进行地貌优化的难题，并实现了区域磨料有序分布。此外，本发明中所用磨料可以做到根据使用要求分别布料，使磨料的使用更为合理，更具有经济性。

本发明打磨盘具有打磨效率高，手感轻，震动小，无气味，寿命长，外形美观等特点，较为完美地替代了传统的树脂砂轮片，是船舶制造业中船体打磨盘发展的方向，并且亦能较好地适用于陶瓷、石材、多晶硅等其它非金属领域，具有很大的市场潜力。

附图说明

图1 钎焊船体打磨盘基体结构；

图2 钎焊船体打磨盘外端边缘磨料地貌优化；

图3磨粒最小单元的间距；

图4 钎焊船体打磨盘表面磨料地貌优化；

图5 外径100钎焊金刚石打磨盘布料方案；

图6外径125钎焊金刚石多功能打磨盘布料方案。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

船体打磨盘是安装于手动砂轮机上，其外形为圆盘形，中心有孔，通过此孔定位于砂轮上固定。圆盘顶面布有一定排布的磨料，通过焊料钎焊固定。底部为一凹面，用于排屑以及定位于砂轮机上。打磨盘基体外形如图1所示。打磨盘基体为圆盘形，圆盘顶端不是一个平面，在其边缘有一个斜面，宽度约5mm左右。磨盘基体顶端平面的宽度根据磨盘整体外径确定，平面宽度应占磨盘半径的1/3~1/2之间。磨盘基体外端倒圆角。圆角大小与基体厚度匹配。本发明所适用的打磨盘尺寸范围为：外径60mm～250mm，基体厚度0.1mm～5.0mm。

（1）磨盘外端磨料排布地貌优化

打磨盘在使用过程中，打磨盘外端边高速转动边向前推进，因此在打磨盘最外端受力最大，则要求磨料钎焊强度更高，所承担负载更大，而且磨盘外端的运动可以看作一边切割一边磨削的运动，因此，为了减小外端负载，磨盘外端磨料的密度应在保证排屑空间的情况下尽可能的多，因此磨盘外端布料可以做到密排有序，如图2所示。

根据负载与磨盘运动轨迹分析，此处磨料选用大粒度、高品级的钻切用磨料。磨料粒度范围16目～80目，通过试验优化选用30目～40目粒度。

磨粒密排参数设计如下：在磨粒排布时，可将相近四颗磨粒看做一个单元，如图3所示，对角线L1,L2可以看到磨粒的横向间距与纵向间距。设磨料的最大粒径为d，则相邻两颗磨粒横向间距为1.6d～4.5d,优化选用2.5d,纵向间距1.5d~5.5d，优化选用3d。

（2）打磨盘斜面磨料排布地貌优化

磨盘斜面上由于承受负载较外端边缘较小，但仍然需要起来磨削、排屑的作用，对此斜面的要求是磨削效率高，磨削寿命长，散热效果佳，排屑效果好。由于磨盘高速回转，为保证振动最小且磨削效率最高，则在回转方向上同一时刻参与磨削的磨粒数量一致可以保证磨削的平稳性。为了实现上述要求，采用有序排布磨料的方法，磨粒总体沿磨盘径向排布，沿磨盘径向相邻相颗磨粒间距范围1.5d～4d，沿径向分布的两列磨粒的间距范围1.5d～6d。

根据负载与磨盘运动轨迹分析，此处磨料选用中等粒度、高品级的磨削用磨料。磨料粒度范围25目～100目，通过试验优化选用35目～50目粒度。

（3）打磨盘顶端平面磨料排布地貌优化

顶端平面地貌优化原理是根据船体打磨要求以及打磨的焊缝外形、砂轮机转速等工作条件进行创造性地地貌优化所得出的最佳结果。由于在船体打磨盘的运动实际上是切削、磨削合二为一的运动，所打磨的表面仍然会有一定精度的要求，因此在磨盘外端与斜面进行切磨后，平面的作用是排屑、进一步磨削、抛光打磨表面，因此为了提高打磨精度以及排屑效果，打磨盘顶端磨料排布情况如图3所示。

顶端平面处按照涡轮状排布簇状磨料，其它部位不排布磨料。单个簇状的几何外形可以是圆形，三角形，矩形，正多边形等形状以及其它复杂几何外形。单个簇状磨料密排，磨粒数目范围1～115颗，簇状面积范围3mm²～15mm²。

每一条簇状磨料形成的轨迹L3可以是直线，圆弧，渐开线，抛物线等轨迹。两邻两条轨迹线之间的间距范围3mm~25mm。

根据负载与磨盘运动轨迹分析，此处磨料选用中等品级、粒度较细的磨削用磨料。磨料粒度范围35目～140目，通过试验优化选用50目～80目粒度。

本发明涉及的磨料的品级分类与JB/GQ·F6010-86相同（人造金刚石、立方氮化硼产品质量分等标准）

实施例一

一种新型船体焊缝打磨盘其磨料有序排布方案设计如下：

以外径100mm的钎焊金刚石船体打磨盘为例，如图5所示，其有序排布方案为：

① 磨盘外端边缘选用金刚石磨料，粒度30～35目，相邻两颗磨粒横向间距为1.2mm，纵向间距1.5mm。

② 磨盘上端斜面选用金刚石磨料，粒度35～40目，沿径向两颗磨粒横向间距为1.0mm，沿径向分布的两列磨粒间距1.8mm。

③ 磨盘上端平面磨料按圆形簇状排布，簇状直径3mm,每个簇状区排布50～60目金刚石10～15颗，轨迹线为半径115的圆弧，均排17条

此方法生产的钎焊金刚石船体打磨盘，具有打磨效率高，手感轻，震动小，无气味，寿命长，外形美观等特点，并且根据实际情况选择不同品级的磨料，优化了成本，更具有经济性，较为完美地替代了传统的树脂砂轮片，是船舶制造业中船体打磨盘发展的方向，并且亦能较好地适用于陶瓷、石材、多晶硅等其它非金属领域，具有很大的市场潜力。

实施例二

一种即能适用于钢铁类打磨，又能适用于石材、多晶硅等非金属打磨的磨盘磨料排布方案设计如下：

以外径125mm的钎焊金刚石打磨盘为例，如图6所示，其有序排布方案为：

① 磨盘外端边缘选用金刚石磨料，粒度35～40目，相邻两颗磨粒横向间距为1.5mm，纵向间距1.5mm。

② 磨盘上端斜面选用金刚石磨料，粒度45～50目，沿径向两颗磨粒横向间距为1.5mm，沿径向分布的两列磨粒间距2.0mm。

③ 磨盘上端平面磨料按正三角形簇状排布，簇状面积4.5mm²,每个簇状区排布60～70目金刚石20～25颗，轨迹线为直线，沿磨盘中心环形均布30条。

此方法生产的多功能钎焊金刚石船体打磨盘，不仅可以适用于钢铁等金属打磨，而且亦能较好地适用于陶瓷、石材、多晶硅等其它非金属领域，具有很大的市场潜力。

Claims

1.一种钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，包括打磨盘外端边缘布料、打磨盘斜面布料以及打磨盘顶端平面布料，其特征在于：所述的打磨盘外端边缘布料的磨料粒度为16 ~ 80目，相邻两颗磨粒的横向间距为1. 6d ~ 4. 5d，相邻两颗磨粒的纵向间距为1. 5d ~ 5. 5d，其中d为磨料的最大粒径；

所述的打磨盘斜面布料的磨料粒度为25 ~ 100目，沿磨盘径向相邻两颗磨粒间距范围为1. 5d ~ 4d，沿径向分布的两列磨粒的间距范围为1. 5d ~ 6d ；

所述的打磨盘顶端平面布料的磨料为簇状磨料，单个簇状磨料由1 ~ 115颗磨粒密排，磨粒的粒度为35 ~ 140目，簇状面积范围为3mm²~ 15mm² 。

2.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，其特征在于：所述的打磨盘外径范围在60mm ~ 250mm，基体厚度在0. 1mm ~ 5mm。

3.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，其特征在于：所述打磨盘外端边缘的磨粒为高品级的钻切用磨料，相邻两颗磨粒横向间距为2.5d，相邻两颗磨粒纵向间距3d，磨粒的粒度为30目~ 40目。

4.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，其特征在于：打磨盘斜面布料的磨料为高品级的磨削用磨料，磨料的粒度为35目~ 50目。

5.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，其特征在于：所述打磨盘顶端平面簇状磨料的几何外形是圆形、三角形、矩形或正多边形。

6.根据权利要求5所述的钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，其特征在于：所述打磨盘顶端平面排布的每一条簇状磨料形成的轨迹：是直线、圆弧、渐开线或抛物线轨迹，相邻两条轨迹线之间的间距范围3mm ~ 25mm。

7.根据权利要求1所述的钎焊超硬磨料船体打磨盘磨料排布工艺，其特征在于：所述打磨盘顶端平面排布的磨料为中等品级的磨削用磨料，磨料的粒度为50目~ 80目。