CN103707206B - 一种复合材料纤维微刃的螺旋砂轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料纤维微刃的螺旋砂轮，包括：纤维微刃、磨削带、细条状金属薄片、磨刃层、砂轮基体，所述磨削带由纤维微刃经电镀定向、等间距、间距可控地固结在所述细条状金属薄片上构成；所述螺旋砂轮的磨刃层是由若干条磨削带通过环氧树脂粘接在砂轮基体的螺旋槽中而制成，纤维微刃在砂轮工作面呈螺旋带状有序排布；所述的磨削带与螺旋槽之间涂覆有脱模剂，当磨削带磨损后可以快速将其更换以实现再生修复；所述的纤维微刃是采用高硬度、高强度、耐磨损的硬质合金-金刚石复合材料制成。本发明具有生成磨削热少，润滑、冷却性能优良，磨刃耐磨性能好、硬度高、韧性好且可再生修复等优点，适于硬脆材料等难加工材料的高效精密加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料纤维微刃的螺旋砂轮，特别是涉及一种用于非金属硬脆材料和金属难加工材料精密加工的磨削刀具。
背景技术
磨削加工工艺具有加工精度高、表面质量好和加工范围广等优点，因此，在机加工中得到广泛应用。近年来，光学玻璃、陶瓷、单晶硅等新兴硬脆材料与铝合金、钛合金等难加工材料的广泛应用，推动了磨削加工技术的迅猛发展。然而普通砂轮组织中磨粒几何形状不规则，且呈随机分布状态，导致磨削区产生大量的磨削热；此外，砂轮与工件的磨削接触面积大，致使磨削液很难进入磨削区，磨削区的润滑、冷却性能差，磨削热量难以及时排出，从而在磨削表面形成局部高温，不仅影响工件的加工质量，而且加快了砂轮的磨损，制约了磨削加工技术的进一步推广应用。为了解决上述问题，国内外学者在砂轮结构研究方面进行了大量的研究工作，提出了砂轮表面开槽、砂轮径向开孔内冷却等一系列结构优化方案，并取得了一定的成效。但是，在实际应用过程中仍旧存在某些局限性。如砂轮表面开槽，提高了砂轮容屑、排屑性能，并通过其断续磨削加工，减少了工件表面烧伤。但是，砂轮槽边缘易发生磨损，且难以进行再生修复；砂轮径向开孔内冷却，磨削液经过微通道从砂轮径向注入磨削区，从而改善工件表面的烧伤，但是微通道易发生堵塞，且砂轮及供液装置结构复杂，制造成本较高。众所周知，磨粒分布与砂轮切削方式是导致磨削热和砂轮磨损的主要根源。因此，迫切需要从优化砂轮结构、改善磨粒分布及其切削方式入手，研究新型砂轮，以改善砂轮与工件的接触状态、提高磨削区的润滑和冷却性能、降低磨削力和磨削温度、提高工件的加工质量和加工效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够改善砂轮与工件的接触状态，改变砂轮切削方式，增大砂轮容屑空间，提高砂轮排屑能力，减少砂轮堵塞，有助于磨削液进入磨削区进行有效润滑、冷却，降低磨削力和磨削力比，从而达到控制磨削温度，减少热损伤，减小砂轮磨损，提高工件加工质量和加工效率的复合材料纤维微刃的螺旋砂轮。
为了解决上述技术问题，本发明提供的复合材料纤维微刃的螺旋砂轮包括：纤维微刃、磨削带、细条状金属薄片、磨刃层、砂轮基体，其特征是：所述的磨削带由纤维微刃经电镀定向、等间距、间距可控地固结在所述细条状金属薄片上构成；所述螺旋砂轮的磨刃层由若干条磨削带通过环氧树脂粘接在所述砂轮基体的螺旋槽中而制成，纤维微刃在砂轮工作面呈螺旋带状有序排布；所述的磨刃层突出砂轮基体表面；所述的磨削带与螺旋槽之间涂覆有脱模剂，当纤维微刃磨损后可随磨削带一起更换，且只需更换磨损严重处的磨削带，从而完成砂轮磨刃层再生修复。
所述的纤维微刃截面尺寸为亚毫米级，长度为2～3mm，其材料为硬质合金-金刚石复合材料。
所述的细条状金属薄片宽度为0.8～1.5mm，厚度为0.8～1.2mm。
所述砂轮基体的螺旋槽宽度为1.0～1.8mm，深度为1.5～2.0mm，螺旋升角为8°～13°。
采用上述技术方案的复合材料纤维微刃的螺旋砂轮，与现有技术相比，其技术效果在于：
①砂轮磨刃层是由纤维微刃定向、等间距、间距可控地排布而构成，且纤维微刃在砂轮工作面上呈螺旋带状有序分布，增大了砂轮容屑空间，提高了砂轮排屑能力，减少了砂轮堵塞，降低了因磨屑在磨削区反复挤压所产生的磨削热；同时改变了砂轮与工件的接触状态，使得磨削液能有效注入磨削区，提高了磨削区的润滑和冷却性能，从而降低了磨削力和磨削温度，提高了工件的加工质量和加工效率。
②砂轮磨刃层中的纤维微刃能周向进行四方位的散热，增大了微刃与磨削液的换热面积，减少了磨削热量向砂轮内部的传入，降低了微刃切削表面的温度。
③砂轮磨刃层的磨削带采用纤维微刃与细条状金属薄片电镀固结而成，再经环氧树脂粘接在砂轮基体的螺旋槽中，粘接前在砂轮基体的螺旋槽表面涂覆一层脱模剂，从而纤维微刃磨损后可方便地随磨削带一起更换，从而完成砂轮磨刃层再生修复，且只需更换磨损严重处的磨削带，经济性较好。
④纤维微刃采用的是耐热、耐磨损、高硬度、高强度的硬质合金-金刚石复合材料，该复合材料是将硬质合金粉末与金刚石颗粒经脉冲等离子烧结制备而成，此复合材料将金刚石良好的耐磨损、耐高温和高硬度与硬质合金的高强度、高韧性和耐腐蚀性能完美结合，使砂轮的加工性能和耐磨性能显著提高，既能满足硬脆材料的加工要求，也能实现高塑性难加工材料的精密加工。
⑤纤维微刃为耐热复合材料，且采用上述方法使得磨削热与磨削力得到有效控制后，砂轮膨胀变形所引入的加工误差显著减小，降低了砂轮结合剂软化导致微刃脱落的概率，从而提高了砂轮的加工精度和使用寿命。
综上所述，本发明是将硬质合金-金刚石复合材料通过电火花切割技术将其切割成纤维条状，然后将纤维微刃定向、等间距、间距可控地固结在细条状金属薄片上构成磨削带，再由若干磨削带经环氧树脂粘接在砂轮基体的螺旋槽中，纤维微刃在砂轮工作面呈螺旋带状有序排布，减小了微刃与工件材料之间的摩擦、耕犁作用，降低了磨削力，减少了磨削热的产生，且增大了砂轮的容屑和排屑能力，磨削液能有效地注入磨削区，改善了磨削区的润滑和冷却性能。本发明具有生成磨削热少，润滑、冷却性能优良，磨刃耐磨性能好、强度和硬度高、韧性好、及可再生修复等优点，特别适用于非金属硬脆材料与金属难加工材料的高效精密加工。
附图说明
图1是复合材料纤维微刃的螺旋砂轮的基体结构示意图。
图2是复合材料纤维微刃的螺旋砂轮的磨削带示意图。
图3是复合材料纤维微刃的螺旋砂轮的加工示意图。
图4是复合材料纤维微刃的螺旋砂轮的磨削区示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参见图1，图2，图3和图4，螺旋砂轮包括：纤维微刃7、磨削带8、细条状金属薄片13、磨刃层11、砂轮基体1。砂轮基体1预先采用铝合金或其它材料浇铸成毛坯体，然后在基体表面加工螺旋槽2，螺旋槽宽度3为1.4mm，深度4为1.8mm，螺旋升角5为12°。螺旋砂轮的纤维微刃7为耐热、耐磨损、硬度高、强度好的复合材料，此复合材料选用纳米硬质合金复合粉末与微米级金刚石颗粒采用脉冲等离子技术进行烧结，制备而成的硬质合金-金刚石复合材料。然后采用电火花切割技术将其切割成纤维条状，随后对其进行刃磨获得零前角6。再采用电镀技术将纤维微刃7定向、等间距、间距可控地固结在细条状金属薄片13上构成磨削带8。最后将若干磨削带通过环氧树脂粘接在预先加工好的砂轮基体螺旋槽2中形成磨刃层11，使得纤维微刃7在砂轮工作面呈螺旋型有序排布。粘接前需在砂轮基体1的螺旋槽表面涂覆一层聚乙烯醇或石蜡作脱模剂，可以方便后期更换磨削带时进行拆卸。为确保磨削带8在砂轮基体螺旋槽2中可靠粘接，完成环氧树脂涂覆后，采用专用夹具将细条状金属薄片与砂轮基体夹紧，设定夹紧压力为0.05～0.3MPa，再将其放入到恒温箱中烘烤3h，恒温箱的温度设定为150℃，完成复合材料纤维微刃的螺旋砂轮制备。
在磨削加工时，磨刃层11的纤维微刃7在砂轮基体1表面上定向、等间距、间距可控地排布，且随磨削带8在砂轮基体1表面的螺旋槽2中呈螺旋带状有序分布，磨削过程中纤维微刃7与工件12相互作用所产生的磨屑可暂时附置于磨削带8之间的螺旋间距槽9和磨削带上纤维微刃7之间的间隙10中，提高了砂轮的容屑和排屑能力，避免了磨屑在磨削区14发生反复挤压，从而减少了磨削区摩擦热的产生，减轻了磨屑对已加工表面所产生的拉痕破坏。同时，纤维微刃7能周向进行四方位的散热，当磨削液进入磨削区14时，纤维微刃7与磨削液的换热面积显著增大，减少了磨削热量向砂轮内部的传入。此外，纤维微刃在砂轮表面上形成凹凸不平表面，随砂轮旋转卷入的气流将以不同的流速进入砂轮表面，受凹凸面的影响，气流在纤维微刃切削端面的线速度明显高于磨削带之间的螺旋间距槽9处的速度，且磨削带上的纤维微刃之间存在间隙10引入负压作用，将会使纤维微刃表面的气膜层作用削弱，使磨削液易进入磨削区并对纤维微刃切削端面进行润滑和冷却，改善了磨削区的冷却和润滑性能。
螺旋砂轮的纤维微刃7为硬质合金-金刚石复合材料，此复合材料是由纳米硬质合金复合粉末与微米级金刚石颗粒采用脉冲等离子技术烧结而成，将金刚石良好的耐磨性、热稳定性和高硬度与硬质合金的高强度、高韧性和耐腐蚀性能完美结合，可承受较高的磨削温度，且其耐磨性、强度、硬度、韧性非常好，而固结磨削带的环氧树脂粘接处，在远离磨削端的砂轮基体螺旋槽中，此处传入的磨削热较少，其温度往往不是很高，不会引起环氧树脂软化而导致砂轮变形及磨削带脱落。此外，螺旋砂轮的磨刃层是由若干条磨削带经环氧树脂粘接在砂轮基体表面的螺旋槽中所构成，粘接前，在砂轮基体的螺旋槽表面涂覆一层脱模剂，当磨削带上的纤维微刃发生磨损时，借助脱模剂的作用，可容易地对相应的磨削带进行更换，实现磨刃层的再生修复，而不需对砂轮基体及整个磨刃层进行变换或修整，经济性能好。
Claims (4)
1.一种用于精密加工的复合材料纤维微刃的螺旋砂轮，所述的螺旋砂轮包括：纤维微刃(7)、磨削带(8)、细条状金属薄片(13)、磨刃层(11)、砂轮基体(1)，其特征是：所述的磨削带(8)是由纤维微刃(7)经电镀定向、等间距、间距可控地固结在所述细条状金属薄片(13)上构成；所述螺旋砂轮的磨刃层(11)由若干条磨削带(8)通过环氧树脂粘接在所述的砂轮基体(1)的螺旋槽(2)中而制成，纤维微刃(7)在砂轮工作面呈螺旋带状有序排布；所述的磨刃层(11)突出砂轮基体表面；所述的磨削带(8)与螺旋槽(2)之间涂覆有脱模剂，当纤维微刃(7)磨损后可随磨削带(8)一起更换，且只需更换磨损严重处的磨削带(8)，从而完成砂轮磨刃层(11)再生修复。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料纤维微刃的螺旋砂轮，其特征是：所述的纤维微刃(7)截面尺寸为亚毫米级，长度为2～3mm，其材料为硬质合金-金刚石复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料纤维微刃的螺旋砂轮，其特征是：所述的细条状金属薄片(13)宽度为0.8～1.5mm，厚度为0.8～1.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料纤维微刃的螺旋砂轮，其特征是：所述砂轮基体(1)的螺旋槽宽度(3)为1.0～1.8mm，深度(4)为1.5～2.0mm，螺旋升角(5)为8°～13°。
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