一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮及其制备方法技术

一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮，包括聚氨酯改性酚醛树脂结合剂、立方氮化硼（CBN）/刚玉类复合微粉磨料、相变材料、抛光材料等组分，各组分重量份为：聚氨酯改性酚醛树脂结合剂25~40份、磨料40~60份、相变材料5~15份、抛光材料5~15份；将上述原料按比例称取，混料后常温压制成型，经过分阶段升温固化后，制得用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮；通过以上方式使得制备的钛合金高效超精密磨削的砂轮的抗冲击强度处于120~127 kJ/m2范围内，洛氏硬度处于73~77HRA范围内，组织号为10~12；气孔率为24%~40%，可用于多种型号钛合金的精密磨削加工，在加工节拍为15～30秒/只的条件下，不仅能够保证一次磨削去除量2μm以上、尺寸精度高、外观亮度均匀，而且表面粗糙度Ra达到0.05μm以下。达到0.05μm以下。

【技术实现步骤摘要】
一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮及其制备方法


[0001]本专利技术属于树脂结合剂磨具领域，具体涉及一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有高的比强度和比刚度、良好的耐腐蚀性和抗高温性等优异性能，单位强度高、刚性好、质轻，在航空航天、舰船、石油、化工和核电等领域大量使用；但是钛合金是一种典型的难加工材料：
①
化学活性强，在磨削温度的作用下，易与Al、Si、C、O、N等元素形成多种化合物，使钛合金表面发生α相强化；
②
弹性模量小（约为钢的1/2），磨削时消耗于塑性变形的能量大，从而磨削力大，磨削温度高，同时也会造成表面硬化；
③
导热系数小（约为钢的1/4~1/7），磨削时产生的高温难以向材料内部传导，致使磨削区温度高，工件表面易出现烧伤、裂纹、变形等现象；磨削区的高温还促进了材料的活性，进一步加强磨粒的化学磨损，导致铁屑在磨具上严重粘附，降低磨具的耐用度；钛合金磨削加工难，不仅在于磨削温度高和磨具易磨损失效，关键在于钛合金加工时表面质量不易控制，工件表面容易产生有害的残余拉应力和表面污染层，且表面粗糙度较大，磨削后的表面残余拉应力随着磨削量和磨削速度的增加而增大。因而，在保证工件加工精度和表面质量的条件下，很难获得较高的生产效率，采用现有的磨具磨削法，无法实现钛合金精密研磨抛光工业化。
[0003]根据所获得的信息可知，目前为止，尚没有发现专门针对钛合金的精密磨削而设计开发的专用磨具；而当前磨削钛合金所使用的陶瓷砂轮、钎焊砂轮或电解砂轮由于砂轮结合剂分别为陶瓷或者金属，没有任何弹性，该类砂轮在高速磨削过程中，砂轮不会根据工件表面而相应地产生形变，磨具与工件表面接触时，磨具对表面的适应性差，导致工件的表面质量较差，表面粗糙度最低仅能达到Ra 0.2μm；所以，还需要进行进一步的抛光加工；目前，对钛合金的抛光工艺，一般是采用绒布在含磨料微粉的抛光液作用下，进行流体抛光，这种抛光方法存在两方面问题，其一，抛光时间长、抛光效率低；其二，需要大量的抛光液，其中的磨料微粉不能充分发挥磨削作用，对磨料微粉造成大量的浪费，对环境保护造成危害，而且导致加工成本高。
[0004]磨具的磨削加工性能与砂轮结合剂的力学性能密切相关，一般而言，结合剂的硬度越高，磨具的磨削锋利性就越好；结合剂的韧性越高，磨具的抛光效果就越好；然而，一般硬度高的材料韧性都比较差，韧性好的材料硬度都不够高；同时，磨具的组织结构、气孔率会对磨削过程中的自锐性、散热效果、排除磨削及工件烧伤现象产生影响。因此，若是能够设计一种既能保证磨具特有的锋利性、加工尺寸精度高，又具有橡胶结合剂磨具的良好韧性，磨削后加工表面质量高、表面粗糙度低等优点，从一个全新的角度克服单一结合剂磨具的性能缺点，便可实现钛合金的高效精密加工。

技术实现思路

[0005]本专利技术发现，若要同时满足钛合金工件的精度要求、表面质量要求以及加工效率
要求，砂轮的强度、韧性、气孔率等不宜过高或过低，而应保持在一个合适的范围内并且各功能性指标之间应相互协同配合；在大量实验的基础上，本专利技术提供一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮及其制备方法，该砂轮的抗冲击强度处于120~127 kJ/m2范围内，洛氏硬度处于73~77HRA范围内，组织号为10~12，气孔率为24%~40%，兼具优异的磨削锋利性和表面抛光性能，使其在钛合金磨削加工过程中满足工件尺寸精度要求的同时，又能满足其表面质量的要求，并且散热性好，不烧伤工件，将精磨和抛光工艺合二为一，实现“磨抛一体化”，达到了钛合金超精密加工的需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮，由以下重量份的组分制成：聚氨酯改性酚醛树脂结合剂25~40份、磨料40~60份、相变材料5~15份、抛光材料5~15份；优选的，所述聚氨酯改性酚醛树脂结合剂是氧化石墨烯（GO）杂化聚氨酯(PU)改性酚醛树脂结合剂，制备方法为：通过Hummers氧化法制备GO，用去离子水多次离心清洗后制成悬浮液备用；在45℃条件下，将GO的水悬浮液和苯酚混合均匀，再将聚酯型端异氰酸酯基聚氨酯预聚体投入反应容器中，搅拌下加热升温，反应一段时间后，加入甲醛及盐酸，使pH=1.9～2.3；升温至一定温度，反应一段时间后再次加入甲醛进行二次反应，反应结束后真空脱水，出料冷却，将得到的树脂块粉碎，加入一定比例的乌洛托品，研磨，过120目筛，即得聚氨酯改性酚醛树脂结合剂；所得聚氨酯改性酚醛树脂结合剂中GO含量为0.01~0.5% wt%、聚氨酯含量为10%~35% wt%；优选的，所述磨料为CBN/刚玉类微粉混合磨料，包括CBN微粉、白刚玉微粉和单晶刚玉微粉，粒度范围为w14
‑
w3；优选的，所述相变材料是十水合硫酸钠（Na2SO4·
10H2O）、十二水合硫酸铝钾[KAl(SO4)2·
12H2O ] 六水合氯化镁（MgCl
·
6H2O）、硝酸钠、硝酸钾、硝酸锂、亚硝酸钠、亚硝酸钾、亚硝酸锂、尿素、氯化钠、氟硼酸钾中的一种或者组合；优选的，所述抛光材料包括硬脂酸钠、鳞片状石墨粉、六方氮化硼、聚四氟乙烯、氧化铈、氧化锌、三氧化二铬、三氧化二铁中的一种或者组合；一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮的制备方法，包括下述步骤：a、用浓度为0.8~1.2wt%的硅烷偶联剂KH
‑
550酒精溶液，对CBN/刚玉类微粉混合磨料进行表面处理，再经过喷雾干燥，得到预处理磨料；b、按比例称取预处理CBN/刚玉类微粉混合磨料和自制聚氨酯改性酚醛树脂结合剂，采用三维混料机混合均匀，之后过100~140目筛，再加入按比例称取的抛光材料和相变材料 ，通过三维混料机混合，得到混合均匀的成型料；c、将步骤b得到的成型料装入模具，经过摊料、捣实工序后，进行常温压制成型；d、压制后，在模具内进行分阶段升温固化。
[0007]步骤c中的常温压制工艺是：成型压力为5Mpa、并使用垫铁，进行二次压制，保压时间为5分钟；步骤d中的固化工艺为：55~85℃固化1~3小时，95~105℃固化1~3小时、115~125℃固化3~6小时、125~135℃固化3~6小时、165~185℃固化4~7小时。
[0008]本专利技术取得的有益效果：本专利技术通过原材料的匹配、配方的调整以及工艺的优化，调控砂轮的功能性指标
处于合适的范围，满足砂轮在对钛合金的磨削过程中具有良好的自锐性、散热性和排屑效果，制备的砂轮可用于加工多种型号的钛合金，在加工节拍为15～30秒/只的条件下，不仅能够保证一次磨削去除量2μm以上、尺寸精度高、外观亮度均匀，而且表面粗糙度Ra达到0.05μm以下，实现了钛合金工件的高精度、高效率加工。
附图说明
[0009]图1、图2分别为经实施例1、实施例2所制备砂轮磨削后的钛合金棒的表面粗糙度图像。
实施方式
[0010]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮，所述砂轮的抗冲击强度为120~127 kJ/m2，洛氏硬度为73~77HRA，组织号为10~12；气孔率为24%~40%；其特征在于：由以下重量份的原料制成：聚氨酯改性酚醛树脂结合剂25~40份、磨料40~60份、相变材料5~15份、抛光材料5~15份；所述聚氨酯改性酚醛树脂结合剂的制备方法为：通过Hummers氧化法制备GO，用去离子水多次离心清洗后制成悬浮液备用；在45℃条件下，将GO的水悬浮液和苯酚混合均匀，再将聚酯型端异氰酸酯基聚氨酯预聚体投入反应容器中，搅拌下加热升温，反应一段时间后，加入甲醛及盐酸，使pH=1.9～2.3；升温至一定温度，反应一段时间后再次加入甲醛进行二次反应，反应结束后真空脱水，出料冷却，将得到的树脂块粉碎，加入一定比例的乌洛托品，研磨，过120目筛即得聚氨酯改性酚醛树脂结合剂；所得聚氨酯改性酚醛树脂结合剂中GO含量为0.01~0.5wt%、聚氨酯含量为10~35 wt%。2.根据权利要求1所述的用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮，其特征在于：所述磨料为CBN/刚玉类微粉混合磨料，包括CBN微粉、白刚玉微粉和单晶刚玉微粉，粒度范围为w14
‑
w3。3. 根据权利要求1所述的用于钛合金精密加工的磨抛一体化砂轮，其特征在于：所述相变材料是十水合硫酸钠（Na2SO4·
10H2O）、十二水合硫酸铝钾[KAl(SO4)2·
12H2O ]、 六水合氯化镁（MgCl<...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏绍灵，邹文俊，张琳琪，韩平，宋旭东，宋诚，彭进，张书森，张红颖，董广帅，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：