一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，包括：工作台、保护腔底座、保护腔罩、超声波换能器、超声波变幅杆、冷却系统、感应加热线圈、红外测温仪；使用时，首先将涂覆有活性结合剂和磨粒的磨粒工具基体固定在超声波变幅杆末端，然后在保护腔中通入惰性气体或抽真空，调整红外测温仪使其能测到磨粒连接区温度；启动冷却系统和感应加热器通过感应线圈对工具基体加热，待活性结合剂达到熔化温度后启动超声波换能器，对工具基体施加超声波，待升温工工艺完成后，停止超声波施加；待连接区温度降到液固转化温度时，重新施加超声波，待连接区温度降低到活性结合剂回火温度后停止超声波加载，冷却到室温后得到磨粒工具。
【专利说明】
一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置
技术领域
[0001]本发明设计磨粒工具制备装置，尤其涉及一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置。
【背景技术】
[0002]磨粒工具磨削在金属、陶瓷、光学晶体、半导体、天然石材等材料高效精密加工中发挥着无可替代的支柱作用，也是提高零件表面光洁度的必不可缺少的手段。磨粒工具磨削的实质是通过固定在工具基体上的众多磨粒对工件进行微观上的微量去除从而达到工件宏观上的整体去除。实现这一加工必须以磨粒牢固固定在工具基体上为前提。在上世纪提出用钎焊技术在高温下使金刚石与活性钎料界面形成化学冶金结合以实现结合剂对金刚石的牢固把持，彻底解决了电镀、烧结工艺存在结合不牢的问题，成为国内外学者研究的热点。钎焊磨粒工具的高把持力、大容肩空间等优选已经得到业界的证实，但依然没有得到实质性的推广应用。就其根源在于:钎焊过程钎料对磨粒的化学侵蚀使得磨粒自身性能下降，同时由于钎料与磨粒间热膨胀系数失配导致焊后磨粒上存在巨大残余应力。
[0003]由于磨粒化学侵蚀与其曝露于高温下的时间有关，时间越长，界面反映越充分，侵蚀程度越严重。现有磨粒钎焊过程都是让钎料熔化化后借助润湿效应自动向磨粒顶部爬升，形成具有一定几何形态的连接。在保证钎料向磨粒润湿爬升的前提下，高温保温时间可压缩的空间极其有限。对于残余应力问题，尽管目前有采用焊后热处理，但是效果并不理雄
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[0004]毫无疑问，上述问题成为制约钎焊磨粒工具应用推广的瓶颈。
[0005]上述问题严重制约了钎焊磨粒工具的推广使用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过超声波辅助活性连接磨粒制备高性能磨粒工具的装置。
[0007]为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于包括:工作台、保护腔底座、保护腔罩、超声波换能器、超声波变幅杆、冷却环、感应加热线圈、支架、红外测温仪；
[0008]所述保护腔底座固定在工作台上，保护腔罩扣在保护腔底座上，从而形成密闭的保护腔；
[0009]所述超声波换能器固定在保护腔底座上，超声波变幅杆固定在超声波换能器上，超声波变幅杆的外周缠绕有冷却环，冷却环经过保护腔底座上的冷却接口与保护腔外的冷却系统连接；
[0010]所述超声波变幅杆的前端设有感应加热线圈，感应加热线圈经过保护腔底座上的感应加热线圈接口与保护腔外的感应加热器相连接；
[0011]所述工作台上立有一支架，支架具有一与工作台表面垂直的垂直段，以及一与工作台表面平行的平行段;所述平行段位于保护腔罩的上方，并且其朝向保护腔罩的一面设有红外测温仪;所述红外测温仪与感应加热器相连；
[0012]所述保护腔底座上设有气氛保护接口，其与气氛保护系统相连;所述保护腔罩的顶部设有透明窥视孔。
[0013]在一较佳实施例中:所述保护腔为真空状态，或者充满惰性气体。
[0014]在一较佳实施例中:所述惰性气体为氦气或氮气。
[0015]在一较佳实施例中:所述超声波变幅杆材质是高温台钛合金或工具钢。
[0016]在一较佳实施例中:所述超声波换能器通过法兰固定在保护腔底座上。
[0017]在一较佳实施例中:所述平行段朝向保护腔罩的一面还设有摄像头，其与视频采集系统相连。
[0018]在一较佳实施例中:所述超声波变幅杆的末端与已涂覆有活性结合剂和磨粒的工具基体连接。
[0019]在一较佳实施例中:所述磨粒为金刚石或立方氮化硼或氧化铝或碳化硅或硬质合金颗粒。
[0020]在一较佳实施例中:所述的涂覆是将活性结合剂先涂覆在工具基体上，再将磨粒涂覆在活性结合剂上;或是将活性结合剂和磨粒一起混合后涂覆在工具基体上。
[0021 ]相较于现有技术，本发明具备以下有益效果:
[0022]本发明中，在活性结合剂连接磨粒时，借助超声波辅助振动，促进活性结合剂粉末熔化与粘结，加速液态熔池;进而借助超声波强压空穴效应，促进熔融液态活性结合剂流动，降低固液表面张力，促进磨粒/结合剂界面化学连接形成，加速结合剂爬升磨粒，从而缩短磨粒暴露于高温区时间，缩短磨粒化学腐蚀。
[0023]本发明中，在钎料处于熔融态和液/固转变阶段，利用超声波高频搅拌阻止晶粒长大和细化晶粒，缓解组织应力;在钎料凝固后的初始高温阶段，借助超声波高频振动进行高温振动时效处理，促使钎料合金发生蠕变并发生微屈服流动，缓解热应力，以从源头上减少残余应力的形成。
[0024]通过上述技术方案的实施，采用发明装置制作的磨粒工具的工作寿命和抗磨损能力大大超过比现有技术所制的工具。
【附图说明】
[0025]图1为本发明优选实施例中超声波辅助感应加热制备磨粒工具装置的示意图；
[0026]图中:I是工作台，2是保护腔底座，3是保护腔罩，4是超声波换能器，5是超声波变幅杆，6是冷却环，7是感应加热线圈，8是支架，9是红外测温仪，10是摄像头，11是超声波电源相连，12是冷却接口，13是冷却系统，14是感应加热线圈接口，15是感应加热器，16是气氛保护接口，17是气氛保护系统，18是透明窥视孔，19是视频采集系统。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
[0028]—种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，如图1所示，包括工作台1、保护腔底座2、保护腔罩3、超声波换能器4、超声波变幅杆5、冷却环6、感应加热线圈7、支架8、红外测温仪9，摄像头10;
[0029]所述保护腔底座2固定在工作台I上，保护腔罩3扣在保护腔底座2上，从而形成密闭的保护腔；
[0030]所述超声波换能器4固定在保护腔底座2上，超声波变幅杆5固定在超声波换能器4上，超声波变幅杆5的外周缠绕有冷却环6，冷却环6经过保护腔底座2上的冷却接口 12与保护腔外的冷却系统13连接；
[0031]所述超声波变幅杆5的前端设有感应加热线圈7，感应加热线圈7经过保护腔底座2上的感应加热线圈接口 14与保护腔外的感应加热器15相连接；
[0032]所述工作台I上立有一支架8，支架8具有一与工作台I表面垂直的垂直段，以及一与工作台表面平行的平行段;所述平行段位于保护腔罩3的上方，并且其朝向保护腔罩3的一面设有红外测温仪9;所述红外测温仪9与感应加热器15相连；
[0033]所述保护腔底座2上设有气氛保护接口16，其与气氛保护系统17相连;所述保护腔罩3的顶部设有透明窥视孔18。
[0034]所述平行段朝向保护腔罩3的一面还设有所述摄像头10，其与视频采集系统19相连。
[0035]应用实例1:
[0036]选用NiCrPSi活性结合剂，目数为35/40金刚石，45号为工具基体，使用上述的超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置进行金刚石磨粒磨头的制备。
[0037]具体步骤:
[0038]I)将NiCrPSi活性结合剂与合成胶水按质量7:1比例混匀后涂平在工具基体连接面上，厚度为150um，在将金刚石磨粒放在活性结合剂涂覆层上，烘干或晾干后将工具基体通过螺纹连接固定在超声波变幅杆5的末端上。
[0039]2)将保护腔罩3扣在保护腔底座2上形成密闭的保护腔，启动气氛保护系统17通过气氛保护接口 16对保护腔进行抽真空、回填氩气和二次抽真空操作。调整红外测温仪9使其测温焦点对准工具基体的连接面，调整摄像头10，使其拍摄面对准工具基体的连接面。
[0040]3)启动冷却系统13，开始对超声波变幅杆5进行冷却。启动感应加热器15，通过感应加热线圈7对工具基体进行升温加热。待红外测温仪9的温度显示为970°C时，启动超声波换能器4，设定输出功率为10w，振幅为3um，振动频率为20kHz，持续振动到温度达到1020°C并保温1s后停止超声波加载。关闭或减小感应加热器15的功率，待温度降至950°C后，再次启动超声波换能器4，设定输出功率为1500w，振幅为9um，振动频率为20kHz，持续振动到工具基体温度降至350°C后，关闭超声波，继续随炉冷却到室温后，向保护腔回填氩气后打开保护腔罩，将焊好的磨粒工具从变幅杆上取下，得到所要的高品质工具磨头。
[0041 ] 应用实例2:
[0042]选用AgCuTi活性结合剂，目数为50/60CBN磨粒，45钢为工具基体，进行超声波辅助感应加热连接制备金刚石磨粒磨头。
[0043]具体步骤:
[0044]I)将AgCuTi活性结合剂与合成胶水按质量5:1比例混匀后涂平在工具基体连接面上，厚度为10um，在将CBN磨粒放在活性结合剂涂覆层上，烘干或晾干后将工具基体通过螺纹连接固定在超声波变幅杆5的末端上。
[0045]将保护腔罩3扣在保护腔底座2上形成密闭的保护腔，启动气氛保护系统17通过气氛保护接口 16对保护腔进行抽真空、回填氩气和二次抽真空操作。
[0046]调整红外测温仪9使其测温焦点对准工具基体的连接面，调整摄像头10，使其拍摄面对准工具基体的连接面。
[0047]启动冷却系统13，开始对超声波变幅杆5进行冷却。启动感应加热器15，通过感应加热线圈7对工具基体进行升温加热。待红外测温仪9的温度显示为800°C时，启动超声波换能器4，设定输出功率为80w，振幅为3um，振动频率为28kHz，持续振动到温度达到880 °C并保温1min后停止超声波加载，关闭感应加热器15。待温度降至800°C后，再次启动超声波换能器4，设定输出功率为1200w，振幅为6um，振动频率为28kHz，持续振动到工具基体温度降至350°C后，关闭超声波换能器4，继续冷却到室温后，向保护腔回填氩气后打开保护腔罩3，磨粒工具从超声波变幅杆5上取下，得到所要的高品质工具磨头。
[0048]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于包括:工作台、保护腔底座、保护腔罩、超声波换能器、超声波变幅杆、冷却环、感应加热线圈、支架、红外测温仪； 所述保护腔底座固定在工作台上，保护腔罩扣在保护腔底座上，从而形成密闭的保护腔； 所述超声波换能器固定在保护腔底座上，超声波变幅杆固定在超声波换能器上，超声波变幅杆的外周缠绕有冷却环，冷却环经过保护腔底座上的冷却接口与保护腔外的冷却系统连接； 所述超声波变幅杆的前端设有感应加热线圈，感应加热线圈经过保护腔底座上的感应加热线圈接口与保护腔外的感应加热器相连接； 所述工作台上立有一支架，支架具有一与工作台表面垂直的垂直段，以及一与工作台表面平行的平行段;所述平行段位于保护腔罩的上方，并且其朝向保护腔罩的一面设有红外测温仪;所述红外测温仪与感应加热器相连； 所述保护腔底座上设有气氛保护接口，其与气氛保护系统相连;所述保护腔罩的顶部设有透明窥视孔。2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述保护腔为真空状态，或者充满惰性气体。3.根据权利要求2所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述惰性气体为氦气或氮气。4.根据权利要求1所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述超声波变幅杆材质是高温钛合金或工具钢。5.根据权利要求1所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述超声波换能器通过法兰固定在保护腔底座上。6.根据权利要求1所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述平行段朝向保护腔罩的一面还设有摄像头，其与视频采集系统相连。7.根据权利要求1所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述超声波变幅杆的末端与已涂覆有活性结合剂和磨粒的工具基体连接。8.根据权利要求7所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述磨粒为金刚石或立方氮化硼或氧化铝或碳化硅或硬质合金颗粒。9.根据权利要求7所述的一种超声波辅助感应加热制备钎焊磨粒工具的装置，其特征在于:所述的涂覆是将活性结合剂先涂覆在工具基体上，再将磨粒涂覆在活性结合剂上;或是将活性结合剂和磨粒一起混合后涂覆在工具基体上。
【文档编号】B23K3/08GK105855655SQ201610367138
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】黄国钦, 石晓鹏, 陈世隐, 郭佳杰, 黄辉, 郭桦, 徐西鹏
【申请人】华侨大学