一种超硬磨料打磨工具及制备方法与流程

本发明涉及超硬磨料工具制备领域，特别是一种超硬磨料打磨工具及制备方法。

背景技术：

新一代的超硬磨料工具多为利用钎焊工艺的单层钎焊超硬磨料工具，它是利用焊料熔化的方式将超硬磨料与工件基体焊接在一起制作而成。目前常用的钎焊工具有钎焊锯片、钎焊磨轮、钎焊钻头等。钎焊工具由于其具有磨料出露高、高把持强度、锋利度高以及寿命长等优势，在金属材料、硬脆材料等领域的切割、磨削已得到了越来越多的应用，并在许多领域替代了传统的电镀工具。

以金刚石和立方氮化硼（CBN）为主制作的超硬磨料工具被广泛应用于各类金属材料的切割、磨削加工，石材、微晶玻璃、塑料、碳纤维等硬脆材料的切割加工。并且在公路养护、地质钻探、矿山开采、公共安全等领域得到了越来越多的应用，市场需求逐渐增多。

本发明所涉及的超硬磨料打磨工具一般由固结超硬磨料的打磨头部分与安装于打磨设备的接柄部分组成。由于打磨对象多变，结构多变，打磨头的外形有多种变化，而接柄一般较为固定。传统的打磨头多为树脂或陶瓷固化刚玉磨料制备，采用烧结压制原理将刚玉磨料压制成型然后施加温度热固化，所制备的打磨头磨料固结强度低，打磨时磨粒会不断脱落以出露出新磨料，此种方式使得打磨头消耗快，且不易保持一定形状。此外磨料的出露高度不高，打磨效率受到一定限制。

为提高打磨效率，减少打磨工具更换次数，采用钎焊、电镀的方式固结超硬磨料制备打磨工具的方式开始出现，如前所述，相比于电镀工具，钎焊工具更具有优势，但钎焊与电镀打磨工具在使用过程中逐渐暴露出一系列问题。

超硬磨料打磨头的制备是采用机加工的方式，即打磨头部分与接柄是一体式结构，可称之为打磨头基体。基体加工后再进行磨料钎焊，制备出打磨工具。

而在实际使用过程中，特别是手持打磨工具中，由于钎焊超硬磨料打磨工具基体为钢材，相比于传统树脂刚玉或碳化硅砂轮，密度大，重量大，当打磨工具高速转动时，不仅需要更高的握力，而且需要更大功率的设备进行配套。

在目前的电动工具或气动工具多配套于传统刚玉或碳化硅工具的前提下，由于同样规格下钎焊超硬磨料打磨头远重于刚玉或碳化硅磨头，导致装配时原用的打磨设备功率无法正常带动钎焊超硬磨料打磨头的旋转。因此，钎焊超硬磨料工具显示出功率不匹配、操作不舒适、手感不佳等问题。此外，过重的钎焊超硬磨料打磨工具对设备的寿命影响较大，降低了超硬磨料打磨工具的性价比。

第三，由于超硬磨料工具为单层金刚石工具，使用时磨粒不会脱落，则与打磨对象为刚性接触，打磨头使用过程中产生的回弹较刚玉砂轮大得多（刚玉砂轮可通过磨粒的不断脱落缓冲一定的弹力），宏观表现为超硬磨料工具打磨振动大，手感不佳。

为此，为推广新型超硬磨料打磨工具，必须能够从根本上减轻工具的重量，并且在减重的同时，保证焊接强度、工具强度，在此基础上减小打磨工具的振动。目前国内外针对此问题亦展开了一定的研究，但目前未有较为可行的方式。钎焊超硬磨料工具的难题在于，首先，超硬磨料进行钎焊至少需要800度以上的温度，在此温度下，钢铁相当于进行了高温回火，其硬度与强度均大大下降，若为减重将工具基体减薄或者钻减重孔，基体不仅有破裂甚至断裂的风险，而且此种方式所减轻的重量较为有限。

专利（申请号：201610055555.5）申请了一种金刚石磨轮，为减重其磨轮设计了凹槽型结构，但由于壁厚仍然较厚，亦需要在底端钻削减重孔。其次，减重结构的设计不仅面临基体强度的问题，而且面临着减重重量不匹配问题。另外。由于树脂结合剂制备的刚玉砂轮或碳化硅砂轮其重量仅相当于同等钎焊超硬磨料工具的三分之一。超硬磨料工具愈大，减重的要求愈明显。

为解决超硬磨料工具适用性的问题，若将基体材料进行更换，更换为更为轻质的金属进行制备，仍然不具有可行性，这是由于目前较为经济的轻质金属为铝，而铝的熔点仅为600多度，所使用的钎焊结合剂温度远高于铝金属，因此不具有可行性。若更换新型钎焊结合剂，则根据焊接温度越高，结合剂强度越高的一般特点，所制备的工具强度难以达到现有工具的高性能，因此不具有性价比。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种超硬磨料打磨工具，该超硬磨料打磨工具能解决钎焊超硬磨料打磨工具在使用过程中的适用性，能在不降低钎焊超硬磨料强度的基础上，减轻打磨工具的总重，使其与同规格刚玉砂轮或碳化硅砂轮相比，重量基本相同。并在此基础上达到减轻振动，提高舒适度的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种超硬磨料打磨工具，包括同轴设置的打磨头和接柄，打磨头为轴对称的回转结构，打磨头包括中空的壳体、布洒在壳体外表面上的超硬磨料和填充在壳体中空腔内的气孔泡沫金属；接柄为T型接柄，T型接柄包括圆盘和与圆盘同轴固定连接的接柄轴；圆盘外周与壳体内壁面相连接。

所述气孔泡沫金属导热系数不低于3w/(m·k)，密度不高于1g/cm³。

所述气孔泡沫金属为密度为0.1~0.6 g/cm³的铜。

所述T型接柄整体的抗拉强度大于200MPa，T型接柄中圆盘为密度低于4g/cm3的金属或非金属材料。

所述T型接柄中圆盘的材料为6061高硬铝合金材料、酚醛树脂和碳纤维复合材料中的一种。

所述壳体的壳厚范围为1.0~6.5mm，打磨头外径范围为0.5~80mm，打磨工具总长范围为6mm~160mm。

所述圆盘外周与壳体内壁面两者之间、接柄轴与圆盘两者之间的连接方式均为螺纹连接或过盈配合或钎焊连接。

本发明还提供一种超硬磨料打磨工具的制备方法，该超硬磨料打磨工具的制备方法能解决钎焊超硬磨料打磨工具在使用过程中的适用性，能在不降低钎焊超硬磨料强度的基础上，减轻打磨工具的总重，使其与同规格刚玉砂轮或碳化硅砂轮相比，重量基本相同。并在此基础上达到减轻振动，提高舒适度的目的。

一种超硬磨料打磨工具的制备方法，包括如下步骤。

步骤1，壳体制备：先加工出实心的打磨头，然后采用分离式结构，将实心打磨头内部掏空，形成中空的壳体。

步骤2，T型接柄制备。

步骤3，布洒超硬磨料：将超硬磨粒采用钎焊加热的方式布洒在步骤1中的壳体外表面。

步骤4，填充气孔泡沫金属：将气孔泡沫金属填充在布洒有超硬磨料的壳体的中空腔内。

步骤5，壳体与T型接柄连接：气孔泡沫金属填充完成后，将T型接柄中的圆盘与壳体的内壁面固定连接，使气孔泡沫金属封装在壳体的中空腔内；超硬磨料打磨工具制备完成。

所述步骤1中，采用冷锻的方式进行实心打磨头的加工；冷锻时，先根据打磨头的结构设计出锻压模具。

所述步骤2中，T型接柄制备时，圆盘和接柄轴单独加工，并通过螺纹连接。

本发明采用上述结构与方法后，具有如下有益效果：

（1）上述壳体与T型接柄紧密连接，壳体内部填充的气孔泡沫金属能对壳体进行减振，减小打磨时磨头的回弹振动。

（2）壳体内部挖空后，质量大为减轻，加入气孔泡沫金属后，对总体质量增加不大，相比于实心打磨头，总体重量大大下降。能够有效减轻打磨工具的重量，降低打磨工具对打磨设备的影响。提高以钎焊金刚石磨头为代表的超硬磨料工具的适用性，在金属与非金属打磨领域可以发挥更大的功效。

（3）上述壳体选用以高铬钢、高锰钢为代表的高强度钢材，高温后其强度仍具有一定的保持。进一步，在壳体内部加入气孔泡沫金属的轻质材料，不仅可以起减重、散热的作用，亦可以起到对壳体的支撑作用，保证了壳体的强度与刚性符合使用要求。

（4）质量变轻的打磨头，与传统刚玉或碳化硅磨头重量相似，可以较好地应用于同规格的打磨设备中去，如应用于石材加工、金属或非金属加工、复合材料加工等领域；从而有利于推广与应用，对于占领价值数百亿人民币的金属与非金属打磨工具市场极为有利。

（5）减重后的打磨头重量轻，易于操作，手感轻，且打磨时打磨锋利，火花小，无粉尘，无有毒气体，利于操作人员的安全与身体健康。

附图说明

图1显示了现有技术中超硬磨料打磨工具的结构示意图。

图2显示了本发明中一种超硬磨料打磨工具的结构示意图。

图3显示了T型接柄的结构示意图。

其中有：1.打磨头；2.接柄；3.超硬磨料；4.壳体；5.气孔泡沫金属；6.连接处一；7.T型接柄；8.连接处二；9.圆盘；10.接柄轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

现有技术中的超硬磨料打磨工具，如图1所示，包括打磨头1和接柄2，打磨头为轴对称的回转结构。

如图2所示，本发明的一种超硬磨料打磨工具，也包括同轴设置的打磨头和接柄，打磨头也为轴对称的回转结构，打磨头的外形多变，可以为圆柱形、锥形、圆球形、半圆球形、弧面形以及其它异形面结构中的任意一种，具体根据需要进行设置。

另外，本发明的打磨头包括中空的壳体4、布洒在壳体外表面上的超硬磨料3和填充在壳体中空腔内的气孔泡沫金属5。

打磨头外径范围为0.5~80mm，打磨工具总长范围为6mm~160mm。

上述壳体设计，能有效缓冲振动的冲击，但由于壳体内部为中空状态，则对壳体的强度要求较高，厚度不能过薄。壳体的厚度由磨削负载以及钎焊加热温度决定的。壳体的厚度必须保证打磨时焊接表面不开裂，不破碎，其次应避免磨头在长期打磨情况下发生变形。壳体的厚度优选为1.0~6.5mm。另外，壳体材料应选用较硬的钢材，如40Cr，而非传统的45钢。

上述壳体选用以高铬钢、高锰钢为代表的高强度钢材，高温后其强度仍具有一定的保持。进一步，在壳体内部加入气孔泡沫金属的轻质材料，不仅可以起减重、散热的作用，亦可以起到对壳体的支撑作用，保证了壳体的强度与刚性符合使用要求。

上述气孔泡沫金属的导热系数优选不低于3w/(m·k)，密度不高于1g/cm³。进一步，气孔泡沫金属优选为密度为0.1~0.6 g/cm³的铜，铜的表面导热效率可高达20w/(m·k)以上，一般可达其他金属的0.01倍~0.1倍。

上述所选气孔泡沫金属材料气孔大小与密度可根据实际打磨要求进行调整。一般来说，气孔大，材料轻，密度小，但强度有所降低。

上述气孔泡沫金属的设置，具有如下四个方面的作用：

1.对壳体进行支撑，增加壳体的强度。

2.具有缓冲振动作用。

3.密度小，质量轻，重量增加部分少，对打磨工具本身质量影响小。

4.高散热率，能够将磨削产生的热量有效散去。

当壳体内未填充气孔泡沫金属时，壳体内部为空气，在打磨时所产生的大量热量只能通过空气进行传导，而空气的传热效率约为0.01 w/(m·k)，远小于金属，因而其散热效果远不如气孔泡沫金属优异，因此打磨工具的传热性能受到一定影响，不利于磨削性能的提高。另外，在打磨过程中，热量多由超硬磨料与金属摩擦以及金属变形异化所产生，并经超硬磨料传导至基体部分，若基体内部空气不能迅速传热，则易使打磨工具表面温度急剧升高，重负载磨削时磨粒强度大大降低，导致磨粒破碎。因此，打磨工具的高效传热作用尤其关键。

上述接柄为T型接柄，如图3所示，T型接柄包括圆盘9和与圆盘同轴固定连接的接柄轴10。

圆盘外周与壳体内壁面相连接，为图2中的连接处一6。连接处一的连接的方式有螺纹连接、过盈配合连接、钎焊焊接连接等多种方式。

为保证与T型接柄的紧密连接，壳体边缘优选加工有内螺纹结构，圆盘外周加工有外螺纹结构，圆盘外周与壳体内壁面螺纹配合连接。这种螺纹连接方式能使打磨区域在受到打磨对象的摩擦力作用下保持紧密连接，提高了系统的稳定性。

若打磨负载较小，也可以采用过盈配合或直接连接。

若基体较大，打磨头基体厚度较厚的情况下，可采用焊接的方式将壳体与T型接柄相连接。

上述T型接柄整体的抗拉强度大于200MPa，T型接柄中圆盘优选为密度低于4g/cm³的金属或非金属材料。如为6061高硬铝合金材料、酚醛树脂和碳纤维复合材料等中的一种。进一步优选为6061高硬铝合金材料。

接柄轴与圆盘两者之间的连接点为图3中的连接处二8。接柄轴与圆盘可以为一体设置，也可以为螺纹连接或过盈配合或钎焊连接；但优选为螺纹连接。

T型接柄与壳体连接，其主要作用为利于打磨设备的夹持，由于其受力较小，主要为保证与壳体结合后的同轴精度与回转精度。因此其加工亦可以在保证一定强度的情况下，选用质量较轻的材料。由于T型接柄与壳体是相互独立的，不必进行钎焊加热，因此在常温状态下能够保证强度即可，在此要求下，结合金属材料的密度进行筛选，由于钢密度7.9g/cm³，刚玉密度约3.95 g/cm³左右，因此，所要寻找的材料应该是密度低于4 g/cm³，且具有较高强度的材料。经过筛选，认为6061高硬铝合金材料可达到此类要求，当然本发明并不局限于此材料，如酚醛树脂、碳纤维复合材料等均具有用于此结构的可能与可行性。

一种超硬磨料打磨工具的制备方法，包括如下步骤。

步骤1，壳体制备：先加工出实心的打磨头，然后采用分离式结构，将实心打磨头内部掏空，形成中空的壳体。

由于钢材的密度约为刚玉的三倍，因此加工出的打磨头基体是同规格的刚玉磨头的两倍多。因此采用分离式结构，将打磨头基体内部掏空，可大大降低整体重量。

实心打磨头有如下两种优选加工方式。

方式1：采用数控机床加工。

方式2：采用冷锻的方式进行实心打磨头的加工。

本发明的壳体结构，若采用方式1用数控机床加工，则难度叫大，性价比低。本发明优选采用方式2冷锻（又叫冷挤压）的方式进行制备。根据设计的结构加工出锻压模具，利用模具保证尺寸与位置精度，可达到批量加工的目的，而且基本无废料的产生，生产成本低，效率高，是最为理想的加工方式。

步骤2，T型接柄制备。由于接柄的结构一般为带有螺纹的圆盘状与持用的轴状。此结构的加工方式若采用直接车削加工则材料浪费严重，可采用冷挤压方式直接挤压成型，有利于接柄的加工经济性。

当圆盘外形与接柄轴的外径比值较大时，若仍采用冷挤压方式，则对模具要求较高。因此，当打磨头外径尺寸较大时，可以将圆盘与接柄轴进行拆分，分别加工。即将T型接柄拆分成两个零件，分别为圆盘与接柄轴，通过螺纹方式连接。此种方式在批量生产条件下，可以更具有经济性。

步骤3，布洒超硬磨料：将超硬磨粒采用钎焊加热的方式布洒在步骤1中的壳体外表面。

步骤4，填充气孔泡沫金属：将气孔泡沫金属填充在布洒有超硬磨料的壳体的中空腔内。

步骤5，壳体与T型接柄连接：气孔泡沫金属填充完成后，将T型接柄中的圆盘与壳体的内壁面固定连接，使气孔泡沫金属封装在壳体的中空腔内；超硬磨料打磨工具制备完成。

下面就两个具体优选实施例对上述超硬磨料打磨工具及制备方法进行详细阐述。

实施例1

制备一种用于打磨铸铁表面毛刺与焊点的钎焊金刚石打磨头，形状如图2所示，总长71.5mm，打磨头基体外径24.5mm，T型接柄直径6mm。制备方法如下：

步骤1，壳体厚度设置为0.9mm，由于为平面与顶面磨削，本身受力较小，因此壳体选用较薄的材料，壳体采用冷抗压方式加工，材料为65Mn钢。

步骤2，T型接柄制备。T型接柄采用6061式铝合金材料，由于接柄圆盘部分与轴部分尺寸相差不大，采用冷挤压整体加工。

步骤3，布洒超硬磨料：将超硬磨粒采用钎焊加热的方式布洒在步骤1中的壳体外表面。超硬磨料选用金刚石，粒度为35目左右，高品级耐磨型。真空钎焊方式，镍基焊料钎焊，最高温度1020度。

步骤4，填充气孔泡沫金属：将气孔泡沫金属填充在布洒有超硬磨料的壳体的中空腔内。气孔泡沫金属选用密度为0.8 g/cm³的铜，密度大，强度高，加工成图2所示结构。

步骤5，壳体与T型接柄连接：气孔泡沫金属填充完成后，将气孔泡沫金属置于固结有金刚石的壳体内部，接柄与壳体通过M20螺纹连接；超硬磨料打磨工具制备完成。

打磨工具壳体采用65Mn钢，焊前硬度HRC38，焊后硬度HRC10~12，相比于整体式加工打磨工具（45钢基体，焊前HRC20，焊后HRC0~7），壳体的硬度有较大提高，且当有气孔泡沫金属支撑的情况下，打磨工具的刚性比无气孔泡沫金属提高了20~30%左右。总体重量减轻相比于纯钢基体约70%左右，与刚玉砂轮相比，重量基本接近，达到了设计要求，经实际打磨测试发现，打磨噪音低，重量轻，手感佳，振动小，火花小，使用效果较为理想。

实施例2：

制备一种用于打磨船用高强度钢表面焊缝与焊点的钎焊CBN（立方氮化硼）磨头，磨头外径39mm，总长40mm，由于高强度钢不适用于金刚石打磨，因此磨料选用CBN（立方氮化硼）磨料。具体制备方法如下：

步骤1，磨头顶端采用壳体式，由于为侧面与顶面磨削，受力较小，但需要抑止振动，壳体厚度设置为为1.2mm，壳体采用冷抗压方式加工，材料为65Mn钢。

步骤2，T型接柄制备。T型接柄采用分离式结构，由于接柄圆盘与接柄轴尺寸相差较大，采用冷挤压方式分别加工圆盘与接柄轴。其中圆盘采用酚醛树脂材料，进一步减轻重量，接柄轴采用6061硬铝材料。

步骤3，布洒超硬磨料：超硬磨料选用CBN，粒度为40目左右，高品级自锐型。真空钎焊方式，铜基焊料钎焊，最高温度825度。

步骤4，填充气孔泡沫金属：将气孔泡沫金属填充在布洒有超硬磨料的壳体的中空腔内。气孔泡沫金属选用密度为0.2 g/cm3的铜，密度小，主要作导热、缓冲作用。

步骤5，壳体与T型接柄连接：气孔泡沫金属填充完成后，将气孔泡沫金属置于固结有金刚石的壳体内部，接柄轴与圆盘螺纹连接，然后与壳体通过过盈配合连接；超硬磨料打磨工具制备完成。

打磨工具壳体采用65Mn钢，焊前硬度HRC38，焊后硬度HRC10~12，相比于整体式加工打磨工具（45钢基体，焊前HRC20，焊后HRC0~7），壳体的硬度有较大提高，且当有气孔泡沫金属支撑的情况下，打磨工具的刚性比无气孔泡沫金属提高了20~30%左右。制备后磨头总体重量减轻相比于纯钢基体约55%左右，与刚玉砂轮相比，重量仅提高5%左右，达到了设计要求，经实际打磨测试发现，打磨噪音低，重量轻，手感佳，振动小，火花小，磨料表面不易粘附，使用效果较为理想。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。