本實用新型涉及超硬磨料工具制備領(lǐng)域，特別是一種填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具。

背景技術(shù)：

新一代的超硬磨料工具多為利用釬焊工藝的單層釬焊超硬磨料工具，它是利用焊料熔化的方式將超硬磨料與工件基體焊接在一起制作而成。目前常用的釬焊工具有釬焊鋸片、釬焊磨輪、釬焊鉆頭等。釬焊工具由于其具有磨料出露高、高把持強度、鋒利度高以及壽命長等優(yōu)勢，在金屬材料、硬脆材料等領(lǐng)域的切割、磨削已得到了越來越多的應(yīng)用，并在許多領(lǐng)域替代了傳統(tǒng)的電鍍工具。

以金剛石和立方氮化硼（CBN）為主制作的超硬磨料工具被廣泛應(yīng)用于各類金屬材料的切割、磨削加工，石材、微晶玻璃、塑料、碳纖維等硬脆材料的切割加工。并且在公路養(yǎng)護(hù)、地質(zhì)鉆探、礦山開采、公共安全等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，市場需求逐漸增多。

本實用新型所涉及的超硬磨料打磨工具一般由固結(jié)超硬磨料的打磨頭部分與安裝于打磨設(shè)備的接柄部分組成。由于打磨對象多變，結(jié)構(gòu)多變，打磨頭的外形有多種變化，而接柄一般較為固定。傳統(tǒng)的打磨頭多為樹脂或陶瓷固化剛玉磨料制備，采用燒結(jié)壓制原理將剛玉磨料壓制成型然后施加溫度熱固化，所制備的打磨頭磨料固結(jié)強度低，打磨時磨粒會不斷脫落以出露出新磨料，此種方式使得打磨頭消耗快，且不易保持一定形狀。此外磨料的出露高度不高，打磨效率受到一定限制。

為提高打磨效率，減少打磨工具更換次數(shù)，采用釬焊、電鍍的方式固結(jié)超硬磨料制備打磨工具的方式開始出現(xiàn)，如前所述，相比于電鍍工具，釬焊工具更具有優(yōu)勢，但釬焊與電鍍打磨工具在使用過程中逐漸暴露出一系列問題。

超硬磨料打磨頭的制備是采用機加工的方式，即打磨頭部分與接柄是一體式結(jié)構(gòu)，可稱之為打磨頭基體。基體加工后再進(jìn)行磨料釬焊，制備出打磨工具。

而在實際使用過程中，特別是手持打磨工具中，由于釬焊超硬磨料打磨工具基體為鋼材，相比于傳統(tǒng)樹脂剛玉或碳化硅砂輪，密度大，重量大，當(dāng)打磨工具高速轉(zhuǎn)動時，不僅需要更高的握力，而且需要更大功率的設(shè)備進(jìn)行配套。

在目前的電動工具或氣動工具多配套于傳統(tǒng)剛玉或碳化硅工具的前提下，由于同樣規(guī)格下釬焊超硬磨料打磨頭遠(yuǎn)重于剛玉或碳化硅磨頭，導(dǎo)致裝配時原用的打磨設(shè)備功率無法正常帶動釬焊超硬磨料打磨頭的旋轉(zhuǎn)。因此，釬焊超硬磨料工具顯示出功率不匹配、操作不舒適、手感不佳等問題。此外，過重的釬焊超硬磨料打磨工具對設(shè)備的壽命影響較大，降低了超硬磨料打磨工具的性價比。

第三，由于超硬磨料工具為單層金剛石工具，使用時磨粒不會脫落，則與打磨對象為剛性接觸，打磨頭使用過程中產(chǎn)生的回彈較剛玉砂輪大得多（剛玉砂輪可通過磨粒的不斷脫落緩沖一定的彈力），宏觀表現(xiàn)為超硬磨料工具打磨振動大，手感不佳。

為此，為推廣新型超硬磨料打磨工具，必須能夠從根本上減輕工具的重量，并且在減重的同時，保證焊接強度、工具強度，在此基礎(chǔ)上減小打磨工具的振動。目前國內(nèi)外針對此問題亦展開了一定的研究，但目前未有較為可行的方式。釬焊超硬磨料工具的難題在于，首先，超硬磨料進(jìn)行釬焊至少需要800度以上的溫度，在此溫度下，鋼鐵相當(dāng)于進(jìn)行了高溫回火，其硬度與強度均大大下降，若為減重將工具基體減薄或者鉆減重孔，基體不僅有破裂甚至斷裂的風(fēng)險，而且此種方式所減輕的重量較為有限。

專利（申請?zhí)枺?01610055555.5）申請了一種金剛石磨輪，為減重其磨輪設(shè)計了凹槽型結(jié)構(gòu)，但由于壁厚仍然較厚，亦需要在底端鉆削減重孔。其次，減重結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅面臨基體強度的問題，而且面臨著減重重量不匹配問題。另外。由于樹脂結(jié)合劑制備的剛玉砂輪或碳化硅砂輪其重量僅相當(dāng)于同等釬焊超硬磨料工具的三分之一。超硬磨料工具愈大，減重的要求愈明顯。

為解決超硬磨料工具適用性的問題，若將基體材料進(jìn)行更換，更換為更為輕質(zhì)的金屬進(jìn)行制備，仍然不具有可行性，這是由于目前較為經(jīng)濟(jì)的輕質(zhì)金屬為鋁，而鋁的熔點僅為600多度，所使用的釬焊結(jié)合劑溫度遠(yuǎn)高于鋁金屬，因此不具有可行性。若更換新型釬焊結(jié)合劑，則根據(jù)焊接溫度越高，結(jié)合劑強度越高的一般特點，所制備的工具強度難以達(dá)到現(xiàn)有工具的高性能，因此不具有性價比。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具，該填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具能解決釬焊超硬磨料打磨工具在使用過程中的適用性，能在不降低釬焊超硬磨料強度的基礎(chǔ)上，減輕打磨工具的總重，使其與同規(guī)格剛玉砂輪或碳化硅砂輪相比，重量基本相同。并在此基礎(chǔ)上達(dá)到減輕振動，提高舒適度的目的。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是：

一種填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具，包括同軸設(shè)置的打磨頭和接柄，打磨頭為軸對稱的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，打磨頭包括中空的殼體、布灑在殼體外表面上的超硬磨料和填充在殼體中空腔內(nèi)的氣孔泡沫金屬；接柄為T型接柄，T型接柄包括圓盤和與圓盤同軸固定連接的接柄軸；圓盤外周與殼體內(nèi)壁面相連接。

所述氣孔泡沫金屬導(dǎo)熱系數(shù)不低于3w/(m·k)，密度不高于1g/cm³。

所述氣孔泡沫金屬為密度為0.1~0.6 g/cm³的銅。

所述T型接柄整體的抗拉強度大于200MPa，T型接柄中圓盤為密度低于4g/cm³的金屬或非金屬材料。

所述T型接柄中圓盤的材料為6061高硬鋁合金材料、酚醛樹脂和碳纖維復(fù)合材料中的一種。

所述殼體的殼厚范圍為1.0~6.5mm，打磨頭外徑范圍為0.5~80mm，打磨工具總長范圍為6mm~160mm。

所述圓盤外周與殼體內(nèi)壁面兩者之間、接柄軸與圓盤兩者之間的連接方式均為螺紋連接或過盈配合或釬焊連接。

本實用新型采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果：

（1）上述殼體與T型接柄緊密連接，殼體內(nèi)部填充的氣孔泡沫金屬能對殼體進(jìn)行減振，減小打磨時磨頭的回彈振動。

（2）殼體內(nèi)部挖空后，質(zhì)量大為減輕，加入氣孔泡沫金屬后，對總體質(zhì)量增加不大，相比于實心打磨頭，總體重量大大下降。能夠有效減輕打磨工具的重量，降低打磨工具對打磨設(shè)備的影響。提高以釬焊金剛石磨頭為代表的超硬磨料工具的適用性，在金屬與非金屬打磨領(lǐng)域可以發(fā)揮更大的功效。

（3）上述殼體選用以高鉻鋼、高錳鋼為代表的高強度鋼材，高溫后其強度仍具有一定的保持。進(jìn)一步，在殼體內(nèi)部加入氣孔泡沫金屬的輕質(zhì)材料，不僅可以起減重、散熱的作用，亦可以起到對殼體的支撐作用，保證了殼體的強度與剛性符合使用要求。

（4）質(zhì)量變輕的打磨頭，與傳統(tǒng)剛玉或碳化硅磨頭重量相似，可以較好地應(yīng)用于同規(guī)格的打磨設(shè)備中去，如應(yīng)用于石材加工、金屬或非金屬加工、復(fù)合材料加工等領(lǐng)域；從而有利于推廣與應(yīng)用，對于占領(lǐng)價值數(shù)百億人民幣的金屬與非金屬打磨工具市場極為有利。

（5）減重后的打磨頭重量輕，易于操作，手感輕，且打磨時打磨鋒利，火花小，無粉塵，無有毒氣體，利于操作人員的安全與身體健康。

附圖說明

圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)中填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示了本實用新型中一種填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3顯示了T型接柄的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中有：1.打磨頭；2.接柄；3.超硬磨料；4.殼體；5.氣孔泡沫金屬；6.連接處一；7.T型接柄；8.連接處二；9.圓盤；10.接柄軸。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實施方式對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

現(xiàn)有技術(shù)中的超硬磨料打磨工具，如圖1所示，包括打磨頭1和接柄2，打磨頭為軸對稱的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，本實用新型的一種填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具，也包括同軸設(shè)置的打磨頭和接柄，打磨頭也為軸對稱的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，打磨頭的外形多變，可以為圓柱形、錐形、圓球形、半圓球形、弧面形以及其它異形面結(jié)構(gòu)中的任意一種，具體根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

另外，本實用新型的打磨頭包括中空的殼體4、布灑在殼體外表面上的超硬磨料3和填充在殼體中空腔內(nèi)的氣孔泡沫金屬5。

打磨頭外徑范圍為0.5~80mm，打磨工具總長范圍為6mm~160mm。

上述殼體設(shè)計，能有效緩沖振動的沖擊，但由于殼體內(nèi)部為中空狀態(tài)，則對殼體的強度要求較高，厚度不能過薄。殼體的厚度由磨削負(fù)載以及釬焊加熱溫度決定的。殼體的厚度必須保證打磨時焊接表面不開裂，不破碎，其次應(yīng)避免磨頭在長期打磨情況下發(fā)生變形。殼體的厚度優(yōu)選為1.0~6.5mm。另外，殼體材料應(yīng)選用較硬的鋼材，如40Cr，而非傳統(tǒng)的45鋼。

上述殼體選用以高鉻鋼、高錳鋼為代表的高強度鋼材，高溫后其強度仍具有一定的保持。進(jìn)一步，在殼體內(nèi)部加入氣孔泡沫金屬的輕質(zhì)材料，不僅可以起減重、散熱的作用，亦可以起到對殼體的支撐作用，保證了殼體的強度與剛性符合使用要求。

上述氣孔泡沫金屬的導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)選不低于3w/(m·k)，密度不高于1g/cm³。進(jìn)一步，氣孔泡沫金屬優(yōu)選為密度為0.1~0.6 g/cm³的銅，銅的表面?zhèn)鳠嵝士筛哌_(dá)20w/(m·k)以上，一般可達(dá)其他金屬的0.01倍~0.1倍。

上述所選氣孔泡沫金屬材料氣孔大小與密度可根據(jù)實際打磨要求進(jìn)行調(diào)整。一般來說，氣孔大，材料輕，密度小，但強度有所降低。

上述氣孔泡沫金屬的設(shè)置，具有如下四個方面的作用：

1.對殼體進(jìn)行支撐，增加殼體的強度。

2.具有緩沖振動作用。

3.密度小，質(zhì)量輕，重量增加部分少，對打磨工具本身質(zhì)量影響小。

4.高散熱率，能夠?qū)⒛ハ鳟a(chǎn)生的熱量有效散去。

當(dāng)殼體內(nèi)未填充氣孔泡沫金屬時，殼體內(nèi)部為空氣，在打磨時所產(chǎn)生的大量熱量只能通過空氣進(jìn)行傳導(dǎo)，而空氣的傳熱效率約為0.01 w/(m²·k)，遠(yuǎn)小于金屬，因而其散熱效果遠(yuǎn)不如氣孔泡沫金屬優(yōu)異，因此打磨工具的傳熱性能受到一定影響，不利于磨削性能的提高。另外，在打磨過程中，熱量多由超硬磨料與金屬摩擦以及金屬變形異化所產(chǎn)生，并經(jīng)超硬磨料傳導(dǎo)至基體部分，若基體內(nèi)部空氣不能迅速傳熱，則易使打磨工具表面溫度急劇升高，重負(fù)載磨削時磨粒強度大大降低，導(dǎo)致磨粒破碎。因此，打磨工具的高效傳熱作用尤其關(guān)鍵。

上述接柄為T型接柄，如圖3所示，T型接柄包括圓盤9和與圓盤同軸固定連接的接柄軸10。

圓盤外周與殼體內(nèi)壁面相連接，為圖2中的連接處一6。連接處一的連接的方式有螺紋連接、過盈配合連接、釬焊焊接連接等多種方式。

為保證與T型接柄的緊密連接，殼體邊緣優(yōu)選加工有內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，圓盤外周加工有外螺紋結(jié)構(gòu)，圓盤外周與殼體內(nèi)壁面螺紋配合連接。這種螺紋連接方式能使打磨區(qū)域在受到打磨對象的摩擦力作用下保持緊密連接，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

若打磨負(fù)載較小，也可以采用過盈配合或直接連接。

若基體較大，打磨頭基體厚度較厚的情況下，可采用焊接的方式將殼體與T型接柄相連接。

上述T型接柄整體的抗拉強度大于200MPa，T型接柄中圓盤優(yōu)選為密度低于4g/cm³的金屬或非金屬材料。如為6061高硬鋁合金材料、酚醛樹脂和碳纖維復(fù)合材料等中的一種。進(jìn)一步優(yōu)選為6061高硬鋁合金材料。

接柄軸與圓盤兩者之間的連接點為圖3中的連接處二8。接柄軸與圓盤可以為一體設(shè)置，也可以為螺紋連接或過盈配合或釬焊連接；但優(yōu)選為螺紋連接。

T型接柄與殼體連接，其主要作用為利于打磨設(shè)備的夾持，由于其受力較小，主要為保證與殼體結(jié)合后的同軸精度與回轉(zhuǎn)精度。因此其加工亦可以在保證一定強度的情況下，選用質(zhì)量較輕的材料。由于T型接柄與殼體是相互獨立的，不必進(jìn)行釬焊加熱，因此在常溫狀態(tài)下能夠保證強度即可，在此要求下，結(jié)合金屬材料的密度進(jìn)行篩選，由于鋼密度7.9g/cm³，剛玉密度約3.95 g/cm³左右，因此，所要尋找的材料應(yīng)該是密度低于4 g/cm³，且具有較高強度的材料。經(jīng)過篩選，認(rèn)為6061高硬鋁合金材料可達(dá)到此類要求，當(dāng)然本實用新型并不局限于此材料，如酚醛樹脂、碳纖維復(fù)合材料等均具有用于此結(jié)構(gòu)的可能與可行性。

一種填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具的制備方法，包括如下步驟。

步驟1，殼體制備：先加工出實心的打磨頭，然后采用分離式結(jié)構(gòu)，將實心打磨頭內(nèi)部掏空，形成中空的殼體。

由于鋼材的密度約為剛玉的三倍，因此加工出的打磨頭基體是同規(guī)格的剛玉磨頭的兩倍多。因此采用分離式結(jié)構(gòu)，將打磨頭基體內(nèi)部掏空，可大大降低整體重量。

實心打磨頭有如下兩種優(yōu)選加工方式。

方式1：采用數(shù)控機床加工。

方式2：采用冷鍛的方式進(jìn)行實心打磨頭的加工。

本實用新型的殼體結(jié)構(gòu)，若采用方式1用數(shù)控機床加工，則難度叫大，性價比低。本實用新型優(yōu)選采用方式2冷鍛（又叫冷擠壓）的方式進(jìn)行制備。根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)加工出鍛壓模具，利用模具保證尺寸與位置精度，可達(dá)到批量加工的目的，而且基本無廢料的產(chǎn)生，生產(chǎn)成本低，效率高，是最為理想的加工方式。

步驟2，T型接柄制備。由于接柄的結(jié)構(gòu)一般為帶有螺紋的圓盤狀與持用的軸狀。此結(jié)構(gòu)的加工方式若采用直接車削加工則材料浪費嚴(yán)重，可采用冷擠壓方式直接擠壓成型，有利于接柄的加工經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)圓盤外形與接柄軸的外徑比值較大時，若仍采用冷擠壓方式，則對模具要求較高。因此，當(dāng)打磨頭外徑尺寸較大時，可以將圓盤與接柄軸進(jìn)行拆分，分別加工。即將T型接柄拆分成兩個零件，分別為圓盤與接柄軸，通過螺紋方式連接。此種方式在批量生產(chǎn)條件下，可以更具有經(jīng)濟(jì)性。

步驟3，布灑超硬磨料：將超硬磨粒采用釬焊加熱的方式布灑在步驟1中的殼體外表面。

步驟4，填充氣孔泡沫金屬：將氣孔泡沫金屬填充在布灑有超硬磨料的殼體的中空腔內(nèi)。

步驟5，殼體與T型接柄連接：氣孔泡沫金屬填充完成后，將T型接柄中的圓盤與殼體的內(nèi)壁面固定連接，使氣孔泡沫金屬封裝在殼體的中空腔內(nèi)；填充有氣孔泡沫金屬的超硬磨料打磨工具制備完成。

下面就兩個具體優(yōu)選實施例對上述超硬磨料打磨工具及制備方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

實施例1

制備一種用于打磨鑄鐵表面毛刺與焊點的釬焊金剛石打磨頭，形狀如圖2所示，總長71.5mm，打磨頭基體外徑24.5mm，T型接柄直徑6mm。制備方法如下：

步驟1，殼體厚度設(shè)置為0.9mm，由于為平面與頂面磨削，本身受力較小，因此殼體選用較薄的材料，殼體采用冷抗壓方式加工，材料為65Mn鋼。

步驟2，T型接柄制備。T型接柄采用6061式鋁合金材料，由于接柄圓盤部分與軸部分尺寸相差不大，采用冷擠壓整體加工。

步驟3，布灑超硬磨料：將超硬磨粒采用釬焊加熱的方式布灑在步驟1中的殼體外表面。超硬磨料選用金剛石，粒度為35目左右，高品級耐磨型。真空釬焊方式，鎳基焊料釬焊，最高溫度1020度。

步驟4，填充氣孔泡沫金屬：將氣孔泡沫金屬填充在布灑有超硬磨料的殼體的中空腔內(nèi)。氣孔泡沫金屬選用密度為0.8 g/cm³的銅，密度大，強度高，加工成圖2所示結(jié)構(gòu)。

步驟5，殼體與T型接柄連接：氣孔泡沫金屬填充完成后，將氣孔泡沫金屬置于固結(jié)有金剛石的殼體內(nèi)部，接柄與殼體通過M20螺紋連接；超硬磨料打磨工具制備完成。

打磨工具殼體采用65Mn鋼，焊前硬度HRC38，焊后硬度HRC10~12，相比于整體式加工打磨工具（45鋼基體，焊前HRC20，焊后HRC0~7），殼體的硬度有較大提高，且當(dāng)有氣孔泡沫金屬支撐的情況下，打磨工具的剛性比無氣孔泡沫金屬提高了20~30%左右。

總體重量減輕相比于純鋼基體約70%左右，與剛玉砂輪相比，重量基本接近，達(dá)到了設(shè)計要求，經(jīng)實際打磨測試發(fā)現(xiàn)，打磨噪音低，重量輕，手感佳，振動小，火花小，使用效果較為理想。

實施例2：

制備一種用于打磨船用高強度鋼表面焊縫與焊點的釬焊CBN（立方氮化硼）磨頭，磨頭外徑39mm，總長40mm，由于高強度鋼不適用于金剛石打磨，因此磨料選用CBN（立方氮化硼）磨料。具體制備方法如下：

步驟1，磨頭頂端采用殼體式，由于為側(cè)面與頂面磨削，受力較小，但需要抑止振動，殼體厚度設(shè)置為為1.2mm，殼體采用冷抗壓方式加工，材料為65Mn鋼。

步驟2，T型接柄制備。T型接柄采用分離式結(jié)構(gòu)，由于接柄圓盤與接柄軸尺寸相差較大，采用冷擠壓方式分別加工圓盤與接柄軸。其中圓盤采用酚醛樹脂材料，進(jìn)一步減輕重量，接柄軸采用6061硬鋁材料。

步驟3，布灑超硬磨料：超硬磨料選用CBN，粒度為40目左右，高品級自銳型。真空釬焊方式，銅基焊料釬焊，最高溫度825度。

步驟4，填充氣孔泡沫金屬：將氣孔泡沫金屬填充在布灑有超硬磨料的殼體的中空腔內(nèi)。氣孔泡沫金屬選用密度為0.2 g/cm³的銅，密度小，主要作導(dǎo)熱、緩沖作用。

步驟5，殼體與T型接柄連接：氣孔泡沫金屬填充完成后，將氣孔泡沫金屬置于固結(jié)有金剛石的殼體內(nèi)部，接柄軸與圓盤螺紋連接，然后與殼體通過過盈配合連接；超硬磨料打磨工具制備完成。

打磨工具殼體采用65Mn鋼，焊前硬度HRC38，焊后硬度HRC10~12，相比于整體式加工打磨工具（45鋼基體，焊前HRC20，焊后HRC0~7），殼體的硬度有較大提高，且當(dāng)有氣孔泡沫金屬支撐的情況下，打磨工具的剛性比無氣孔泡沫金屬提高了20~30%左右。

制備后磨頭總體重量減輕相比于純鋼基體約55%左右，與剛玉砂輪相比，重量僅提高5%左右，達(dá)到了設(shè)計要求，經(jīng)實際打磨測試發(fā)現(xiàn)，打磨噪音低，重量輕，手感佳，振動小，火花小，磨料表面不易粘附，使用效果較為理想。

以上詳細(xì)描述了本實用新型的優(yōu)選實施方式，但是，本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本實用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。