《超硬材料烧结制品》课程设计指导书本

《超硬材料烧结制品》课程设计指导书

左宏森

适用专业：材料科学与工程

学制:四年

一．课程设计题目

1．超硬材料砂轮制造工艺设计

2．烧结金属结合剂金刚石工具制造工艺设计

二．设计要求

按照具体设计产品的要求，在满足产品加工的情况下，设计出工艺合理、生产程序完整、图表正确、相关计算正确的设计报告。本指导书以磨具为例，对于金刚石工具的设计参考磨具设计要求即可。具体要求：

1．产品原材料选择合理，符合现阶段市场条件；

2．模具结构与尺寸设计合理，制图正确；

3．产品配方符合加工材料的要求，计算正确；

4．图表规范，符合标准；

5. 设计报告完整，整体系统性好并有必要的参考文献

三.设计程序与主要内容（以磨具制造为例）

1．磨具的特征与标志

首先根据所设计的内容分析磨具的特征中的几个项目，只有确定了这几个内容后才可以做以后的相关分析和计算。金刚石磨具的特征标志主要包括如下几项：形状、尺寸、金刚石品级、金刚石粒度、结合剂种类和金刚石浓度。

磨具的形状选择是依加工方式为依据．对于本设计的平面磨削可以选取简单的平行砂轮，当然也可选其他形状磨具。

磨具尺寸确定应以加工材质和工件的尺寸而定，在本课程设计中对具体准确尺寸工作要求，可适当选取尺寸即可。

金刚石品级的确定，根据不同种类的结合剂金刚石品级也不同，本设计为粗磨到半精磨，个别题目可能是精细和抛光，这时需要采用微粉。但结合剂都应该选择金属烧结类结合剂，磨具类以青铜结合剂为主,金刚石品级应选取MBD系列金刚石．可以具体体选取MBD2,MBD4.

金刚石粒度的粗细与加工光洁度、精度、加工效率均有关系。在能保证加工光洁度和加工精度的情况下尽量选择粒度较粗的金刚石来提高工作效率。

金刚石浓度的确定主要考虑三个方面：其一是结合剂对金刚石有较高的把持力：其二是不增加金刚石磨具的成本。一般常用浓度在75％一125％之间。

2．模具结构、尺寸和技术要求

模具的设计部分包括模具的结构设计和尺寸设计（计算）。

模具结构设计与产品生产时特别是成型时的成型方式有直接关系，比如单向成型、双向成型等，在结构设计中还要考虑成型后的卸模方式。模具结构的确定要考虑结构设计尽量简单，结构能够确保成型的操作顺利进行，脱模顺利脱模。

在模具组装结构确定之后，依照结构图和成型方法来确定模具各零部件的基本尺寸，模具零件包括模套、金属压环、非金刚石层压环、芯体、座板、固定螺栓、脱模环等。

模套尺寸确定内径，外径和高度。内径尺寸应与砂轮标准外径尺寸相等，因为金刚石磨具在烧结过程中体积是不发生变化的；外径尺寸的确定应根据压制单位压力计算其侧压力，继而在保证强度的条件下，计算出最小外径值。外径尺寸也可以根据经验推荐值来确定。

压环的尺寸确定包括内径、外径和高度。对于非金刚石层压环和金刚石层压环由于压制层的位置可能不同，其内外径尺寸也可能不同，所以必须分别设计。

压环高度设计以保证磨具尺寸为基本标准。若成型为定压成型，那么压环高度值可适当增大。

芯体尺寸设计包括内径、外径和高度。芯体的高度确定应保证成型料能够腰利全部装入模腔。芯体的外径是压环的内径相同的，芯体的内径应与磨具基体的内径相同，内径尺寸不需要很精确。其原因是内径是为了给螺栓穿孔而用的。

底板是一个辅助零件，其作用是用于支承压制层．所以其主要尺寸是厚度，厚度值以保证压制过程中不发生变形为准，一般为15～20mm，内径尺寸也仅为能穿过固定螺栓为限外径应与模套内径尺寸相同。

除以上这些主要部件之外还有螺栓和脱模环需根据模具结构具体确定。

模具零部件除确定其结构尺寸之外，还必须提出其材质和技术要求（主要为硬度、强度)。

3．原材料种类和技术要求

作为金属结合剂用原材料主要包括有各种金属粉末、各种非金属、金刚石磨料、磨具基体及临时添加剂等。

对于金属粉末和非金属粉末除提出种类外应分别提出技术要求，包括粉末形状、生产方法，纯度、颜色、粒度等项目。金属粉末的粒度要细于磨料的粒度，通常有-200目和-300目以细的混合粒度。

金刚石磨料种类和技术要求包括金刚石品级，金刚石抗压强度，金刚石粒度和粒度组成。（参考前面介绍）

磨具基体是用来支撑压制层的重要组成部分，所以从材质应选择材质所作的基体能得到较高强度的材

质。

从目前国内外金刚石磨具基体材质来看．不外乎钢基体和粉末基体．主要为45号钢和青铜粉末原料。基体的技术条件实际上是要求基体形状和．尺寸。基体基本形状应与磨具最终形状相近，基体的内、外径和高度尺寸应与之相配合或连接的其他部位相吻合．基体和压制层的连接处通常可开沟槽、滚花以提高相互结合力。

临时添加剂包括润滑剂和粘结剂，常见的有蒸馏水，3％硼砂水．液体石蜡、聚乙烯水溶液等，他们的加入有利于成型。

4．磨具配方确定及有关计算

（1）磨具配方确定

磨具配方确定是磨具设计的重要一环，需要制定结合剂成份的配比，金刚右磨料的比例。其中主要是结合剂部分，各种金属或非金属的有关配合经压制烧结之后要能保证结合剂对金刚石磨料有较高的粘结力，又要能保证磨具在磨削过程中保持较好的自锐性。

(2)计算

磨具设计中的计算也就是配方确定后，原料组成备成分重量的计算以及压制表压的有关计算，包括如下几项：

a．压制层体积的计算

b．金刚石磨料重量的确定；

c．结合剂组份各部分重量的确定；

d．成型总压力和压制表压的确定。

磨具的计算必需要做到准确无误，这样才能保证磨具的性能。

5．生产设备规格、型号和要求

对于一个制品制造工艺的制定必须建立在一定的设备条件的基础上，所以在确定工艺参数之前必须首先确定设备。包括混料设备、配混料工具、仪器、成型设备、烧结设备和车床磨床等。在这里主要要求对成型压机的公称压力、规格，型号、压机质量要求，以及烧结设备的名称、型号。规格和要求作较详细的说明，而对其它设备和仪器工具仅作简单说明即可。成型压机公称压力的计算需要依据磨具总压压来决定。而磨具总压力又是磨具受压面积和单位压力决定的，所以必须首先以确定两个参数，受压面积由前面的设计可以计算得到，单位压力对于冷压成型通常选300-500MPa，对于热压成型常常不大于100MPa。

烧结设备的确定首先要保证设备能够密封并可进入保护介质．其次要考虑设备的温度分布情况。使其温度分布能使磨具受热均匀，再者要考虑设备电阻丝的最高烧结温度是否能够满足设备要求。当然也要保证炉腔尺寸可以满足磨具烧结。

6．砂轮生产工艺流程图

工艺流程图是设计工艺操作的主导线，能够使人一目了然，也有利于工艺的完整。一般用箭头和方框相接合的方式，表达出本工艺每一生产操作过程和各操作之间的关系。根据设计内容，工艺操作可以采用冷压-烧结、冷压-烧结-热压（半热压）、热压等中的某一工艺进行。

7．操作工艺规程

一个优良的工艺必须要有优良的操作步骤和操作方法来保证。对以方框图表示的工艺流程上的每一步骤具体在操作时还需每一步骤具体详细说明。内容包括操作步骤文字说明，操作过程注意事项，操作步骤完成后需得到何种要求以及操作工艺参数。具体可分以下几个主要方面：

(1)混料操作程序．混料操作工艺参教一一时间、设备转速等，混料均匀度分析，混合料的贮存方法。

(2)压制成型工艺参数一一压制压力（单位压力、表压或总压)、保压时间、加压速度．脱模速度，压制半成品废品情况处理。对热压需说明热压温度、预压压力、热压时间、热压温度或热压曲线。

(4)烧结工艺参数的说明包括烧结升温速度、烧结温度、烧结时间、冷却速度。在操作过程中还要说明磨具在炉膛内的装炉位、装炉方式、保护介质引入情况。对于保护气氛的引入需较详细说吸通气流量、通气时间或其它表示方法、停气时间。对于烧结出炉的制品如何评价烧结质量。对于热压工艺，两样要确定热压工艺曲线与热压操作中预压、升温、高温热压时间等参数。烧结废品如何进行处理。

（4）磨具后加工包括车加工和磨加工。在此过程中需要说明车加工的部位和磨加工时砂轮种类与特征。表明车加工和磨加工操作次序，加工部位和加工达到的光清度和精度。若加工杯碗等形状膏具尚需说明所用附件如卡盘、胎具改型等情况。对于镶套砂轮最后尚需说明镶套方法和步骤。

8．产品性能指标

产品性能指标对磨具来讲按照国家标准进行制定。包括产品形状精度、尺寸精度、动平衡值或静平衡值，表面光洁度等指标。对于使用性能指标也要说明。主要根据加工材质要求确定。

四．说明

说明是对设计过程中的一些考虑的特殊情况或必须指明的问题要标注清晰，对

本设计过程中参考文献的名称、出版日期、作者、出版社等也需注明。