一種金剛石砂輪及其生產方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種磨粒多層有序排布且結合強度高、磨損后便于修復的一種金剛石砂輪及其生產方法，包括加工砂輪基體、清洗等步驟，其采用激光增材技術準確加工，提高加工精度及質量；采用“三明治”結構燒結，避免磨粒位移，確保磨粒出刃高度一致，實現(xiàn)金剛石磨粒有序排布，磨削時的容屑空間大，減小磨削力，降低磨削溫度，提高磨削效率，改善磨削表面質量；控制激光器功率控制燒結溫度，避免了金剛石磨粒石墨化，金屬結合劑與金剛石磨粒的高強度冶金結合；還可以簡化制造工藝；磨損后?“逐層”修整后繼續(xù)使用，修整方便，使用壽命長。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及一種磨料磨具，具體地說是涉及一種金剛石砂輪及其生產方法。
技術介紹
以金剛石磨料為原料，分別用金屬粉、樹脂粉、陶瓷和電鍍金屬作結合劑，制成的中央有通孔的圓形固結磨具稱作金剛石砂輪。由于金剛石磨料所具有的特性(硬度高、抗壓強度高、耐磨性好)，使金剛石磨具在磨削加工中成為磨削硬脆材料及硬質合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用壽命長，同時還可改善勞動條件。因此廣泛用于普通磨具難于加工的低鐵含量的金屬及非金屬硬脆材料，如硬質合金、高鋁瓷、光學玻璃、瑪瑙寶石、半導體材料、石材等。超硬磨料磨具（金剛石、立方氮化硼砂輪等）由于其高硬度、高耐磨性等優(yōu)良特性，在工程陶瓷、硬質合金等硬脆材料的高效磨削與精密磨削等領域具有不可比擬的優(yōu)勢，應用極其廣泛。傳統(tǒng)金剛石砂輪按生產工藝可分為：燒結式金剛石砂輪(樹脂結合劑金剛石砂輪；陶瓷結合劑金剛石砂輪；金屬結合劑金剛石砂輪)；電鍍金剛石砂輪；釬焊金剛石砂輪。采用傳統(tǒng)熱壓燒結與電鍍等工藝制備的超硬磨料砂輪其磨粒形狀、位置、分布密度和磨粒突出高度等都具有很大隨機性，砂輪表面不同位置有效磨粒數(shù)、單顆磨粒承受載荷、切屑流動方向等都存在極大不確定性。而且，由于結合劑與磨粒之間結合強度較低，結合劑對磨粒的把持力較小，從而導致磨削力大、磨削溫度過高、磨削過程中磨粒易脫落、磨粒有效利用率低等一系列問題，嚴重影響工件的表面質量和砂輪磨削效率。大量理論和實驗研究表明，砂輪制造過程中使磨粒的排布具有一定的有序性，可以在磨削加工時提供更大的容屑空間，減小磨削力，降低磨削溫度，提高磨削效率，有效改善磨削表面質量。自上世紀九十年代初以來，國外及我國臺灣地區(qū)先后研究高溫釬焊制備新型金剛石工具的新工藝，利用高溫釬焊工藝實現(xiàn)結合劑與磨粒界面上的化學冶金結合，同時實現(xiàn)單層磨粒的有序排布。例如，2004年9月15日公開的專利技術專利“具有優(yōu)化地貌的單層釬焊金剛石固結磨料工具的工藝方法（公開號：CN1528565A）”公開了一種具有優(yōu)化地貌的單層釬焊金剛石固結磨料工具的制作方法，該專利技術同時具有釬焊提供的高結合把持強度和磨料的擇優(yōu)排布提供的最佳地貌的雙重優(yōu)勢，在高硬脆性難加工材料的高效重負荷加工中顯示出優(yōu)異的加工性能。又如，2014年5月14日公開的專利技術專利“一種釬焊單層金剛石砂輪的制作方法（公開號：CN103786100A）”也公開了一種釬焊單層金剛石砂輪的制作方法，獲得了使用壽命長，具有較好的磨削和切削能力的金剛石砂輪。然而，由于釬焊工藝特點的限制，一般只能制備出具有單層磨粒的釬焊金剛石砂輪，導致砂輪磨損后無法通過修整繼續(xù)使用，砂輪使用壽命極其有限。此外，釬焊過程為實現(xiàn)金屬結合劑與金剛石磨粒的冶金結合，往往需要將砂輪持續(xù)置于高溫環(huán)境下，從而導致金剛石磨粒產生石墨化和熱損傷。激光加工技術是利用激光光束投射到工件表面進行加工，并沒有直接接觸加工工件，避免了機械加工對被加工工件造成的機械變形，提高了加工精度，實現(xiàn)常規(guī)機械加工以前不能或很難完成的加工工藝。進行激光加工時可添加光學聚焦鏡對激光光束進行聚焦，減小激光光束投射到被加工工件表面上的光斑面積，可以更進一步提高加工精度及加工質量。利用高能量密度的激光光束對加工物體進行切割、打孔，加工效率是常規(guī)機械加工技術加工效率的幾倍倍甚至上百倍。增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術，是一種\自下而上\的制造方法。激光增材制造技術是利用激光束的高能量密度，將粉末加熱熔化成型，并通過計算機控制激光增材制造裝置按指定路徑實現(xiàn)逐層燒結，從而實現(xiàn)材料的逐漸累加，制造實體零件。零件的成形原理為高功率激光通過聚焦后形成一個較小的光斑作用于基體并在基體上形成一個較小的熔池，同時粉末運輸系統(tǒng)將金屬粉末通過噴嘴匯集后輸送到熔池中，粉末經(jīng)熔化，凝固后形成一個致密的金屬點。隨激光在零件上移動，逐漸形成線和面，最后通過面的累加形成三維金屬零件。激光修整法是利用光學系統(tǒng)把激光束聚焦成極小的光斑作用于金剛石砂輪表面，在極短的時間內使砂輪局部表面的金屬結合劑材料以蒸發(fā)氣化和熔融濺射的形式被去除，通過控制激光加工參數(shù)，可選擇性地去除結合劑材料，而不損傷超硬磨粒，使磨粒突出，在砂輪表面形成容屑空間，從而達到修整的目的。用激光修整金剛石砂輪時，如果激光功率密度足夠高，可以同時去除金剛石砂輪表而的金剛石磨粒和結合劑材料，達到整形砂輪的目的；另一方而，金剛石磨料與結合劑材料的光學和熱物理性能相差較大，利用激光可控制性好的特點，通過合理調整激光加工參數(shù)，可以選擇性地去除砂輪表面的結合劑材料，使金剛石磨粒具有一定的出刃高度，達到修銳砂輪的目的。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的是提供一種磨粒多層有序排布且結合強度高、磨損后便于修復的一種金剛石砂輪及其生產方法。本專利技術是采用如下技術方案實現(xiàn)其專利技術目的的，一種金剛石砂輪的生產方法，它包括以下步驟：⑴加工砂輪基體：采用鋼材制出圓柱筒體形的砂輪基體；本專利技術所述的砂輪基體采用的鋼材為45號鋼，所述的金剛石磨粒為粒度為40目（0.42㎜～0.45㎜）的截角八面體單晶金剛石。⑵清洗：將砂輪基體、金剛石磨粒分別置于有機溶劑中進行超聲波清洗，去除表面的油污、氧化層等雜質；⑶布孔：采用激光振鏡掃描裝置（二維振鏡式短脈沖激光掃描裝置），選擇適當?shù)拿}沖寬度、平均功率、脈沖頻率等激光參數(shù)，在環(huán)形金屬片上加工出規(guī)則排布的定位孔，定位孔的孔徑略小于金剛石磨粒的粒徑，用于確定金剛石磨粒的幾何分布，再調整激光振鏡掃描裝置（二維振鏡式短脈沖激光掃描裝置）的激光參數(shù)，在該環(huán)形金屬片上規(guī)則排布的定位孔的間隙之間加工出孔徑較大的置粉孔，其作用是為了留出填充金屬結合劑粉末的空間以更好的燒結；定位孔、置粉孔都是通孔；⑷鋪磨粒：將步驟⑶得到的已布孔的環(huán)形金屬片上均勻地鋪設一層經(jīng)步驟⑵處理過的金剛石磨粒，使環(huán)形金屬片上的各定位孔內均填充有金剛石磨粒后，移除環(huán)形金屬片上表面多余的金剛石磨粒；⑸定位：將另一片由步驟⑶得到的已布孔的環(huán)形金屬片覆蓋于步驟⑷中的環(huán)形金屬片上的金剛石磨粒的上方，使該環(huán)形金屬片的定位孔與下方環(huán)形金屬片上鋪設的金剛石磨粒相應對齊，形成“三明治”結構，以確保各金剛石磨粒出刃高度一致，同時防止磨粒在加工過程中發(fā)生移動；⑹燒結:將與環(huán)形金屬片組成材質一致的金屬結合劑粉末儲于送粉器（同軸送粉器）中，采用激光增材制造裝置對金屬結合劑粉末進行熔化燒結，在砂輪基體表面形成金屬結合劑層；送粉器是輸送熱噴涂粉末的裝置。同軸送粉器是將激光束、粉末、保護氣體均從噴嘴內的通道進入并射出，激光束由噴嘴軸線通過，并聚焦于焦點；粉末在載氣作用下沿送粉通道噴出，與激光束相遇并迅速升溫，并在保護氣體吹送下形成熔滴，噴涂熔覆到工件表面。同軸送粉可有效提高熔覆層的質量和粉末利用率，并降低稀釋率。同軸送粉噴嘴是激光快速制造的核心裝置之一，同軸送粉噴嘴最基本的功能應該包括通光與粉末的均勻匯聚,粉末匯聚程度越高，則粉末利用率越高、制造精度越高。本專利技術所述的激光增材制造裝置的激光增材制造加工頭由同軸送粉式噴嘴5和激光器的激光光路組合構成；激光光源采用連續(xù)型光纖激光器。通過控制激光增材制造加工頭按指定路徑對金屬結合本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種金剛石砂輪的生產方法，其特征是它包括以下步驟：⑴加工砂輪基體：采用鋼材制出圓柱筒體形的砂輪基體；⑵清洗：將砂輪基體、金剛石磨粒分別置于有機溶劑中進行超聲波清洗；⑶布孔：采用激光振鏡掃描裝置在環(huán)形金屬片上加工出規(guī)則排布的定位孔，定位孔的孔徑小于金剛石磨粒的粒徑，再調整激光振鏡掃描裝置的激光參數(shù)，在該環(huán)形金屬片上規(guī)則排布的定位孔的間隙之間加工出置粉孔；⑷鋪磨粒：將步驟⑶得到的已布孔的環(huán)形金屬片上均勻地鋪設一層經(jīng)步驟⑵處理過的金剛石磨粒，使環(huán)形金屬片上的各定位孔內均填充有金剛石磨粒后，移除環(huán)形金屬片上表面多余的金剛石磨粒；⑸定位：將另一片由步驟⑶得到的已布孔的環(huán)形金屬片覆蓋于步驟⑷中的環(huán)形金屬片上的金剛石磨粒的上方，使該環(huán)形金屬片的定位孔與下方環(huán)形金屬片上鋪設的金剛石磨粒相應對齊，形成“三明治”結構；⑹燒結:將與環(huán)形金屬片組成材質一致的金屬結合劑粉末儲于送粉器中，采用激光增材制造裝置對金屬結合劑粉末進行熔化燒結，在砂輪基體表面形成金屬結合劑層；⑺結合燒結：將步驟⑸所述的“三明治”結構放置于步驟⑹中砂輪基體表面形成的金屬結合劑層上，利用激光增材制造裝置將金剛石磨粒燒結于金屬結合劑中，燒結過程中，所述的“三明治”結構中的環(huán)形金屬片同時被熔化燒結；控制金屬結合劑粉末的送粉量和燒結溫度，使金剛石磨粒層完全被金屬結合劑覆蓋；⑻多層燒結：重復上述步驟⑷～⑺，直至完成逐層磨粒有序排布的增材制造，并且在最上層金剛石磨粒燒結時控制減少金屬結合劑粉末的送粉量，以保證最上層金剛石磨粒的出刃高度；⑼修整：利用激光修整法對由步驟⑻加工得到的磨粒有序排布金剛石砂輪進行修整，保證所有金剛石磨粒的工作表面在同一平面內且具有一致的出刃高度。...

【技術特征摘要】
1.一種金剛石砂輪的生產方法，其特征是它包括以下步驟：⑴加工砂輪基體：采用鋼材制出圓柱筒體形的砂輪基體；⑵清洗：將砂輪基體、金剛石磨粒分別置于有機溶劑中進行超聲波清洗；⑶布孔：采用激光振鏡掃描裝置在環(huán)形金屬片上加工出規(guī)則排布的定位孔，定位孔的孔徑小于金剛石磨粒的粒徑，再調整激光振鏡掃描裝置的激光參數(shù)，在該環(huán)形金屬片上規(guī)則排布的定位孔的間隙之間加工出置粉孔；⑷鋪磨粒：將步驟⑶得到的已布孔的環(huán)形金屬片上均勻地鋪設一層經(jīng)步驟⑵處理過的金剛石磨粒，使環(huán)形金屬片上的各定位孔內均填充有金剛石磨粒后，移除環(huán)形金屬片上表面多余的金剛石磨粒；⑸定位：將另一片由步驟⑶得到的已布孔的環(huán)形金屬片覆蓋于步驟⑷中的環(huán)形金屬片上的金剛石磨粒的上方，使該環(huán)形金屬片的定位孔與下方環(huán)形金屬片上鋪設的金剛石磨粒相應對齊，形成“三明治”結構；⑹燒結:將與環(huán)形金屬片組成材質一致的金屬結合劑粉末儲于送粉器中，采用激光增材制造裝置對金屬結合劑粉末進行熔化燒結，在砂輪基體表面形成金屬結合劑層；⑺結合燒結：將步驟⑸所述的“三明治”結構放置于步驟⑹中砂輪基體表面形成的金屬結合劑層上，利用激光增材制造裝置將金剛石磨粒燒結于金屬結合劑中，燒結過程中，所述的“三明治”結構中的環(huán)形金屬片同時被熔化燒結；控制金屬結合劑粉末的送粉量和燒結溫度，使金剛石磨粒層完全被金屬結合劑覆蓋；⑻多層燒結：重復上述步驟⑷～⑺，直至完成逐層磨粒有序排布的增材制造，并且在最上層金剛石磨粒燒結時控制減少金屬結合劑粉末的送粉量，以保證最上層金剛石磨粒的出刃高度；⑼修整：利用激光修整法對由步驟⑻加工得到的磨粒有序排布金剛石砂輪進行修整，保證所有金剛石磨粒的工作表面在同一平面內且具有一致的出刃高度。2.根據(jù)權利要求1所述的一種金剛石砂輪的生產方法，其特征是步驟⑵中所述的有機溶劑為丙酮；步驟⑺中所述的燒結溫度為765℃～785℃。3.根據(jù)權利要求1所述的一種金剛石砂輪的生...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：殷赳，文明才，陽同光，范彬，袁聰，尹旭妮，
申請(專利權)人：湖南城市學院，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43