一种金刚石砂轮及其生产方法技术

本发明专利技术公开了一种磨粒多层有序排布且结合强度高、磨损后便于修复的一种金刚石砂轮及其生产方法，包括加工砂轮基体、清洗等步骤，其采用激光增材技术准确加工，提高加工精度及质量；采用“三明治”结构烧结，避免磨粒位移，确保磨粒出刃高度一致，实现金刚石磨粒有序排布，磨削时的容屑空间大，减小磨削力，降低磨削温度，提高磨削效率，改善磨削表面质量；控制激光器功率控制烧结温度，避免了金刚石磨粒石墨化，金属结合剂与金刚石磨粒的高强度冶金结合；还可以简化制造工艺；磨损后 “逐层”修整后继续使用，修整方便，使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磨料磨具，具体地说是涉及一种金刚石砂轮及其生产方法。
技术介绍
以金刚石磨料为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷和电镀金属作结合剂，制成的中央有通孔的圆形固结磨具称作金刚石砂轮。由于金刚石磨料所具有的特性(硬度高、抗压强度高、耐磨性好)，使金刚石磨具在磨削加工中成为磨削硬脆材料及硬质合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用寿命长，同时还可改善劳动条件。因此广泛用于普通磨具难于加工的低铁含量的金属及非金属硬脆材料，如硬质合金、高铝瓷、光学玻璃、玛瑙宝石、半导体材料、石材等。超硬磨料磨具（金刚石、立方氮化硼砂轮等）由于其高硬度、高耐磨性等优良特性，在工程陶瓷、硬质合金等硬脆材料的高效磨削与精密磨削等领域具有不可比拟的优势，应用极其广泛。传统金刚石砂轮按生产工艺可分为：烧结式金刚石砂轮(树脂结合剂金刚石砂轮；陶瓷结合剂金刚石砂轮；金属结合剂金刚石砂轮)；电镀金刚石砂轮；钎焊金刚石砂轮。采用传统热压烧结与电镀等工艺制备的超硬磨料砂轮其磨粒形状、位置、分布密度和磨粒突出高度等都具有很大随机性，砂轮表面不同位置有效磨粒数、单颗磨粒承受载荷、切屑流动方向等都存在极大不确定性。而且，由于结合剂与磨粒之间结合强度较低，结合剂对磨粒的把持力较小，从而导致磨削力大、磨削温度过高、磨削过程中磨粒易脱落、磨粒有效利用率低等一系列问题，严重影响工件的表面质量和砂轮磨削效率。大量理论和实验研究表明，砂轮制造过程中使磨粒的排布具有一定的有序性，可以在磨削加工时提供更大的容屑空间，减小磨削力，降低磨削温度，提高磨削效率，有效改善磨削表面质量。自上世纪九十年代初以来，国外及我国台湾地区先后研究高温钎焊制备新型金刚石工具的新工艺，利用高温钎焊工艺实现结合剂与磨粒界面上的化学冶金结合，同时实现单层磨粒的有序排布。例如，2004年9月15日公开的专利技术专利“具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的工艺方法（公开号：CN1528565A）”公开了一种具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的制作方法，该专利技术同时具有钎焊提供的高结合把持强度和磨料的择优排布提供的最佳地貌的双重优势，在高硬脆性难加工材料的高效重负荷加工中显示出优异的加工性能。又如，2014年5月14日公开的专利技术专利“一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法（公开号：CN103786100A）”也公开了一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法，获得了使用寿命长，具有较好的磨削和切削能力的金刚石砂轮。然而，由于钎焊工艺特点的限制，一般只能制备出具有单层磨粒的钎焊金刚石砂轮，导致砂轮磨损后无法通过修整继续使用，砂轮使用寿命极其有限。此外，钎焊过程为实现金属结合剂与金刚石磨粒的冶金结合，往往需要将砂轮持续置于高温环境下，从而导致金刚石磨粒产生石墨化和热损伤。激光加工技术是利用激光光束投射到工件表面进行加工，并没有直接接触加工工件，避免了机械加工对被加工工件造成的机械变形，提高了加工精度，实现常规机械加工以前不能或很难完成的加工工艺。进行激光加工时可添加光学聚焦镜对激光光束进行聚焦，减小激光光束投射到被加工工件表面上的光斑面积，可以更进一步提高加工精度及加工质量。利用高能量密度的激光光束对加工物体进行切割、打孔，加工效率是常规机械加工技术加工效率的几倍倍甚至上百倍。增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种\自下而上\的制造方法。激光增材制造技术是利用激光束的高能量密度，将粉末加热熔化成型，并通过计算机控制激光增材制造装置按指定路径实现逐层烧结，从而实现材料的逐渐累加，制造实体零件。零件的成形原理为高功率激光通过聚焦后形成一个较小的光斑作用于基体并在基体上形成一个较小的熔池，同时粉末运输系统将金属粉末通过喷嘴汇集后输送到熔池中，粉末经熔化，凝固后形成一个致密的金属点。随激光在零件上移动，逐渐形成线和面，最后通过面的累加形成三维金属零件。激光修整法是利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于金刚石砂轮表面，在极短的时间内使砂轮局部表面的金属结合剂材料以蒸发气化和熔融溅射的形式被去除，通过控制激光加工参数，可选择性地去除结合剂材料，而不损伤超硬磨粒，使磨粒突出，在砂轮表面形成容屑空间，从而达到修整的目的。用激光修整金刚石砂轮时，如果激光功率密度足够高，可以同时去除金刚石砂轮表而的金刚石磨粒和结合剂材料，达到整形砂轮的目的；另一方而，金刚石磨料与结合剂材料的光学和热物理性能相差较大，利用激光可控制性好的特点，通过合理调整激光加工参数，可以选择性地去除砂轮表面的结合剂材料，使金刚石磨粒具有一定的出刃高度，达到修锐砂轮的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种磨粒多层有序排布且结合强度高、磨损后便于修复的一种金刚石砂轮及其生产方法。本专利技术是采用如下技术方案实现其专利技术目的的，一种金刚石砂轮的生产方法，它包括以下步骤：⑴加工砂轮基体：采用钢材制出圆柱筒体形的砂轮基体；本专利技术所述的砂轮基体采用的钢材为45号钢，所述的金刚石磨粒为粒度为40目（0.42㎜～0.45㎜）的截角八面体单晶金刚石。⑵清洗：将砂轮基体、金刚石磨粒分别置于有机溶剂中进行超声波清洗，去除表面的油污、氧化层等杂质；⑶布孔：采用激光振镜扫描装置（二维振镜式短脉冲激光扫描装置），选择适当的脉冲宽度、平均功率、脉冲频率等激光参数，在环形金属片上加工出规则排布的定位孔，定位孔的孔径略小于金刚石磨粒的粒径，用于确定金刚石磨粒的几何分布，再调整激光振镜扫描装置（二维振镜式短脉冲激光扫描装置）的激光参数，在该环形金属片上规则排布的定位孔的间隙之间加工出孔径较大的置粉孔，其作用是为了留出填充金属结合剂粉末的空间以更好的烧结；定位孔、置粉孔都是通孔；⑷铺磨粒：将步骤⑶得到的已布孔的环形金属片上均匀地铺设一层经步骤⑵处理过的金刚石磨粒，使环形金属片上的各定位孔内均填充有金刚石磨粒后，移除环形金属片上表面多余的金刚石磨粒；⑸定位：将另一片由步骤⑶得到的已布孔的环形金属片覆盖于步骤⑷中的环形金属片上的金刚石磨粒的上方，使该环形金属片的定位孔与下方环形金属片上铺设的金刚石磨粒相应对齐，形成“三明治”结构，以确保各金刚石磨粒出刃高度一致，同时防止磨粒在加工过程中发生移动；⑹烧结:将与环形金属片组成材质一致的金属结合剂粉末储于送粉器（同轴送粉器）中，采用激光增材制造装置对金属结合剂粉末进行熔化烧结，在砂轮基体表面形成金属结合剂层；送粉器是输送热喷涂粉末的装置。同轴送粉器是将激光束、粉末、保护气体均从喷嘴内的通道进入并射出，激光束由喷嘴轴线通过，并聚焦于焦点；粉末在载气作用下沿送粉通道喷出，与激光束相遇并迅速升温，并在保护气体吹送下形成熔滴，喷涂熔覆到工件表面。同轴送粉可有效提高熔覆层的质量和粉末利用率，并降低稀释率。同轴送粉喷嘴是激光快速制造的核心装置之一，同轴送粉喷嘴最基本的功能应该包括通光与粉末的均匀汇聚,粉末汇聚程度越高，则粉末利用率越高、制造精度越高。本专利技术所述的激光增材制造装置的激光增材制造加工头由同轴送粉式喷嘴5和激光器的激光光路组合构成；激光光源采用连续型光纤激光器。通过控制激光增材制造加工头按指定路径对金属结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石砂轮的生产方法，其特征是它包括以下步骤：⑴加工砂轮基体：采用钢材制出圆柱筒体形的砂轮基体；⑵清洗：将砂轮基体、金刚石磨粒分别置于有机溶剂中进行超声波清洗；⑶布孔：采用激光振镜扫描装置在环形金属片上加工出规则排布的定位孔，定位孔的孔径小于金刚石磨粒的粒径，再调整激光振镜扫描装置的激光参数，在该环形金属片上规则排布的定位孔的间隙之间加工出置粉孔；⑷铺磨粒：将步骤⑶得到的已布孔的环形金属片上均匀地铺设一层经步骤⑵处理过的金刚石磨粒，使环形金属片上的各定位孔内均填充有金刚石磨粒后，移除环形金属片上表面多余的金刚石磨粒；⑸定位：将另一片由步骤⑶得到的已布孔的环形金属片覆盖于步骤⑷中的环形金属片上的金刚石磨粒的上方，使该环形金属片的定位孔与下方环形金属片上铺设的金刚石磨粒相应对齐，形成“三明治”结构；⑹烧结:将与环形金属片组成材质一致的金属结合剂粉末储于送粉器中，采用激光增材制造装置对金属结合剂粉末进行熔化烧结，在砂轮基体表面形成金属结合剂层；⑺结合烧结：将步骤⑸所述的“三明治”结构放置于步骤⑹中砂轮基体表面形成的金属结合剂层上，利用激光增材制造装置将金刚石磨粒烧结于金属结合剂中，烧结过程中，所述的“三明治”结构中的环形金属片同时被熔化烧结；控制金属结合剂粉末的送粉量和烧结温度，使金刚石磨粒层完全被金属结合剂覆盖；⑻多层烧结：重复上述步骤⑷～⑺，直至完成逐层磨粒有序排布的增材制造，并且在最上层金刚石磨粒烧结时控制减少金属结合剂粉末的送粉量，以保证最上层金刚石磨粒的出刃高度；⑼修整：利用激光修整法对由步骤⑻加工得到的磨粒有序排布金刚石砂轮进行修整，保证所有金刚石磨粒的工作表面在同一平面内且具有一致的出刃高度。...

【技术特征摘要】
1.一种金刚石砂轮的生产方法，其特征是它包括以下步骤：⑴加工砂轮基体：采用钢材制出圆柱筒体形的砂轮基体；⑵清洗：将砂轮基体、金刚石磨粒分别置于有机溶剂中进行超声波清洗；⑶布孔：采用激光振镜扫描装置在环形金属片上加工出规则排布的定位孔，定位孔的孔径小于金刚石磨粒的粒径，再调整激光振镜扫描装置的激光参数，在该环形金属片上规则排布的定位孔的间隙之间加工出置粉孔；⑷铺磨粒：将步骤⑶得到的已布孔的环形金属片上均匀地铺设一层经步骤⑵处理过的金刚石磨粒，使环形金属片上的各定位孔内均填充有金刚石磨粒后，移除环形金属片上表面多余的金刚石磨粒；⑸定位：将另一片由步骤⑶得到的已布孔的环形金属片覆盖于步骤⑷中的环形金属片上的金刚石磨粒的上方，使该环形金属片的定位孔与下方环形金属片上铺设的金刚石磨粒相应对齐，形成“三明治”结构；⑹烧结:将与环形金属片组成材质一致的金属结合剂粉末储于送粉器中，采用激光增材制造装置对金属结合剂粉末进行熔化烧结，在砂轮基体表面形成金属结合剂层；⑺结合烧结：将步骤⑸所述的“三明治”结构放置于步骤⑹中砂轮基体表面形成的金属结合剂层上，利用激光增材制造装置将金刚石磨粒烧结于金属结合剂中，烧结过程中，所述的“三明治”结构中的环形金属片同时被熔化烧结；控制金属结合剂粉末的送粉量和烧结温度，使金刚石磨粒层完全被金属结合剂覆盖；⑻多层烧结：重复上述步骤⑷～⑺，直至完成逐层磨粒有序排布的增材制造，并且在最上层金刚石磨粒烧结时控制减少金属结合剂粉末的送粉量，以保证最上层金刚石磨粒的出刃高度；⑼修整：利用激光修整法对由步骤⑻加工得到的磨粒有序排布金刚石砂轮进行修整，保证所有金刚石磨粒的工作表面在同一平面内且具有一致的出刃高度。2.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮的生产方法，其特征是步骤⑵中所述的有机溶剂为丙酮；步骤⑺中所述的烧结温度为765℃～785℃。3.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮的生...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷赳，文明才，阳同光，范彬，袁聪，尹旭妮，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43