【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超硬材料，具体是采用多材料增材制造技术，通过引入异构界面结构，制备出一种热残余应力显著降低、结构稳定性显著增强的异质异构金刚石砂轮。
技术介绍
1、磨削是精密/超精密加工的主要方法，使零件具有更高的精度、表面完整性和严格的制造一致性，如陶瓷、微晶玻璃等难加工材料在工业中目前只能采用磨削加工。近年来，随着金刚石、cbn等超硬材料的应用，磨削和磨料加工在机械制造领域占有越来越重要的地位。砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具产品，超硬砂轮的结构分为两部分，外层为磨料环，一般为金刚石或cbn等超硬磨粒通过结合剂粘结成形，磨削过程中有效出刃、削减工件。内层芯部为基体，材料一般为碳钢，起到连接磨料环与机床主轴、将力矩传递到砂轮工作区的作用。
2、因为砂轮磨料环工作层与钢芯基体涉及两种不同体系的材料，传统制造方法一般为分步制造，常用的有两种制造方法。第一种，通过锻造或铸造的方法制备出砂轮钢芯基体，再通过热压烧结等方法成形磨料环，使用胶粘剂将磨料环粘结在基体上；第二种，先制备出砂轮基体，然后直接在钢芯基体上烧结出磨料环。多材料激光选区熔化增材制造技术能够将不同材料分配到构件中具有不同功能的区域，可实现构件的免组装3d打印化成形，大幅简化生产步骤，但slm独特的的快速熔凝过程使成形件内部易积累残余应力，而且异质材料间的热物性参数失配更易导致界面残余应力，较高的界面残余应力会危害金刚石砂轮的结构稳定性。如课题组前期研究的成果，专利2022109879254、2022114349224中涉及到一体成形，但前期并未考虑到如何降低一
技术实现思路
1、本专利技术在前期研究的基础上，首次尝试了通过界面结构设计、缓释异质砂轮残余应力。
2、本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，其结构为方案1或方案2中的一种，所述方案1选自下述子方案中的一种；
3、方案1-1
4、所述异质异构金刚石砂轮由钢芯基体与金刚石复合材料工作层组成；钢芯基体与金刚石复合材料工作层经3d打印成形工艺成形，成形后，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，
5、钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈方波形；
6、方案1-2
7、所述异质异构金刚石砂轮由钢芯基体与金刚石复合材料工作层组成；钢芯基体与金刚石复合材料工作层经3d打印成形工艺成形，成形后，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，
8、钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈波浪形；
9、方案1-3
10、所述异质异构金刚石砂轮由钢芯基体与金刚石复合材料工作层组成；钢芯基体与金刚石复合材料工作层经3d打印成形工艺成形，成形后，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，
11、钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈锯齿形；
12、方案2
13、所述异质异构金刚石砂轮由钢芯基体、过渡层、金刚石复合材料工作层组成；钢芯基体、过渡层、金刚石复合材料工作层经3d打印成形工艺成形；在径向方向，所述过渡层包覆在钢芯基体上且金刚石复合材料工作层包覆在过渡层上；在径向方向，所述过渡层由一圈材料a、一圈材料b交替分布构成，且过渡层与钢芯基体、金刚石复合材料工作层呈同心圆状；一圈材料a与一圈材料b也呈同心圆；所述材料a的材质和钢芯基体的材质一致，所述材料b的材质和金刚石复合材料工作层的材质一致；且基体与一圈材料b接触、最外一圈材料a与金刚石复合材料工作层接触，在基体和金刚石复合材料工作层之间，按一圈材料b/一圈材料a的方式交替设置材料b层和材料a层。
14、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，所述金刚石复合材料工作层由结合剂和金刚石微粉组成，所述结合剂以质量百分比计包括下述组分，cu：89～91wt.％，sn：9～11wt.％；所述金刚石复合材料工作层中金刚石添加体积百分比为12.5％-25％。
15、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，金刚石微粉平均粒径为40μm-90μm。
16、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，钢芯基体的材质选自316l不锈钢、304不锈钢、17-4ph不锈钢等可激光成形的韧性结构钢中的一种。
17、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，方案1中，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体的投影由圆环和圆环外侧的凸起部分组成，凸起部分呈方波形，其中圆环的半径r为15-25mm、优选为18-22mm；金刚石砂轮的投影为半径为r的圆环，r的取值为60-100mm、优选为78-82mm。当然这里砂轮的尺寸可根据实际自由调整，取决于slm基板大小。
18、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈方波形时，方波幅值大小为5mm-20mm，方波波谷+1/2幅值处在圆c上，所述圆c的半径r’＝r+d、单位为mm，所述d的取值为2.5～10mm。方波的平均峰宽为方波幅值的0.3～0.6倍。
19、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈方波形时，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面在方波形结构区周向占比为25％～75％；其中r’为圆c的半径，l为相邻两个方波在圆c上的间距，∑l为相邻方波在圆c上的间距之和。
20、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，方案1中，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体的投影由圆环和圆环外侧的凸起部分组成，凸起部分呈波浪形(即基体与工作层接触界面形状为连续相切的反方向半圆)，其中圆环的半径r为15-25mm、优选为18-22mm；金刚石砂轮的投影为半径为r的圆环，r的取值为60-100mm、优选为78-82mm。当然这里砂轮的尺寸可根据实际自由调整，取决于slm基板大小。
21、作为进一步的优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈波浪形时，基体与工作层接触界面形状为连续相切的反方向半圆，各圆半径r’相同，r’取值范围为2.5mm-5mm；半圆波波谷+1/2幅值处在圆c上，所述圆c的半径r’＝r+d、单位为mm，所述d的取值为2.5～5mm。
22、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈波浪形时，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面在波浪形结构区周向占比为25％～75％；其中r’为圆c的半径，l为相邻两个半圆波在圆c上的间距，∑l为相邻半圆波在圆c上的间距之和。
23、作为优选，本专利技术一种异质异构金刚石砂轮，方案1中，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体的投影由圆环和圆环外侧的凸起部分组成，凸起部分呈呈锯齿形(即基体与工作层接触界面形状为三角形)，其中圆环的半径r为15-25mm、优选为18-22mm；金刚石砂轮的投影为半径为r的圆环，r的取本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：所述异质异构金刚石砂轮的结构为方案1或方案2中的一种，所述方案1选自下述子方案中的一种；
2.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：所述金刚石复合材料工作层由结合剂和金刚石微粉组成，所述结合剂以质量百分比计包括下述组分，Cu：89～91wt.％，Sn：9～11wt.％；所述金刚石复合材料工作层中金刚石添加体积百分比为12.5％-25％。
3.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：金刚石微粉平均粒径为40μm-90μm；
4.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：方案1中，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体的投影由圆环和圆环外侧的凸起部分组成，凸起部分呈方波形，其中圆环的半径r为15-25mm、优选为18-22mm；金刚石砂轮的投影为半径为R的圆环，R的取值为60-100mm、优选为78-82mm。
5.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：方案1中，当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界
6.根据权利要求5所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈方波形时，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面在方波形结构区周向占比为25％～75％；其中R’为圆C的半径，l为相邻两个方波在圆C上的间距，∑l为相邻方波在圆C上的间距之和；
7.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：方案2中，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，金刚石砂轮的投影为半径为R的圆环，R的取值为60-100mm，优选为78-82mm；钢芯基体的投影为半径为r的圆环，r的15-25mm、优选为18-22mm；一圈材料B层的投影为一个圆环，圆环的环宽为1-8mm；一圈材料A层的投影为一个圆环，圆环的环宽为1-5mm。作为优选，方案2中，基体与工作层接触界面为两种材料交替分布的同心圆环带，每条环带的环宽为1-2mm。交替出现的同心圆环带为2N条，所述N的取值为1～20、优选为2-5之间的任意一个整数。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述异质异构金刚石砂轮的制备方法；包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种异质异构金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：钢芯基体成形时，控制激光功率为200-400W，扫描速度为600-1200mm/s。
10.根据权利要求8所述的一种异质异构金刚石砂轮的制备方法，其特征在于：打印方案2所设计的过渡层时，打印A材料层时，控制激光功率为200-400W，扫描速度为600-1200mm/s。打印B材料层时，控制激光功率为120-180W，扫描速度为700-1100mm/s，层厚为0.05mm-0.09mm。
...【技术特征摘要】
1.一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：所述异质异构金刚石砂轮的结构为方案1或方案2中的一种，所述方案1选自下述子方案中的一种；
2.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：所述金刚石复合材料工作层由结合剂和金刚石微粉组成，所述结合剂以质量百分比计包括下述组分，cu：89～91wt.％，sn：9～11wt.％；所述金刚石复合材料工作层中金刚石添加体积百分比为12.5％-25％。
3.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：金刚石微粉平均粒径为40μm-90μm；
4.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：方案1中，垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体的投影由圆环和圆环外侧的凸起部分组成，凸起部分呈方波形，其中圆环的半径r为15-25mm、优选为18-22mm；金刚石砂轮的投影为半径为r的圆环，r的取值为60-100mm、优选为78-82mm。
5.根据权利要求1所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：方案1中，当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈方波形时，方波幅值大小为5mm-20mm，方波波谷+1/2幅值处在圆c上，所述圆c的半径r’＝r+d、单位为mm，所述d的取值为2.5～10mm；
6.根据权利要求5所述的一种异质异构金刚石砂轮，其特征在于：当垂直于金刚石砂轮的直径进行投影，钢芯基体与金刚石复合材料工作层触界面呈方波形时，钢芯基...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭英博，石雅松，晋泰彤，王勇，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：
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