CN108655970B - 一种激光近净成形结构化金刚石外圆砂轮的制备及其修整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光近净成形结构化金刚石外圆砂轮的制备及其修整方法，具有如下步骤：将金刚石与金属结合剂粉末在混料瓶中，按照一定质量分数比混合，进行球磨，用筛网过筛，并放入干燥箱中干燥；获得具有光洁待加工金属基体的节块；将干燥后得到的金刚石磨料混合粉末加入送粉器；按照一定的激光工艺参数及扫描路径在具有光洁待加工金属基体的节块上进行金刚石磨具的激光近净成形加工，将得到的节块重新安装到外圆砂轮中；对外圆砂轮进行修锐处理；用钢块与油石组合对修锐处理后的外圆砂轮进行修整。本发明节省加工时间与成本，能够灵活加工出所需砂轮结构，有效控制金刚石磨粒相对排布位置，提高切屑流动性，降低切削力及切削温度。
Description
技术领域
本发明属于超硬磨料加工技术领域，具体涉及一种激光近净成形结构化金刚石外圆砂轮的制备及其修整方法。
背景技术
随着现代加工技术朝着高速、高效、精密、自动化方向的发展，以及一些新型难加工材料的出现，碳化硅和刚玉等普通磨料磨具已不能完全满足现代磨削要求。而金刚石等超硬磨料由于具备超高的硬度及对难加工材料的适应性，在现代加工制造业中的使用越来越广泛。
目前生产中使用的金刚石砂轮一般是利用多层烧结或单层电镀工艺来制作，磨粒只是被机械地包埋、镶嵌在结合层中，把持力不大，在负荷较重的加工中容易因把持力不足而导致磨料过早脱落，造成浪费。另一方面，在烧结和电镀工具中磨料为随机分布，磨粒的出露高度不大，容屑空间较小，在磨削加工时容易产生磨屑的粘附堵塞，降低工具的加工性能和使用寿命。
因此，近些年来人们一直在设想和寻求一种能够实现固结磨具的磨料在三维空间内能够按需排布的制造技术及牢固的化学键结合和冶金结合的磨粒涂附方法，使得磨粒具有较大的裸露高度和可控的排布，同时，又有较大的把持力。以期获得既能够满足零件磨削加工精度和高生产效率的要求，又能够最大限度地降低磨削热损伤和提离砂轮使用寿命的效果。
为了解决上述问题，国内外学者对于磨粒有序排布及砂轮表面结构化进行研究，发现砂轮表面结构化能够有效的提高磨削加工效率，降低磨削力及磨削过程能量消耗，增大砂轮表面容屑空间，改善冷却润滑条件，降低磨削温度及磨削表面损伤，在高效干磨削、缓进给磨削、硬脆材料精密磨削、难切削材料磨削、规则纹理表面制造等方面具有重要意义。但是对于激光表面结构化的加工均是在成型砂轮制作后进行减材处理，效率低且造成一定程度的浪费。
此外，对于新型超硬磨料制作方法真空高温钎焊及高频感应钎焊，其磨粒的突出高度更高，把持力更强，磨削温度更低，切削力更小，但是两种超硬磨料制作工艺也有许多不足，其制作周期长，基体易发生热变形，生产成本高。对于铺粉的激光钎焊加工方法，厚度均匀性无法保证，铺粉太厚易导致钎料与基体无法紧密结合，铺粉太薄在现有工艺前提下又无法保证钎料的完整性。对于喷粉式的激光钎焊加工方法，磨粒与钎料结合不牢固，所加工磨具在磨削过程中脱落严重，并且所加工表面起伏过大，无法达到磨具的工作要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种激光近净成形结构化金刚石外圆砂轮的制备及其修整方法，其制造周期短，易实现所需特殊结构，结合剂与金刚石结合强度高，经过修整能有效解决金刚石锐度及外圆砂轮圆跳动问题。本发明采用的技术手段如下：
一种激光近净成形结构化金刚石外圆砂轮的制备及其修整方法，其特征在于具有如下步骤：
S1、将金刚石与金属结合剂粉末在混料瓶中，按照一定质量分数比混合，得到未混合均匀的金刚石磨料混合粉末；
S2、向混料瓶中加入一定量的刚玉球后，放在球磨机进行球磨，得到混合均匀的金刚石磨料混合粉末；
S3、将步骤S2得到的金刚石磨料混合粉末用筛网过筛得到所需粒度的金刚石磨料混合粉末，并放入干燥箱中干燥2-3小时；
S4、从设计好的外圆砂轮取下节块，砂纸打磨去除其表面氧化层，并用酒精擦拭，获得具有光洁待加工金属基体的节块；
S5、将步骤S3干燥后得到的金刚石磨料混合粉末加入送粉器；
S6、按照一定的激光工艺参数及扫描路径在步骤S4得到的节块上进行金刚石磨具的激光近净成形加工，将得到特定形状后的、具有金刚石磨料的节块重新安装到外圆砂轮中；
S7、用SiC杯形砂轮对步骤S6得到的外圆砂轮进行修锐处理，去除部分结合剂，露出金刚石磨粒；
S8、用钢块与油石组合对步骤S7修锐处理后的外圆砂轮进行修整，金刚石与铁系金属(钢块)磨削碳化，油石去除表面碳化层，达到外圆砂轮修整目的。
所述金属结合剂粉末为雾化球形粉末，目数为80-400目。
所述步骤S1中，金刚石与金属结合剂粉末质量分数比为1:20-1:10。
所述步骤S2中，刚玉球与步骤S1得到的金刚石磨料混合粉末的质量分数比为6:1，刚玉球的直径为1～5mm，所述球磨的时间为1-3小时。
所述步骤S3中，所需粒度为100-200目。
所述步骤S4中，所述节块的材质为45钢或工具钢。
所述步骤S6中，所述激光工艺参数为保护气流量12-18L/min，送粉器流量7-9L/min，激光功率120-250W，扫描速度4-10mm/s，激光正离焦量0-20mm，光斑直径1-6mm，送粉速度4-9g/min。
所述步骤S6中，所述扫描路径为下列路径中的一种：
直线形，相邻两条扫描轨迹相间2-4mm；
折线形，相邻两条扫描轨迹相间2-4mm；
斜线形，相邻两条扫描轨迹相间2-4mm。
本发明的有益效果：
降低了传统砂轮加工的复杂工艺过程，节省加工时间与成本；相对于传统加工方式，能够灵活加工出所需砂轮结构，有效控制金刚石磨粒相对排布位置，提高切屑流动性，降低切削力及切削温度；金刚石磨粒、结合剂及基体之间通过化学冶金结合有效的提高了砂轮的强度，另外得到的砂轮具有自锐效应，随着长时间的磨削，已经磨损的金刚石磨料会随着结合剂层的磨损自动脱落，使埋没在结合基层中未参与磨削的磨粒裸露出来参与磨削过程，有效的提高了砂轮的使用寿命。
基于上述理由本发明可在超硬磨料加工技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中激光近净成形加工示意图。
图2是本发明的具体实施方式中设计好的外圆砂轮的结构示意图。
图3是本发明中直线形扫描路径示意图。
图4是本发明中折线形扫描路径示意图。
图5是本发明中斜线形扫描路径示意图。
图6是本发明的具体实施方式中外圆砂轮修锐装置结构示意图。
图7是本发明的具体实施方式中外圆砂轮修整装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，激光近净成形加工示意图，图中，包括激光束1、激光器上壳2、送粉气入口3、激光器下壳4、成形层5、基体6、工作台7、混合粉末流动槽8、激光器内壳9和保护气入口10。
如图2-7所示，一种激光近净成形结构化金刚石外圆砂轮的制备及其修整方法，具有如下步骤：
S1、将140目金刚石与金属结合剂粉末(100-270目BNi82CrSiB粉末)在混料瓶中，按照质量分数比1:10混合，得到未混合均匀的金刚石磨料混合粉末；
S2、向混料瓶中加入一定量的刚玉球后，放在球磨机进行球磨，得到混合均匀的金刚石磨料混合粉末；
刚玉球与步骤S1得到的金刚石磨料混合粉末的质量分数比为6:1，刚玉球的直径为1～5mm，所述球磨的时间为3小时；
S3、将步骤S2得到的金刚石磨料混合粉末用筛网过筛得到所需粒度为140目的金刚石磨料混合粉末，并放入干燥箱中干燥3小时；
S4、从设计好的外圆砂轮(如图2所示，包括节块11、定块12、定位孔13和砂轮基底14)取下节块11，其底面尺寸为30×26mm，砂纸打磨去除其表面氧化层，并用酒精擦拭，获得具有光洁待加工金属基体的节块，所述设计好的外圆砂轮直径为82mm，所述节块11的材质为45钢；
S5、将步骤S3干燥后得到的金刚石磨料混合粉末加入送粉器；
S6、按照一定的激光工艺参数及扫描路径在步骤S4得到的节块上进行金刚石磨具的激光近净成形加工，将得到特定形状后的、具有金刚石磨料的节块重新安装到外圆砂轮中；
所述激光工艺参数为保护气流量15L/min，送粉器流量8L/min，激光功率180W，扫描速度5mm/s，零离焦，光斑直径1.5mm，送粉速度8g/min；
所述扫描路径为下列路径中的一种：
直线形，相邻两条扫描轨迹相间2-4mm；
折线形，相邻两条扫描轨迹相间2-4mm；
斜线形，相邻两条扫描轨迹相间2-4mm。
本实施例中，所述扫描路径为折线形；
S7、用SiC杯形砂轮16(通过电机轴17驱动)对步骤S6得到的外圆砂轮15进行修锐处理，去除部分结合剂，露出金刚石磨粒；
S8、用钢块19与油石18组合(通过夹具20夹紧)对步骤S7修锐处理后的外圆砂轮21进行修整，金刚石18与铁系金属磨削碳化，油石18去除表面碳化层，达到外圆砂轮修整目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种激光近净成形结构化金刚石外圆砂轮的制备及其修整方法，其特征在于具有如下步骤：
S1、将金刚石与金属结合剂粉末在混料瓶中，按照一定质量分数比混合，得到未混合均匀的金刚石磨料混合粉末；
S2、向混料瓶中加入一定量的刚玉球后，放在球磨机进行球磨，得到混合均匀的金刚石磨料混合粉末；
S3、将步骤S2得到的金刚石磨料混合粉末用筛网过筛得到所需粒度的金刚石磨料混合粉末，并放入干燥箱中干燥2-3小时；
S4、从设计好的外圆砂轮取下节块，砂纸打磨去除其表面氧化层，并用酒精擦拭，获得具有光洁待加工金属基体的节块；
S5、将步骤S3干燥后得到的金刚石磨料混合粉末加入送粉器；
S6、按照一定的激光工艺参数及扫描路径在步骤S4得到的节块上进行金刚石磨具的激光近净成形加工，将得到特定形状后的、具有金刚石磨料的节块重新安装到外圆砂轮中；
S7、用SiC杯形砂轮对步骤S6得到的外圆砂轮进行修锐处理，去除部分结合剂，露出金刚石磨粒；
S8、用钢块与油石组合对步骤S7修锐处理后的外圆砂轮进行修整；
所述步骤S6中，所述激光工艺参数为保护气流量12-18L/min，送粉器流量7-9L/min，激光功率120-250W，扫描速度4-10mm/s，激光正离焦量0-20mm，光斑直径1-6mm，送粉速度4-9g/min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属结合剂粉末为雾化球形粉末，目数为80-400目。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，金刚石与金属结合剂粉末质量分数比为1:20-1:10。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，刚玉球与步骤S1得到的金刚石磨料混合粉末的质量分数比为6:1，刚玉球的直径为1～5mm，所述球磨的时间为1-3小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所需粒度为100-200目。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述节块的材质为45钢或工具钢。
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| CN108655970A (zh) | 2018-10-16 |
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