混粉砂轮及其制备方法与流程

本发明涉及金属材料磨削加工技术领域，具体地，本发明涉及混粉砂轮及其制备方法。

背景技术：

传统的连续磨削混粉砂轮，例如陶瓷结合剂混粉砂轮、树脂结合剂混粉砂轮，磨削加工过程中磨削弧区的温度呈指数级增长模式，极易因磨削高温而引起加工表面烧伤现象。

因此，性能更优的混粉砂轮及其制备方法还需进一步研究。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

连续磨削混粉砂轮，极易因磨削高温而引起加工表面烧伤现象，而断续磨削混粉砂轮，例如通过热压方法或钎焊/电镀方法制备获得的开槽断续磨削混粉砂轮，由于磨削加工过程中磨削弧区的温度上升呈现加热—冷却—加热的循环模式，对于控制磨削弧区的温度上升具有良好的作用，可防止因磨削高温而引起的磨削烧伤与裂纹。

然而，热压方法，如修整方法制备的开槽断续磨削混粉砂轮的结合剂类型多限于陶瓷或树脂结合剂，修整的槽型深度较小，且修整层的磨粒磨损后，需要反复修整；钎焊方法制备的混粉砂轮的磨粒粒径一般较大，基本在100微米以上，此粒径以下的磨粒极难实现钎焊工艺，且钎焊磨粒为单层磨粒，磨粒磨损之后，混粉砂轮将失去磨削性能；电镀方法制备的电镀混粉砂轮的电镀磨粒仍为单层磨粒，磨粒磨损之后，混粉砂轮也将失去磨削性能。

基于上述问题，发明人通过结合激光选区熔化成形即增材制造方法的优势，制备面向金属结合剂和超硬磨料的混粉砂轮，且包含可设计结构、可定义尺寸的多孔特征和多层磨粒，将热压混粉砂轮多层磨粒与钎焊/电镀混粉砂轮断续磨削的优势相结合。发明人惊喜地发现，通过本申请所要求保护的方法制备的混粉砂轮可以避免多类材料的磨削加工烧伤，实现磨削裂纹控制并延长砂轮使用寿命。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种混粉砂轮，根据本发明的实施例，所述混粉砂轮包括：砂轮基体和多孔结构件，所述多孔结构件装配在所述砂轮基体上，并且所述多孔结构件选自包括网纹结构件、蜂窝结构件和口框结构件中的至少一种。根据本发明实施例的混粉砂轮，能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，使得磨削温度呈“锯齿化”上升，从而避免了传统磨削加工中磨削温度呈指数级的快速增长，能够有效防止磨削烧伤与磨削裂纹现象的产生。

根据本发明的实施例，上述混粉砂轮还可进一步包括如下附加技术特征至少之一：

根据本发明的实施例，所述网纹结构件中开槽深度为0.2mm～2mm，开槽宽度为0.2mm～2mm，砂轮圆周展开面平行网纹之间的间距为2mm～5mm，交叉网纹所成的夹角为30～90度。发明人发现，在所述尺寸范围内，能够明显改善砂轮的磨削效率，同时磨削工件表面粗糙度不会显著上升。

根据本发明的实施例，所述蜂窝结构件包括多个蜂窝孔，所述多个蜂窝孔的内切圆直径分别独立地为0.5～2mm，相邻所述蜂窝孔中心间距为1.74～1.76mm，所述多个蜂窝孔深分别独立地为2～2.5mm，并且靠近所述混粉砂轮上边缘的所述蜂窝孔与所述混粉砂轮上边缘间距为0.32～0.35mm，靠近所述混粉砂轮下边缘的所述蜂窝孔与所述混粉砂轮下边缘间距为0.32～0.35mm。发明人发现，在所述尺寸范围内能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，同时保证砂轮的磨削效率高，使用寿命长。其中，“分别独立地为”表示每个蜂窝孔的尺寸不受其他孔的限制，具体包含了所述多个蜂窝孔的尺寸均相等、均不相等或不完全相等这三种情况。

根据本发明的实施例，所述口框结构件包括多个口框，所述多个口框的外接圆直径分别独立地为0.3～3mm，相邻所述口框的外接圆圆心的间距为0.2～2mm，所述多个口框深度分别独立地为2～2.5mm。发明人发现，在所述尺寸范围内能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，同时保证砂轮的磨削效率高，使用寿命长。其中，“分别独立地为”表示每个口框的尺寸不受其他口框的限制，具体包含了所述多个口框的尺寸均相等、均不相等或不完全相等这三种情况。

根据本发明的实施例，所述网纹结构件、所述蜂窝结构件和所述口框结构件尺寸精度分别独立地不小于0.1mm。高精度更有利于保证本发明的混粉砂轮发挥作用，以解决磨削加工烧伤与磨削裂纹控制以及砂轮使用寿命低的问题。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备上述混粉砂轮的方法，根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)将金属结合剂剂和磨料混合后进行球磨处理，以便得到混合粉料；(2)将所述混合粉料进行激光选区熔化成形处理，以便得到所述混粉砂轮。根据本发明的实施例，该方法突破了传统制造工艺的热压方法或钎焊/电镀方法制备开槽断续磨削混粉砂轮的常规思路，通过激光选区熔化成形技术，根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，从而直接获得任意复杂形状的混粉砂轮。通过该方法制备的具有多孔结构特征的混粉砂轮，能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，使得磨削温度呈“锯齿化”上升，从而避免了传统磨削加工中磨削温度呈指数级的快速增长，能够有效防止磨削烧伤与磨削裂纹现象的产生。

根据本发明的实施例，上述方法还可进一步包括如下附加技术特征至少之一：

根据本发明的实施例，所述金属结合剂选自包括铁基金属粉末、铜基金属粉末和镍基金属粉末的至少之一。发明人发现，所述金属结合剂结合强度、磨削效率、耐用度更高，不堵塞，耐磨性更好，从而保证砂轮成型质量优，使用寿命长。

根据本发明的具体实施例，所述金属结合剂的粉末球形度不小于90％。发明人发现，小于所述球形度时，粉末流动性差，在铺粉的过程中容易出现团聚，从而影响砂轮的成型质量，导致砂轮的磨削效率降低，使用寿命缩短。

根据本发明的具体实施例，所述金属结合剂的粒度为38～45微米。发明人发现，所述粒度范围内的金属结合剂结合强度、磨削效率和耐用度进一步提高，耐磨性更好，使用寿命更长。

根据本发明的具体实施例，所述金属结合剂中氧含量不大于600ppm。发明人发现，氧含量大于所述范围时，激光烧结过程中易产生局部氧化，使砂轮成型质量差，导致砂轮的磨削效率降低，使用寿命缩短。

根据本发明的实施例，该磨料为金刚石磨料。发明人发现，金刚石磨料硬度大、抗压强度高、耐磨性好，从而保证砂轮成型质量优，磨削效率高，使用寿命长。

根据本发明的实施例，所述磨料为立方氮化硼磨料。发明人发现，立方氮化硼磨料硬度大、耐高温、在高温情况下稳定性好，不与铁发生反应，从而保证砂轮成型质量优，磨削效率高，使用寿命长。

根据本发明的具体实施例，所述磨料的磨粒粒径为38微米～100微米。

根据本发明的具体实施例，所述磨料的磨粒浓度为50％～150％。

根据本发明的具体实施例，所述磨料的磨粒具有镀层，所述镀层为选自包括镍和钛的至少之一，所述镀层的厚度不大于5微米。发明人发现，所述镀层可以提高磨粒与结合剂的粘结强度，并且在不影响磨削效果的前提下减缓磨粒的磨损，延长砂轮的使用寿命。

根据本发明的实施例，在步骤(1)中，所述混合粉料的均匀度不小于95％。发明人发现，所述均匀度可以保证混粉的均匀性，当混粉低于该均匀度时，制备得到的混粉砂轮的耐高温性能明显下降，使用寿命缩短。

根据本发明的具体实施例，在步骤(1)中，所述激光选区熔化成形过程中激光功率为50～200w，扫描速度为400～1200mm/s，铺粉厚度为20～100微米，重叠率为20％～50％。发明人发现，在所述条件下制备得到的具有多孔结构特征的混粉砂轮能够有效避免传统磨削加工中磨削温度呈指数级的快速增长现象，从而防止磨削烧伤与磨削裂纹的产生。

根据本发明的具体实施例，进一步包括：(3)对所述混粉砂轮进行修整和超声波清洗处理。发明人发现，经过修整和清洗处理可以获得性能更优的混粉砂轮。

附图说明

图1是根据本发明实施例的多孔结构特征的混粉砂轮外形尺寸示意图；

图2是根据本发明实施例的混粉砂轮多孔结构特征的类型示意图，

其中，图a为网纹类型多孔结构，图b为蜂窝类型多孔结构，图c为口框类型多孔结构；

图3是根据本发明实施例的混粉砂轮网纹类型多孔结构特征的结构尺寸示意图；

图4是根据本发明实施例的混粉砂轮蜂窝类型多孔结构特征的结构尺寸示意图；以及

图5是根据本发明实施例的混粉砂轮口框类型多孔结构特征的结构尺寸示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

其中，网纹类型多孔结构特征混粉砂轮的结构尺寸包括开槽深度、开槽宽度、砂轮圆周展开面平行网纹之间的间距和交叉网纹所成的夹角。

蜂窝类型多孔结构特征混粉砂轮的结构尺寸包括蜂窝孔的内切圆直径、相邻蜂窝孔中心间距、蜂窝孔与混粉砂轮边缘间距和蜂窝孔深。

口框类型多孔结构特征混粉砂轮的结构尺寸包括口框外接圆直径、相邻口框的外接圆圆心间距和口框深度。

混粉砂轮

在本发明的第一方面，本发明提出了一种混粉砂轮，参考图1，根据本发明的实施例，该混粉砂轮包括：砂轮基体和多孔结构件，所述多孔结构件装配在所述砂轮基体上，并且所述多孔结构件为选自包括网纹结构件、蜂窝结构件和口框结构件中的至少一种。根据本发明实施例的多孔结构件为磨削部，用于打磨。根据本发明实施例的混粉砂轮，能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，使得磨削温度呈“锯齿化”上升，从而避免了传统磨削加工中磨削温度呈指数级的快速增长，能够有效防止磨削烧伤与磨削裂纹现象的产生。

根据本发明的具体实施例，参考图2(a)和图3，该网纹结构件中开槽深度为0.2mm～2mm，开槽宽度为0.2mm～2mm，砂轮圆周展开面平行网纹之间的间距为2mm～5mm，交叉网纹所成的夹角为30～90度。发明人发现，在该尺寸范围内，能够明显改善砂轮的磨削效率，同时磨削工件表面粗糙度不会显著上升。

根据本发明的再一具体实施例，参考图2(b)和图4，该蜂窝结构件包括多个蜂窝孔，所述多个蜂窝孔的内切圆直径分别独立地为0.5～2mm，相邻所述蜂窝孔中心间距为1.74～1.76mm，所述多个蜂窝孔深分别独立地为2～2.5mm，并且靠近所述混粉砂轮上边缘的所述蜂窝孔与所述混粉砂轮上边缘间距为0.32～0.35mm，靠近所述混粉砂轮下边缘的所述蜂窝孔与所述混粉砂轮下边缘间距为0.32～0.35mm。发明人发现，在该尺寸范围内能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，同时保证砂轮的磨削效率高，使用寿命长。其中，“分别独立地为”表示每个蜂窝孔的尺寸不受其他孔的限制，具体包含了所述多个蜂窝孔的尺寸均相等、均不相等或不完全相等这三种情况。

根据本发明的再一具体实施例，参考图2(c)和图5，该口框结构件包括多个口框，所述多个口框的外接圆直径分别独立地为0.3～3mm，相邻所述口框的外接圆圆心的间距为0.2～2mm，所述多个口框深度分别独立地为2～2.5mm。发明人发现，在该尺寸范围内能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，同时保证砂轮的磨削效率高，使用寿命长。其中，“分别独立地为”表示每个口框的尺寸不受其他口框的限制，具体包含了所述多个口框的尺寸均相等、均不相等或不完全相等这三种情况。

根据本发明的再一具体实施例，该网纹结构件、该蜂窝结构件和该口框结构件尺寸精度分别独立地不小于0.1mm。高精度更有利于保证本发明的混粉砂轮发挥作用，以解决磨削加工烧伤与磨削裂纹控制以及砂轮使用寿命低的问题。

制备混粉砂轮的方法

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备上述混粉砂轮的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将金属结合剂剂和磨料混合后进行球磨处理，以便得到混合粉料；(2)将所述混合粉料进行激光选区熔化成形处理，以便得到所述混粉砂轮。根据本发明的实施例，该方法突破了传统制造工艺的热压方法或钎焊/电镀方法制备开槽断续磨削混粉砂轮的常规思路，通过激光选区熔化成形技术，根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，从而直接获得任意复杂形状的混粉砂轮。通过该方法制备的具有多孔结构特征的混粉砂轮，能够显著增强磨削加工区域的冷却效果，使得磨削温度呈“锯齿化”上升，从而避免了传统磨削加工中磨削温度呈指数级的快速增长，能够有效防止磨削烧伤与磨削裂纹现象的产生。

根据本发明的具体实施例，该金属结合剂选自包括铁基金属粉末、铜基金属粉末和镍基金属粉末的至少之一。发明人发现，该类金属结合剂结合强度、磨削效率、耐用度更高，不堵塞，耐磨性更好，从而保证砂轮成型质量优，使用寿命长。

根据本发明的具体实施例，该金属结合剂的粉末球形度不小于90％。发明人发现，小于该球形度时，粉末流动性差，在铺粉的过程中容易出现团聚，从而影响砂轮的成型质量，导致砂轮的磨削效率降低，使用寿命缩短。

根据本发明的具体实施例，该金属结合剂的粒度为38～45微米。发明人发现，该粒度范围内的金属结合剂结合强度、磨削效率和耐用度进一步提高，耐磨性更好，使用寿命更长。

根据本发明的具体实施例，该金属结合剂中氧含量不大于600ppm。发明人发现，氧含量大于该范围时，激光烧结过程中易产生局部氧化，使砂轮成型质量差，导致砂轮的磨削效率降低，使用寿命缩短。

根据本发明的实施例，该磨料为金刚石磨料。发明人发现，金刚石磨料硬度大、抗压强度高、耐磨性好，从而保证砂轮成型质量优，磨削效率高，使用寿命长。

根据本发明的实施例，所述磨料为立方氮化硼磨料。发明人发现，该立方氮化硼磨料硬度大、耐高温、在高温情况下稳定性好，不与铁发生反应，从而保证砂轮成型质量优，磨削效率高，使用寿命长。

根据本发明的具体实施例，该磨料的磨粒粒径为38微米～100微米。

根据本发明的具体实施例，该磨料的磨粒浓度为50％～150％。

根据本发明的具体实施例，该磨料的磨粒具有镀层，所述镀层为选自包括镍和钛的至少之一，所述镀层的厚度不大于5微米。发明人发现，该镀层可以提高磨粒与结合剂的粘结强度，并且在不影响磨削效果的前提下减缓磨粒的磨损，延长砂轮的使用寿命。

根据本发明的具体实施例，在步骤(1)中，该混合粉料的均匀度不小于95％。发明人发现，该均匀度可以保证混粉的均匀性，当混粉低于该均匀度时，制备得到的混粉砂轮的耐高温性能明显下降，使用寿命缩短。

根据本发明的具体实施例，在步骤(1)中，该激光选区熔化成形过程中激光功率为50～200w，扫描速度为400～1200mm/s，铺粉厚度为20～100微米，重叠率为20％～50％。发明人发现，在该条件下制备得到的具有多孔结构特征的混粉砂轮能够有效避免传统磨削加工中磨削温度呈指数级的快速增长，从而防止磨削烧伤与磨削裂纹现象的产生。

根据本发明的具体实施例，进一步包括：步骤(3)对该混粉砂轮进行修整和超声波清洗处理。发明人发现，经过修整和清洗处理可以获得性能更优的混粉砂轮。

根据本发明的具体实施例，上述具有多孔结构特征的混粉砂轮结构设计与增材制造按照如下步骤顺次进行：

步骤一，混粉砂轮基体结构外形尺寸设计。根据磨削加工对象的技术要求和磨削加工机床混粉砂轮轴安装尺寸要求，设计混粉砂轮基体结构的外圆直径、内孔直径、混粉砂轮宽度或高度。

步骤二，混粉砂轮的多孔结构特征的类型、结构尺寸与精度设计。设计混粉砂轮多孔结构特征的类型，设计多孔结构特征的结构尺寸和精度要求。

所述步骤二具体包括以下两个步骤：

步骤a：根据磨削加工对象的技术要求，设计混粉砂轮的多孔结构特征类型，这些类型包括网纹类型、蜂窝类型和口框类型。

步骤b：根据磨削性能要求和成形精度的技术指标要求，设计多孔结构特征中每个孔的结构尺寸与精度。对于网纹类型多孔结构特征，参考图3，开槽深度在0.2mm～2.5mm，开槽宽度为0.2mm～2mm，网纹间距在2mm～5mm，交叉网纹所成的锐角在30度～90度之间。对于蜂窝类型多孔结构特征，参考图4，蜂窝孔的内切圆直径为1mm，蜂窝孔之间的间距为1.74～1.76mm，蜂窝孔与混粉砂轮边缘的间距为0.32～0.35mm，蜂窝孔深为2～2.5mm。对于口框类型多孔结构特征，参考图5，口框的外接圆直径为0.3～3mm，口框之间间距为0.2～2mm，口框深度为2～2.5mm。每个孔的尺寸精度都要求不小于0.1mm。

步骤三，选择金属结合剂和超硬磨料类型，并进行金属结合剂与超硬磨料的均匀混粉。

所述步骤三具体包括以下五个步骤：

步骤a：混粉砂轮的金属结合剂类型选择具有较高强度与硬度的金属材料，包括铁基金属材料、铜基金属材料或镍基金属材料。金属材料的粉末球形度不小于90％，粒度范围38～45微米，氧含量不大于600ppm。

步骤b：混粉砂轮的超硬磨料类型选择立方氮化硼，超硬磨料的磨粒应具有优异的等积形晶体，晶型完整，同时具有锋利的边角，磨粒的粒径范围为38微米～100微米。

步骤c：超硬磨料的磨粒可以选择无镀层或者有镀层，选择有镀层时，镀层的类型可以选择镀镍或者镀钛，镀层的厚度一般要求不大于5微米。

步骤d：混粉砂轮中磨粒的浓度范围为50％～150％，按照磨粒的浓度设定值，分别对金属结合剂和超硬磨料进行称重。

步骤e：将称重后的金属结合剂和超硬磨料倒入球磨机，进行混粉，混粉工艺参数为均匀度不小于95％，保证混粉的均匀性。

步骤四，激光选区熔化成形制备混粉砂轮，去应力处理。利用增材制造的方法，即激光选区熔化成形技术，打印制备混粉砂轮，并进行去应力的后续处理。

所述步骤四具体包括以下两个步骤：

步骤a：针对混粉后的金属结合剂和超硬磨料，设定混粉条件下的激光选区熔化成形工艺参数，具体工艺参数包括激光功率50～200w，扫描速度在400～1200mm/s，铺粉厚度为20～100微米，重叠率为20％～50％，从而利用增材制造方法制备获得混粉砂轮。

步骤b：按照混粉砂轮基体结构的宽度或高度设计要求，对激光选区熔化成形基板上的混粉砂轮进行线切割，对线切割后的混粉砂轮进行去应力处理。

步骤五，修整混粉砂轮的工作表面，在磨削机床上利用修整砂轮等修整工具，把混粉砂轮工作表面修整成满足磨削加工性能要求的型廓和锐度。

步骤六，超声波清洗，检验。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。