具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的制作方法

本实用新型涉及磨削加工及增材制造技术领域，特别是涉及一种具有随机多孔结构金属结合剂砂轮和制造具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的装置。

背景技术：

磨削作为一种切削方式，广泛应用于关键零部件的精密与超精密加工，例如轧辊、四级杆基座、晶圆、凸轮轴、齿轮等。磨削一般作为零件切削加工工艺最后一步，以获取较高的表面精度与形位精度。砂轮是应用最多的磨削工具，砂轮性能是保障磨削工艺质量的关键因素。

砂轮的组织结构直接影响砂轮的磨削性能，而砂轮的组织结构是由气孔、磨粒、结合剂的成分比例与相互接触状态决定的，气孔占砂轮的体积比称为气孔率，砂轮气孔在磨削过程中有容纳磨屑与磨削液的作用，提高砂轮气孔率有利于提高砂轮的切削能力与冷却能力。

相关技术中，金属结合剂砂轮制造工艺主要是热压成型法。热压法中，首先将金属结合剂磨粒与结合剂按照一定比例混合均匀，在自然堆积混料的基础上施加一定的压力与温度，最终成型。这样工艺制造出来的砂轮的组织结构是受混料的成分比例、施加的温度压力、受压时间等相互耦合的、非独立的多个因素共同决定，砂轮的气孔率难以主动调节，气孔率较低，影响了砂轮磨削性能，例如将会造成砂轮表面容易堵塞、冷却性能差、易烧伤工件表面，影响加工质量等。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种具有随机多孔结构金属结合剂砂轮，所述具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的气孔率较高，由此可以改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。

本实用新型还提出一种制造具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的装置。

根据本实用新型第一方面实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮，包括砂轮基体和套设在所述砂轮基体外侧的砂轮磨削主体，所述砂轮磨削主体具有随机多孔结构，所述随机多孔结构通过三维建模软件生成，所述砂轮磨削主体通过选择性激光烧结制成，所述随机多孔结构的体积与所述砂轮磨削主体的体积之比的范围为10％～50％，所述砂轮磨削主体包括磨粒、金属粉末和填充剂。

根据本实用新型实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮，通过选择性激光烧结制成具有随机多孔结构砂轮磨削主体，随机多孔结构的体积与砂轮磨削主体的体积之比的范围为10％～50％，金属结合剂砂轮具有较高的气孔率和容屑空间，将封闭式磨削变为开放式磨削，由此可以减少砂轮堵塞，增加磨削液的浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。另外，随机多孔结构可以根据磨削条件进行优化设计，以提高特定磨削条件下的磨削效率和质量，真正做到定制化砂轮的优化设计。

另外，根据本实用新型实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮，还可以具有如下附加技术特征：

根据本实用新型的一个实施例，所述磨粒包括金刚石磨粒和立方氮化硼磨粒中的至少一种，且磨粒浓度为10％～200％。

根据本实用新型的一个实施例，所述金属粉末包括青铜、钴、镍、铁、铝中的至少一种。

根据本实用新型的一个实施例，所述填充剂为碳化钨、碳化硅、石墨中的至少一种。

根据本实用新型的一个实施例，所述随机多孔结构中每个孔的尺寸范围为 0.02mm～5mm。

根据本实用新型第二方面实施例的装置，所述装置用于制造根据本实用新型上述第一方面实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮，所述装置包括：气体净化装置，所述气体净化装置包括气体净化装置主体和循环管路；制造设备主体，所述制造设备主体与所述循环管路相连，所述制造设备主体包括：工作腔体，所述工作腔体与所述循环管路相连，所述工作腔体内设有铺粉刮板；激光扫描系统，所述激光扫描系统与所述工作腔体相连；控制系统，所述控制系统与所述铺粉刮板信号传输以驱动所述铺粉刮板左右移动；粉末输送装置，所述粉末输送装置包括送粉箱和驱动所述送粉箱的送粉活塞；粉末回收装置，所述粉末回收装置包括粉末回收箱；以及人机交互界面。

根据本实用新型实施例的装置，结构简单、运行可靠性高，可以主动控制金属结合剂砂轮的气孔率，由此可以根据磨削条件对金属结合剂砂轮进行优化设计，保证适宜的气孔率，改善金属结合剂砂轮的切削与冷却能力，以提高特定磨削条件下的磨削效率和质量，真正做到定制化砂轮的优化设计。

进一步地，所述工作腔体内设有激光烧结平台，所述激光烧结平台上形成有第一槽口和第二槽口，所述激光烧结平台上设有所述送粉活塞和成型活塞，所述送粉活塞设在所述第一槽口内且上下可移动，所述成型活塞设在所述第二槽口内且上下可移动；其中，所述送粉活塞的上表面与所述第一槽口之间限定出所述送粉箱，所述铺粉刮板设在所述激光烧结平台的上表面；所述成型活塞上设有成型基体，所述金属结合剂砂轮形成在所述成型基体上。

更进一步地，所述激光扫描系统包括：激光器，所述激光器用于发射激光光源；振镜系统，所述振镜系统的一端与所述激光器相连且另一端与所述成型基体相对。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的一个示意图；

图2是根据本实用新型实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的微观结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的制造具有随机多孔结构金属结合剂砂轮装置的示意图；

图4是根据本实用新型实施例的制造具有随机多孔结构金属结合剂砂轮装置的工作腔体的示意图。

附图标记：

金属结合剂砂轮100；

砂轮基体1；

砂轮磨削主体2；随机多孔结构21；

装置200；

气体净化装置210；气体净化装置主体211；循环管路212；

制造设备主体220；工作腔体221；铺粉刮板2211；激光烧结平台2212；激光扫描系统222；激光器2221；振镜系统2222；控制系统223；粉末输送装置224；送粉箱 2241；送粉活塞2242；粉末回收装置225；人机交互界面226；成型活塞2213；成型基体2214。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

增材制造技术是20世纪80年代开始兴起的一类加工方法,其中选择性激光烧结技术是常用的加工复杂形状零件的工艺。选择性激光烧结技术是根据计算机辅助设计模型，利用高能激光烧结处于松散状态的粉末薄层，通过逐层铺粉、逐层堆积的方式，形成任意复杂形状的高密度三维零件。激光烧结工艺采用粉末烧结的成型机制，可以制造非金属、金属甚至复合材料零件，具有良好的成型精度与综合机械性能。选择性激光烧结技术具有材料利用率高，制造周期短，成本低，特别适合零件复杂、特殊定制化的领域。

磨削作为一种切削方式，广泛应用于关键零部件的精密与超精密加工，例如轧辊、四级杆基座、晶圆、凸轮轴、齿轮等。磨削一般作为零件切削加工工艺最后一步，以获取较高的表面精度与形位精度。砂轮是应用最多的磨削工具，砂轮性能及其匹配性工艺是保障磨削工艺质量的关键因素。

下面参照图1-图2描述根据本实用新型第一方面实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮100。

金属结合剂砂轮100包括砂轮基体1和砂轮磨削主体2，砂轮磨削主体2套设在砂轮基体1外壁上，砂轮磨削主体2形成为回转体，例如形成为如1中所示的圆环状结构，其可以由一体成型，也可以分片制造再拼接而成，砂轮磨削主体2具有随机多孔结构21，随机多孔结构21通过三维建模软件生成，砂轮磨削主体2通过选择性激光烧结制成，随机多孔结构21的体积与砂轮磨削主体2的体积之比的范围为10％～50％，砂轮磨削主体2 包括磨粒、金属粉末和填充剂，即生产制造砂轮磨削主体2的原材料包括磨粒、金属粉末和填充剂。

需要说明的是，“砂轮磨削主体2具有随机多孔结构21”指的是，砂轮磨削主体2 具有多个气孔，且多个气孔随机分布在砂轮磨削主体2内部和表面，其中多个气孔可以均匀分布于砂轮磨削主体2内部和表面，当然也可以非均匀分布于砂轮磨削主体2内部和表面，随机多孔结构21可以根据需要通过三维建模软件生成，例如可以通过CAD软件生成。

其中，随机多孔结构21的体积与砂轮磨削主体2的体积之比的范围为10％～50％，即砂轮磨削主体2上的多个气孔的体积之和与砂轮磨削主体2的体积之间的比值大于或等于 10％且小于或等于50％，例如可以为10％，15％，20％，22％，28％，30％，36％，45％或50％等。

砂轮磨削主体2通过选择性激光烧结制成，即砂轮磨削主体2通过选择性激光烧结技术制造而成，首先可以根据磨削条件，例如砂轮运行工况、磨削工件材料等优化设计出所需的砂轮磨削主体2的气孔率以及气孔的位置、尺寸和形状，然后利用三维建模软件，根据优化设计出的参数，建立所需的砂轮磨削主体2的三维模型，建模完成后导出选区激光烧结设备可识别的文件格式，并将该文件导入选区激光烧结设备中，通过激光烧结设备制造出具有特定气孔率的砂轮磨削主体2。

需要说明的是，砂轮基体1可以通过选择性激光烧结制成，当然也可以由传统的机械加工制造方式成型，例如通过铸造、锻造、热压等方式成型。

根据本实用新型实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮100，通过选择性激光烧结制成具有随机多孔结构21的砂轮磨削主体2，随机多孔结构21的体积与砂轮磨削主体2的体积之比的范围为10％～50％，金属结合剂砂轮100具有较高的气孔率和容屑空间，将封闭式磨削变为开放式磨削，由此可以减少砂轮堵塞，增加磨削液的浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。另外，随机多孔结构21可以根据磨削条件进行优化设计，以提高特定磨削条件下的磨削效率和质量，真正做到定制化砂轮的优化设计。

可选地，随机多孔结构21中每个孔的尺寸范围为0.02mm～5mm，即随机多孔结构21 中每个孔的尺寸大于或等于0.02mm且小于或等于5mm，例如孔的尺寸可以为0.02mm、 0.06mm、0.08mm、0.12mm、0.15mm、0.20mm、1.0mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm或5.0mm。

磨粒包括金刚石磨粒和立方氮化硼磨粒中的至少一种。具体而言，在一些示例中，磨粒仅包括金刚石磨粒；在一些示例中，磨粒仅包括立方氮化硼磨粒；在另一些示例中，磨粒同时包括金刚石磨粒和立方氮化硼磨粒。磨粒浓度为10％～200％，即磨粒浓度大于或等于10％且小于或等于200％。其中，磨粒可以不具有镀层，也可以具有镀层，通过使磨粒设有镀层，可以提高磨粒与结合剂的粘结强度。磨粒尺寸范围为23μm～200 μm，即磨粒尺寸大于或等于23μm且小于或等于200μm。

金属粉末包括青铜、钴、镍、铁、铝中的至少一种。进一步地，金属粉末还包括银、钕、铅、镧、铈、钼、硅、铬等元素。填充剂为碳化钨、碳化硅、石墨中的至少一种。

参照图3-图4描述根据本实用新型第二方面实施例的制造具有随机多孔结构金属结合剂砂轮100的装置200，装置200包括：气体净化装置210和制造设备主体220。

具体地，气体净化装置210包括气体净化装置主体211和循环管路212；制造设备主体220与循环管路212相连，通过循环管路212能够向制造设备主体220内通入保护气体，由此，能够防止制作砂轮的混合物料被氧化，保证制造砂轮的质量。

参照图3和图4，制造设备主体220包括：工作腔体221、激光扫描系统222、控制系统223、粉末输送装置224、粉末回收装置225以及人机交互界面226。

工作腔体221与循环管路212相连，工作腔体221内设有铺粉刮板2211；激光扫描系统222与工作腔体221相连；控制系统223与铺粉刮板2211信号传输以驱动铺粉刮板2211左右移动；粉末输送装置224包括送粉箱2241和驱动送粉箱2241(例如上下移动)的送粉活塞2242；粉末回收装置225包括粉末回收箱。由此，通过循环管路 212便于向工作腔体221内通入净化气体(例如氮气、氩气等)，能够防止混合物料被氧化，通过送粉活塞2242能够驱动送粉箱2241内的物料向上移动实现物料的供给，控制系统223控制铺粉刮板2211左右移动，再由激光扫描系统222进行选择性烧结制备砂轮磨削主体2，多余的物料由铺粉刮板2211刮至粉末回收箱内回收利用。

根据本实用新型实施例的装置200，结构简单、运行可靠性高，可以主动控制金属结合剂砂轮100的气孔率，由此可以根据磨削条件对金属结合剂砂轮100进行优化设计，保证适宜的气孔率，改善金属结合剂砂轮100的切削与冷却能力，以提高特定磨削条件下的磨削效率和质量，真正做到定制化砂轮的优化设计。

进一步地，参照图4，工作腔体221内设有激光烧结平台2212，激光烧结平台2212 上形成有第一槽口和第二槽口，激光烧结平台2212上设有送粉活塞2242和成型活塞 2213，送粉活塞2242设在第一槽口内，并且送粉活塞2242在所述第一槽口内上下可移动，成型活塞2213设在第二槽口内，并且成型活塞2213在所述第二槽口内上下可移动。铺粉刮板2211可以在控制系统223的作用下左右平移运动，送粉活塞2242与成型活塞2213可以在控制系统223的作用下上下运动。通过送粉活塞2242的上下移动可以供给物料，通过成型活塞2213的上下移动便于将多余的物料刮至粉末回收箱内回收利用。

其中，送粉活塞2242的上表面与所述第一槽口之间限定出送粉箱2241，铺粉刮板 2211设在激光烧结平台2212的上表面；成型活塞2213上设有成型基体2214，金属结合剂砂轮100形成在成型基体2214上。通过控制系统223控制铺粉刮板2211将物料刮至成型基体2214上、并由激光扫描系统222进行选择性烧结，完成砂轮的制备。

更进一步地，参照图4并结合图3，激光扫描系统222包括：激光器2221和振镜系统2222。激光器2221可以用于发射激光光源，振镜系统2222的一端与激光器2221 相连，并且振镜系统2222的另一端与成型基体2214相对。振镜系统2222能够接收激光器2221发射的激光光源，从而实现砂轮的烧结。

其中，振镜系统2222是一种由驱动板与高速摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统，主要用于激光打标、激光内雕、舞台灯光控制、激光打孔等。

根据本实用新型第三方面实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮100的制备工艺，包括如下步骤：

S1：将磨粒、金属粉末、填充剂混合形成混料，混料即为制备砂轮磨削主体2的原料。具体地，混料包括磨粒、金属粉末、填充剂，磨粒包括金刚石磨粒和立方氮化硼磨粒中的至少一种，磨粒浓度为10％～200％；金属粉末包括青铜、钴、镍、铁、铝中的至少一种；金属粉末可以是青铜、钴、镍、铁、铝等一种或几种粉末，可能还需添加银、钕、铅、镧、铈、钼、硅、铬等元素。填充剂为碳化钨、碳化硅、石墨中的至少一种。各类物质比例按需确定。其中，磨粒设有镀层，磨粒设有镀层可以提高磨粒与结合剂的粘结强度，并且磨粒尺寸为23μm～200μm。

S2：将设计完成的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮参数导入制造装置(即制造具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的装置200)中，向送粉箱内添加混料，并设置激光烧结工艺参数，具体地，可以通过人机交互界面设置激光烧结工艺参数。

在金属结合剂砂轮参数的设计过程中，首先根据砂轮的运行工况(有无磨削液、粗磨或精磨等)、磨削工件材料属性及其他要求确定砂轮磨削主体2的气孔率(即随机多孔结构的体积与砂轮磨削主体2的体积之比)，在计算软件中根据砂轮气孔率随机产生气孔的位置与尺寸；在计算机中利用三维建模软件设计砂轮磨削主体2的外形轮廓，根据计算机软件中随机产生多孔的位置与尺寸，完成具有随机多孔结构砂轮磨削主体2 的建模，建模完成后，导出选区激光烧结设备可识别的文件格式，并将该文件导入装置200中。

S3：关闭工作腔体的隔离门，打开气体净化装置，向工作腔体循环充入氮气或者氩气中的至少一种，防止混料氧化；

S4：启动激光器；

S5：控制系统控制送粉活塞上升一段距离(上升的距离可按需设置)，铺粉刮板由最左端移动到粉末回收箱(例如，粉末回收箱的左端)再由粉末回收箱移动到最左端，激光经由振镜系统对当前铺粉层选择性烧结，成型活塞下降一段距离，多余粉料送入粉料回收箱中；

S6：重复步骤S5，直至砂轮磨削主体2制备完成；

S7：加工砂轮基体1，并装配砂轮磨削主体2与砂轮基体1，砂轮磨削主体2与砂轮基体1可以通过粘结的方式相连；

S8：金属结合剂砂轮修整开刃。通过上述步骤能够完成具有随机多孔结构金属结合剂砂轮的制备。

进一步地，所述激光烧结参数包括：设置激光器的功率10W～500W；设置粉层厚度在 0.02～0.5mm之间；设置线性扫描速度在100mm/s～7000mm/s之间；设置线性成型速度在 10mm/s～3000mm/s之间；使工作腔体的氧浓度小于100ppm；成型气氛在循环净化的条件下，除尘率大于98％。通入保护气体并保持一段时间，防止烧结氧化，并且要满足除尘率的要求。由此，通过合理设置所述激光烧结参数，有利于保证具有随机多孔结构金属结合剂砂轮100的质量。

其中，ppm是溶质浓度单位，ppm是英文parts per million的缩写,译意是每百万分中的一部分,即表示百万分之(几),或称百万分率，如1ppm即一百万千克的溶液中含有1 千克溶质，ppm与百分率(％)所表示的内容一样,只是它的比例数比百分率大而已，用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度,也称百万分比浓度。

根据本实用新型实施例的制备工艺，可以主动控制金属结合剂砂轮100的气孔率，由此可以根据磨削条件对金属结合剂砂轮100进行优化设计，保证适宜的气孔率，在磨削过程中，砂轮不易发生堵塞，冷却效果好，不易烧伤工件，磨削力小，磨出的工件表面形状精度与表面粗糙度都优于常规工艺制造出来的砂轮，由此提高特定磨削条件下的磨削效率和质量，真正做到定制化砂轮的优化设计。本实用新型实施例的制备工艺，操作方便，特别适合小批量定制化生产，同一批砂轮质量一致性好。另外，通过本实用新型实施例的制备工艺制造的金属结合剂砂轮100的质量较轻，可以降低制造成本。

根据本实用新型实施例的具有随机多孔结构金属结合剂砂轮100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

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实用新型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实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。