一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮及其制备方法

本发明涉及砂轮精加工，特别地，涉及一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮及其制备方法。

背景技术：

1、随着我国制造业技术的进步，对各种难加工材料（如高硅铝材料、高耐磨材料等）的加工需求不断增加。金刚石砂轮磨削作为工程陶瓷的主要加工方法近年来备受关注。相较于其他加工方法，金刚石砂轮磨削具有强度高、寿命长、表面质量高、精度高、效率快等显著优点。

2、然而，在高速磨削过程中，热量与切屑无法及时排出，会对加工工件表面造成热损伤，影响磨削加工精度和刀具寿命。使用磨削液是降低产生热量的一种方法。但是，磨削液很难进入到工作区域，从而导致加工精度不理想，并且这个过程中产生了大量对人体和环境有危害的废弃液体。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮及其制备方法。本发明从砂轮结构出发，将鸟羽和叶序排布的流体动力学特性融入设计，制造出具有组合仿生表面结构的砂轮。这种新型设计有助于提高磨削液利用率，减少对环境的污染，为绿色加工提供了新的研究方向。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一、对砂轮基体表面进行仿生微结构化加工处理，在砂轮表面形成叶序排列鸟羽状微结构；

4、步骤二、对步骤一仿生微结构化加工处理后的砂轮基体进行表面处理；

5、步骤三、在表面处理后的砂轮基体上制备ti过渡层；

6、步骤四、采用双靶射频磁控溅射法，利用mos2靶材和tialn靶材在步骤三中ti过渡层的表面再渡一层mos2-tialn复合抗磨涂层，即得所述复合抗磨涂层组合结构化砂轮。

7、进一步的，步骤一中，采用飞秒激光对砂轮表面进行仿生微结构化加工处理，具体为：首先，将鸟羽结构按照叶序排序方式绘制成图样；接着，将绘制的图样导入到激光系统中，通过设置激光加工的相关参数，使系统沿着图样痕迹对砂轮表面进行扫描烧蚀；最后，砂轮表面形成按照叶序排列的鸟羽沟槽。

8、进一步的，步骤一中，采用的激光器的平均功率为1-50w，重复频率为1-80mhz，脉冲宽度为120fs，波长为720-1060nm，激光光斑直径在10um以内。

9、进一步的，步骤一中，所述叶序排序磨粒簇个数为250-400个，叶序系数为0.2-0.6。

10、进一步的，仿生微结构化的形状为仿生鸟羽状，具体结构参数为：槽深为0.2-0.4mm、轴槽宽为0.8-1.2mm、羽支槽宽为0.4-0.6mm、两羽支沟间距为1.4-1.6mm、羽支沟夹角为30°-45°、一羽支数为4-6。

11、进一步的，步骤二中，对步骤一仿生微结构化加工处理后的砂轮基体进行表面处理，具体为：先用使用清水清洗砂轮，接着将基体放入氢氧化钠溶液中，然后将基体放入硝酸溶液中，最后将基体晾干。

12、进一步的，步骤四中，制备mos2-tialn复合抗磨涂层具体为：首先，选择合适的mos2靶材和tialn靶材；其次，将清洗过的基体和靶材置于离子镀膜机中，将工作室抽成真空状态；接着通入ar气，保持气压为2-5pa；最后使用离子轰击靶材，分别使mos2靶材和tialn靶材表面的原子电离并沉积到基体表面，形成复合抗磨涂层。

13、进一步的，所述mos2靶材和tialn靶材纯度均为99.99%，溅射时间为1-2 h，工作气压保持为5 pa，通过调节射频电源电流控制涂层mos2和tialn的含量为6:1。

14、进一步的，ti过渡层的厚度为0.3-0.5um；mos2+tialn复合抗磨涂层的厚度为1-1.2um。

15、本发明还提供了一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮，采用上述的制备方法制得；所述砂轮包括砂轮基体，所述砂轮基体表面设有叶序排列鸟羽状微结构；所述砂轮基体表面依次设有ti过渡层和mos2-tialn复合抗磨涂层。

16、本发明具有以下有益效果：

17、1、本发明提供的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，采用了叶序排序+鸟羽组合仿生微结构，具有引导气流均匀流动的特点，从而实现提升磨削液利用率、降低磨削液损耗的目的。此外，砂轮表面的微结构化能够提升除屑能力，防止破碎的磨粒和碎屑堵塞砂轮，并且能够有效的储存磨削液，提高磨削液的有效利用率，从而降低磨削温度磨损。本发明采用羽毛状的凹槽能够降低磨削区瞬时接触切削刃数，从而减少刮削过程中的磨粒数量，降低磨削力。

18、2、本发明提供的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法中，渡有一层mos2-tialn复合抗磨涂层，由于al元素的加入，使得砂轮具备高硬度、耐磨损、抗腐蚀、高熔点和高导热率等优点，高温下al离子会向表面扩散，易形成一层致密的al2o3保护膜，提升了砂轮的硬度、强度、耐磨性和抗氧化能力，从而延长了砂轮的使用寿命并提高了磨削效率。在砂轮基体先进行ti过渡层沉积处理，其作用是提高金刚石砂轮基体和二硫化钼涂层粘符性，提高二硫化钼涂层的质量。

19、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

技术特征：

1.一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，步骤一中，采用飞秒激光对砂轮表面进行仿生微结构化加工处理，具体为：首先，将鸟羽结构按照叶序排序方式绘制成图样；接着，将绘制的图样导入到激光系统中，通过设置激光加工的相关参数，使系统沿着图样痕迹对砂轮表面进行扫描烧蚀；最后，砂轮表面形成按照叶序排列的鸟羽沟槽。

3.根据权利要求2所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，步骤一中，采用的激光器的平均功率为1-50w，重复频率为1-80mhz，脉冲宽度为120fs，波长为720-1060nm，激光光斑直径在10um以内。

4.根据权利要求2所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述叶序排序磨粒簇个数为250-400个，叶序系数为0.2-0.6。

5.根据权利要求2所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，仿生微结构化的形状为仿生鸟羽状，具体结构参数为：槽深为0.2-0.4mm、轴槽宽为0.8-1.2mm、羽支槽宽为0.4-0.6mm、两羽支沟间距为1.4-1.6mm、羽支沟夹角为30°-45°、一羽支数为4-6。

6.根据权利要求1所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，步骤二中，对步骤一仿生微结构化加工处理后的砂轮基体进行表面处理，具体为：先用使用清水清洗砂轮，接着将基体放入氢氧化钠溶液中，然后将基体放入硝酸溶液中，最后将基体晾干。

7.根据权利要求1所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，步骤四中，制备mos2-tialn复合抗磨涂层具体为：首先，选择合适的mos2靶材和tialn靶材；其次，将清洗过的基体和靶材置于离子镀膜机中，将工作室抽成真空状态；接着通入ar气，保持气压为2-5pa；最后使用离子轰击靶材，分别使mos2靶材和tialn靶材表面的原子电离并沉积到基体表面，形成复合抗磨涂层。

8.根据权利要求7所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，所述mos2靶材和tialn靶材纯度均为99.99%，溅射时间为1-2 h，工作气压保持为5 pa，通过调节射频电源电流控制涂层mos2和tialn的含量为6:1。

9.根据权利要求1所述的一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮的制备方法，其特征在于，ti过渡层的厚度为0.3-0.5um；mos2+tialn复合抗磨涂层的厚度为1-1.2um。

10.一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮，其特征在于，采用权利要求1-9任一所述的制备方法制得；所述砂轮包括砂轮基体，所述砂轮基体表面设有叶序排列鸟羽状微结构；所述砂轮基体表面依次设有ti过渡层和mos2-tialn复合抗磨涂层。

技术总结
本发明提供了一种复合抗磨涂层组合结构化砂轮及其制备方法，所述方法包括：先对砂轮基体表面进行仿生微结构化加工形成叶序排列鸟羽状微结构，再砂轮基体进行表面处理；然后在基体上制备Ti过渡层；最后在Ti过渡层的表面再渡一层MoS<subgt;2</subgt;‑TiAlN复合抗磨涂层。本发明方法采用叶序排列仿生鸟羽结构，能够提升除屑能力，防止破碎的磨粒和碎屑堵塞砂轮，并且能够有效的储存磨削液，提高磨削液的有效利用率，从而降低磨削温度和磨损。同时，涂上MoS<subgt;2</subgt;+TiAlN涂层，砂轮具备高硬度、耐磨损、抗腐蚀、高熔点和高导热率等优点，提升了砂轮的硬度、强度、耐磨性和抗氧化能力，从而延长了砂轮的使用寿命并提高了磨削效率。

技术研发人员：戴厚富,胡立鸿,李虓宇
受保护的技术使用者：汕头大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16