一种磁场辅助制备磨粒排布3D打印砂轮及其方法和装置与流程

本发明属于砂轮制造技术领域，具体涉及一种磁场辅助制备磨粒排布3D打印砂轮及其方法和装置。

背景技术：

伴随着科技的飞速发展，具有耐腐蚀耐磨等优异性能的钛合金、光学玻璃、陶瓷、高温合金等难加工材料被广泛地应用于航空航天，石油化工、高铁等高科技领域。因此对这些优异性能的难加工材料进行高效精密加工已成为当今研究的热点之一。磨削加工在硬脆材料精密加工领域占据着重要的位置。难加工材料加工而成的零部件既要求微米级乃至纳米级的表面粗糙度，且要求表面质量非常均匀，使用超细磨料超硬砂轮如金刚石砂轮对这些材料进行高效精密加工日益剧增。但是市场上常见的砂轮磨粒在砂轮基体中是随机分布的，很容易产生偏析和聚集。在磨粒富集区，磨粒浓度高从而造成切削力小，容屑空间小易造成堵塞，致使磨削效率下降。在磨粒稀少区，因磨粒浓度低而不能有效的参与磨削，在磨削过程中砂轮会承受工作载荷和冲击力过大而易于破碎脱落。因此砂轮磨粒分布不均导致磨削工件表面质量不高、砂轮寿命减少、磨削效率降低等不利情况产生。

目前，国内外科研院所和磨具生产公司对有序排布磨具进行了大量的实验研究。J.C.Aurich等利用运动学仿真方法对单层砂轮磨粒的分布进行了仿真优化，制备出了磨粒有序的电镀砂轮。C.M.Sung等通过有序排布技术显著增加了切削效率和工具寿命。徐九华等通过优化排布金刚石磨料研制出钎焊单层金刚石端面砂轮及其制造装备。毛聪等人发明了利用电镀工艺制备出有序结构电镀砂轮的制造方法。

金属零件3D打印技术作为目前整个增材制造技术中最前沿、最有潜力的技术。相对于传统加工工艺减材加工技术，3D打印采用增材制造技术通过叠加式制造工序，依据计算机数据，利用金属、塑料凳材料逐层累加加工。随着增材技术的发展，采用3D打印技术增材制造技术制备青铜结合剂砂轮成为可能。磁场辅助作用可以使磁性物质规则排布，本发明利用3D打印技术和磁场辅助制备磨粒排布3D打印砂轮及其制备方法和装置。

技术实现要素：

针对现有技术存在砂轮制造过程中磨粒排布不均匀的不足之处，本发明的目的在于提供一种高效可靠的磁场辅助制备磨粒排布3D打印砂轮方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种磁场辅助制备磨粒排布3D打印砂轮，包括磁性磨粒和青铜结合剂，所述磁性磨粒包括：磨料颗粒、磁性微粉和金属粘结剂，所述青铜结合剂主要为Cu-Sn-Ni（铜锡镍）合金。所述磁性微粉是铁、钴、镍、等金属的至少一种，所述磨料颗粒是金刚石磨料、立方氮化硼磨料或其他磨料。

进一步的，所述磁性磨粒的质量分数为15%-20%，其成分配比如下

金刚石颗粒 8%-10%

铁、镍、钴等磁性微粉 3%-5%

金属粘结剂 4%-5%

所述青铜结合剂的质量分数为80-85%，其成分配比如下

Sn 14%-16%

第八族金属（Fe、Ni、Co） 8%-9%

金属草酸盐 0.01%-0.08%

Cu 余量。

为了更好的实施本发明，所述金刚石颗粒的粒径为230-270um。

一种制备上述砂轮的装置，包括加工平台、导轨和设置在导轨上的行走机构、步进电机、砂轮基体工作台、磁场发生装置，所述加工平台上设置有支撑柱，所述导轨设置在支撑柱上，所述行走机构上设置有激光喷头、聚焦激光头和吹气回收装置，所述步进电机设置于加工平台下方中心位置，所述砂轮基体工作台设置在加工平台上，所述磁场发生装置设置于砂轮基体工作台外侧，所述步进电机与砂轮基体工作台通过传动轴连接。

进一步的，所述磁场发生装置可以是永磁体也可以是电磁铁。

一种利用上述装置制备所述砂轮的方法，包括以下步骤：

步骤A、选取一定比例的金刚石颗粒、磁性微粉、粘结剂，利用搅拌装置充分搅拌混合至均匀得到磁性磨粒；

步骤B、利用行走机构上的激光喷头，控制空气压力驱动磁性磨粒喷散在砂轮基体工作台上的青铜结合剂表面；

步骤C、在磁场发生装置产生的外加磁场的作用下使磁性磨粒定向规则排布；

步骤D、通过移动行走机构控制聚焦激光头对规则排布的磁性磨粒进行扫描烧结到青铜结合剂材料上；

步骤E、利用行走机构上的气体吹气回收装置，将未被激光扫描烧结的金刚石磨粒吹到回收装置以便再利用；

重复步骤B～步骤E，制造出磨粒规则排布的砂轮。

进一步的，所述步骤C中的外加磁场的磁场强度是可以调节的，通过调节磁场强度控制磁性粉末物质的排布方式从而调节磨粒的排布方式。本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过3D打印增材制造技术逐层累加出用于实际生产的砂轮，同时复合以磁场控制作用，能够使磁性磨粒在磁场的作用下规则排布，利用此方法生产的砂轮磨粒规则排布，在精密超精密加工时可以使被加工工件表面形貌均匀，提高了磨削效率，增加了砂轮的使用寿命。

附图说明

图1为本发明混合物料喷射工作示意图；

其中：1、磨料颗粒，2、磁性微粉，3、粘结剂，4、气体流动方向

图2为本发明中，砂轮制备装置示意图：

其中：5、加工平台，6、导轨，7、行走机构，8、步进电机，

9、砂轮基体工作台，10、磁场发生装置，11、支撑柱，

12、激光喷头，13、聚焦激光头，14、吹气回收装置

图3为本发明砂轮中的磨粒在外加磁场作用下的分布示意图：

其中：15、磁场发生装置的N极，16、磁场发生装置的S极，

17、砂轮

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图2所示，一种磁场辅助制备磨粒排布3D打印砂轮的装置，包括加工平台5、导轨6和设置在导轨6上的行走机构7、步进电机8、砂轮基体工作台9、磁场发生装置10，所述加工平台5上设置有支撑柱11，所述导轨6设置在支撑柱11上，所述行走机构7上设置有激光喷头12、聚焦激光头13和吹气回收装置14，所述步进电机8设置于加工平台5下方中心位置，所述砂轮基体工作台9设置在加工平台5上，所述磁场发生装置10设置于砂轮基体工作台9外侧，所述步进电机8与砂轮基体工作台9通过传动轴连接。

进一步的，所述磁场发生装置10可以是永磁体也可以是电磁铁。

如图1、图2、图3所示，利用上述装置生产砂轮时，其过程如下：

步骤A,按如下比例称取原料：

磁性磨粒的质量分数为15%-20%，其成分配比如下：金刚石颗粒等磨料颗粒8%-10%，铁、镍、钴等磁性微粉3%-5%，金属粘结剂4%-5%；

利用搅拌装置充分搅拌混合至均匀得到磁性磨粒；

青铜结合剂的质量分数为80-85%，其成分配比如下：Sn 14%-16%，第八族金属（Fe、Ni、Co）8%-9%，金属草酸盐0.01%-0.08%，Cu余量；

步骤B、利用行走机构7上的激光喷头12，控制空气压力驱动磁性磨粒喷散在砂轮基体工作台9上的青铜结合剂表面；

步骤C、在磁场发生装置10产生的外加磁场的作用下使磁性磨粒定向规则排布；

步骤D、通过移动行走机构7控制聚焦激光头13对规则排布的磁性磨粒进行扫描烧结到青铜结合剂材料上；

步骤E、利用行走机构7上的气体吹气回收装置14，将未被激光扫描烧结的金刚石磨粒吹到回收装置以便再利用；

重复步骤B-步骤E，制造出磨粒规则排布的砂轮17。

作为优选，所述步骤C中磁场发生装置10产生的外加磁场的磁场强度是可以调节的，通过调节磁场强度控制磁性粉末物质的排布方式从而调节磨粒的排布方式，使其如图3所示方式排布。

综上所述，通过本实施例的描述，可以使本技术领域人员更好的实施本方案，本项发明的保护范围不限于说明书上的内容，凡是与上述实施结构相同，或者依据本发明技术原理所作的技术变形，均属于本发明要求的保护范围。