一种金刚石砂轮及其生产方法与流程

本发明涉及一种磨料磨具，具体地说是涉及一种金刚石砂轮及其生产方法。

背景技术：

以金刚石磨料为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷和电镀金属作结合剂，制成的中央有通孔的圆形固结磨具称作金刚石砂轮。由于金刚石磨料所具有的特性(硬度高、抗压强度高、耐磨性好)，使金刚石磨具在磨削加工中成为磨削硬脆材料及硬质合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用寿命长，同时还可改善劳动条件。因此广泛用于普通磨具难于加工的低铁含量的金属及非金属硬脆材料，如硬质合金、高铝瓷、光学玻璃、玛瑙宝石、半导体材料、石材等。

超硬磨料磨具（金刚石、立方氮化硼砂轮等）由于其高硬度、高耐磨性等优良特性，在工程陶瓷、硬质合金等硬脆材料的高效磨削与精密磨削等领域具有不可比拟的优势，应用极其广泛。传统金刚石砂轮按生产工艺可分为：烧结式金刚石砂轮(树脂结合剂金刚石砂轮；陶瓷结合剂金刚石砂轮；金属结合剂金刚石砂轮)；电镀金刚石砂轮；钎焊金刚石砂轮。

采用传统热压烧结与电镀等工艺制备的超硬磨料砂轮其磨粒形状、位置、分布密度和磨粒突出高度等都具有很大随机性，砂轮表面不同位置有效磨粒数、单颗磨粒承受载荷、切屑流动方向等都存在极大不确定性。而且，由于结合剂与磨粒之间结合强度较低，结合剂对磨粒的把持力较小，从而导致磨削力大、磨削温度过高、磨削过程中磨粒易脱落、磨粒有效利用率低等一系列问题，严重影响工件的表面质量和砂轮磨削效率。

大量理论和实验研究表明，砂轮制造过程中使磨粒的排布具有一定的有序性，可以在磨削加工时提供更大的容屑空间，减小磨削力，降低磨削温度，提高磨削效率，有效改善磨削表面质量。

自上世纪九十年代初以来，国外及我国台湾地区先后研究高温钎焊制备新型金刚石工具的新工艺，利用高温钎焊工艺实现结合剂与磨粒界面上的化学冶金结合，同时实现单层磨粒的有序排布。例如，2004年9月15日公开的发明专利“具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的工艺方法（公开号：CN 1528565A）”公开了一种具有优化地貌的单层钎焊金刚石固结磨料工具的制作方法，该发明同时具有钎焊提供的高结合把持强度和磨料的择优排布提供的最佳地貌的双重优势，在高硬脆性难加工材料的高效重负荷加工中显示出优异的加工性能。又如，2014年5月14日公开的发明专利“一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法（公开号：CN 103786100A）”也公开了一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法，获得了使用寿命长，具有较好的磨削和切削能力的金刚石砂轮。

然而，由于钎焊工艺特点的限制，一般只能制备出具有单层磨粒的钎焊金刚石砂轮，导致砂轮磨损后无法通过修整继续使用，砂轮使用寿命极其有限。此外，钎焊过程为实现金属结合剂与金刚石磨粒的冶金结合，往往需要将砂轮持续置于高温环境下，从而导致金刚石磨粒产生石墨化和热损伤。

激光加工技术是利用激光光束投射到工件表面进行加工，并没有直接接触加工工件，避免了机械加工对被加工工件造成的机械变形，提高了加工精度，实现常规机械加工以前不能或很难完成的加工工艺。进行激光加工时可添加光学聚焦镜对激光光束进行聚焦，减小激光光束投射到被加工工件表面上的光斑面积，可以更进一步提高加工精度及加工质量。利用高能量密度的激光光束对加工物体进行切割、打孔，加工效率是常规机械加工技术加工效率的几倍倍甚至上百倍。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种"自下而上"的制造方法。激光增材制造技术是利用激光束的高能量密度，将粉末加热熔化成型，并通过计算机控制激光增材制造装置按指定路径实现逐层烧结，从而实现材料的逐渐累加，制造实体零件。零件的成形原理为高功率激光通过聚焦后形成一个较小的光斑作用于基体并在基体上形成一个较小的熔池，同时粉末运输系统将金属粉末通过喷嘴汇集后输送到熔池中，粉末经熔化，凝固后形成一个致密的金属点。随激光在零件上移动，逐渐形成线和面，最后通过面的累加形成三维金属零件。

激光修整法是利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于金刚石砂轮表面，在极短的时间内使砂轮局部表面的金属结合剂材料以蒸发气化和熔融溅射的形式被去除，通过控制激光加工参数，可选择性地去除结合剂材料，而不损伤超硬磨粒，使磨粒突出，在砂轮表面形成容屑空间，从而达到修整的目的。用激光修整金刚石砂轮时，如果激光功率密度足够高，可以同时去除金刚石砂轮表而的金刚石磨粒和结合剂材料，达到整形砂轮的目的；另一方而，金刚石磨料与结合剂材料的光学和热物理性能相差较大，利用激光可控制性好的特点，通过合理调整激光加工参数，可以选择性地去除砂轮表面的结合剂材料，使金刚石磨粒具有一定的出刃高度，达到修锐砂轮的目的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种磨粒多层有序排布且结合强度高、磨损后便于修复的一种金刚石砂轮及其生产方法。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种金刚石砂轮的生产方法，它包括以下步骤：

⑴加工砂轮基体：采用钢材制出圆柱筒体形的砂轮基体；

本发明所述的砂轮基体采用的钢材为45号钢，所述的金刚石磨粒为粒度为40目（0.42㎜～0.45㎜）的截角八面体单晶金刚石。

⑵清洗：将砂轮基体、金刚石磨粒分别置于有机溶剂中进行超声波清洗，去除表面的油污、氧化层等杂质；

⑶布孔：采用激光振镜扫描装置（二维振镜式短脉冲激光扫描装置），选择适当的脉冲宽度、平均功率、脉冲频率等激光参数，在环形金属片上加工出规则排布的定位孔，定位孔的孔径略小于金刚石磨粒的粒径，用于确定金刚石磨粒的几何分布，再调整激光振镜扫描装置（二维振镜式短脉冲激光扫描装置）的激光参数，在该环形金属片上规则排布的定位孔的间隙之间加工出孔径较大的置粉孔，其作用是为了留出填充金属结合剂粉末的空间以更好的烧结；定位孔、置粉孔都是通孔；

⑷铺磨粒：将步骤⑶得到的已布孔的环形金属片上均匀地铺设一层经步骤⑵处理过的金刚石磨粒，使环形金属片上的各定位孔内均填充有金刚石磨粒后，移除环形金属片上表面多余的金刚石磨粒；

⑸定位：将另一片由步骤⑶得到的已布孔的环形金属片覆盖于步骤⑷中的环形金属片上的金刚石磨粒的上方，使该环形金属片的定位孔与下方环形金属片上铺设的金刚石磨粒相应对齐，形成“三明治”结构，以确保各金刚石磨粒出刃高度一致，同时防止磨粒在加工过程中发生移动；

⑹烧结:将与环形金属片组成材质一致的金属结合剂粉末储于送粉器（同轴送粉器）中，采用激光增材制造装置对金属结合剂粉末进行熔化烧结，在砂轮基体表面形成金属结合剂层；

送粉器是输送热喷涂粉末的装置。同轴送粉器是将激光束、粉末、保护气体均从喷嘴内的通道进入并射出，激光束由喷嘴轴线通过，并聚焦于焦点；粉末在载气作用下沿送粉通道喷出，与激光束相遇并迅速升温，并在保护气体吹送下形成熔滴，喷涂熔覆到工件表面。同轴送粉可有效提高熔覆层的质量和粉末利用率，并降低稀释率。同轴送粉喷嘴是激光快速制造的核心装置之一，同轴送粉喷嘴最基本的功能应该包括通光与粉末的均匀汇聚,粉末汇聚程度越高，则粉末利用率越高、制造精度越高。

本发明所述的激光增材制造装置的激光增材制造加工头由同轴送粉式喷嘴5和激光器的激光光路组合构成；激光光源采用连续型光纤激光器。通过控制激光增材制造加工头按指定路径对金属结合剂粉末进行熔化烧结。

⑺结合烧结：将步骤⑸所述的“三明治”结构放置于步骤⑹中砂轮基体表面形成的金属结合剂层上，利用激光增材制造装置将金刚石磨粒烧结于金属结合剂中，烧结过程中，所述的“三明治”结构中的环形金属片同时被熔化烧结；控制金属结合剂粉末的送粉量和烧结温度，使金刚石磨粒层完全被金属结合剂覆盖；

⑻多层烧结：重复上述步骤⑷～⑺，直至完成逐层磨粒有序排布的增材制造，并且在最上层金刚石磨粒烧结时控制减少金属结合剂粉末的送粉量，以保证最上层金刚石磨粒的出刃高度；

⑼修整：利用激光修整法对由步骤⑻加工得到的磨粒有序排布金刚石砂轮进行修整，将步骤⑻加工得到的磨粒有序排布金刚石砂轮安装在精密磨床主轴上，通过二维运动平台调整短脉冲激光束的入射方向，使激光束交于金刚石砂轮轴线且与所述金刚石砂轮工作表面（即烧结后的上表面）的切面平行，磨床主轴低速旋转，同时沿砂轮工作表面的切面平行移动激光焦点位置，选择合适的激光参数对砂轮进行修整，保证所有金刚石磨粒的工作表面在同一平面内且具有一致的出刃高度。

本发明步骤⑵中所述的有机溶剂为丙酮；步骤⑺中所述的烧结温度为765℃～785℃。

由于所述铜基金属结合剂熔点为720℃～750℃，低于金刚石在空气中的石墨化温度（约800℃），采用765℃～785℃烧结温度，既避免了金刚石磨粒的石墨化，又可以实现金属结合剂与金刚石磨粒的高强度冶金结合。

本发明为了固定磨粒、便于烧结，所述的环形金属片的厚度为磨粒粒径35﹪～45﹪；所述的定位孔的直径为磨粒粒径75﹪～85﹪，所述的置粉孔的直径为定位孔孔径的3～5倍。

本发明所述的环形金属片为铜基金属片，所述的金属结合剂粉末为铜基金属结合剂粉末；所述的铜基采用Cu-Sn-Ti合金，其中Cu含量55﹪～63﹪，Sn含量25﹪～30﹪，Ti含量12﹪～15﹪。

本发明为了便于使用，步骤⑻中所述的最表层金刚石磨粒的出刃高度为磨粒高度的50﹪～60﹪。

一种金刚石砂轮，它包括砂轮基体、设于砂轮基体上的磨料层，所述的磨料层由 “三明治”结构逐层烧结而成，所述的“三明治”结构包括2片环形金属片，环形金属片上开设有规则排布的定位孔，在环形金属片上相邻定位孔的间隙之间开设有置粉孔，两环形金属片之间位于相应的定位孔处夹设有金刚石磨粒；所述的定位孔的孔径略小于金刚石磨粒的粒径，用于限定金刚石磨粒的几何分布；所述的置粉孔的孔径大于定位孔的孔径，用于给金属结合剂粉末留出融结空间，使烧结更均匀牢固；所述的磨料层最上层工作表面的磨粒处在同一平面内且具有一致的出刃高度。

本发明所述的环形金属片的厚度为磨粒粒径35﹪～45﹪；所述的定位孔直径为磨粒粒径75﹪～85﹪，所述的置粉孔的直径为定位孔孔径的3～5倍；所述的砂轮基体的磨料层的最上层（工作面）金刚石磨粒的出刃高度为磨粒高度的50﹪～60﹪。

本发明为了延长使用寿命，所述的磨料层包含10层～15层（优选10层）“三明治”结构（两片环形金属片与二者时间的磨粒构成一层“三明治”结构）。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，其采用激光增材技术准确加工，进一步提高加工精度及加工质量；采用“三明治”结构进行烧结，避免增材制造过程中由于喷嘴气压导致的磨粒位置移动问题，并确保金刚石磨粒的出刃高度基本保持一致，实现了金刚石磨粒的规则有序排布，进行磨削时可提供更大的容屑空间，减小磨削力，降低磨削温度，提高磨削效率，有效改善磨削表面质量；通过控制激光器的功率控制烧结温度，既避免了金刚石磨粒的石墨化，又可以实现金属结合剂与金刚石磨粒的高强度冶金结合；在保证金属结合剂与金刚石磨粒之间高强度冶金结合的同时，大幅降低持续高温对金刚石磨粒的破坏程度，还可以简化制造工艺；磨损后可“逐层”修整后继续使用，修整方便，砂轮使用寿命长。可广泛应用于硬脆材料的高效、精密磨削加工。

附图说明

图1是本发明中金刚石砂轮的结构示意图；

图2是本发明中砂轮基体1的结构示意图；

图3是本发明中金刚石砂轮的磨料层2的结构放大示意图；

图4本发明中环形金属片7的结构示意图；

图5是图4中A处的结构放大示意图；

图6是本发明中烧结前的“三明治”结构的结构放大示意图。

图中：1、砂轮基体；2、磨料层；3、“三明治”结构烧结层；4、金刚石磨粒；5、同轴送粉式喷嘴；6、激光束；7、环形金属片；8、金属结合剂烧结层；71、定位孔；72、置粉孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

由图1～图6可知，一种金刚石砂轮的生产方法，它包括以下步骤：

⑴加工砂轮基体1：采用钢材制出圆柱筒体形的砂轮基体1；

本发明所述的砂轮基体1采用的钢材为45号钢，所述的金刚石磨粒4为粒度为40目（0.42㎜～0.45㎜）的截角八面体单晶金刚石（本实施例金刚石磨粒4的粒径为0.44㎜）。

⑵清洗：将砂轮基体1、金刚石磨粒4分别置于有机溶剂中进行超声波清洗，去除表面的油污、氧化层等杂质；

⑶布孔：采用激光振镜扫描装置（二维振镜式短脉冲激光扫描装置），选择适当的脉冲宽度、平均功率、脉冲频率等激光参数，在环形金属片7上加工出规则排布的定位孔71，定位孔71的孔径略小于金刚石磨粒4的粒径，用于确定金刚石磨粒4的几何分布，再调整激光振镜扫描装置（二维振镜式短脉冲激光扫描装置）的激光参数，在该环形金属片7上规则排布的定位孔71的间隙之间加工出孔径较大的置粉孔72，其作用是为了留出填充金属结合剂粉末的空间以更好的烧结；定位孔71、置粉孔72都是通孔；

⑷铺磨粒：将步骤⑶得到的已布孔的环形金属片7上均匀地铺设一层经步骤⑵处理过的金刚石磨粒4，使环形金属片7上的各定位孔71内均填充有金刚石磨粒4后，移除环形金属片7上表面多余的金刚石磨粒4；

⑸定位：将另一片由步骤⑶得到的已布孔的环形金属片7覆盖于步骤⑷中的环形金属片7上的金刚石磨粒4的上方，使该环形金属片7的定位孔71与下方环形金属片7上铺设的金刚石磨粒4相应对齐，形成“三明治”结构，以确保各金刚石磨粒4出刃高度一致，同时防止磨粒在加工过程中发生移动；

⑹烧结:将与环形金属片7组成材质一致的金属结合剂粉末储于送粉器（同轴送粉器）中，采用激光增材制造装置对金属结合剂粉末进行熔化烧结，在砂轮基体1表面形成金属结合剂层；

送粉器是输送热喷涂粉末的装置。同轴送粉器是将激光束6、粉末、保护气体均从喷嘴内的通道进入并射出，激光束6由喷嘴轴线通过，并聚焦于焦点；粉末在载气作用下沿送粉通道喷出，与激光束6相遇并迅速升温，并在保护气体吹送下形成熔滴，喷涂熔覆到工件表面。同轴送粉可有效提高熔覆层的质量和粉末利用率，并降低稀释率。同轴送粉喷嘴是激光快速制造的核心装置之一，同轴送粉喷嘴最基本的功能应该包括通光与粉末的均匀汇聚,粉末汇聚程度越高，则粉末利用率越高、制造精度越高。

本发明所述的激光增材制造装置的激光增材制造加工头由同轴送粉式喷嘴5和激光器的激光光路组合构成；激光光源采用连续型光纤激光器发出激光束6。通过控制激光增材制造加工头按指定路径对金属结合剂粉末进行熔化烧结。

⑺结合烧结：将步骤⑸所述的“三明治”结构放置于步骤⑹中砂轮基体1表面形成的金属结合剂层上，利用激光增材制造装置将金刚石磨粒4烧结于金属结合剂中，烧结过程中，所述的“三明治”结构中的环形金属片7同时被熔化烧结；控制金属结合剂粉末的送粉量和烧结温度，使金刚石磨粒4层完全被金属结合剂覆盖；

⑻多层烧结：重复上述步骤⑷～⑺，直至完成逐层磨粒有序排布的增材制造，并且在最上层金刚石磨粒4烧结时控制减少金属结合剂粉末的送粉量，以保证最上层金刚石磨粒4的出刃高度；

⑼修整：利用激光修整法对由步骤⑻加工得到的磨粒有序排布金刚石砂轮进行修整，将步骤⑻加工得到的磨粒有序排布金刚石砂轮安装在精密磨床主轴上，通过二维运动平台调整短脉冲激光束6的入射方向，使激光束6交于金刚石砂轮轴线且与所述金刚石砂轮工作表面（即烧结后的上表面）的切面平行，磨床主轴低速旋转，同时沿砂轮工作表面的切面平行移动激光焦点位置，选择合适的激光参数对砂轮进行修整，保证所有金刚石磨粒4的工作表面在同一平面内且具有一致的出刃高度。

本发明步骤⑵中所述的有机溶剂为丙酮；步骤⑺中所述的烧结温度为765℃～785℃（本实施例为770℃）。

由于所述铜基金属结合剂熔点为720℃～750℃，低于金刚石在空气中的石墨化温度（约800℃），采用765℃～785℃烧结温度，既避免了金刚石磨粒4的石墨化，又可以实现金属结合剂与金刚石磨粒4的高强度冶金结合。

本发明为了固定磨粒、便于烧结，所述的环形金属片7的厚度为磨粒粒径35﹪～45﹪（本实施例厚为0.2㎜，为磨粒粒径的45﹪）；所述的定位孔71的直径为磨粒粒径75﹪～85﹪（本实施例定位孔71直径为0.38㎜，为磨粒粒径的85﹪），所述的置粉孔72的直径为定位孔71孔径的3～5倍（本实施例置粉孔72直径为1.6㎜，为定位孔71孔径的4.2倍）。

本发明所述的环形金属片7为铜基金属片，所述的金属结合剂粉末为铜基金属结合剂粉末；所述的铜基采用Cu-Sn-Ti合金，其中Cu含量55﹪～63﹪，Sn含量25﹪～30﹪，Ti含量12﹪～15﹪（本实施例Cu含量63﹪，Sn含量25﹪，Ti含量12﹪）。

本发明为了便于使用，步骤⑻中所述的最表层金刚石磨粒4的出刃高度为磨粒高度的50﹪～60﹪（本实施例为50﹪）。

一种金刚石砂轮，它包括砂轮基体1、设于砂轮基体1上的磨料层2，所述的磨料层2由 “三明治”结构逐层烧结而成，所述的“三明治”结构包括2片环形金属片7，环形金属片7上开设有规则排布的定位孔71，在环形金属片7上相邻定位孔71的间隙之间开设有置粉孔72，两环形金属片7之间位于相应的定位孔71处夹设有金刚石磨粒4；所述的定位孔71的孔径略小于金刚石磨粒4的粒径，用于限定金刚石磨粒4的几何分布；所述的置粉孔72的孔径大于定位孔71的孔径，用于给金属结合剂粉末留出融结空间，使烧结更均匀牢固；所述的磨料层2最上层工作表面的磨粒处在同一平面内且具有一致的出刃高度。

本发明所述的环形金属片7的厚度为磨粒粒径35﹪～45﹪（本实施例厚为0.2㎜，为磨粒粒径的45﹪）；所述的定位孔71直径为磨粒粒径75﹪～85﹪（本实施例定位孔71直径为0.38㎜，为磨粒粒径的85﹪），所述的置粉孔72的直径为定位孔71孔径的3～5倍（本实施例置粉孔72直径为1.6㎜，为定位孔71孔径的4.2倍）；所述的砂轮基体1的磨料层2的最上层（工作面）金刚石磨粒4的出刃高度为磨粒高度的50﹪～60﹪（本实施例为50﹪）。

本发明为了延长使用寿命，所述的磨料层2包含10层～15层 “三明治”结构，两片环形金属片7与二者之间的金刚石磨粒4构成一层“三明治”结构（本实施例为11层）。

当金刚石砂轮的工作面（最上层）的金刚石磨粒4磨损无法使用时，采用激光修整法去除最上层的已磨损的金刚石磨粒4及金属结合剂烧结层8，同时保证新的工作面最表层的金刚石磨粒4的出刃高度，继而可以重新投入使用。

实施例2：

本实施例中金刚石磨粒4的粒径为0.44㎜；步骤⑺中所述的烧结温度为765℃；环形金属片7的厚度为磨粒粒径35﹪；定位孔71直径为磨粒粒径75﹪；置粉孔72的直径为定位孔71孔径的3倍；铜基中Cu含量55﹪，Sn含量30﹪，Ti含量5﹪；工作面（磨料层22最上层）的金刚石磨粒4的出刃高度为磨粒高度的55﹪；磨料层22包含10层“三明治”结构。

余同实施例1。

实施例3：

本实施例中金刚石磨粒4的粒径为0.45㎜；步骤⑺中所述的烧结温度为785℃；环形金属片7的厚度为磨粒粒径40﹪；定位孔71直径为磨粒粒径80﹪；置粉孔72的直径为定位孔71孔径的5倍；铜基中Cu含量60﹪，Sn含量27﹪，Ti含量13﹪；工作面（磨料层22最上层）的金刚石磨粒4的出刃高度为磨粒高度的60﹪；磨料层22包含15层“三明治”结构。

余同实施例1。