带冷却流道的3D打印砂轮、激光3D打印机及制备方法与流程

本发明涉及砂轮制造领域，尤其是涉及一种带冷却流道的3d打印砂轮、激光3d打印机及制备方法。

背景技术：

随着高速精密磨削技术的快速发展，工业界对超硬砂轮提出了更高的要求，树脂和陶瓷结合剂砂轮已经不能完全满足要求。而金属结合剂砂轮由于其具有磨粒把持力强、结合强度高、耐磨性好、成型性能好、寿命长以及能承受较大载荷等特点，广泛应用于工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料的磨削加工。目前，金属结合剂砂轮采用传统工艺烧结成型。

传统烧结成型的金属结合剂超硬磨料砂轮，由于结合剂比较密实，砂轮中气孔很少或几乎没有气孔，自锐性差，容屑空间小，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。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中传统烧结成型金属结合剂砂轮存在冷却性能差、易烧伤工件表面的技术问题一。为此，本发明提出一种带冷却流道的3d打印砂轮、激光3d打印机及制备方法。

本发明提供了一种带冷却流道的3d打印砂轮，具有内冷却流道，所述内冷却流道是由互联互通的微观流道连接而成，所述内冷却流道利用三维建模软件进行优化设计而成，所述3d打印砂轮由金属结合剂和超硬磨料通过激光3d打印成型。

进一步地，所述金属结合剂和所述超硬磨料按照预定比例混合均匀，作为激光3d打印机同轴送粉的粉料，其中，所述金属结合剂的粒径为20～50微米，所述超硬磨料的粒径为20～200微米。

本发明还提供了一种用于制造所述带冷却流道的3d打印砂轮的激光3d打印机，所述激光3d打印机为同轴送粉的激光3d打印机，包括：

运动控制平台，用于调整所述激光3d打印机的输出位置并控制其动作，以及用于带动已打印砂轮转动；和

激光打印装置，安装于运动控制平台处，用于将金属结合剂粉末与超硬磨料的混合粉料喷洒在所述运动控制平台处，并以激光束的形式对已喷洒在砂轮表面的混合粉料进行选择性烧结，以成型所述3d打印砂轮；

通过所述激光打印装置配合所述运动控制平台，实现所述内冷却流道的增材累加制造，以得到具有内冷却流道的金属结合剂超硬磨料砂轮。

进一步地，所述运动控制平台包括：

基座，作为所述运动控制平台的支撑及安装基础；

回转工作台，固定于所述基座处，并且可以绕着自身轴线旋转，用于带动所述已打印砂轮转动；

龙门架，固定于所述基座处，用作安装基础；

水平运动平台，安装于所述龙门架处，并且可在所述龙门架上水平移动，用于带动所述激光打印装置的水平运动；

竖直运动平台，安装于所述水平运动平台处并与所述激光打印装置相连，并且可随所述水平运动平台水平移动，以及可在所述水平移动平台上竖直移动，用于带动所述激光打印装置竖直运动；和

控制系统，与所述回转工作台、所述水平运动平台、所述竖直运动平台及所述激光打印装置相连，用于控制所述回转工作台、所述水平运动平台、所述竖直运动平台及所述激光打印装置的运动。

进一步地，所述激光打印装置包括：

气源，用于提供带有压力的气流；

气体输送管，一端与所述气源相连，用于输送带有压力的气流；

混料箱，用于为混合金属结合剂粉末和超硬磨料提供场所，具有进口及出口，所述进口连接所述气体输送管的另一端；

粉料输送管，一端与所述混料箱的出口相连，用于输送混合粉料；

激光器，用于提供激光源；

光纤，一端与所述激光器相连，用于输送激光；和

喷嘴装置，固定安装在所述运动控制平台处，与所述粉料输送管相连，以喷洒所述混合粉料，与所述光纤的另一端相连，以对已喷洒在砂轮表面的混合粉料进行选择性烧结，实现所述内冷却流道的增材累加制造，得到所述3d打印砂轮。

进一步地，所述控制系统与所述气源及所述激光器相连，所述控制系统控制所述气源，将所述混料箱中的金属结合剂粉末与超硬磨料的混合粉料送入所述喷嘴装置中并喷洒在已打印砂轮表面，所述控制系统控制所述激光器，通过所述光纤在喷嘴装置中以激光束的形式对已打印砂轮表面的混合粉料进行选择性烧结。

本发明还提供了一种应用于所述带冷却流道的的3d打印砂轮的制备方法，按照如下步骤操作：

步骤100，利用三维建模软件对所述3d打印砂轮的内冷却流道进行的优化设计；

步骤200，将带有所述内冷却流道的3d打印砂轮三维模型导出为激光3d打印机支持的文件格式；

步骤300，利用激光3d打印机进行打印成型。

进一步地，所述步骤300利用激光3d打印机进行打印成型的具体步骤是：

步骤301，将金属结合剂粉末和超硬磨料进行均匀混料，将所述混合粉料放入混料箱中；

步骤302，启动控制系统，控制水平运动平台的左右水平运动和竖直运动平台的上下竖直运动，从而调节喷嘴装置与已打印砂轮的距离，控制回转工作台，从而由回转工作台带动已打印砂轮转动；

步骤303，控制系统控制气源，将一定压力的气体通过气体输送管将所述混料箱中的混合粉料压入粉料输送管，进入所述喷嘴装置，并且均匀喷洒到旋转的已打印砂轮上，同时控制系统控制激光器，激光通过光纤进入所述喷嘴装置，并对已打印砂轮上的混合粉料进行烧结熔化，其中，烧结轨迹根据所述内冷却流道结构参数形成，从而实现金属结合剂粉末和超硬磨料混合粉料的增材制造；

步骤304，重复所述步骤302和所述步骤303，实现所述内冷却流道的增材累加制造，得到具有内冷却流道的金属结合剂超硬磨料砂轮。

进一步地，所述步骤302中，所述回转工作台转动一周，所述已打印砂轮表面一层的混合粉料被选择性激光烧结，与已打印砂轮结合为一体。

进一步地，所述的制备方法还包括步骤305，加工所述3d打印砂轮的中心孔，以便将其安装到砂轮基体上。

利用本发明所述的激光3d打印机通过本发明所述制备方法制造的所述3d打印砂轮，利用激光3d打印技术制造出具有内冷却流道的金属结合剂超硬磨料砂轮。由于内冷却流道是由互联互通的微观流道连接而成，此种砂轮在磨削时，可以有效增加磨削液的渗透性和浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。

本发明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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/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是本发明实施例所述激光3d打印机的示意性结构图；

图2是使用图1所示激光3d打印机打印砂轮过程的示意图；

图3是本发明实施例所述带冷却流道的3d打印砂轮的示意性结构图；

图4是图3所示3d打印砂轮的内冷却流道的示意性结构图。

附图标记：

1：运动控制平台；2：激光打印装置；3：3d打印砂轮；

11：基座；12：回转工作台；13：龙门架；14：水平运动平台；15：竖直运动平台；16：控制系统；

201：喷嘴装置；202：激光束；203：金属结合剂粉末；204：超硬磨料；205：混料箱；206：粉料输送管；207：气体输送管；208：气源；209：光纤；210：激光器；211：气流；

31：已打印砂轮；32：混合粉料；33：内冷却流道；34：砂轮基体。

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，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

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，相比于传统减材制造方法，3d打印采用逐点扫描-逐线搭接-逐层烧结的方式，能够实现任意复杂零件的近净成形，是一种自下而上的制造方法。随着激光3d打印技术的不断成熟，使得3d打印制备金属结合剂砂轮成为可能。为实现本发明提供了理论基础。

图3是本发明实施例所述带冷却流道的3d打印砂轮的示意性结构图。图4是图3所示3d打印砂轮的内冷却流道33的示意性结构图。如图3所示，本发明提供了一种带冷却流道的3d打印砂轮3，具有内冷却流道33，参见图4，所述内冷却流道33是由互联互通的微观流道连接而成，所述内冷却流道33利用三维建模软件进行优化设计而成，所述3d打印砂轮3由金属结合剂和超硬磨料204通过激光3d打印成型。

本发明所述3d打印砂轮3，利用激光3d打印技术制造出具有内冷却流道33的金属结合剂超硬磨料砂轮。由于内冷却流道33是由互联互通的微观流道连接而成，故而此种砂轮在磨削时，可以有效增加磨削液的渗透性和浸润性，形成互联互通的内冷却流道33，增加了冷却能力，改善了磨削区域散热，减少了磨削烧伤，提高了磨削表面质量。

图1是本发明实施例所述激光3d打印机的示意性结构图。图2是使用图1所示激光3d打印机打印砂轮过程的示意图。如图1所示，还可参见图2，本实施例中，所述金属结合剂和所述超硬磨料204按照预定比例混合均匀，作为激光3d打印机同轴送粉的粉料。考虑到3d打印工艺的限制，超硬磨料204的浓度设定在30％到100％。其中，所述金属结合剂需要制备成微粉形式，所述金属结合剂的粒径为20～50微米。所述金属结合剂是现有的，例如铁基结合剂，关于金属结合剂的配方本实施例不再赘述。本实施例中，金属结合剂的粒径可以为20微米、25微米、30微米、40微米或50微米。所述超硬磨料204的粒径为20～200微米，本实施例中，超硬磨料204的粒径为20微米、50微米、60微米、100微米或200微米。所述超硬磨料204可以是金刚石或立方氮化硼磨料。

本实施例中，所述内冷却流道33尺寸大小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。

如图1所示，还可参见图2，本发明还提供了一种用于制造所述带冷却流道的的3d打印砂轮3的激光3d打印机，所述激光3d打印机为同轴送粉的激光3d打印机，包括：运动控制平台1及激光打印装置2。运动控制平台1用于调整所述激光3d打印机的输出位置并控制其动作，更具体地是调整所述喷嘴装置201的位置并控制其动作，以及用于带动已打印砂轮31转动。激光打印装置2安装于运动控制平台1处，用于将金属结合剂粉末203与超硬磨料204的混合粉料32喷洒在所述运动控制平台1处即回转工作台12处，并以激光束202的形式对已喷洒在砂轮表面的混合粉料32进行选择性烧结，以成型所述3d打印砂轮3。通过所述激光打印装置2配合所述运动控制平台1，实现所述内冷却流道33的增材累加制造，以得到具有内冷却流道33的金属结合剂超硬磨料砂轮。

使用本发明所述激光3d打印机成型的3d打印砂轮，利用激光3d打印技术制造出具有内冷却流道33的金属结合剂超硬磨料砂轮，此种砂轮在磨削时，可以有效增加磨削液的渗透性和浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。

如图1所示，本实施例中，所述运动控制平台1包括：基座11、回转工作台12、龙门架13、水平运动平台14、竖直运动平台15及控制系统16。基座11作为所述运动控制平台1的支撑及安装基础。回转工作台12固定于所述基座11处，并且可以绕着自身轴线旋转，用于带动所述已打印砂轮31转动。龙门架13固定于所述基座11处，用作安装基础。水平运动平台14安装于所述龙门架13处，并且可在所述龙门架13上水平移动，用于带动所述激光打印装置2的水平运动。竖直运动平台15安装于所述水平运动平台14处并与所述激光打印装置2相连，并且可随所述水平运动平台14水平移动，以及可在所述水平移动平台上竖直移动，用于带动所述激光打印装置2竖直运动。控制系统16与所述回转工作台12、所述水平运动平台14、所述竖直运动平台15及所述激光打印装置2相连，用于控制所述回转工作台12、所述水平运动平台14、所述竖直运动平台15及所述激光打印装置2的运动。

具体实施时，水平运动平台14可以是导杆和滑块组成的结构，竖直运动平台15可以是可相对水平运动平台上下滑动的滑块。

如图1所示，本实施例中，所述激光打印装置2包括：气源208、气体输送管207、混料箱205、粉料输送管206、激光器210、光纤209和喷嘴装置201。气源208用于提供带有压力的气流211(参见图2)。气体输送管207一端与所述气源208相连，用于输送带有压力的气流211(参见图2)。混料箱205用于为混合金属结合剂粉末203和超硬磨料204提供场所，具有进口及出口，所述进口连接所述气体输送管207的另一端。粉料输送管206一端与所述混料箱205的出口相连，用于输送混合粉料32。激光器210用于提供激光源。光纤209一端与所述激光器210相连，用于输送激光。喷嘴装置201固定安装在所述运动控制平台1处，与所述粉料输送管206相连，以喷洒所述混合粉料32，与所述光纤209的另一端相连，以对已喷洒在砂轮表面的混合粉料32进行选择性烧结，实现所述内冷却流道33的增材累加制造，得到所述3d打印砂轮3。

如图1所示，本实施例中，所述控制系统16与所述气源208及所述激光器210相连，所述控制系统16控制所述气源208，将所述混料箱205中的金属结合剂粉末203与超硬磨料204的混合粉料32送入所述喷嘴装置201中并喷洒在已打印砂轮31表面，所述控制系统16控制所述激光器210，通过所述光纤209在喷嘴装置201中以激光束202的形式对已打印砂轮31表面的混合粉料32进行选择性烧结。

参见图1，本发明还提供了一种应用于所述带冷却流道的的3d打印砂轮3的制备方法，按照如下步骤操作：

步骤100，利用三维建模软件对所述3d打印砂轮3的内冷却流道33进行的优化设计。

步骤200，将带有所述内冷却流道33的3d打印砂轮3三维模型导出为激光3d打印机支持的文件格式。

步骤300，利用激光3d打印机进行打印成型。

进一步地，所述步骤300利用激光3d打印机进行打印成型的具体步骤是：

步骤301，将金属结合剂粉末203和超硬磨料204进行均匀混料，将所述混合粉料32放入混料箱205中。步骤302，启动控制系统16，控制水平运动平台14的左右水平运动和竖直运动平台15的上下竖直运动，从而调节喷嘴装置201与已打印砂轮31的距离，控制回转工作台12，从而由回转工作台12带动已打印砂轮31转动。

步骤303，控制系统16控制气源208，将一定压力的气体通过气体输送管207将所述混料箱205中的混合粉料32压入粉料输送管206，进入所述喷嘴装置201，并且均匀喷洒到旋转的已打印砂轮31上，同时控制系统16控制激光器210，激光通过光纤209进入所述喷嘴装置201，并对已打印砂轮31上的混合粉料32进行烧结熔化，其中，烧结轨迹根据所述内冷却流道33结构参数形成，从而实现金属结合剂粉末203和超硬磨料204的混合粉料32的增材制造。其中，所述回转工作台12转动一周，所述已打印砂轮31表面一层的混合粉料32被选择性激光烧结，与已打印砂轮31结合为一体。

步骤304，重复所述步骤302和所述步骤303，实现所述内冷却流道33的增材累加制造，得到具有内冷却流道33的金属结合剂超硬磨料204砂轮。

本实施例中，所述的制备方法还包括步骤305，加工所述3d打印砂轮3的中心孔，以便将其安装到砂轮基体34上，可以依靠粘接或其他固定连接方式。

更进一步地，还包括对所述3d打印砂轮3进行砂轮修整的步骤，以提高砂轮表面形状精度。

利用本发明制备方法制造的3d打印砂轮3，是一种具有内冷却流道33的金属结合剂超硬磨料204砂轮。此种砂轮在磨削时，可以有效增加磨削液的渗透性和浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。更关键的是，内冷却流道33可以进行优化设计，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。

此外，本发明所述制备方法简单容易实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。