CN103264361A - 一种磨粒工具的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种磨粒工具的制备方法，包括如下步骤：步骤一，构造所需要的磨粒工具的三维实体模型；步骤二，将三维实体模型切成层状薄片，获得每层薄片的结合剂信息和磨粒信息；步骤三，排布第一层结合剂，在第一层结合剂上堆积一层磨粒，固化第一层结合剂；步骤四，在固化完成的第一层薄片上堆积第二层结合剂和磨粒，并固化；步骤五，重复上述步骤直至磨粒工具完成制备。本发明由于结合剂及磨粒是逐层堆积，并由每层进行固化而形成，因此每层中的磨粒分布及取向可以得到有效的控制，这使得磨粒可以设置成满足特定工具磨损模式包括均匀磨损的具体图形，其结果是，可经通过减少所需要的磨粒总量，以降低磨粒工具的制造成本。

Description

一种磨粒工具的制备方法

技术领域

本发明涉及磨粒工具领域，特别是指一种磨粒工具的制备方法。

背景技术

磨粒工具长久以来有各种应用，包括材料的切、钻、锯、磨、抛等。对于磨粒工具而言，根据磨粒的状态不同，可分为固结磨粒工具和游离磨粒工具两大类，其中固结磨粒工具是由许多细小的磨粒用结合剂或粘结剂将其粘结成固结状态对工件进行切削加工的工具。其中结合剂的作用是将磨粒粘在一起，使其具有一定形状和必要的强度。常用的结合剂有：陶瓷、树脂、橡胶、金属以及复合结合剂。典型的固结磨粒工具的制备过程是将磨粒与结合剂进行混合搅拌，然后通过压制烧结，或者固化的形式获得所需要的工具形状，并保证结合剂对磨粒的把持。在磨粒工具制备工艺中可以通过调速磨粒的种类、粒度、形状以及结合剂的种类、浓度等一系列参数，获得不同性质的磨粒工具，从而满足从高效到精密的各种不同场合的使用要求。

尽管应用广泛，但是磨粒工具通常也存在一些严重的缺陷。从上述对制备过程的描述中可以看出，常规的磨粒工具中，由于种种原因，例如磨粒与结合剂之间的密度差异性等，通过简单的混合搅拌方式，磨粒在工具的位置以及磨粒的取向都是随机的，磨粒在结合剂中分布不均匀，另一方面，即使在混合搅拌中保证了磨粒分布的均匀性，在烧制过程中，由于结合剂的流动，也会带动磨粒运动，进一步加剧了磨粒的不均匀性。这种不均匀性导致磨粒的使用寿命及加工效率产生重要的影响。

磨粒之间的距离决定了每颗磨粒的工作负荷，不合适的磨粒间距会导致工具表面磨粒的过早失效。当磨粒间距太接近时，某些磨粒是多余的，对加工没有或者很少有实际效果。另一方面，多余的磨粒减小了容屑空间，降低了切削效率；多余的磨粒与工件之间的划擦作用导致加工能耗增加；当使用超硬磨粒（包括金刚石及CBN磨粒）时，由于磨粒价格很高，颗粒过多提高了生产成本。因此，磨粒颗粒彼此太接近会提高成本，同时降低工具的使用寿命。

另一方面，如果磨粒颗粒之间的间距太大时，每颗磨粒的工作负荷会过大。过大的负荷会将磨粒直接压碎或者从结合剂上直接脱落，此时更近一步加大了磨粒间的间距，从而将工作负荷转移到剩余的磨粒，各磨粒的失效会引起连锁反应，这使得工具不久将无法有效的进行加工。

现有的将磨粒定位在工具中的方法存在着一定的缺陷，大多数都只考虑到了磨粒在结合剂中的位置，而无法解决磨粒的取向问题。另一方面，在许多时候，磨粒工具中要求同一工具的不同部位上的磨粒粒度或磨粒密度不同。例如在切断工具中，边缘或前部的磨粒磨损会明显快于中部磨粒，因此防止工具的不均匀磨损而导致的过早失效，优化这些部位的磨粒分布，例如提高这些部位的磨粒密度是可以有效解决这个问题的。但是由于缺乏实际制造方法而很少被实际使用该类的设计。

因此人们一直在寻找一种可以解决磨粒在结合剂中可定位，以及定向的有效途径，以提高工具的效率、使用寿命和其它性能特点的制造方法。

如中国专利公开号CN1907649A公开的一种可控成分结构具有三维排列磨粒的研磨和切割工具的制造方法,包括如下步骤:把粉末与粘结剂混和制成混合料;将混合料制成薄层,组成重要切割层的薄层植入磨粒;在切割层的薄层内植入磨料颗粒:薄层硬化后,将多个薄层按设计要求叠和,加压,制成大压胚;分切成小压胚,烧结,制成研磨和切割工具;或先预烧结,再分切并进一步处理,然后最终烧结成研磨和切割工具。本发明可以使用超细粉末,也能够实现让贵重粉末聚集在磨料颗粒周围。本发明的磨粒的排列方式,在切割过程中更有效,能节约贵重材料,有效发挥贵重材料和功能材料的作用。

上述方案存在严重的缺陷，就是各薄层因为是硬化后再分别叠合、加压并烧结，在这一过程中磨粒的取向和位置都会发生改变。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可以解决磨粒在结合剂中定位、定向问题的磨粒工具的制造方法。

本发明采用如下的技术方案：

一种磨粒工具的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，采用三维软件构造所需要的磨粒工具的三维实体模型；三维软件比如可以是CAD软件等；

步骤二，采用分层切片技术将三维实体模型切成层状薄片，获得每层薄片的结合剂信息和磨粒信息；结合剂信息和磨粒信息分开处理，一层磨粒信息可以对应多层结合剂信息；

步骤三，按照分层的结构及获得的薄片的结合剂信息和磨粒信息排布第一层结合剂，在第一层结合剂上堆积一层磨粒，固化第一层结合剂；在堆积结合剂时可以在基体上或支撑座上进行；固化时可以通过一定的作用方式，比如受热，可以使该层结合剂固化，固化后的结合剂将磨粒包裹或者部分包裹，根据所使用的结合剂的种类不同，结合剂及磨粒之间产生机械或者化学冶金结合，从而实现对磨粒的把持；

步骤四，按照分层的结构及获得的薄片的结合剂信息和磨粒信息，在固化完成的第一层薄片上堆积第二层结合剂和磨粒，并固化；

步骤五，重复上述步骤直至磨粒工具完成制备。

所述磨粒选自金刚石、CBN、氧化铝、碳化硅及其它磨粒中的一种或其组合。

所述结合剂信息包括结合剂几何形状和结合剂高度信息。

所述磨粒信息包括磨粒位置信息和磨粒取向信息。

所述磨粒位置为随机的或按照特定要求特意排布的。

所述磨粒取向为随机的或按照特定要求特意安排的。

所述结合剂选自金属、树脂、陶瓷、橡胶及其它结合剂中的一种或其组合。结合剂的初始形态可以是粉末状，也可以是液态的；结合剂粉末状结构可以是松散结构，也可以是预先以冷压压制成型的结构；结合剂的初始形态可以是片状的，在固化时可以液化或者软化从而固结磨粒。

每层结合剂为一次或多次排布完成。

结合剂固化后的高度可以等于或大于磨粒层的高度，结合剂固化后的高度也可以小于磨粒层的高度，并根据各层磨粒位置的变化，形成具有一定磨粒错层的磨粒工具。

每层结合剂层为单一材料层或不同材料复合层。例如，为了保证磨粒工具在使用过程中可以顺利的出露，可以使用复合结合剂层，即对于一层结合剂可以再分为若干层，各层的材料可以有所不同。然后在复合结合剂上放置上所对应的磨粒层，并完成固化作用，制备出相应的工具，使用该方法所制备出的磨粒工具，由于其结合剂为复合层材料，因此可以通过调整复合层材料的成分，实现结合剂的不同功能，例如，部分结合剂层用于对磨粒的牢固把持，而另一些结合剂则可以在工具使用过程中迅速的脱落，从而使得磨粒可以有效的出露。

另外，本发明可以根据磨粒的粒径，在设置结合剂层高度时，有效的调整结合剂层固化后的高度，这种做法的好处在于结合剂固化后，可以使磨粒具有一定的出露高度。对于单层工具而言，这种方法可以直接提供具有可控磨粒出露高度的工具。对于多层工具而言，可以通过调整相邻层的磨粒信息，实现有一定错层的磨粒工具，可以保证磨粒在多层工具中的连续性，从而保证工具使用性能的稳定。

还有，根据磨粒工具的预先设计模型，可以制造整体的磨粒工具，也可以制造具有磨粒工具的部分结构，该结构可以再与其它基体联接从而形成实际使用的磨粒工具。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

由于结合剂及磨粒是逐层堆积，并由每层进行固化而形成，因此每层中的磨粒分布及取向可以得到有效的控制，这使得磨粒可以设置成满足特定工具磨损模式包括均匀磨损的具体图形，每颗磨粒得到了较充分的利用，无需用多余的磨粒作备用。其结果，可经通过减少所需要的磨粒总量，以降低磨粒工具的制造成本。

附图说明

图1为本发明的典型实施示意图；

图2为复合层磨粒工具；

图3为错位层磨粒工具。

具体实施方式

如图1所示，所制备的磨粒工具为一常规的平面砂轮，其形状为圆柱形。在三维CAD软件（例如Autocad、ProE等专业软件）中构造砂轮的实体模型1（见图1a所示），在所构造的实体模型中，需要确认结合剂与磨粒的相关位置、尺寸、形状等信息；然后将实体模型进行分层处理（见图1b所示），所分的层2中仅包含一层磨粒；根据此单层信息，分离出结合剂3与磨粒4的相关信息（见图1c所示）；基体上放置一层结合剂层502，结合剂的形状、高度等信息由实体模型所确认，在结合剂上再放置一层磨粒501，磨粒的位置、取向等信息也由实体模型所确认（见图1d）所示；对结合剂进行固化处理，使得结合剂可以把持住磨粒（见图1e所示）；在固化层6上再次按实体模型的设计，放置结合剂及磨粒层（见图1f所示）；固化结合剂，依次操作，直到砂轮7整体完成（见图1g所示）

示例1：

对于普通的平面砂轮，使用ProE软件进行实体构造，并设置磨粒呈同心圆排布，通过分层处理，得到各层结合剂及磨粒的相互信息；使用镍基合金粉末，将粉末按预先设计的放置成环状，合金粉末层厚度为1mm，在其上方放置40/50筛目的金刚石磨粒，利用激光完成对结合剂的烧结，使结合剂逐点固化，并把持住磨粒；在其上再根据实体构造信息依次放置合金粉末层以及磨粒层，并再次固化，直到整体砂轮完成。

示例2：

该示例与例1相似，但是所设计的粉末层为两种不同的合金粉末，其中镍基合金粉末层的厚度为0.6mm,在其上方放置40/50筛目的金刚石磨粒，利用激光完成对结合剂的烧结，使结合剂逐点固化，并把持住磨粒；在结合层的上方放置厚度为0.5mm的铜基合金粉末层，利用激光烧结，完成铜基合金层的固化，从而得到复合烧结层；在复合烧结层上再旋转镍基合金粉末层及金刚石磨粒层，重复上述步骤，直到整体砂轮完成，获得轴向具有分层结构的砂轮。

示例3：

对于普通蝶型砂轮，使用AutoCAD软件进行三维构造，并设置磨粒为等间隔均匀排布，通过分层处理，得到结合剂及磨粒的信息；使用光固化树脂，将一层厚度约为0.9mm的树脂按预先设计的形状涂覆在基体上，在其上放置70/80筛目的CBN磨粒；利用紫外线对树脂进行固化，得到固化层；在固化层上根据实体构造信息再次放置光固化树脂，以及磨粒层，并再次固化，直到整体砂轮完成。

示例4：

该示例与例3相似，但是所使用的树脂层厚度为0.5mm,固化后，所得到的磨粒会露出于固化后的树脂层，在其上再次放置树脂层以及磨粒层，但是本层的磨粒位置与上一层的磨粒位置在垂直方向上错开，然后利用紫外线固化，依次改变每层磨粒的位置，直到整体砂轮完成，从而可以获得具有磨粒错层的砂轮。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种磨粒工具的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，采用三维软件构造所需要的磨粒工具的三维实体模型；

步骤二，采用分层切片技术将三维实体模型切成层状薄片，获得每层薄片的结合剂信息和磨粒信息；

步骤三，按照分层的结构及获得的薄片的结合剂信息和磨粒信息排布第一层结合剂，在第一层结合剂上堆积一层磨粒，固化第一层结合剂；

步骤四，按照分层的结构及获得的薄片的结合剂信息和磨粒信息，在固化完成的第一层薄片上堆积第二层结合剂和磨粒，并固化；

步骤五，重复上述步骤直至磨粒工具完成制备。

2.如权利要求1所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：所述磨粒选自金刚石、CBN、氧化铝、碳化硅及其它磨粒中的一种或其组合。

3.如权利要求1所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：所述结合剂信息包括结合剂几何形状和结合剂高度信息。

4.如权利要求1所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：所述磨粒信息包括磨粒位置信息和磨粒取向信息。

5.如权利要求4所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：所述磨粒位置为随机的或按照特定要求特意排布的。

6.如权利要求4所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：所述磨粒取向为随机的或按照特定要求特意安排的。

7.如权利要求1所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：所述结合剂选自金属、树脂、陶瓷、橡胶及其它结合剂中的一种或其组合。

8.如权利要求1所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：每层结合剂为一次或多次排布完成。

9.如权利要求1所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：根据各层磨粒位置的变化，形成具有一定磨粒错层的磨粒工具。

10.如权利要求1所述的一种磨粒工具的制备方法，其特征在于：每层结合剂层为单一材料层或不同材料复合层。

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