CN105415216B - 一种磨粒规则排布的3d打印金刚石砂轮的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磨削加工及3D打印技术领域，涉及一种适用于磨粒规则排布的金刚石砂轮制备方法。相关装置主要由运动控制平台、砂轮打印系统、3D打印砂轮构成。所述运动控制平台包括基座、回转运动台、升降平台、平移平台、运动控制装置、支撑架。所述砂轮打印系统包括金刚石磨粒喷嘴、传送管Ⅰ、金刚石磨粒盒、喷嘴支撑板、气管Ⅰ、气阀Ⅰ、气阀Ⅲ、气源、气阀Ⅱ、气管Ⅱ、金属结合剂粉末盒、传送管Ⅱ、气管Ⅲ、激光源、激光光路、激光束、结合剂喷嘴、气流。所述3D打印砂轮包括砂轮基体、金属结合剂、金刚石磨粒。使磨粒在砂轮中按规则排布，此类砂轮在磨削时，加工的表面质量高、磨削效率高、磨削力均匀，砂轮的寿命得以延长。且异型砂轮的制备工艺得到简化、平台搭建方便、操作简便。

Description

一种磨粒规则排布的3D打印金刚石砂轮的制备方法
技术领域
本发明属于磨削加工及3D打印技术领域，涉及一种适用于磨粒规则排布的 金刚石砂轮制备方法。
背景技术
近年来，随着高速、精密超精密磨削技术的快速发展，对金刚石砂轮提出 了更高的要求，陶瓷以及树脂结合剂砂轮已经不能完全满足现代生产的需要。 而金属结合剂砂轮因其具有把持力强、结合强度高、耐磨性好、成型性能好、 寿命长、磨削较大等特点，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。另外，目前主要利用仿形面与工件吻合的成型砂轮磨削方 法来对凸凹模零件进行精密成型加工。因成型磨削具有高精度、高效率的优点， 但直接烧结压制异性砂轮的制备工艺比较复杂，且成本高。因此，低成本制备 任意形状零件的3D打印技术可用于成型砂轮的制造。
在常规金刚石砂轮制备过程中，金刚石磨粒在金属基体中随机分布，容易 产生金刚石磨粒偏析与聚集。金刚石磨粒随机分布导致工件表面质量不佳、磨 削效率降低、工具寿命缩短等恶性循环。
发明内容
本发明旨在充分利用3D打印技术，通过激光烧结熔融成型金属结合剂砂轮。
在成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作面后，采用激光束对结合剂与 磨粒高温烧结熔融。同时移动工作台与喷嘴，获得单层堆积的烧结砂轮本体， 通过逐层累积增材，可以3D打印出形状复杂的成型砂轮本体。为了实现上述目 的，本发明所采用的技术方案是：
所述一种磨粒规则排布的3D打印金刚石砂轮的制备方法，相关装置主要由 运动控制平台、砂轮打印系统、3D打印砂轮构成。所述运动控制平台包括基座、 回转运动台、升降平台、平移平台、运动控制装置、支撑架。所述回转运动台、 升降平台、平移平台由所述运动控制装置控制进行相应的回转、上下升降、左 右平移的运动。所述基座与所述回转运动台和所述支撑架连接，所述回转运动 台上安装有砂轮基体。所述支撑架与所述平移平台连接，所述升降平台连接在 所述平移平台上，且所述升降平台能在所述平移平台上左右滑动。所述砂轮打 印系统包括金刚石磨粒喷嘴、传送管Ⅰ、金刚石磨粒盒、喷嘴支撑板、气管Ⅰ、气阀Ⅰ、气阀Ⅲ、气源、气阀Ⅱ、气管Ⅱ、金属结合剂粉末盒、传送管Ⅱ、气 管Ⅲ、激光源、激光光路、激光束、结合剂喷嘴、气流。所述金刚石磨粒喷嘴 上端和所述结合剂喷嘴的上端与所述喷嘴支撑板连接。所述喷嘴支撑板与所述 升降平台下端连接，且能进行上下的升降运动。所述传送管Ⅰ下端与所述喷嘴支撑板连接，上端与所述金刚石磨粒盒连接。所述气管Ⅰ一端与所述金刚石磨粒盒连接，另一端与所述气源连接。所述气管Ⅱ一端与所述金属结合剂粉末盒连接，另一端与所述气源连接。所述传送管Ⅱ上端与所述金属结合剂粉末盒连接，下端与所述喷嘴支撑板连接。所述激光光路的一端与所述激光源连接，另一端与所述喷嘴支撑板连接。所述气管Ⅲ一端与所述气源连接，另一端与所述喷嘴支撑板连接。所述3D打印砂轮包括砂轮基体、金属结合剂、金刚石磨粒。
所述一种磨粒规则排布的3D打印金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，制 备时包括如下步骤：
(1).将所述砂轮基体安装于所述回转运动台上，启动所述运动控制装置， 控制所述升降平台的上下升降和所述平移平台的左右水平运动，调节所述结合 剂喷嘴与所述砂轮基体的距离。控制所述回转运动台转动，从而由所述回转运 动台带动所述砂轮基体转动；
(2).启动所述气源，打开气阀Ⅰ，关闭气阀Ⅱ和气阀Ⅲ，将一定压力的气 体通过所述气管Ⅱ将所述金属结合剂粉末盒中的金属结合剂粉末压入传送管 Ⅱ，进入所述喷嘴支撑板，并通过所述结合剂喷嘴使所述金属结合剂粉末均匀 喷到旋转的砂轮基体上。同时启动所述激光源，所述激光束通过所述激光光路 进入所述结合剂喷嘴，并对砂轮基体上的金属结合剂粉末进行烧结熔化，实现 金属结合剂的增材加工。砂轮基体转动一周后停止，所述砂轮基体表面形成一 层均匀的金属结合剂层；
(3).关闭所述激光源，关闭所述气阀Ⅰ；
(4).控制所述升降平台沿所述水平平台进行水平移动，带动所述喷嘴支撑 板及所述结合剂喷嘴进行水平移动，当所述金刚石磨粒喷嘴移至所述砂轮基体 上方时，停止移动；
(5).关闭所述气阀Ⅰ和所述气阀Ⅱ，打开所述气阀Ⅲ，将一定压力的气体 通过所述气管Ⅰ将所述金刚石磨粒盒中的金刚石磨粒压入所述传送管Ⅰ，进入 所述喷嘴支撑板，并通过所述金刚石磨粒喷嘴将金刚石磨粒均匀喷散在步骤(2) 的金属结合剂表面，砂轮基体转动一周后停止，所述金属结合剂表面形成一层 均匀的金刚石磨粒；
(6).关闭所述气阀Ⅲ；
(7).控制所述升降平台沿所述水平平台进行水平移动，带动所述喷嘴支撑 板及所述结合剂喷嘴进行水平移动，当所述结合剂喷嘴移至所述砂轮基体上方 时，停止移动；
(8).启动所述激光源，同时运动控制装置控制所述回转运动台、所述升降 平台和所述水平平台进行运动。所述激光束通过所述激光光路进入所述结合剂 喷嘴，在所述运动控制装置控制下对预先均布在砂轮表面结合剂层上的金刚石 磨粒按照规定的排布要求扫描烧结到砂轮结合剂层，砂轮基体转动一周后停止；
(9).关闭所述激光源，打开所述气阀Ⅱ，一定压力的气体通过所述气管Ⅲ， 进入所述喷嘴支撑板，并通过所述结合剂喷嘴吹出，吹掉未被激光扫描烧结到 的磨粒，砂轮基体转动一周后获得单层磨粒规则排布的金刚石砂轮层；
(10).关闭所述气阀Ⅱ；
(11).从步骤(2)开始重复上面步骤；
(12).通过这种方法逐层增材累加，可得到多层磨粒规则排布的3D打印金 刚石砂轮。
本发明的有益效果是：
所述一种3D打印金刚石砂轮金刚石磨粒规则排布方法，使磨粒在砂轮中按 规则排布，此类砂轮在磨削时，加工的表面质量高、磨削效率高、磨削力均匀， 砂轮的寿命得以延长。且异型砂轮的制备工艺得到简化、平台搭建方便、操作 简便。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
附图说明
图1是本发明的一种实施例结构示意图；
图2是本发明所述金属结合剂3D打印示意图；
图3是本发明所述金刚石磨粒均匀喷射示意图；
图4是本发明所述金刚石磨粒扫描烧结示意图；
图5是本发明气吹多余磨粒的示意图；
图6是本发明磨粒规则排布的示意图；
在图中：
1.运动控制平台
11—基座，12—回转运动台，13—升降平台，14—平移平台，15— 运动控制装置，16—支撑架；
2.砂轮打印系统
201—金刚石磨粒喷嘴，202—传送管Ⅰ，203—金刚石磨粒盒，204— 喷嘴支撑板，205—气管Ⅰ，206—气阀Ⅰ，207—气阀Ⅲ，208— 气源，209—气阀Ⅱ，210—气管Ⅱ，211—金属结合剂粉末盒， 212—传送管Ⅱ，213—气管Ⅲ，214—激光源，215—激光光路， 216—激光束，217—结合剂喷嘴，218—气流，
3. 3D打印砂轮
31—砂轮基体，32—金属结合剂，33—金刚石磨粒。
具体实施方式
所述一种磨粒规则排布的3D打印金刚石砂轮的制备方法，相关装置主要由 运动控制平台(1)、砂轮打印系统(2)、3D打印砂轮(3)构成。所述运动控制 平台(1)包括基座(11)、回转运动台(12)、升降平台(13)、平移平台(14)、 运动控制装置(15)、支撑架(16)。所述回转运动台(12)、升降平台(13)、 平移平台(14)由所述运动控制装置(15)控制进行相应的回转、上下升降、 左右平移的运动。所述基座(11)与所述回转运动台(12)和所述支撑架(16) 连接，所述回转运动台(12)上安装有砂轮基体(31)。所述支撑架(16)与所 述平移平台(14)连接，所述升降平台(13)连接在所述平移平台(14)上， 且所述升降平台(13)能在所述平移平台(14)上左右滑动。所述砂轮打印系 统(2)包括金刚石磨粒喷嘴(201)、传送管Ⅰ(202)、金刚石磨粒盒(203)、 喷嘴支撑板(204)、气管Ⅰ(205)、气阀Ⅰ(206)、气阀Ⅲ(207)、气源(208)、 气阀Ⅱ(209)、气管Ⅱ(210)、金属结合剂粉末盒(211)、传送管Ⅱ(212)、 气管Ⅲ(213)、激光源(214)、激光光路(215)、激光束(216)、结合剂喷嘴 (217)、气流(218)。所述金刚石磨粒喷嘴(201)上端和所述结合剂喷嘴(215) 的上端与所述喷嘴支撑板(204)连接。所述喷嘴支撑板(204)与所述升降平 台(13)下端连接，且能进行上下的升降运动。所述传送管Ⅰ(202)下端与所 述喷嘴支撑板(204)连接，上端与所述金刚石磨粒盒(203)连接。所述气管 Ⅰ(205)一端与所述金刚石磨粒盒(203)连接，另一端与所述气源(206)连 接。所述气管Ⅱ(210)一端与所述金属结合剂粉末盒(211)连接，另一端与 所述气源(208)连接。所述传送管Ⅱ(212)上端与所述金属结合剂粉末盒(211) 连接，下端与所述喷嘴支撑板(204)连接。所述激光光路(215)的一端与所 述激光源(214)连接，另一端与所述喷嘴支撑板(204)连接。所述气管Ⅲ(213) 一端与所述气源(208)连接，另一端与所述喷嘴支撑板(204)连接。所述3D 打印砂轮(3)包括砂轮基体(31)、金属结合剂(32)、金刚石磨粒(33)。
所述一种磨粒规则排布的3D打印金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，制 备时包括如下步骤：
(1).将所述砂轮基体(31)安装于所述回转运动台(12)上，启动所述运 动控制装置(15)，控制所述升降平台(13)的上下升降和所述平移平台(14) 的左右水平运动，调节所述结合剂喷嘴(217)与所述砂轮基体(31)的距离。 控制所述回转运动台(12)转动，从而由所述回转运动台(12)带动所述砂轮 基体(31)转动；
(2).启动所述气源(208)，打开气阀Ⅰ(206)，关闭气阀Ⅱ(209)和气 阀Ⅲ(207)，将一定压力的气体通过所述气管Ⅱ(210)将所述金属结合剂粉末 盒(211)中的金属结合剂粉末压入传送管Ⅱ(212)，进入所述喷嘴支撑板(204)， 并通过所述结合剂喷嘴(217)使所述金属结合剂粉末均匀喷到旋转的砂轮基体 (31)上。同时启动所述激光源(214)，所述激光束(216)通过所述激光光路 (215)进入所述结合剂喷嘴(217)，并对砂轮基体(31)上的金属结合剂粉末 进行烧结熔化，实现金属结合剂的增材加工。砂轮基体转动一周后停止，所述砂轮基体(31)表面形成一层均匀的金属结合剂层；
(3).关闭所述激光源(214)，关闭所述气阀Ⅰ(206)；
(4).控制所述升降平台(13)沿所述平移平台(14)进行水平移动，带动所述 喷嘴支撑板(204)及所述结合剂喷嘴(217)进行水平移动，当所述金刚石磨粒喷 嘴(201)移至所述砂轮基体(31)上方时，停止移动；
(5).关闭所述气阀Ⅰ(206)和所述气阀Ⅱ(209)，打开所述气阀Ⅲ(207)， 将一定压力的气体通过所述气管Ⅰ(205)将所述金刚石磨粒盒(203)中的金刚石 磨粒压入所述传送管Ⅰ(202)，进入所述喷嘴支撑板(204)，并通过所述喷嘴(201) 将金刚石磨粒均匀喷散在步骤2的金属结合剂表面，砂轮基体(31)转动一周后 停止，所述金属结合剂表面形成一层均匀的金刚石磨粒；
(6).关闭所述气阀Ⅲ(207)；
(7).控制所述升降平台(13)沿所述平移平台(14)进行水平移动，带动所述 喷嘴支撑板(204)及所述结合剂喷嘴(217)进行水平移动，当所述结合剂喷嘴 (217)移至所述砂轮基体(31)上方时，停止移动；
(8).启动所述激光源(214)，同时运动控制装置(15)控制所述回转运动台 (12)、所述升降平台(13)和所述水平平台(14)进行运动。所述激光束(216)通过 所述激光光路(215)进入所述结合剂喷嘴(217)，在所述运动控制装置(15)控制 下对预先均布在砂轮表面结合剂层上的金刚石磨粒按照规定的排布要求扫描烧 结到砂轮结合剂层，砂轮基体转动一周后停止；
(9).关闭所述激光源(214)，打开所述气阀Ⅱ(209),一定压力的气体通过 所述气管Ⅲ(213)，进入所述喷嘴支撑板(204)，并通过所述结合剂喷嘴(217) 吹出，吹掉未被激光扫描烧结到的磨粒，砂轮基体转动一周后获得单层磨粒规 则排布的金刚石砂轮层；
(10).关闭所述气阀Ⅱ(209)；
(11).从步骤(2)开始重复上面步骤；
(12).通过这种方法逐层增材累加，可得到多层磨粒规则排布的3D打印金 刚石砂轮。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发 明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本 发明的各种等价形式的修改均落于本中请所附权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种磨粒规则排布的3D打印金刚石砂轮的制备方法，其装置主要由运动控制平台、砂轮打印系统、3D打印砂轮构成；所述运动控制平台包括基座、回转运动台、升降平台、平移平台、运动控制装置、支撑架；所述砂轮打印系统包括金刚石磨粒喷嘴、传送管Ⅰ、金刚石磨粒盒、喷嘴支撑板、气管Ⅰ、气阀Ⅰ、气阀Ⅲ、气源、气阀Ⅱ、气管Ⅱ、金属结合剂粉末盒、传送管Ⅱ、气管Ⅲ、激光源、激光光路、激光束、结合剂喷嘴、气流；所述3D打印砂轮包括砂轮基体、金属结合剂、金刚石磨粒；其特征在于，制备时包括如下步骤：
(1).将所述砂轮基体安装于所述回转运动台上，启动所述运动控制装置，控制所述升降平台的上下升降和所述平移平台的左右水平运动，调节所述结合剂喷嘴与所述砂轮基体的距离，控制所述回转运动台转动，从而由所述回转运动台带动所述砂轮基体转动；
(2).启动所述气源，打开气阀Ⅰ，关闭气阀Ⅱ和气阀Ⅲ，将一定压力的气体通过所述气管Ⅱ将所述金属结合剂粉末盒中的金属结合剂粉末压入传送管Ⅱ，进入所述喷嘴支撑板，并通过所述结合剂喷嘴使所述金属结合剂粉末均匀喷到旋转的砂轮基体上，同时启动所述激光源，所述激光束通过所述激光光路进入所述结合剂喷嘴，并对砂轮基体上的金属结合剂粉末进行烧结熔化，实现金属结合剂增材加工，砂轮基体转动一周后停止，所述砂轮基体表面形成一层均匀的金属结合剂层；
(3).关闭所述激光源，关闭所述气阀Ⅰ；
(4).控制所述升降平台沿所述水平平台进行水平移动，带动所述喷嘴支撑板及所述结合剂喷嘴进行水平移动，当所述金刚石磨粒喷嘴移至所述砂轮基体上方时，停止移动；
(5).关闭所述气阀Ⅰ和所述气阀Ⅱ，打开所述气阀Ⅲ，将一定压力的气体通过所述气管Ⅰ将所述金刚石磨粒盒中的金刚石磨粒压入所述传送管Ⅰ，进入所述喷嘴支撑板，并通过所述金刚石磨粒喷嘴将金刚石磨粒均匀喷散在步骤(2)的金属结合剂表面，砂轮基体转动一周后停止，所述金属结合剂表面形成一层均匀的金刚石磨粒；
(6).关闭所述气阀Ⅲ；
(7).控制所述升降平台沿所述水平平台进行水平移动，带动所述喷嘴支撑板及所述结合剂喷嘴进行水平移动，当所述结合剂喷嘴移至所述砂轮基体上方时，停止移动；
(8).启动所述激光源，同时运动控制装置控制所述回转运动台、所述升降平台和所述水平平台进行运动，所述激光束通过所述激光光路进入所述结合剂喷嘴，在所述运动控制装置控制下对预先均匀布在砂轮表面结合剂层上的金刚石磨粒按照规定的排布要求扫描烧结到砂轮结合剂，砂轮基体的转动一周后停止；
(9).关闭所述激光源，打开所述气阀Ⅱ，一定压力的气体通过所述气管Ⅲ，进入所述喷嘴支撑板，并通过所述结合剂喷嘴吹出，吹掉未被激光扫描烧结到的磨粒，砂轮基体转动一周后获得单层磨粒规则排布的金刚石砂轮层；
(10).关闭所述气阀Ⅱ；
(11).从步骤(2)开始重复上面步骤；
(12).通过这种方法逐层增材累加，可得到多层磨粒规则排布的3D打印金刚石砂轮。
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