CN107150154A - 一种金刚石工具的增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石工具的增材制造方法，先形成一层金刚石磨粒层，再在该金刚石磨粒层上表面形成薄激光钎焊层，重复直至金刚石磨粒层上表面形成多层薄激光钎焊层覆盖金刚石磨粒；重复上述步骤，获得N‑1层激光钎焊金刚石磨粒层；获得第N层激光钎焊金刚石磨粒层，完成激光钎焊过程，制得具有N层磨粒的激光钎焊金刚石工具。本发明还涉及一种通过上述方法制得的金刚石工具。在本发明中，采用旁轴喷射金刚石磨粒进行多层激光钎焊，避免了钎焊时金刚石磨粒烧损氧化和石墨化，提高了激光钎焊金刚石砂轮的使用寿命，易于实现磨料有序排布和自动化生产。
Description
技术领域
在本发明涉及一种金刚石工具的加工方法，具体为一种金刚石工具的增材制造方法及制得的金刚石工具。
背景技术
在金属结合剂金刚石工具多采用单层钎焊、电镀和多层烧结三大类：（1）单层钎焊金刚石工具主要是采用真空炉中钎焊、高频感应钎焊和激光钎焊，真空炉中钎焊对于尺寸较大的金刚石工具，基体整体加热时其变形量很难控制，且生产周期长，时间成本及能耗成本较高，金刚石磨粒长时间处于较高温度环境中，其热损伤的危险性加大，也难以实现在基体承受整体加热时其变形不易控制的工具制造。高频感应钎焊，设备成本低，加热、冷却速度快，可以使钎焊周期大为缩短，但其升温速度、加热范围受线圈形状影响，特别是对于大型、异型面磨料工具，其感应线圈的设计、制作也较复杂。单层钎焊金刚石工具由于只有一层金刚石磨粒，工作层较薄，使用寿命短。（2）电镀金刚石工具仅靠镀层金属机械包镶金刚石磨粒，在金刚石与镀层界面上结合强度低，通常也是单层电镀金刚石砂轮，工作寿命短。（3）多层烧结金刚石工具，是把金刚石和金属粉末混合，转入模具，在相当高的温度和压力作用下烧结而成。金刚石磨粒仅以机械结合方式固定在胎体中，磨粒出刃较高时极易脱落，造成金刚石的浪费，同时金刚石工具在烧结过程中易氧化，难以获得质量稳定的金刚石工具。
目前，以激光束作为热源成为钎焊金刚石工具的研究热点。与传统制造钎焊金刚石工具工艺相比，激光钎焊是一种快速加热和快速冷却的焊接方法，可以有效控制基体在钎焊过程中的热变形量，有利于单层钎焊金刚石工具应用于高效精密磨削加工，极大缩短了金刚石工具的制作周期，激光钎焊弥补真空炉中钎焊和高频感应钎焊工艺中存在的问题。然而，激光钎焊金刚石工具时，一般是预置金刚石在钎料中，激光扫描钎料和金刚石混合层，这会导致金刚石的石墨化甚至燃烧，严重影响钎焊层与金刚石之间的结合强度。并且，预置金刚石在钎料中，激光扫描钎料和金刚石混合层，难以实现对金刚石磨粒的有序排布。
在2009年8月5日公开的，公开号为“CN 101130213 A”，发明名称为“一种镍基钎料激光钎焊金刚石磨粒的制造方法”的发明专利公开了一种镍基钎料激光钎焊金刚石磨粒的制造方法，解决了钎焊金刚石工具中金刚石与钎料的结合力小的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：钎焊时金刚石表面钎料吸收激光，从而使得钎焊后金刚石存在不同形式的烧损氧化和石墨化；另外，金刚石磨粒没有实现有序排布。
在2012年12月26日公开的，公开号为“CN 101862834 B”，发明名称为“一次成型多层钎焊金刚石钻头”的发明专利公开了一种一次成型多层钎焊金刚石钻头的制作工艺，解决了真空炉中钎焊多层金刚石工具结合力小的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：金刚石磨粒无规则排序，磨削效率欠佳。
发明内容
在本发明的目的是针对激光钎焊单层金刚石工具寿命短，激光钎焊过程中金刚石石墨化严重，以及多层金刚石工具有序排布的问题，提出一种磨粒多层有序排布且金刚石磨粒热影响小的金刚石工具增材制造方法及制得的金刚石工具。
本发明的技术方案是一种金刚石工具的增材制造方法，其步骤包括。
步骤1，提供金刚石工具基体。
步骤2，提供喷射系统，喷射系统包括依次相连的送料器料斗、金刚石磨粒送料器、喷枪。
步骤3，提供金刚石磨粒，将金刚石磨粒置于送料器料斗中。
步骤4，提供激光钎焊系统，激光钎焊系统包括激光发生器、送粉装置及与激光发生器相连的激光钎焊工作头，激光钎焊工作头外围设有同轴喷嘴，送粉装置包括相连的送粉器与粉斗，送粉器与同轴喷嘴相连。
步骤5，将钎焊料置于送粉器粉斗中。
步骤6，将激光钎焊工作头与喷枪对准金刚石工具基体表面。
步骤7，启动激光钎焊系统，送粉器将钎焊粉经同轴喷嘴送到金刚石工具基体表面，激光钎焊工作头产生的聚焦激光束辐照金刚石工具基体表面，激光束熔化同轴钎焊粉，形成激光钎焊熔池，开启送料器，金刚石磨粒经喷枪喷射到激光钎焊熔池，激光束、同轴喷嘴与喷枪同步移动，完成一层钎焊过程，得到一层金刚石磨粒层。
步骤8，调小送粉器的送粉量，调低激光功率，关闭金刚石磨粒送料器，激光束熔化同轴钎焊粉，激光束、同轴喷嘴与喷枪同步移动，在步骤7所述的金刚石磨粒层上表面形成薄的网状激光钎焊层。
步骤9，重复上述步骤8，直至在步骤7所述的金刚石磨粒层上表面形成多层薄的网状激光钎焊层覆盖金刚石磨粒形成金刚石复合层。
步骤10，重复上述步骤7~9，获得N-1层激光钎焊金刚石复合层。
步骤11，重复上述步骤7，获得第N层激光钎焊金刚石磨粒层，完成激光钎焊过程，制得具有N层金刚石磨粒的激光钎焊金刚石工具。
优选地，步骤1中，还包括对基体的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗。
优选地，步骤3中，将金刚石磨粒置于料斗之前，采用浓度为8%的稀硫酸对金刚石磨粒进行清洗并用去离子水漂洗后烘干。
优选地，步骤6中，喷枪与金刚石工具基体表面所成夹角α为30°~75°。
优选地，步骤6中，喷枪与激光钎焊工作头相连，使得只需控制其中一个即能使两者同步移动。
优选地，步骤5中，钎焊料通过如下方式得到：将稀土元素镧和铈以200：1混合经高能球磨处理15小时后得到的混合粉末，加入镍基钎料中。
优选地，步骤7中，喷射到钎焊熔池的金刚石磨粒与激光束中心保持一定距离δ。
本发明还提供一种通过增材制造方法制得的金刚石工具，包括金刚石工具基体，基体上设有N层结构，第1层到第N－1层为复合层，第N层为金刚石磨粒层，金刚石复合层包括一层金刚石磨粒层以及覆盖金刚石磨粒的多层薄网状激光钎焊层，每一金刚石磨粒层包括钎焊缝以及嵌设于钎焊缝中的金刚石磨粒，第一层钎焊于基体表面，第二层至第N－1层依次钎焊于上一层表面，第N层钎焊于第N－1层金刚石复合层表面。
优选地，钎焊缝材质为镍基钎料，还包括重量百分比为200：1的稀土元素镧和铈。
本发明的有益效果在于。
（1）本发明的技术方案中，采用旁轴喷射金刚石磨粒进行激光钎焊，避免了钎焊时预置的金刚石磨粒或其表面钎料对激光束的直接吸收而导致的金刚石磨粒严重烧损氧化和石墨化，提高钎料与金刚石磨粒界面结合强度。
（2）本发明的技术方案中，采用旁轴喷射金刚石磨粒进行激光钎焊，与常规预置金刚石磨粒和钎焊粉相比，在同等钎料和金刚石供给的条件下，激光束熔化的材料层厚大大减小，因此，所需激光束能量大大减小，激光钎焊热输入也大大减小，减小了钎焊过程中金刚石磨粒和砂轮基体的热损伤。
（3）本发明的技术方案中，采用激光钎焊系统与数控装置配合，可以便捷地控制金刚石磨粒喷射时序，使得金刚石磨粒排布到金刚石工具表面的特定位置，从而便捷地实现金刚石磨粒的有序排布。
（4）本发明的技术方案中，借鉴增材制造技术，相邻金刚石磨粒层之间具有多层网状激光钎焊层，即形成了空隙结合剂结构，实现了完整的激光钎焊多层磨粒金刚石工具的制备，延长了单层钎焊金刚石砂轮工具的使用寿命。
（5）本发明的技术方案中，激光钎焊利用激光加热使得金属钎料结合剂在金刚石磨粒、基体金属之间发生扩散、冶金化合反应，得到富含碳化物的过渡层，从而相比于非金属结合剂，激光钎焊金属钎料结合剂提高了基体对金刚石颗粒的把持力，从根本上改善了磨料、结合剂、基体三者间的结合强度。
（6）本发明的技术方案中，激光钎焊系统极易与现代数控装置匹配，可以实现全方位自动化柔性钎焊加工，大大提高生产效率。金刚石砂轮钎焊方法无需钎剂，对环境友好。
（7）本发明的技术方案中，采用氮气作为雾化喷射气体和金刚石颗粒输送气体，对钎焊熔池具有较好的冷却效果，进一步降低金刚石磨粒的热损伤。
附图说明
图1是本发明实施例中单层金刚石磨粒激光烧结宏观示意图。
图2是本发明实施例中单层金刚石磨粒激光烧结局部示意图。
图3是本发明实施例中第一层薄网状钎焊层激光烧结宏观示意图。
图4是本发明实施例中第二层金刚石磨粒层激光烧结宏观示意图。
图5是本发明实施例金刚石工具局部截面示意图。
图中：1-基体、2-凝固的钎焊缝、3-金刚石磨粒、4-激光束、5-同轴喷嘴、6-激光钎焊工作头、7-送粉管、8-钎焊料、9-粉斗、10-送粉器、11-料斗、12-控制器、13-送料器、14-真空室、15-真空发生器、16-送料管、17-输送气体入口、18-雾化气体入口、19-喷枪、20-网状激光钎焊层、21-同轴保护气体、22-钎焊熔池、31-第一层金刚石复合层、32-第二层金刚石复合层、33-第三层金刚石磨粒层。
具体实施方式
以下将结合附图1-5对本发明实施例的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本实施例使用的设备主要包括激光钎焊系统和喷射系统。
喷射系统包括依次相连的送料器料斗11、送料器13（本实施例采用螺旋杆送料器）、真空室14、送料管16、喷枪19。送料器13还接有控制器12，真空室14接有真空发生器15，真空发生器15设有输送气体入口17，喷枪19设有雾化气体入口18。
激光钎焊系统包括激光发生器（未图示）、送粉装置及与激光发生器相连的激光钎焊工作头6，激光钎焊工作头6外围设有同轴喷嘴5，送粉装置包括依次相连的粉斗9、送粉器10、送粉管7，送粉管7与同轴喷嘴5相连。
激光钎焊工作头6与喷枪19固定在一起，且两者之间成一夹角，焊接过程中两者同时移动。激光钎焊系统与数控装置配合，可以实现金刚石磨粒的有序排布。
如图1、图2所示，真空发生器15通过负压吸金刚石磨粒3，用输送气体氮气经送料管16将金刚石磨粒3输送到喷枪19，再由雾化气体氮气将金刚石磨粒3从喷枪19喷入钎焊熔池22中，快速冷却后形成凝固的钎焊缝2，最后得到一层金刚石磨粒层。
接下来，如图3所示，调小送粉器10的送粉量，调低激光功率，关闭送料器13，激光束4熔化同轴钎焊料8，激光束4、同轴喷嘴5与喷枪19同步移动，在一层金刚石磨粒层上表面形成薄的网状激光钎焊层20。
如图4、图5所示，重复上述步骤，直至在所述的金刚石磨粒层上表面形成多层薄的网状激光钎焊层20覆盖金刚石磨粒2形成金刚石复合层，再用上述同样的方法可最后制得多层金刚石磨粒的激光钎焊金刚石。
该实施例提供了一种金刚石工具的增材制造方法，其步骤包括。
步骤1：提供金刚石工具基体1，具体为利用机械加工的方法制备金刚石工具的基体，对基体表面进行除锈，抛光打磨后，再用有机溶剂进行清洗。
该步骤中：金刚石工具的基体1材质为45钢。
步骤2：提供上述喷射系统。
步骤3：提供金刚石磨粒，采用浓度为8%的稀硫酸对金刚石磨粒3进行清洗并用去离子水漂洗后烘干，再将所述金刚石磨粒3置于送料器料斗11中。
该步骤中：金刚石大小为规格为25 ~ 55 目。
步骤4：提供上述激光钎焊系统。
步骤5：将钎焊料8置于送粉器粉斗9中。
该步骤中：钎焊料为镍基钎料。
优选地，将稀土元素镧和铈以200：1混合经高能球磨处理15小时后得到的混合粉末，加入镍基钎料中，可以明显改善钎焊料8与金刚石磨粒3之间界面的浸润性，加快钎焊料8与金刚石磨粒3的界面反应过程。
步骤6：将激光钎焊工作头与喷枪对准金刚石工具基体表面，且使得喷枪19与金刚石工具基体表面所成夹角α为30°~75°（如图2所示）。
步骤7：启动激光钎焊系统，打开控制同轴保护气体21的同轴保护气体阀门，开启送粉器10，钎焊料8送到金刚石工具基体1表面，激光钎焊工作头6产生的聚焦激光束4辐照金刚石工具基体1表面，激光束4熔化同轴钎焊料8，形成激光钎焊熔池22，开启送料器13，金刚石磨粒3经喷枪19喷射到激光钎焊熔池22，激光钎焊熔池22冷却后形成凝固的钎焊缝2，将金刚石磨粒3焊接固定于金刚石工具基体1表面，激光束4、同轴喷嘴5与喷枪19同步移动，完成一层钎焊过程,得到一层金刚石磨粒层。
该步骤中：所述激光束4为光纤激光，碟片激光，Nd: YAG 激光或半导体激光器。激光束功率为600~1000 W。喷射到钎焊熔池的金刚石磨粒3与激光束4中心保持一定距离δ，其中距离δ为0.2 ~ 5 mm。金刚石磨粒3以速度为0.1 ～10 m/min经喷枪19喷射到钎焊熔池22。其中雾化气体为氮气，氮气气压为0.5 ~ 1.5 Mpa。输送气体为氮气，氮气气压为0.1 ~1 Mpa。同轴保护气体21为氩气。
步骤8：调小送粉器10的送粉量，调低激光功率，关闭送料器13，激光束4熔化同轴钎焊料8，激光束4、同轴喷嘴5与喷枪19同步移动，在步骤7所述的金刚石磨粒层上表面形成薄的网状激光钎焊层20。
步骤9：重复上述步骤8，直至在步骤7所述的金刚石磨粒层上表面形成多层薄的网状激光钎焊层20覆盖金刚石磨粒3形成金刚石复合层。
步骤10：重复上述步骤7~9，获得N-1层激光钎焊金刚石复合层。
步骤11：重复上述步骤7，获得第N层激光钎焊金刚石磨粒层，完成激光钎焊过程，制得具有N层金刚石磨粒的激光钎焊金刚石工具。
该步骤中，N为需要制备的金刚石工具的磨粒层数量。
该技术方案除用于制造多层金刚石砂轮外，还可用于制作其他多层金刚工具，如磨盘、钻头等。
如图5所示，通过上述增材制造方法制得的金刚石工具，包括金刚石工具基体1，基体1上设有N层结构，第1层31到第N－1层32为复合层，第N层33为金刚石磨粒层。
金刚石复合层包括一层金刚石磨粒层以及覆盖金刚石磨粒的多层薄网状激光钎焊层20，每一金刚石磨粒层包括钎焊缝2以及嵌设于钎焊缝2中的金刚石磨粒3。
第一层31钎焊于基体1表面，第二层至第N－1层32依次钎焊于上一层表面，第N层33钎焊于第N－1层金刚石复合层32表面。
本实施例中，钎焊缝材质为镍基钎料，还包括重量百分比为200：1的稀土元素镧和铈。
Claims (9)
1.一种金刚石工具的增材制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，提供金刚石工具基体；
步骤2，提供喷射系统，喷射系统包括依次相连的送料器料斗、金刚石磨粒送料器、喷枪；
步骤3，提供金刚石磨粒，将金刚石磨粒置于送料器料斗中；
步骤4，提供激光钎焊系统，激光钎焊系统包括激光发生器、送粉装置及与激光发生器相连的激光钎焊工作头，激光钎焊工作头外围设有同轴喷嘴，送粉装置包括相连的送粉器与粉斗，送粉器与同轴喷嘴相连；
步骤5，将钎焊料置于送粉器粉斗中；
步骤6，将激光钎焊工作头与喷枪对准金刚石工具基体表面；
步骤7，启动激光钎焊系统，送粉器将钎焊粉经同轴喷嘴送到金刚石工具基体表面，激光钎焊工作头产生的聚焦激光束辐照金刚石工具基体表面，激光束熔化同轴钎焊粉，形成激光钎焊熔池，开启金刚石颗粒送料器，金刚石磨粒经喷枪喷射到激光钎焊熔池，激光束、同轴喷嘴与喷枪同步移动，完成一层钎焊过程，得到一层金刚石磨粒层；
步骤8，调小送粉器的送粉量，调低激光功率，关闭金刚石磨粒送料器，激光束熔化同轴钎焊粉，激光束、同轴喷嘴与喷枪同步移动，在步骤7所述的金刚石磨粒层上表面形成薄的网状激光钎焊层；
步骤9，重复上述步骤8，直至在步骤7所述的金刚石磨粒层上表面形成多层薄的网状激光钎焊层覆盖金刚石磨粒形成金刚石复合层；
步骤10，重复上述步骤7~9，获得N-1层激光钎焊金刚石复合层；
步骤11，重复上述步骤7，获得第N层激光钎焊金刚石磨粒层，完成激光钎焊过程，制得具有N层金刚石磨粒的激光钎焊金刚石工具。
2.根据权利要求1所述的金刚石工具的增材制造方法，其特征在于：步骤1中，还包括对基体的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗。
3.根据权利要求1所述的金刚石工具的增材制造方法，其特征在于：步骤3中，将金刚石磨粒置于料斗之前，采用浓度为8%的稀硫酸对金刚石磨粒进行清洗并用去离子水漂洗后烘干。
4.根据权利要求1所述的金刚石工具的增材制造方法，其特征在于：步骤6中，喷枪与金刚石工具基体表面所成夹角α为30°~75°。
5.根据权利要求1所述的金刚石工具的增材制造方法，其特征在于：步骤6中，喷枪与激光钎焊工作头相连，使得只需控制其中一个即能使两者同步移动。
6.根据权利要求1所述的金刚石工具的增材制造方法，其特征在于：步骤5中，钎焊料通过如下方式得到：将稀土元素镧和铈以200：1混合经高能球磨处理15小时后得到的混合粉末，加入镍基钎料中。
7.根据权利要求1所述的金刚石工具的增材制造方法，其特征在于：步骤7中，喷射到钎焊熔池的金刚石磨粒与激光束中心保持一定距离δ。
8.一种通过增材制造方法制得的金刚石工具，其特征在于：包括金刚石工具基体，基体上设有N层结构，第1层到第N－1层为复合层，第N层为金刚石磨粒层，金刚石复合层包括一层金刚石磨粒层以及覆盖金刚石磨粒的多层薄网状激光钎焊层，每一金刚石磨粒层包括钎焊缝以及嵌设于钎焊缝中的金刚石磨粒，第一层钎焊于基体表面，第二层至第N－1层依次钎焊于上一层表面，第N层钎焊于第N－1层金刚石复合层表面。
9.根据权利要求8所述的金刚石工具，其特征在于：钎焊缝材质为镍基钎料，还包括重量百分比为200：1的稀土元素镧和铈。
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