CN107520766A - 一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法，具有如下步骤：将金属粉末与超硬磨料进行混合；球磨；过筛；倒入激光熔覆送粉器内；将金属基体抛光，去除金属基体上面的油污和杂质，并清洁金属基体表面，得到光洁的待加工金属基体；按照一定的激光加工参数和激光扫描策略，以光洁的待加工金属基体作为激光熔覆加工的基底，进行激光熔覆超硬磨料的加工，得到形成特定形状的熔覆层的金属基底；将形成特定形状的熔覆层的金属基底切割成圆盘形状金属基底，并与已加工好的刀柄装配形成端面磨削用砂轮。本发明灵活，制作效率高，降低了超硬磨料非正常失效几率，提高了超硬磨料在金属结合剂中的结合力和完整性。

Description

一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面 磨削砂轮的方法

技术领域

本发明涉及一种超硬磨料加工工具的制作方法，特别是涉及一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法。

背景技术

随着现代工业技术和高性能科技产品对零件加工的精度、表面粗糙度和完整性、加工效率和批量化质量稳定的要求越来越高，磨粒加工的作用日益重要。目前新型超硬磨削工具制作方法主要有两种类型，一种是真空炉高温钎焊方法，另一种是高频感应钎焊方法。这两种新型超硬磨削工具制作方法虽然相较于传统砂轮制备方法，磨粒的突出高度更高，把持力更强，磨削温度更低，切削力更小。但是两种超硬磨料制作工艺也有许多不足。

高温钎焊超硬磨料磨削工具制作工艺复杂，制作周期时间长，金属基体在高温钎焊过程当中容易发生热变形，生产成本高，并且目前只能生产单层金属结合剂超硬磨料砂轮。而高频感应超硬磨料磨削工具的制作，由于感应线圈的特殊形状和加热工作状况，无法满足一些异形超硬磨料磨削工具的制作要求。

基于以上两种制造方法的不足，近几年，华侨大学，南京航空航天大学等一些高校提出了激光钎焊超硬磨料磨削工具。例如南京航空航天大学，徐久华等人在“镍基钎料激光钎焊金刚石磨粒的制造方法”(CN100522443C)中公开了在激光辐照下的镍基合金钎料与金刚石结合的方法。华侨大学黄国钦等人在“超声波辅助感应预热激光钎焊制备磨粒砂轮的方法和装置”(CN105965119A)中提出了一种超生波辅助感应预热激光钎焊方法，制备磨粒砂轮，以消除金刚石的损伤和石墨化，加快制造时间，提高金刚石和钎料的结合强度。苏州科技学院，卢金斌等人在“一种激光钎焊单层金刚石砂轮的制作方法”(CN105619272A)中公开了可以在空气中激光钎焊金刚石的方法，降低成本，且可以实现较大尺寸工具的快速制造。长沙理工大学，张明军等人在“一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法”(CN105479025)中通过超声波辅助钎焊加快熔池的传热传质，提高熔融焊料与金刚石磨粒界面结合的程度，并在“一种激光钎焊单层立方氮化硼工具的方法”(CN107030344A)中公开了一种激光侧面烧结CBN与钎焊结合剂的方法，这种方法减小了钎焊过程当中的CBN的热损伤程度会减小，CBN的结合强度得到了加强。

然而，激光钎焊超硬磨粒工艺方法存在许多不可避免的缺陷，对于铺粉的激光钎焊超硬磨粒加工工艺方法，铺粉的厚度的均匀性难以保证，铺粉的厚度太厚容易导致激光烧结粉层与基体无法紧密结合，使得加工时超硬磨粒连同金属结合剂一同从金属基体脱落，并且现有工艺无法保证所铺金属粉末在较薄情况下的完整性，不利于超硬磨粒磨削工具的制备。对于喷磨粒式的激光钎焊超硬磨粒工艺方法，其磨粒与钎焊粉末结合并不牢固，所加工磨削刀具在磨削过程当中有磨粒脱落现象。并且，所加工表面起伏过大，无法达到磨削工具的标准。在这两种工艺的加工方式下，超硬磨粒的非正常失效也非常严重。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法，避免了上述两种激光钎焊加工超硬磨料工艺的不足，减少了超硬磨料在激光加工下的非正常失效现象，提高了超硬磨料在金属结合剂激光熔覆层当中的完整性，提高了超硬磨料与激光熔覆金属结合剂熔覆层的结合强度，缩短了制作磨削工具的时间，提升了磨削工具制作的灵活性。本发明采用的技术手段如下：

一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法，具有如下步骤：

S1、将金属粉末，超硬磨料分别称量后，在混料瓶中按照一定质量比例进行混合，获得未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S2、向混料瓶中添加一定质量和大小的刚玉球，刚玉球的总质量与步骤S1得到的未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末的质量比为6:1，之后，将混料瓶密封，放入球磨机内进行球磨，得到混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S3、将混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末连同刚玉球倒在过筛器皿上，进行过筛，得到已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S4、将已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末倒入激光熔覆送粉器内；

S5、将金属基体抛光，使用丙酮溶液去除金属基体上面的油污和杂质，之后使用酒精清洁金属基体表面，得到光洁的待加工金属基体；

S6、按照一定的激光加工参数和一定的激光扫描策略，以光洁的待加工金属基体作为激光熔覆加工的基底，进行激光熔覆超硬磨料的加工，使已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末中的超硬磨料与金属粉末产生机械包裹和冶金结合的效果，得到形成特定形状的熔覆层的金属基底；

S7、将形成特定形状的熔覆层的金属基底通过线切割，切割成圆盘形状金属基底，并与已加工好的刀柄装配形成端面磨削用砂轮。

所述步骤S1中所述金属粉末为金属单质混合粉末或金属合金粉末；所述超硬磨料为金刚石或CBN。

所述的金属单质混合粉末为雾化球形粉末，目数为200～400目，所述金属单质混合粉末包括至少一种基底成分和至少一种活性成分，所述基底成分为单质铜粉或单质镍粉，所述活性成分为，单质钛粉，单质铬粉；

所述金属合金粉末为铜锡钛合金，银铜钛合金，铜钛合金或镍铬合金。

所述金刚石为无镀覆、镀Ti、镀Ni、镀Cu或镀TiC的金刚石，所述金刚石粒度大小为0.0374～0.5mm；

所述CBN为无镀覆、镀Ti、镀Ni、镀Cu、镀TiC的CBN，所述CBN粒度大小为0.0374～0.5mm；

所述未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末中超硬磨料的浓度为25～200％。

所述步骤S2中，每个刚玉球的尺寸为1～5mm；所述放入球磨机内进行球磨的时间为1～5h。

所述步骤S5中，所述金属基底为45号钢或工具钢；所述金属基底的长为100～200mm，宽为100～200mm，高为3～8mm。

所述步骤S6中，所述激光加工参数为，激光功率：120～250W，激光扫描速度：4～15mm/s，激光正离焦量：0～20mm，激光束光斑直径为1～6mm；

所述激光扫描策略为下列策略中的一种：

回字形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm，如图2所示；

竖线条纹形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm，如图3所示；

波浪形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm，如图4所示；

圆环形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm，如图5所示；

由圆心向四周散射直线型，相邻两条扫描束轨迹夹角为0.5～60°，如图6所示；

由圆心向四周散射折线型，相邻两条扫描束轨迹夹角为0.5～60°，每条折线转折角为20～120°，每条折线段长度为1～4mm，如图7所示；

由圆心向四周散射波浪线型，相邻两条扫描束轨迹夹角为0.5～60°，每条波浪线均符合正弦曲线公式f(x)＝Asinx，如图8所示。

所述步骤S7中，所述圆盘形状金属基底的直径为10～100mm；所述的已加工好的刀柄的材料为铝合金，45号钢，工具钢。所述已加工好的刀柄的长度为15～200mm，所述已加工好的刀柄的截面直径为8～100mm。

本发明的有益效果是，本发明在工艺制作方面制作灵活简便，降低了工艺的复杂性，缩短了加工时间，降低了加工成本；在砂轮磨削性能方面：可以精确控制熔覆层的轨迹，从而控制磨粒的相对排布位置，达到对容屑空间的精确控制，提高切屑的流动性，降低了切削力，达到对散热空间的精确控制，提高冷却液在砂轮表面的流动，提高了冷却液的利用率，有效降低切削温度，并且，随着长时间的磨削加工，熔覆层上所结合的由于长时间磨削加工已经磨损的超硬磨料会随着熔覆层表层的磨损自动脱落，露出熔覆层表面以下的，新的，未参与加工，没有磨损的，切削韧完好的超硬磨料，继续进行磨削加工，相较于单层高温钎焊超硬磨料砂轮和单层电镀超硬磨料砂轮提高了砂轮的使用寿命。

基于上述理由本发明可在加工工具的制作方法等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中激光熔覆超硬磨料的加工示意图。

图2是本发明中回字形激光扫描策略示意图。

图3是本发明中竖线条纹形激光扫描策略示意图。

图4是本发明中波浪形激光扫描策略示意图。

图5是本发明中圆环形激光扫描策略示意图。

图6是本发明中由圆心向四周散射直线型激光扫描策略示意图。

图7是本发明中由圆心向四周散射折线型激光扫描策略示意图。

图8是本发明中由圆心向四周散射波浪线型光扫描策略示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，激光熔覆超硬磨料的加工示意图，图中，包括激光器发生器1；保护气体进气口2；激光器设备外壳3；金属粉末和超硬磨粒送料口4；超硬磨粒5；熔覆层6；激光熔覆热影响区7；金属基底8；喷粉惰性气体9；金属粉末10；激光束11。

实施例1

一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法，具有如下步骤：

S1、将雾化球形400目的铜基合金粉末Cu-10Sn-12Ti，无镀覆CBN按照质量分数比为40：3进行称量，在混料瓶中进行混合，获得未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S2、向混料瓶中添加一定质量和大小的刚玉球，刚玉球的总质量与步骤S1得到的未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末得质量比为6:1，刚玉球尺寸为1～5mm，之后，将混料瓶密封，放入球磨机内进行球磨，得到混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末，球磨的时间为5小时；

S3、将混合均匀的混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末连同刚玉球倒在过筛器皿上，进行过筛，得到已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S4、将已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末倒入激光熔覆送粉器内；

S5、将尺寸为100×100×5mm的45号钢基体抛光，使用丙酮溶液去除45号钢基体上面的油污和杂质，之后使用酒精清洁45号钢基体表面，得到光洁的待加工45号钢基体；

S6、按照激光功率为195W，扫描速度为5mm/s，激光正离焦量为8mm，激光束光斑直径为2mm的激光加工参数和竖线条纹形，相邻激光扫描线束轨迹相间为1mm的激光扫描策略，以光洁的待加工45号钢基体作为激光熔覆加工的基底，进行激光熔覆超硬磨料的加工，使已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末中的无镀覆CBN与雾化球形400目铜基合金粉末Cu-10Sn-12Ti产生机械包裹和冶金结合的效果，得到形成特定形状的熔覆层的金属基底；

S7、将形成特定形状的熔覆层的金属基底通过线切割，切割成直径为35mm，厚度为5mm的圆盘形状金属基底，并与已加工好的长为50mm，刀柄截面直径为20mm的45号钢圆柱形刀柄装配形成端面磨削用砂轮。

实施例2

一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法，具有如下步骤：

S1、将雾化球形400目的单质铜粉，单质镍粉，单质锡粉，单质钛粉按照质量分数比为7：6：5：2进行称量，倒入混料瓶中，所述单质铜粉，所述单质镍粉，所述单质锡粉和所述单质钛粉的纯度为99.9％，镀覆钛的CBN按照所述单质铜粉，所述单质镍粉，所述单质锡粉和所述单质钛粉的总质量与镀覆钛的CBN质量比为40：3进行称量，并与所述单质铜粉，所述单质镍粉，所述单质锡粉和所述单质钛粉一同在混料瓶中进行混合，获得未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S2、向混料瓶中添加一定质量和大小的刚玉球，刚玉球的总质量与步骤S1得到的未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末得质量比为6:1，刚玉球尺寸为1～5mm，之后，将混料瓶密封，放入球磨机内进行球磨，得到混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末，球磨的时间为3小时；

S3、将混合均匀的混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末连同刚玉球倒在过筛器皿上，进行过筛，得到已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S4、将已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末倒入激光熔覆送粉器内；

S5、将尺寸为110×110×7mm的40Gr工具钢基体抛光，使用丙酮溶液去除40Gr工具钢基体上面的油污和杂质，之后使用酒精清洁40Gr工具钢基体表面，得到光洁的待加工40Gr工具钢基体；

S6、按照激光功率为205W，扫描速度为4mm/s，激光正离焦量为9mm，激光束光斑直径为2mm的激光加工参数和圆环形，相邻激光扫描线束轨迹相间为1.2mm的激光扫描策略，以光洁的待加工40Gr工具钢基体作为激光熔覆加工的基底，进行激光熔覆超硬磨料的加工，使已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末中的镀覆钛的CBN与雾化球形400目的单质铜粉，单质镍粉，单质锡粉和单质钛粉产生机械包裹和冶金结合的效果，得到形成特定形状的熔覆层的金属基底；

S7、将形成特定形状的熔覆层的金属基底通过线切割，切割成直径为40mm，厚度为7mm的圆盘形状金属基底，并与已加工好的长为45mm，刀柄截面直径为25mm的40Gr工具钢圆柱形刀柄装配形成端面磨削用砂轮。

实施例3

一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法，具有如下步骤：

S1、将雾化球形300目的银基合金粉末70.5Ag-27.5Cu-2Ti，无镀覆金刚石按照质量分数比为20:1进行称量，在混料瓶中进行混合，获得未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S2、向混料瓶中添加一定质量和大小的刚玉球，刚玉球的总质量与步骤S1得到的未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末得质量比为6:1，刚玉球尺寸为3mm，之后，将混料瓶密封，放入球磨机内进行球磨，得到混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末，球磨的时间为2小时；

S3、将混合均匀的混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末连同刚玉球倒在过筛器皿上，进行过筛，得到已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S4、将已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末倒入激光熔覆送粉器内；

S5、将尺寸为120×120×7mm的45号钢基体抛光，使用丙酮溶液去除45号钢基体上面的油污和杂质，之后使用酒精清洁45号钢基体表面，得到光洁的待加工45号钢基体；

S6、按照激光功率为215W，扫描速度为6mm/s，激光正离焦量为12mm，激光束光斑直径为2mm的激光加工参数和圆环形，相邻激光扫描线束轨迹相间为1mm的激光扫描策略，以光洁的待加工45号钢基体作为激光熔覆加工的基底，进行激光熔覆超硬磨料的加工，使已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末中的无镀覆金刚石与雾化球形300目的银基合金粉末70.5Ag-27.5Cu-2Ti产生机械包裹和冶金结合的效果，得到形成特定形状的熔覆层的金属基底；

S7、将形成特定形状的熔覆层的金属基底通过线切割，切割成直径为40mm，厚度为8mm的圆盘形状金属基底，并与已加工好的长为40mm，刀柄截面直径为23mm的45号钢圆柱形刀柄装配形成端面磨削用砂轮。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种激光熔覆工艺制作金属结合剂超硬磨料结构化排布端面磨削砂轮的方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、将金属粉末，超硬磨料分别称量后，在混料瓶中按照一定质量比例进行混合，获得未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S2、向混料瓶中添加一定质量和大小的刚玉球，刚玉球的总质量与步骤S1得到的未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末得质量比为6:1，之后，将混料瓶密封，放入球磨机内进行球磨，得到混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S3、将混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末连同刚玉球倒在过筛器皿上，进行过筛，得到已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末；

S4、将已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末倒入激光熔覆送粉器内；

S5、将金属基体抛光，使用丙酮溶液去除金属基体上面的油污和杂质，之后使用酒精清洁金属基体表面，得到光洁的待加工金属基体；

S6、按照一定的激光加工参数和一定的激光扫描策略，以光洁的待加工金属基体作为激光熔覆加工的基底，进行激光熔覆超硬磨料的加工，使已过筛的金属粉末超硬磨料混合粉末中的超硬磨料与金属粉末产生机械包裹和冶金结合的效果，得到形成特定形状的熔覆层的金属基底；

S7、将形成特定形状的熔覆层的金属基底通过线切割，切割成圆盘形状金属基底，并与已加工好的刀柄装配形成端面磨削用砂轮。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中所述金属粉末为金属单质混合粉末或金属合金粉末；所述超硬磨料为金刚石或CBN。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的金属单质混合粉末为雾化球形粉末，目数为200～400目，所述金属单质混合粉末包括至少一种基底成分和至少一种活性成分，所述基底成分为单质铜粉或单质镍粉，所述活性成分为，单质钛粉，单质铬粉；

所述金属合金粉末为铜锡钛合金，银铜钛合金，铜钛合金或镍铬合金。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述金刚石为无镀覆、镀Ti、镀Ni、镀Cu或镀TiC的金刚石，所述金刚石粒度大小为0.0374～0.5mm；

所述CBN为无镀覆、镀Ti、镀Ni、镀Cu、镀TiC的CBN，所述CBN粒度大小为0.0374～0.5mm；

所述未混合均匀的金属粉末超硬磨料混合粉末中超硬磨料的浓度为25～200％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中，每个刚玉球的尺寸为1～5mm；所述放入球磨机内进行球磨的时间为1～5h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述金属基底为45号钢或工具钢；所述金属基底的长为100～200mm，宽为100～200mm，高为3～8mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述激光加工参数为，激光功率：120～250W，激光扫描速度：4～15mm/s，激光正离焦量：0～20mm，激光束光斑直径为1～6mm；

所述激光扫描策略为下列策略中的一种：

回字形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm；

竖线条纹形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm；

波浪形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm；

圆环形，相邻两条扫描线束轨迹相间为0.5～4mm；

由圆心向四周散射直线型，相邻两条扫描束轨迹夹角为0.5～60°；

由圆心向四周散射折线型，相邻两条扫描束轨迹夹角为0.5～60°，每条折线转折角为20～120°，每条折线段长度为1～4mm；

由圆心向四周散射波浪线型，相邻两条扫描束轨迹夹角为0.5～60°，每条波浪线均符合正弦曲线公式f(x)＝Asinx。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S7中，所述圆盘形状金属基底的直径为10～100mm；所述的已加工好的刀柄的材料为铝合金，45号钢，工具钢。所述已加工好的刀柄的长度为15～200mm，所述已加工好的刀柄的截面直径为8～100mm。