CN107914216A - 具有随机多孔结构的金属结合剂3d打印砂轮、装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮、装置及方法，所述金属结合剂3D打印砂轮包括砂轮基体和套设在所述砂轮基体外侧的砂轮磨削主体，所述砂轮磨削主体由3D打印成型，所述砂轮磨削主体具有随机多孔结构且包括金属结合剂和超硬磨料，所述随机多孔结构的体积与所述砂轮磨削主体的体积之比的范围为15％～45％。根据本发明实施例的金属结合剂3D打印砂轮，可以大大增加金属结合剂3D打印砂轮的气孔率和容屑空间，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。

Description

具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮、装置及方法
技术领域
本发明涉及磨削技术领域，特别是涉及一种具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮、装置及方法。
背景技术
相关技术中，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。
然而，传统烧结成型的金属结合剂超硬磨料砂轮具有以下局限性：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。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，所述具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，可以大大增加金属结合剂3D打印砂轮的气孔率和容屑空间，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。
本发明还提出一种制造具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的装置。
本发明又提出一种制造具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的方法。
根据本发明第一方面实施例的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，包括砂轮基体和套设在所述砂轮基体外侧的砂轮磨削主体，所述砂轮磨削主体由3D打印成型，所述砂轮磨削主体具有随机多孔结构且包括金属结合剂和超硬磨料，所述随机多孔结构的体积与所述砂轮磨削主体的体积之比的范围为15％～45％。
根据本发明实施例的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，通过3D打印制造出具有随机多孔结构的砂轮磨削主体，随机多孔结构的体积与砂轮磨削主体的体积之比的范围为15％～45％，金属结合剂3D打印砂轮具有较高的气孔率和容屑空间，将封闭式磨削变为开放式磨削，由此可以减少砂轮堵塞，增加磨削液的浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。另外，随机多孔结构可以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。
另外，根据本发明实施例的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述金属结合剂制备成微粉形式且所述金属结合剂的粒径为20微米到50微米。
根据本发明的一个实施例，所述超硬磨料为金刚石磨料和立方氮化硼磨料中的至少一种。
根据本发明的一个实施例，所述超硬磨料的粒径为20微米到200微米。
根据本发明的一个实施例，所述随机多孔结构通过三维建模软件生成。
根据本发明第二方面实施例的制造上述所述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的装置，包括：运动控制平台；和激光打印装置，所述激光打印装置与所述运动控制平台相连；其中，所述运动控制平台包括：基座；回转工作台，所述回转工作台可旋转地设在所述基座上；龙门架，所述龙门架设在所述基座上；水平运动平台，所述水平运动平台设在所述龙门架上且水平可移动；竖直运动平台，所述竖直运动平台与所述水平运动平台相连且竖直可移动；控制系统，所述控制系统分别与所述回转工作台、所述水平运动平台和所述竖直运动平台信号传输。
进一步地，所述激光打印装置包括：喷嘴装置，所述喷嘴装置与所述竖向运动平台相连并与所述回转工作台相对；其中，所述激光打印装置还包括送料组件和激光器组件，所述喷嘴装置分别与所述送料组件和所述激光器组件相连。
更进一步地，所述送料组件包括：气源；混料箱，所述混料箱内盛放有金属结合剂粉末和超硬磨料的混合粉料，所述混料箱通过气体输送管与所述气源相连，所述混料箱通过粉料输送管与所述喷嘴装置相连；所述激光器组件包括激光器，所述激光器通过光纤向所述喷嘴装置发射激光束以对所述混合粉料进行选择性烧结；所述控制系统分别与所述气源和所述激光器信号传输。
根据本发明第三方面实施例的制备上述所述具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的方法，包括如下步骤：S1：将所述金属结合剂粉末和所述超硬磨粒均匀混料并放入混料箱；S2：启动控制系统；S3：所述控制系统控制气源，将一定压力的气体通过气体输送管将混料箱中的混合粉料压入粉料输送管，进入喷嘴装置，并且均匀喷洒到回转工作台上；同时所述控制系统控制激光器，激光束通过光纤进入所述喷嘴装置，并对已打印砂轮磨削主体上的混合粉料进行烧结熔化；S4：重复步骤S2和步骤S3，得到具有随机多孔结构的所述砂轮磨削主体；S5：所述砂轮磨削主体进行中心孔加工；S6：加工所述砂轮基体，并装配所述砂轮磨削主体与所述砂轮基体，所述金属结合剂3D打印砂轮修整开刃。
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是根据本发明实施例的制造具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的装置的一个示意图；
图2是图1的一个部分结构示意图；
图3是根据本发明实施例的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的一个示意图；
图4是根据本发明实施例的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮中随机多孔结构的一个示意图。
附图标记：
金属结合剂3D打印砂轮100；
砂轮磨削主体1；随机多孔结构11；
混合粉料12；金属结合剂121；超硬磨料122；
砂轮基体2；
装置200；
运动控制平台210；基座211；回转工作台212；龙门架213；水平运动平台214；竖直运动平台215；控制系统216；
激光打印装置220；喷嘴装置221；气源222；混料箱223；气体输送管224；粉料输送管225；激光器226；光纤227；激光束228。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
为了克服传统烧结成型金属结合剂砂轮气孔率低、容屑空间小、砂轮易堵塞、冷却性能差、易烧伤工件表面、影响表面质量等局限性，本发明提供了一种具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮100。
下面结合附图3-图4描述根据本发明第一方面实施例的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮100。
金属结合剂3D打印砂轮100包括砂轮基体2和砂轮磨削主体1，砂轮磨削主体1套设在砂轮基体2外壁上，砂轮磨削主体1由3D打印成型，砂轮磨削主体1具有随机多孔结构11，且砂轮磨削主体1包括金属结合剂121和超硬磨料122，即生产制造砂轮磨削主体1的原材料包括金属结合剂121和超硬磨料122。
需要说明的是，“砂轮磨削主体1具有随机多孔结构11”指的是，砂轮磨削主体1具有多个气孔，且多个气孔随机分布在砂轮磨削主体1内部和表面，其中多个气孔可以均匀分布于砂轮磨削主体1内部和表面，当然也可以非均匀分布于砂轮磨削主体1内部和表面，随机多孔结构11可以根据需要通过三维建模软件生成。
其中，随机多孔结构11的体积与砂轮磨削主体1的体积之比的范围为15％～45％，即砂轮磨削主体1上的多个气孔的体积之和与砂轮磨削主体1的体积之间的比值大于或等于15％且小于或等于45％，例如可以为15％，20％，22％，28％，30％，36％或45％等。
具有随机多孔结构11的砂轮磨削主体1由3D打印成，即砂轮磨削主体1由3D打印机生产制造，首先可以根据磨削条件等优化设计出所需的砂轮磨削主体1的气孔率以及气孔的位置、尺寸和形状，然后利用三维建模软件，根据优化设计出的参数，建立所需的具有随机多孔结构11的砂轮磨削主体1的三维模型，并将建立的三维模型导出为3D打印机支持的文件格式(3D打印机一般支持*.STL文件，和*.OBJ文件)，然后将3D打印机可支持的三维模型导入3D打印机，利用3D打印机进行打印出具有随机多孔结构11的砂轮磨削主体1。可选地，3D打印机可以为同轴送粉激光3D打印机。
需要说明的是，砂轮基体2可以由3D打印成型，也可以由传统的机械加工制造方式成型，例如通过铸造、锻造、冲压等方式成型。
根据本发明实施例的具有随机多孔结构11的金属结合剂3D打印砂轮100，通过3D打印制造出具有随机多孔结构11的砂轮磨削主体1，随机多孔结构11的体积与砂轮磨削主体1的体积之比的范围为15％～45％，金属结合剂3D打印砂轮100具有较高的气孔率和容屑空间，将封闭式磨削变为开放式磨削，由此可以减少砂轮堵塞，增加磨削液的浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。另外，随机多孔结构11可以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。
根据本发明的一些实施例，金属结合剂121制备成微粉形式，并且金属结合剂121的粒径为20微米到50微米。通过将金属结合剂121制备成微粉形式，并使金属结合剂121的粒径在预定范围内，便于通过3D打印技术制造出具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮100。
其中，金属结合剂121的粒径可以为20微米、30微米、40微米或50微米等。
根据本发明的一些实施例，超硬磨料122为金刚石磨料和立方氮化硼磨料中的至少一种，并且超硬磨料122的粒径为20微米到200微米。超硬磨料122可以仅包括金刚石磨料，超硬磨料122也可以仅包括立方氮化硼磨料，超硬磨料122还可以同时包括金刚石磨料和立方氮化硼磨料等。由此，有利于提高金属结合剂3D打印砂轮100的强度，改善磨削质量。
其中，超硬磨料122的粒径可以为20微米、50微米、80微米、100微米、120微米、150微米、180微米或200微米等。
参照图1和图2，根据本发明第二方面实施例的制造上述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的装置200，装置200可以为同轴送粉激光3D打印机等。
需要说明的是，金属结合剂3D打印砂轮100的砂轮磨削主体1和砂轮基体2可以均由该装置200制造而成，当然，也可以仅砂轮磨削主体1由该装置200制造而成。在下面的描述中，仅以砂轮磨削主体1的制造过程为例说明该装置200的工作过程。
装置200包括：运动控制平台210和激光打印装置220，激光打印装置220与运动控制平台210相连。
其中，运动控制平台210包括：基座211、回转工作台212、龙门架213、水平运动平台214、竖直运动平台215以及控制系统216。
回转工作台212可旋转地设在基座211上。回转工作台212设在基座211上，并且回转工作台212在基座211上可旋转，例如，回转工作台212可以绕着自身轴线旋转。
龙门架213设在基座211上，例如龙门架213可以固定于基座211上；水平运动平台214设在龙门架213上，并且水平运动平台214在水平方向上(例如图1中所示的左右方向)可移动；竖直运动平台215与水平运动平台214相连，并且竖直运动平台215沿竖直方向(例如图1中所示的上下方向)可移动。
控制系统216分别与回转工作台212、水平运动平台214和竖直运动平台215信号传输。也就是说，通过控制系统216可以控制回转工作台212、水平运动平台214和竖直运动平台215的运动状态，从而能够为金属结合剂3D打印砂轮的制造提供有利条件。
进一步地，如图1和图2所示，激光打印装置220包括：喷嘴装置221，喷嘴装置221与竖向运动平台215相连，并且喷嘴装置221与回转工作台212相对(例如在上下方向上相对)。
其中，激光打印装置220还包括送料组件和激光器组件，喷嘴装置221分别与送料组件和激光器组件相连。送料组件可以通过喷嘴装置221送料，激光器组件可以进行选择性烧结，实现砂轮磨削主体1的加工。
更进一步地，结合图1和图2，送料组件包括：气源222以及混料箱223。
混料箱223内盛放有金属结合剂粉末和超硬磨料的混合粉料12，金属结合剂121和超硬磨料122以一定比例混合均匀，作为同轴送粉激光3D打印机的混合粉料12。
混料箱223通过气体输送管224与气源222相连，混料箱223通过粉料输送管225与喷嘴装置221相连。气源222通过气体输送管224可以向混料箱223内吹气，在气流的作用下，能够将混料箱223内的混合粉料12经由粉料输送管225输送至喷嘴装置221再进一步喷出。
激光器组件包括激光器226，激光器226通过光纤227向喷嘴装置221发射激光束228，从而可以对混合粉料12进行选择性烧结。
控制系统216分别与气源222和激光器226信号传输。控制系统216控制气源222，将混料箱223中的金属结合剂粉末与超硬磨料的混合粉料从喷嘴装置221中喷洒在已打印砂轮磨削主体1表面，控制系统216控制激光器226，通过光纤227从喷嘴装置221中以激光束228的形式对砂轮磨削主体1表面的混合粉料进行选择性烧结。
根据本发明第三方面实施例的制备上述具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的方法，包括如下步骤：S1：将金属结合剂粉末和超硬磨粒均匀混料并放入混料箱；S2：启动控制系统(例如3D打印机的控制系统)；S3：控制系统控制气源，将一定压力的气体通过气体输送管将混料箱中的混合粉料压入粉料输送管，进入喷嘴装置，并且均匀喷洒到回转工作台上；同时控制系统控制激光器，激光束通过光纤进入喷嘴装置，并对已打印砂轮磨削主体1上的混合粉料进行烧结熔化；S4：重复步骤S2和步骤S3，得到具有随机多孔结构的砂轮磨削主体1；S5：对砂轮磨削主体1进行中心孔加工，并装配砂轮磨削主体1与砂轮基体2，金属结合剂3D打印砂轮修整开刃。
可以理解的是，上述步骤只是示例性的，并不能理解为对本发明的限制。
根据本发明实施例的制备上述具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的方法，将金属结合剂粉末和超硬磨粒进行均匀混料，将混合粉料放入混料箱。
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磨削主体1转动。
控制系统控制气源，将一定压力的气体通过气体输送管将混料箱中的混合粉料压入粉料输送管，进入喷嘴装置，并且均匀喷洒到旋转的已打印砂轮磨削主体1上。同时控制系统控制激光器，激光通过光纤进入喷嘴装置，并对已打印砂轮磨削主体1上的混合粉料进行烧结熔化，烧结轨迹根据随机多孔结构模型数据生成。回转工作台转动一周，已打印砂轮磨削主体1表面一层的混合粉料被选择性激光烧结，与已打印砂轮磨削主体1结合为一体。
激光打印装置配合运动控制平台，可以实现随机多孔结构的增材累加制造，可以得到具有随机多孔结构的砂轮磨削主体1。
砂轮磨削主体1需要经过中心孔加工以便安装到砂轮基体2上，可以依靠粘接或其他固定连接方式。
这里，可以理解的是，在3D打印的过程中，中心孔同时被打印出，这里的中心孔加工指的是对中心孔进行精加工，例如通过线切割的方式对中心孔进行线切割，便于将3D打印的砂轮磨削主体1与砂轮基体2进行装配。
3D打印砂轮磨削主体1需要进行修整，以提高砂轮磨削主体1表面形状精度。用修整工具将砂轮磨削主体1修整成形或修去磨钝的表层，以恢复工作面的磨削性能和正确的几何形状的操作过程。
采用上述方法生产制造的具有随机多孔结构11的金属结合剂3D打印砂轮100，具有较高的气孔率和容屑空间，将封闭式磨削变为开放式磨削，由此可以减少砂轮堵塞，增加磨削液的浸润性，改善磨削区域散热，减少磨削烧伤，提高磨削表面质量。另外，随机多孔结构11可以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。
根据本发明实施例的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，其特征在于，包括砂轮基体和套设在所述砂轮基体外侧的砂轮磨削主体，所述砂轮磨削主体由3D打印成型，所述砂轮磨削主体具有随机多孔结构且包括金属结合剂和超硬磨料，所述随机多孔结构的体积与所述砂轮磨削主体的体积之比的范围为15％～45％。
2.根据权利要求1所述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，其特征在于，所述金属结合剂制备成微粉形式且所述金属结合剂的粒径为20微米到50微米。
3.根据权利要求1所述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，其特征在于，所述超硬磨料为金刚石磨料和立方氮化硼磨料中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，其特征在于，所述超硬磨料的粒径为20微米到200微米。
5.根据权利要求1所述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮，其特征在于，所述随机多孔结构通过三维建模软件生成。
6.一种制造根据权利要求1-5中任一项所述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的装置，其特征在于，包括：
运动控制平台；和
激光打印装置，所述激光打印装置与所述运动控制平台相连；
其中，所述运动控制平台包括：
基座；
回转工作台，所述回转工作台可旋转地设在所述基座上；
龙门架，所述龙门架设在所述基座上；
水平运动平台，所述水平运动平台设在所述龙门架上且水平可移动；
竖直运动平台，所述竖直运动平台与所述水平运动平台相连且竖直可移动；
控制系统，所述控制系统分别与所述回转工作台、所述水平运动平台和所述竖直运动平台信号传输。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述激光打印装置包括：喷嘴装置，所述喷嘴装置与所述竖向运动平台相连并与所述回转工作台相对；
其中，所述激光打印装置还包括送料组件和激光器组件，所述喷嘴装置分别与所述送料组件和所述激光器组件相连。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述送料组件包括：
气源；
混料箱，所述混料箱内盛放有金属结合剂粉末和超硬磨料的混合粉料，所述混料箱通过气体输送管与所述气源相连，所述混料箱通过粉料输送管与所述喷嘴装置相连；
所述激光器组件包括激光器，所述激光器通过光纤向所述喷嘴装置发射激光束以对所述混合粉料进行选择性烧结；
所述控制系统分别与所述气源和所述激光器信号传输。
9.一种制备根据权利要求1-5中任一项所述的具有随机多孔结构的金属结合剂3D打印砂轮的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将所述金属结合剂粉末和所述超硬磨粒均匀混料并放入混料箱；
S2：启动控制系统；
S3：所述控制系统控制气源，将一定压力的气体通过气体输送管将混料箱中的混合粉料压入粉料输送管，进入喷嘴装置，并且均匀喷洒到回转工作台上；同时所述控制系统控制激光器，激光束通过光纤进入所述喷嘴装置，并对已打印砂轮磨削主体上的混合粉料进行烧结熔化；
S4：重复步骤S2和步骤S3，得到具有随机多孔结构的所述砂轮磨削主体；
S5：所述砂轮磨削主体进行中心孔加工；
S6：加工所述砂轮基体，并装配所述砂轮磨削主体与所述砂轮基体，所述金属结合剂3D打印砂轮修整开刃。
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