CN111558904A - 一种金属陶瓷结合剂cbn砂轮的3d打印制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺。先将CBN磨料、金属陶瓷结合剂粉末、专用粘结剂充分混合均匀，成为流动性浆状料，放入密炼机中密炼，密炼后将其放入造粒机中造粒，造粒后放入挤出机中拉丝，得到丝线状的打印材料，利用入基于FDM成型技术的3D打印机中并设置好相应的打印参数，打印成形后得到生坯，对生坯进行脱脂和烧结处理后，制得金属陶瓷结合剂CBN切磨工具成品。本发明采用3D打印与粉末冶金相结合的工艺，能满足金属陶瓷结合剂CBN砂轮复杂性、高精度性等的需要，适合极小、极精、极复杂结构等产品的个性化生产、批量化生产的需求，有利于降低产品的生产成本，改善质量。

Description

一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺
技术领域
本发明主要属于机械加工领域，利用3D打印技术与粉末冶金法相结合的生产工艺，制备金属陶瓷结合剂CBN砂轮。
背景技术
砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具，是在磨料中加入结合剂，经一系列工艺制成的多孔体。立方氮化硼（CBN）是硬度仅次于金刚石的超硬材料。它不但具有金刚石的许多优良特性，而且有更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。CBN砂轮的高性能磨削效果与其合理设计密切相关，传统工艺在制备CBN砂轮时，无法实现某些复杂但具有优良设计结构的低成本高精度制造问题，同时也较难对基础材料进行革新，此工艺不仅能够顺利解决上述问题，且生产的CBN砂轮能获得较复杂的形状，且精度高及一致性好，加工表面不易产生裂纹和烧伤，残余应力小。
发明内容
本发明所要解决的是现有金属陶瓷结合剂CBN砂轮制造的技术问题：提供一种工艺，能够采用3D打印技术来实现金属陶瓷结合剂CBN砂轮的低成本、高精度制造，满足市场的批量化生产需求。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明为一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮，其由工作层原料和粘结剂两部分组成，其中工作层原料包括金属陶瓷结合剂粉末和CBN磨料，其中金属陶瓷结合剂粉末所占体积分数为40%～98%，CBN磨料所占体积分数为2%～60%。工作层原料与粘结剂的质量比例为4:1～5:1。
所述的工作层原料中金属陶瓷结合剂粉末粒径为0.04mm以细。
所述的工作层原料中CBN磨料的粒径为0.02～1.0mm。
本发明还提供了一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮的生产工艺，包括以下步骤：
S1：将金属陶瓷结合剂粉末和CBN充分混合，即得到工作层原料，然后置于混料机中并加入粘结剂进行搅拌，搅拌均匀后得到浆状料；
S2：将浆状料放入密炼机中对其进行密炼，然后再依次对其进行造粒、挤出拉丝，得到直径1～2.5mm的丝线状材料，并在牵引机上完成牵引收卷；
S3：在计算机中建立金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D模型，将模型导入切片软件中进行切片设置、打印参数设置和打印支架设置等，将最终切片文件导入FDM塑型3D打印机中；
S4：将打印材料与FDM塑型3D打印机的进料系统连接，根据设置好的打印参数，即每层打印厚度0.1～1.0mm，喷嘴温度100～240℃，开始打印，打印成形完毕后得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮生坯；
S5：将生坯放置于脱脂炉中进行脱脂，完成后再置于烧结炉中，通入烧结保护气体，采用阶梯式升温烧结，即：从室温至300℃～350℃，升温速率为3.5℃/min，在300℃～350℃保温1～2小时；从300℃～350℃升温至750℃～800℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃～800℃保温1～2小时；从750℃～800℃升温至900℃～950℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃～950℃保温1～2小时；然后随炉冷却，即得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮。
所述的浆状料配方中专用粘结剂占总质量的5%～20%，专用粘结剂中各组分的质量占比为：聚甲醛65～82%、聚丙烯8～15%、氧化锌7～12%、邻苯二甲酸二丁酯3～8%、石蜡2～5%；其中，聚甲醛、聚丙烯和氧化锌三者的质量之和为粘结剂总质量的87%～92%。
所述的烧结过程中，通有保护气氛的烧结炉中烧结温度为300～1100℃。
所述的粘结剂组分中：聚甲醛作为主要成分，它不仅能够保证丝材在FDM打印系统中具有良好的流动性能，同时其具有相当不错的固相润湿能力，其主链为碳氧交替结构，具有一定极性，更利于海岛结构的形成，能够保证金属粉末分布的均匀性，减少团聚现象，保证成型的质量；聚丙烯具有良好的化学稳定性，氧化锌能够减少在较高打印温度下可能带来的材料热分解的破坏，二者均在配方中发挥稳定剂的作用；邻苯二甲酸二丁酯主要起到增塑的作用，即能够使得打印耗材具有良好的柔韧性，能够有效避免丝材在打印过程中断裂，同时更利于FDM打印所需的丝材卷曲收集。
所述的用于超薄金属基金刚石切割片的3D打印制作工艺的专用粘结剂，其中的聚甲醛作为主要成分，其质量占比范围可优化至70%～75%，确保物料的流动性和稳定性。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中的专用粘结剂能够有效地把金属粉末注射成型与FDM打印技术结合起来，其各组分所提供的流动性、稳定性和增塑等能力均发挥了相应的关键作用。
（2）本发明将3D打印技术与粉末冶金技术相结合的方法，应用在金属陶瓷基CBN砂轮的制造中，将3D打印技术用于物理结构塑造，扩充了砂轮的材料选择范围，为砂轮材料的革新提供了许多新方向。
（3）本发明与传统的CBN砂轮制作工艺相比，其能实现某些形状结构复杂的砂轮低成本、高精度制备，同时生产的CBN砂轮能获得较高的形状、精度等的一致性，加工表面不易产生裂纹和烧伤，残余应力小。
（4）目前市场上需求的形状结构复杂的金属陶瓷结合剂CBN砂轮供不应求，生产工艺的滞后导致金属陶瓷结合剂CBN砂轮的成本较高，本发明制造成本较低，且质量稳定。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施方式对本发明做出进一步详细说明。
实施例1
一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮，砂轮的形状结构为圆柱状，外圆直径20mm，高度10mm，内孔直径为6mm。其由工作层原料和专用粘结剂两部分组成，质量比例为4：1。其中工作层原料包括金属陶瓷结合剂粉末和CBN磨料，金属陶瓷结合剂粉末所占体积分数为90%，粒径为0.04mm，CBN所占体积分数为10%，粒度为0.150～0.180mm（80/100目）。粘结剂中各组分的质量比为：聚甲醛70%、聚丙烯10%、氧化锌10%、邻苯二甲酸二丁酯8%、石蜡2%。
本实例提供一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮的生产工艺，包括以下步骤：
S1：将金属陶瓷结合剂粉末和CBN充分混合，即得到工作层原料，然后置于混料机中并加入粘结剂进行搅拌，搅拌均匀后得到浆状料；
S2：将浆状料放入密炼机中对其进行密炼，然后再依次对其进行造粒、挤出拉丝，得到直径1.75mm的丝线状材料，并在牵引机上完成牵引收卷；
S3：在计算机中建立金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D模型，将模型导入切片软件中进行切片设置、打印参数设置和打印支架设置等，将最终切片文件导入FDM塑型3D打印机中；
S4：将打印材料与FDM塑型3D打印机的进料系统连接，根据设置好的打印参数，即每层打印厚度0.2mm，打印50层总厚10mm，喷嘴温度120℃，打印成形完毕得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮生坯；
S5：将生坯放置于脱脂炉中进行脱脂，再置于烧结炉中，通入烧结保护气体氢气，采用阶梯式升温烧结，即：从室温至300℃，升温速率为3.5℃/min，在300℃保温1.5小时；从300℃升温至750℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃保温1.5小时；从750℃升温至900℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃保温1.5小时；然后随炉冷却，即得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮。
实施例2
一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮，砂轮的形状结构为圆柱状，外圆直径40mm，高度20mm，内孔直径为13mm。其由工作层原料和专用粘结剂两部分组成，质量比例为5:1。其中工作层原料包括金属陶瓷结合剂粉末和CBN磨料，金属陶瓷结合剂粉末所占体积分数为80%，粒径为0.04mm；CBN所占体积分数为20% ，粒度为0.125～0.150mm（100/120目）。粘结剂中各组分的质量比为：聚甲醛75%、聚丙烯10%、氧化锌7%、邻苯二甲酸二丁酯5%、石蜡3%。
本实例提供一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮的生产工艺，包括以下步骤：
S1：将金属陶瓷结合剂粉末和CBN充分混合，即得到工作层原料，然后置于混料机中并加入粘结剂进行搅拌，搅拌均匀后得到浆状料；
S2：将浆状料放入密炼机中对其进行密炼，然后再依次对其进行造粒、挤出拉丝，得到直径1.75mm的丝线状材料，并在牵引机上完成牵引收卷；
S3：在计算机中建立金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D模型，将模型导入切片软件中进行切片设置、打印参数设置和打印支架设置等，将最终切片文件导入FDM塑型3D打印机中；
S4：将打印材料与FDM塑型3D打印机的进料系统连接，根据设置好的打印参数，即每层打印厚度0.2mm，打印100层总厚20mm；喷嘴温度150℃，打印成形完毕得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮生坯；
S5：将生坯放置于脱脂炉中进行脱脂，去除大部分专用粘结剂，完成后再置于烧结炉中，通入烧结保护气体氢气，采用阶梯式升温烧结，即：从室温至325℃，升温速率为3.5℃/min；在325℃保温1小时；从350℃升温至775℃，升温速率为2.5℃/min；在775℃保温1小时；从775℃升温至925℃，升温速率为1.5℃/min；在925℃保温1小时；然后随炉冷却，即得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮。
实施例3
一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮，砂轮的形状结构为圆柱状，外圆直径40mm，高度20mm，内孔直径为13mm。其由工作层原料和专用粘结剂两部分组成，质量占比为5:1。其中工作层原料包括金属陶瓷结合剂粉末和CBN磨料，金属陶瓷结合剂粉末所占体积分数为80%，粒径为0.04mm，CBN所占体积分数为20% ，粒度为0.150～0.180mm（80/100目）。专用粘结剂中各组分的质量比为：聚甲醛80%、聚丙烯6%、氧化锌6%、邻苯二甲酸二丁酯5%、石蜡3%。
本实例提供一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮的生产工艺，包括以下步骤：
S1：将金属陶瓷结合剂粉末和CBN磨料根据设计体积分数比例计算称量混合，即得到工作层原料，然后置于混料机中并加入专用粘结剂进行搅拌，搅拌均匀后得到具有较低流动性的浆状料；
S2：将浆状料放入密炼机中对其进行密炼，然后再依次对其进行造粒、挤出拉丝，得到直径1.75mm的丝线状材料，并在牵引机上完成牵引收卷；
S3：在计算机中建立金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D模型，将模型导入切片软件中进行切片设置、打印参数设置和打印支架设置等，将最终切片文件导入FDM塑型3D打印机中；
S4：将打印材料与FDM塑型3D打印机的进料系统连接，根据设置好的打印参数，即每层打印厚度0.2mm，打印三层总厚0.6mm，喷嘴温度150℃，开始打印，打印成形完毕得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮生坯；
S5：将生坯放置于脱脂炉中进行脱脂，去除大部分专用粘结剂，完成后再置于烧结炉中，通入烧结保护气体氢气，采用阶梯式升温烧结，即：从室温至350℃，升温速率为3.5℃/min；在350℃保温1小时；从350℃升温至800℃，升温速率为2.5℃/min；在800℃保温1小时；从800℃升温至950℃，升温速率为1.5℃/min；在950℃保温1小时；然后随炉冷却，即得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮。

Claims (6)

1.一种金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1：配料：所述的金属陶瓷结合剂CBN砂轮由工作层原料和粘结剂两部分组成，工作层原料和专用粘结剂的质量比为4:1～5:1；其中工作层原料包括金属陶瓷结合剂粉末和CBN磨料，其中金属陶瓷结合剂粉末所占体积分数为40%～98%，CBN磨料所占体积分数为2%～60%。
S2：将S1的金属陶瓷结合剂粉末和CBN磨料充分混合，得到工作层原料，然后置于混料机中并加入粘结剂进行搅拌，搅拌均匀后得到具有流动性的浆状料；
S3：将浆状料放入密炼机中进行密炼，然后再依次进行造粒、挤出拉丝，得到直径1～2.5mm的丝线状材料，并在牵引机上完成牵引收卷；
S4：在计算机中建立金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D模型，将模型导入切片软件中进行切片设置、打印参数设置和打印支架设置，将最终切片文件导入FDM塑型3D打印机中；
S5：将打印材料与FDM塑型3D打印机的进料系统连接，根据设置好的打印参数，每层打印厚度为0.1～1.0mm，喷嘴温度为100～240℃，打印成形完毕后得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮生坯；
S6：将生坯放置于脱脂炉中进行脱脂，再置于烧结炉中进行烧结，烧结完毕后随炉冷却得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺，其特征在于：所述的工作层中金属陶瓷结合剂粉末粒径为0.04mm以细。
3.根据权利要求1所述的金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺，其特征在于：所述的工作层中CBN磨料的粒径为0.02～1.0mm。
4.一种用于根据权利要求1所述的金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺的粘结剂，其特征在于：粘结剂各组分的质量比为：聚甲醛65～82%、聚丙烯8～15%、氧化锌7～12%、邻苯二甲酸二丁酯3～8%、石蜡2～5%。
5.根据权利要求4所述的用于金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺的专用粘结剂，其特征在于：所述的聚甲醛的质量占比范围为70%～75%,；聚甲醛、聚丙烯和氧化锌三者的质量之和为粘结剂总质量的87%～92%。
6.根据权利要求1所述的金属陶瓷结合剂CBN砂轮的3D打印制作工艺，其特征在于：在通有保护气氛的烧结炉中烧结时采用阶梯式升温保温，即：从室温至300℃～350℃，升温速率为3.5℃/min，在300℃～350℃保温1～2小时；从300℃～350℃升温至750℃～800℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃～800℃保温1～2小时；从750℃～800℃升温至900℃～950℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃～950℃保温1～2小时；然后随炉冷却，即得到金属陶瓷结合剂CBN砂轮。
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