CN207746917U - 砂轮 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及砂轮。该砂轮包括磨削主体和基体，其中，所述磨削主体布置在所述基体外表面，所述磨削主体由紧密排列的相同拓扑结构单元构成。该砂轮不仅提高了参与切削磨粒的比例，进而提高了砂轮的磨削效率，降低了磨削力，而且明显提高了砂轮的孔隙率，改善了砂轮的容屑与冷却能力，可以有效防止磨削工件烧伤。
Description
技术领域
本实用新型主要涉及磨削加工及增材制造领域，具体地，本实用新型涉及砂轮，更具体地，本实用新型涉及金属结合剂砂轮。
背景技术
传统固结金属结合剂砂轮制造工艺主要是热压成型法。热压法中，首先将金属结合剂与磨粒按照一定比例混合均匀，在自然堆积混料的基础上施加一定的压力与温度，最终成型。这样工艺制造出来的砂轮性能是受混料的成分比例、施加的温度压力、受压时间等相互耦合的、非独立的多个因素共同决定的，而且制造一个性能好的砂轮主要依赖于技术人员的经验，导致同一批砂轮质量一致性差，制造成本高。
因此，性能更优的砂轮还需进一步研究。
实用新型内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
砂轮的微观拓扑结构是由气孔、磨粒、结合剂的成分比例与相互接触状态决定的，砂轮的微观拓扑结构直接影响砂轮的磨削性能。然而，传统的热压法制造出来的金属结合剂砂轮的微观拓扑结构是完全不确定的，导致砂轮不仅磨削力大，磨出的工件表面粗糙，精度低，而且砂轮的孔隙率低，容屑与冷却能力弱，容易造成磨削工件烧伤。
基于上述问题的发现，发明人通过选择性激光烧结技术将处于松散状态的粉末薄层，通过逐层铺粉、逐层堆积的方式制造具有规则微观拓扑结构的金属结合剂砂轮。发明人惊喜地发现，选择性激光烧结技术制造的金属结合剂砂轮不仅提高了参与切削磨粒的比例，进而提高了砂轮的磨削效率，降低了磨削力，而且明显提高了砂轮的孔隙率，改善了砂轮的容屑与冷却能力，可以有效防止磨削工件烧伤。
本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
在本实用新型的第一方面，本实用新型提出了一种砂轮。根据本实用新型的实施例，所述砂轮包括：磨削主体和基体，所述磨削主体布置在所述基体外表面，所述磨削主体由紧密排列的相同拓扑结构单元构成。根据本实用新型的实施例，该砂轮不仅提高了参与切削磨粒的比例，进而提高了砂轮的磨削效率，降低了磨削力，而且明显提高了砂轮的孔隙率，改善了砂轮的容屑与冷却能力，可以有效防止磨削工件烧伤。所述砂轮可以达到20％以上的孔隙率，磨削力降低39％以上。
根据本实用新型的实施例，上述砂轮还可进一步包括如下附加技术特征之一：
根据本实用新型的具体实施例，所述拓扑结构单元为边长为0.5～5mm，如为1、2、3或4mm的立方体。所述尺寸范围是根据激光烧结工艺精度与砂轮强度要求来确定的，从而保证砂轮磨削效率高，磨削力小，孔隙率高，容屑与冷却能力强，有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述立方体为八面体或截角八面体。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述立方体的边长为0.5～2.0mm。所述砂轮强度足够，磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的长度相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的直径相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱之间的特征夹角相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的长度为0.3～3.5mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的直径为0.1～1mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱之间的特征夹角为60～120度。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的长度相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的直径相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的长度为0.3～3.5mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的直径为0.1～1mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述基体材料为金属材料。
根据本实用新型的具体实施例，所述基体材料为合金钢或铸铝。
附图说明
图1是根据本实用新型实施例的砂轮示意图；
图2是根据本实用新型实施例的工艺设备整体结构示意图；
图3是根据本实用新型实施例的工艺设备工作腔体示意图；
图4是根据本实用新型实施例的拓扑结构单元示意图，
其中L表示边长；
图5是根据本实用新型另一实施例的拓扑结构单元示意图，
其中L表示边长；
图6是根据本实用新型实施例的拓扑结构单元为八面体时的示意图，
其中，A表示八面体的支柱的长度，D表示八面体的支柱的直径；α表示八面体的支柱之间的特征夹角；以及
图7是根据本实用新型实施例的拓扑结构单元为截角八面体时的示意图，
其中，A表示截角八面体的支柱的长度，D表示截角八面体的支柱的直径。
附图标记：
1：微观拓扑结构砂轮
11：砂轮基体
12：砂轮磨削主体
2：气体净化装置
21：气体净化装置主体
22：循环管路
3：微观拓扑结构砂轮制造工艺设备主体
301：激光扫描系统
302：工作腔体
303：人机交互界面
304：粉末输送与回收装置
305：控制系统
306：铺粉刮板
307：送粉箱
308：振镜系统
309：激光光源
310：激光器
311：激光烧结平台
312：粉末回收箱
313：成型活塞
314：成型基体
315：送粉活塞
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
砂轮
在本实用新型的第一方面，本实用新型提出了一种砂轮。根据本实用新型的实施例，该砂轮包括：磨削主体和基体，所述磨削主体布置在所述基体外表面，所述磨削主体由紧密排列的相同拓扑结构单元构成。根据本实用新型的实施例，该砂轮不仅提高了参与切削磨粒的比例，进而提高了砂轮的磨削效率，降低了磨削力，而且明显提高了砂轮的孔隙率，改善了砂轮的容屑与冷却能力，可以有效防止磨削工件烧伤。该砂轮可以达到20％以上的孔隙率，磨削力降低39％以上。
根据本实用新型的具体实施例，所述拓扑结构单元为边长为0.5～5.0mm，如为1.5mm的立方体。所述尺寸范围是根据激光烧结工艺精度与砂轮强度要求来确定的，从而保证砂轮磨削效率高，磨削力小，孔隙率高，容屑与冷却能力强，有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述立方体为八面体或截角八面体。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述立方体的边长为0.5～2.0mm。所述砂轮强度足够，磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的长度相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的直径相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱之间的特征夹角相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的长度为0.3～3.5mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱的直径为0.1～1mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述八面体的支柱之间的特征夹角为60～120度。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的长度相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的直径相等。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的长度为0.3～3.5mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述截角八面体的支柱的直径为0.1～1mm。所述砂轮磨削效率更高，磨削力更小，孔隙率更高，容屑与冷却能力更强，可以进一步有效防止磨削工件烧伤。
根据本实用新型的具体实施例，所述基体材料为金属材料。
根据本实用新型的具体实施例，所述基体材料为合金钢或铸铝。
根据本实用新型的实施例，参考图1，具有微观拓扑结构的金属结合剂砂轮包含选择性激光烧结技术制造的砂轮磨削主体11和机械加工制造的砂轮基体12。根据本实用新型的实施例的砂轮是通过选择性激光烧结技术制造的砂轮磨削主体与机械加工制造的砂轮基体装配而成的。砂轮磨削主体的外形是一个回转体，总体为圆环状，可以是整体制造也可以分片制造再拼接。砂轮磨削主体均匀分布特定的微观拓扑结构，而且这种结构在空间上具有特定规律。参考图4或图5，拓扑结构单元为立方体，该立方体的边长L为0.5～5.0mm。参考图6，拓扑结构单元为八面体时，A表示八面体的支柱的长度，D表示八面体的支柱的直径，α表示八面体的支柱之间的特征夹角，其中，A取值范围为0.3～3.5mm，D的取值范围为0.1～1mm，α取值范围为60～120度。参考图7，拓扑结构单元为截角八面体时，A表示截角八面体的支柱的长度，D表示截角八面体的支柱的直径，其中，A取值范围为0.3～3.5mm，D的取值范围为0.1～1mm。
砂轮的制备方法
为了便于理解，在本实用新型的第二方面，本实用新型提出了一种制备上述砂轮的方法。根据本实用新型的实施例，该方法包括：(1)将磨粒、金属粉末和填充剂进行球磨处理，以便得到混料；(2)将所述混料进行选择性激光烧结处理，以便得到磨削主体；(3)将所述磨削主体与所述砂轮基体进行装配处理，以便得到所述砂轮。根据本实用新型的实施例，激光烧结工艺制造具有微观拓扑结构的金属结合剂砂轮可以明显提高砂轮的孔隙率，改善砂轮的容屑与冷却能力，防止磨削工件烧伤，规则微观拓扑结构可以提高参与切削磨粒的比例，进而提高砂轮的磨削效率，降低磨削力。根据砂轮运行工况与特殊要求确定相应的微观拓扑结构后，通过该方法可以使制备的砂轮达到20％以上的孔隙率，磨削力降低39％以上。
根据本实用新型的实施例，该方法进一步包括：(4)将所述砂轮进行修整开刃处理。开刃是砂轮制备工艺必须进行的一步。
根据本实用新型的实施例，该金属粉末选自包括铜、钴、镍、铁、铝、银、钕、铅、镧、铈、钼、硅、铬粉末及以上合金粉末的至少之一。
根据本实用新型的实施例，该填充剂选自包括碳化钨、碳化硅、石墨的至少之一。填充剂在砂轮中起支撑作用，以提高胎体的强度。
根据本实用新型的实施例，该磨粒为金刚石磨粒。发明人发现，金刚石磨粒硬度大、抗压强度高、耐磨性好，从而保证砂轮磨削效率高。
根据本实用新型的实施例，该磨粒为立方氮化硼磨粒。发明人发现，立方氮化硼磨粒硬度大、耐高温、在高温情况下稳定性好，不与铁发生反应，从而保证砂轮磨削效率高。
根据本实用新型的实施例，该磨粒尺寸为23～200微米。根据使用工况选择该磨粒尺寸，从而保证砂轮磨削效率高。
根据本实用新型的实施例，该磨粒浓度为10％～200％，根据使用工况选择该磨粒浓度，从而保证砂轮磨削效率高。
根据本实用新型的实施例，该磨粒包括镀层。磨粒镀层可以提高磨粒与结合剂的粘结强度。
根据本实用新型的实施例，在步骤(2)中所述选择性激光烧结处理中，激光器的功率为10W～500W，粉层厚度为0.02～0.5mm，线性扫描速度为100mm/s～7000mm/s，工作腔体的氧浓度不大于100ppm，成型气氛在循环净化的条件下的除尘率不小于98％。激光功率、铺粉厚度与扫描速度的设置与粉末特性相关，氧浓度与除尘率是必要条件，以防止氧化，从而保证制备得到的砂轮磨削效率高，磨削力小，孔隙率高，容屑与冷却能力强，有效防止磨削工件烧伤。
参考图2和图3，制造具有微观拓扑结构的金属结合剂砂轮的装置主要由气体净化装置2与制造设备主体3构成，所述气体净化装置主要由气体净化装置主体21与循环管路22构成，所述制造设备主体主要包括激光扫描系统301、工作腔体302、人机交互界面303、粉末输送与回收装置304、控制系统305、铺粉刮板306、送粉箱307、振镜系统308、激光光源309、激光器310、激光烧结平台311、粉末回收箱312、成型活塞313、成型基体314与送粉活塞315。其中，所述铺粉刮板306可以在控制系统305的作用下左右平移运动，所述送粉活塞与所述成型活塞可以在控制系统305作用下上下运动，所述工作腔体302与所述气体净化装置的循环管路22相连。
具有微观拓扑结构的金属结合剂砂轮的制备方法，包括如下步骤：
第一步：在计算机中利用三维建模软件设计砂轮外形轮廓、尺寸与微观拓扑结构尺寸，砂轮整体如图1所示，完成后导出选区激光烧结设备可识别的文件格式；
第二步：磨粒、金属粉末、填充剂按照比例称重混合，均匀搅拌为混料；
第三步：将具有微观拓扑结构砂轮三维文件模型导入所述微观拓扑结构金属结合剂砂轮制造工艺设备中，并向所述送粉箱307内添加第二步所述混料，然后通过人机交互界面303设置合适的激光烧结工艺参数；
第四步：关闭所述工作腔体302隔离门，打开所述气体净化装置2，向工作腔体302循环充入氮气或者氩气；
第五步：启动所述激光光源309；
第六步：在所述控制系统作用305下，所述送粉活塞315上升一段距离，所述铺粉刮板306移动到最右端再移动到最左端，激光经由所述振镜系统308对当前铺粉层选择性烧结，成型活塞313下降一段距离，过程中多余粉料送入粉料回收箱312中；
第七步：重复步骤六，直至砂轮磨削主体11制备完成；
第八步：加工所述砂轮基体12，并装配砂轮磨削主体11与砂轮基体12；
第九步：将金属结合剂砂轮修整开刃。
其中，第二步中所述的混料包含磨粒、金属粉末、填充剂等。磨粒可以选用金刚石磨粒、立方氮化硼磨粒，也可以选用其它磨粒。磨粒可以选用有镀层或没有镀层的，磨粒镀层可以提高磨粒与结合剂的粘结强度。磨粒尺寸在23～200微米之间，磨粒浓度在10％～200％之间。金属粉末可以是青铜、钴、镍、铁、铝等一种或几种粉末，可能还需添加银、钕、铅、镧、铈、钼、硅、铬等元素。填充剂可以是碳化钨、碳化硅、石墨等物质。各类物质比例按需确定。
第三步中所述激光烧结参数主要包括设置激光器的功率120W，设置粉层厚度在0.02mm，设置线性扫描速度在800mm/s，线性成型速度为10mm/s～3000mm/s，设置工作腔体的氧浓度小于100ppm，成型气氛在循环净化的条件下，除尘率大于98％。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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实用新型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实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种砂轮，其特征在于，包括：磨削主体和基体，
所述磨削主体布置在所述基体外表面，
所述磨削主体由紧密排列的相同拓扑结构单元构成。
2.根据权利要求1所述的砂轮，其特征在于，所述拓扑结构单元为边长为0.5～5.0mm的立方体。
3.根据权利要求2所述的砂轮，其特征在于，所述立方体为八面体或截角八面体；
优选地，所述立方体的边长为0.5～2.0mm。
4.根据权利要求3所述的砂轮，其特征在于，所述八面体的支柱的长度相等；
任选地，所述八面体的支柱的直径相等；
任选地，所述八面体的支柱之间的特征夹角相等。
5.根据权利要求4所述的砂轮，其特征在于，所述八面体的支柱的长度为0.3～3.5mm；
任选地，所述八面体的支柱的直径为0.1～1mm；
任选地，所述八面体的支柱之间的特征夹角为60～120度。
6.根据权利要求3所述的砂轮，其特征在于，所述截角八面体的支柱的长度相等；
任选地，所述截角八面体的支柱的直径相等。
7.根据权利要求6所述的砂轮，其特征在于，所述截角八面体的支柱的长度为0.3～3.5mm；
任选地，所述截角八面体的支柱的直径为0.1～1mm。
8.根据权利要求1所述的砂轮，其特征在于，所述基体材料为金属材料；
优选地，所述基体材料为合金钢或铸铝。
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