本發(fā)明屬于砂輪制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁場輔助制備磨粒排布3D打印砂輪及其方法和裝置。

背景技術(shù)：

伴隨著科技的飛速發(fā)展，具有耐腐蝕耐磨等優(yōu)異性能的鈦合金、光學(xué)玻璃、陶瓷、高溫合金等難加工材料被廣泛地應(yīng)用于航空航天，石油化工、高鐵等高科技領(lǐng)域。因此對這些優(yōu)異性能的難加工材料進行高效精密加工已成為當今研究的熱點之一。磨削加工在硬脆材料精密加工領(lǐng)域占據(jù)著重要的位置。難加工材料加工而成的零部件既要求微米級乃至納米級的表面粗糙度，且要求表面質(zhì)量非常均勻，使用超細磨料超硬砂輪如金剛石砂輪對這些材料進行高效精密加工日益劇增。但是市場上常見的砂輪磨粒在砂輪基體中是隨機分布的，很容易產(chǎn)生偏析和聚集。在磨粒富集區(qū)，磨粒濃度高從而造成切削力小，容屑空間小易造成堵塞，致使磨削效率下降。在磨粒稀少區(qū)，因磨粒濃度低而不能有效的參與磨削，在磨削過程中砂輪會承受工作載荷和沖擊力過大而易于破碎脫落。因此砂輪磨粒分布不均導(dǎo)致磨削工件表面質(zhì)量不高、砂輪壽命減少、磨削效率降低等不利情況產(chǎn)生。

目前，國內(nèi)外科研院所和磨具生產(chǎn)公司對有序排布磨具進行了大量的實驗研究。J.C.Aurich等利用運動學(xué)仿真方法對單層砂輪磨粒的分布進行了仿真優(yōu)化，制備出了磨粒有序的電鍍砂輪。C.M.Sung等通過有序排布技術(shù)顯著增加了切削效率和工具壽命。徐九華等通過優(yōu)化排布金剛石磨料研制出釬焊單層金剛石端面砂輪及其制造裝備。毛聰?shù)热税l(fā)明了利用電鍍工藝制備出有序結(jié)構(gòu)電鍍砂輪的制造方法。

金屬零件3D打印技術(shù)作為目前整個增材制造技術(shù)中最前沿、最有潛力的技術(shù)。相對于傳統(tǒng)加工工藝減材加工技術(shù)，3D打印采用增材制造技術(shù)通過疊加式制造工序，依據(jù)計算機數(shù)據(jù)，利用金屬、塑料凳材料逐層累加加工。隨著增材技術(shù)的發(fā)展，采用3D打印技術(shù)增材制造技術(shù)制備青銅結(jié)合劑砂輪成為可能。磁場輔助作用可以使磁性物質(zhì)規(guī)則排布，本發(fā)明利用3D打印技術(shù)和磁場輔助制備磨粒排布3D打印砂輪及其制備方法和裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在砂輪制造過程中磨粒排布不均勻的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種高效可靠的磁場輔助制備磨粒排布3D打印砂輪方法。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種磁場輔助制備磨粒排布3D打印砂輪，包括磁性磨粒和青銅結(jié)合劑，所述磁性磨粒包括：磨料顆粒、磁性微粉和金屬粘結(jié)劑，所述青銅結(jié)合劑主要為Cu-Sn-Ni（銅錫鎳）合金。所述磁性微粉是鐵、鈷、鎳、等金屬的至少一種，所述磨料顆粒是金剛石磨料、立方氮化硼磨料或其他磨料。

進一步的，所述磁性磨粒的質(zhì)量分數(shù)為15%-20%，其成分配比如下

金剛石顆粒 8%-10%

鐵、鎳、鈷等磁性微粉 3%-5%

金屬粘結(jié)劑 4%-5%

所述青銅結(jié)合劑的質(zhì)量分數(shù)為80-85%，其成分配比如下

Sn 14%-16%

第八族金屬（Fe、Ni、Co） 8%-9%

金屬草酸鹽 0.01%-0.08%

Cu 余量。

為了更好的實施本發(fā)明，所述金剛石顆粒的粒徑為230-270um。

一種制備上述砂輪的裝置，包括加工平臺、導(dǎo)軌和設(shè)置在導(dǎo)軌上的行走機構(gòu)、步進電機、砂輪基體工作臺、磁場發(fā)生裝置，所述加工平臺上設(shè)置有支撐柱，所述導(dǎo)軌設(shè)置在支撐柱上，所述行走機構(gòu)上設(shè)置有激光噴頭、聚焦激光頭和吹氣回收裝置，所述步進電機設(shè)置于加工平臺下方中心位置，所述砂輪基體工作臺設(shè)置在加工平臺上，所述磁場發(fā)生裝置設(shè)置于砂輪基體工作臺外側(cè)，所述步進電機與砂輪基體工作臺通過傳動軸連接。

進一步的，所述磁場發(fā)生裝置可以是永磁體也可以是電磁鐵。

一種利用上述裝置制備所述砂輪的方法，包括以下步驟：

步驟A、選取一定比例的金剛石顆粒、磁性微粉、粘結(jié)劑，利用攪拌裝置充分攪拌混合至均勻得到磁性磨粒；

步驟B、利用行走機構(gòu)上的激光噴頭，控制空氣壓力驅(qū)動磁性磨粒噴散在砂輪基體工作臺上的青銅結(jié)合劑表面；

步驟C、在磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的外加磁場的作用下使磁性磨粒定向規(guī)則排布；

步驟D、通過移動行走機構(gòu)控制聚焦激光頭對規(guī)則排布的磁性磨粒進行掃描燒結(jié)到青銅結(jié)合劑材料上；

步驟E、利用行走機構(gòu)上的氣體吹氣回收裝置，將未被激光掃描燒結(jié)的金剛石磨粒吹到回收裝置以便再利用；

重復(fù)步驟B～步驟E，制造出磨粒規(guī)則排布的砂輪。

進一步的，所述步驟C中的外加磁場的磁場強度是可以調(diào)節(jié)的，通過調(diào)節(jié)磁場強度控制磁性粉末物質(zhì)的排布方式從而調(diào)節(jié)磨粒的排布方式。本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果：

本發(fā)明通過3D打印增材制造技術(shù)逐層累加出用于實際生產(chǎn)的砂輪，同時復(fù)合以磁場控制作用，能夠使磁性磨粒在磁場的作用下規(guī)則排布，利用此方法生產(chǎn)的砂輪磨粒規(guī)則排布，在精密超精密加工時可以使被加工工件表面形貌均勻，提高了磨削效率，增加了砂輪的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明混合物料噴射工作示意圖；

其中：1、磨料顆粒，2、磁性微粉，3、粘結(jié)劑，4、氣體流動方向

圖2為本發(fā)明中，砂輪制備裝置示意圖：

其中：5、加工平臺，6、導(dǎo)軌，7、行走機構(gòu)，8、步進電機，

9、砂輪基體工作臺，10、磁場發(fā)生裝置，11、支撐柱，

12、激光噴頭，13、聚焦激光頭，14、吹氣回收裝置

圖3為本發(fā)明砂輪中的磨粒在外加磁場作用下的分布示意圖：

其中：15、磁場發(fā)生裝置的N極，16、磁場發(fā)生裝置的S極，

17、砂輪

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖2所示，一種磁場輔助制備磨粒排布3D打印砂輪的裝置，包括加工平臺5、導(dǎo)軌6和設(shè)置在導(dǎo)軌6上的行走機構(gòu)7、步進電機8、砂輪基體工作臺9、磁場發(fā)生裝置10，所述加工平臺5上設(shè)置有支撐柱11，所述導(dǎo)軌6設(shè)置在支撐柱11上，所述行走機構(gòu)7上設(shè)置有激光噴頭12、聚焦激光頭13和吹氣回收裝置14，所述步進電機8設(shè)置于加工平臺5下方中心位置，所述砂輪基體工作臺9設(shè)置在加工平臺5上，所述磁場發(fā)生裝置10設(shè)置于砂輪基體工作臺9外側(cè)，所述步進電機8與砂輪基體工作臺9通過傳動軸連接。

進一步的，所述磁場發(fā)生裝置10可以是永磁體也可以是電磁鐵。

如圖1、圖2、圖3所示，利用上述裝置生產(chǎn)砂輪時，其過程如下：

步驟A,按如下比例稱取原料：

磁性磨粒的質(zhì)量分數(shù)為15%-20%，其成分配比如下：金剛石顆粒等磨料顆粒8%-10%，鐵、鎳、鈷等磁性微粉3%-5%，金屬粘結(jié)劑4%-5%；

利用攪拌裝置充分攪拌混合至均勻得到磁性磨粒；

青銅結(jié)合劑的質(zhì)量分數(shù)為80-85%，其成分配比如下：Sn 14%-16%，第八族金屬（Fe、Ni、Co）8%-9%，金屬草酸鹽0.01%-0.08%，Cu余量；

步驟B、利用行走機構(gòu)7上的激光噴頭12，控制空氣壓力驅(qū)動磁性磨粒噴散在砂輪基體工作臺9上的青銅結(jié)合劑表面；

步驟C、在磁場發(fā)生裝置10產(chǎn)生的外加磁場的作用下使磁性磨粒定向規(guī)則排布；

步驟D、通過移動行走機構(gòu)7控制聚焦激光頭13對規(guī)則排布的磁性磨粒進行掃描燒結(jié)到青銅結(jié)合劑材料上；

步驟E、利用行走機構(gòu)7上的氣體吹氣回收裝置14，將未被激光掃描燒結(jié)的金剛石磨粒吹到回收裝置以便再利用；

重復(fù)步驟B-步驟E，制造出磨粒規(guī)則排布的砂輪17。

作為優(yōu)選，所述步驟C中磁場發(fā)生裝置10產(chǎn)生的外加磁場的磁場強度是可以調(diào)節(jié)的，通過調(diào)節(jié)磁場強度控制磁性粉末物質(zhì)的排布方式從而調(diào)節(jié)磨粒的排布方式，使其如圖3所示方式排布。

綜上所述，通過本實施例的描述，可以使本技術(shù)領(lǐng)域人員更好的實施本方案，本項發(fā)明的保護范圍不限于說明書上的內(nèi)容，凡是與上述實施結(jié)構(gòu)相同，或者依據(jù)本發(fā)明技術(shù)原理所作的技術(shù)變形，均屬于本發(fā)明要求的保護范圍。