本發明涉及一種磨料磨具，具體地說是涉及一種金剛石砂輪及其生產方法。

背景技術：

以金剛石磨料為原料，分別用金屬粉、樹脂粉、陶瓷和電鍍金屬作結合劑，制成的中央有通孔的圓形固結磨具稱作金剛石砂輪。由于金剛石磨料所具有的特性(硬度高、抗壓強度高、耐磨性好)，使金剛石磨具在磨削加工中成為磨削硬脆材料及硬質合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用壽命長，同時還可改善勞動條件。因此廣泛用于普通磨具難于加工的低鐵含量的金屬及非金屬硬脆材料，如硬質合金、高鋁瓷、光學玻璃、瑪瑙寶石、半導體材料、石材等。

超硬磨料磨具（金剛石、立方氮化硼砂輪等）由于其高硬度、高耐磨性等優良特性，在工程陶瓷、硬質合金等硬脆材料的高效磨削與精密磨削等領域具有不可比擬的優勢，應用極其廣泛。傳統金剛石砂輪按生產工藝可分為：燒結式金剛石砂輪(樹脂結合劑金剛石砂輪；陶瓷結合劑金剛石砂輪；金屬結合劑金剛石砂輪)；電鍍金剛石砂輪；釬焊金剛石砂輪。

采用傳統熱壓燒結與電鍍等工藝制備的超硬磨料砂輪其磨粒形狀、位置、分布密度和磨粒突出高度等都具有很大隨機性，砂輪表面不同位置有效磨粒數、單顆磨粒承受載荷、切屑流動方向等都存在極大不確定性。而且，由于結合劑與磨粒之間結合強度較低，結合劑對磨粒的把持力較小，從而導致磨削力大、磨削溫度過高、磨削過程中磨粒易脫落、磨粒有效利用率低等一系列問題，嚴重影響工件的表面質量和砂輪磨削效率。

大量理論和實驗研究表明，砂輪制造過程中使磨粒的排布具有一定的有序性，可以在磨削加工時提供更大的容屑空間，減小磨削力，降低磨削溫度，提高磨削效率，有效改善磨削表面質量。

自上世紀九十年代初以來，國外及我國臺灣地區先后研究高溫釬焊制備新型金剛石工具的新工藝，利用高溫釬焊工藝實現結合劑與磨粒界面上的化學冶金結合，同時實現單層磨粒的有序排布。例如，2004年9月15日公開的發明專利“具有優化地貌的單層釬焊金剛石固結磨料工具的工藝方法（公開號：CN 1528565A）”公開了一種具有優化地貌的單層釬焊金剛石固結磨料工具的制作方法，該發明同時具有釬焊提供的高結合把持強度和磨料的擇優排布提供的最佳地貌的雙重優勢，在高硬脆性難加工材料的高效重負荷加工中顯示出優異的加工性能。又如，2014年5月14日公開的發明專利“一種釬焊單層金剛石砂輪的制作方法（公開號：CN 103786100A）”也公開了一種釬焊單層金剛石砂輪的制作方法，獲得了使用壽命長，具有較好的磨削和切削能力的金剛石砂輪。

然而，由于釬焊工藝特點的限制，一般只能制備出具有單層磨粒的釬焊金剛石砂輪，導致砂輪磨損后無法通過修整繼續使用，砂輪使用壽命極其有限。此外，釬焊過程為實現金屬結合劑與金剛石磨粒的冶金結合，往往需要將砂輪持續置于高溫環境下，從而導致金剛石磨粒產生石墨化和熱損傷。

激光加工技術是利用激光光束投射到工件表面進行加工，并沒有直接接觸加工工件，避免了機械加工對被加工工件造成的機械變形，提高了加工精度，實現常規機械加工以前不能或很難完成的加工工藝。進行激光加工時可添加光學聚焦鏡對激光光束進行聚焦，減小激光光束投射到被加工工件表面上的光斑面積，可以更進一步提高加工精度及加工質量。利用高能量密度的激光光束對加工物體進行切割、打孔，加工效率是常規機械加工技術加工效率的幾倍倍甚至上百倍。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除-切削加工技術，是一種"自下而上"的制造方法。激光增材制造技術是利用激光束的高能量密度，將粉末加熱熔化成型，并通過計算機控制激光增材制造裝置按指定路徑實現逐層燒結，從而實現材料的逐漸累加，制造實體零件。零件的成形原理為高功率激光通過聚焦后形成一個較小的光斑作用于基體并在基體上形成一個較小的熔池，同時粉末運輸系統將金屬粉末通過噴嘴匯集后輸送到熔池中，粉末經熔化，凝固后形成一個致密的金屬點。隨激光在零件上移動，逐漸形成線和面，最后通過面的累加形成三維金屬零件。

激光修整法是利用光學系統把激光束聚焦成極小的光斑作用于金剛石砂輪表面，在極短的時間內使砂輪局部表面的金屬結合劑材料以蒸發氣化和熔融濺射的形式被去除，通過控制激光加工參數，可選擇性地去除結合劑材料，而不損傷超硬磨粒，使磨粒突出，在砂輪表面形成容屑空間，從而達到修整的目的。用激光修整金剛石砂輪時，如果激光功率密度足夠高，可以同時去除金剛石砂輪表而的金剛石磨粒和結合劑材料，達到整形砂輪的目的；另一方而，金剛石磨料與結合劑材料的光學和熱物理性能相差較大，利用激光可控制性好的特點，通過合理調整激光加工參數，可以選擇性地去除砂輪表面的結合劑材料，使金剛石磨粒具有一定的出刃高度，達到修銳砂輪的目的。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種磨粒多層有序排布且結合強度高、磨損后便于修復的一種金剛石砂輪及其生產方法。

本發明是采用如下技術方案實現其發明目的的，一種金剛石砂輪的生產方法，它包括以下步驟：

⑴加工砂輪基體：采用鋼材制出圓柱筒體形的砂輪基體；

本發明所述的砂輪基體采用的鋼材為45號鋼，所述的金剛石磨粒為粒度為40目（0.42㎜～0.45㎜）的截角八面體單晶金剛石。

⑵清洗：將砂輪基體、金剛石磨粒分別置于有機溶劑中進行超聲波清洗，去除表面的油污、氧化層等雜質；

⑶布孔：采用激光振鏡掃描裝置（二維振鏡式短脈沖激光掃描裝置），選擇適當的脈沖寬度、平均功率、脈沖頻率等激光參數，在環形金屬片上加工出規則排布的定位孔，定位孔的孔徑略小于金剛石磨粒的粒徑，用于確定金剛石磨粒的幾何分布，再調整激光振鏡掃描裝置（二維振鏡式短脈沖激光掃描裝置）的激光參數，在該環形金屬片上規則排布的定位孔的間隙之間加工出孔徑較大的置粉孔，其作用是為了留出填充金屬結合劑粉末的空間以更好的燒結；定位孔、置粉孔都是通孔；

⑷鋪磨粒：將步驟⑶得到的已布孔的環形金屬片上均勻地鋪設一層經步驟⑵處理過的金剛石磨粒，使環形金屬片上的各定位孔內均填充有金剛石磨粒后，移除環形金屬片上表面多余的金剛石磨粒；

⑸定位：將另一片由步驟⑶得到的已布孔的環形金屬片覆蓋于步驟⑷中的環形金屬片上的金剛石磨粒的上方，使該環形金屬片的定位孔與下方環形金屬片上鋪設的金剛石磨粒相應對齊，形成“三明治”結構，以確保各金剛石磨粒出刃高度一致，同時防止磨粒在加工過程中發生移動；

⑹燒結:將與環形金屬片組成材質一致的金屬結合劑粉末儲于送粉器（同軸送粉器）中，采用激光增材制造裝置對金屬結合劑粉末進行熔化燒結，在砂輪基體表面形成金屬結合劑層；

送粉器是輸送熱噴涂粉末的裝置。同軸送粉器是將激光束、粉末、保護氣體均從噴嘴內的通道進入并射出，激光束由噴嘴軸線通過，并聚焦于焦點；粉末在載氣作用下沿送粉通道噴出，與激光束相遇并迅速升溫，并在保護氣體吹送下形成熔滴，噴涂熔覆到工件表面。同軸送粉可有效提高熔覆層的質量和粉末利用率，并降低稀釋率。同軸送粉噴嘴是激光快速制造的核心裝置之一，同軸送粉噴嘴最基本的功能應該包括通光與粉末的均勻匯聚,粉末匯聚程度越高，則粉末利用率越高、制造精度越高。

本發明所述的激光增材制造裝置的激光增材制造加工頭由同軸送粉式噴嘴5和激光器的激光光路組合構成；激光光源采用連續型光纖激光器。通過控制激光增材制造加工頭按指定路徑對金屬結合劑粉末進行熔化燒結。

⑺結合燒結：將步驟⑸所述的“三明治”結構放置于步驟⑹中砂輪基體表面形成的金屬結合劑層上，利用激光增材制造裝置將金剛石磨粒燒結于金屬結合劑中，燒結過程中，所述的“三明治”結構中的環形金屬片同時被熔化燒結；控制金屬結合劑粉末的送粉量和燒結溫度，使金剛石磨粒層完全被金屬結合劑覆蓋；

⑻多層燒結：重復上述步驟⑷～⑺，直至完成逐層磨粒有序排布的增材制造，并且在最上層金剛石磨粒燒結時控制減少金屬結合劑粉末的送粉量，以保證最上層金剛石磨粒的出刃高度；

⑼修整：利用激光修整法對由步驟⑻加工得到的磨粒有序排布金剛石砂輪進行修整，將步驟⑻加工得到的磨粒有序排布金剛石砂輪安裝在精密磨床主軸上，通過二維運動平臺調整短脈沖激光束的入射方向，使激光束交于金剛石砂輪軸線且與所述金剛石砂輪工作表面（即燒結后的上表面）的切面平行，磨床主軸低速旋轉，同時沿砂輪工作表面的切面平行移動激光焦點位置，選擇合適的激光參數對砂輪進行修整，保證所有金剛石磨粒的工作表面在同一平面內且具有一致的出刃高度。

本發明步驟⑵中所述的有機溶劑為丙酮；步驟⑺中所述的燒結溫度為765℃～785℃。

由于所述銅基金屬結合劑熔點為720℃～750℃，低于金剛石在空氣中的石墨化溫度（約800℃），采用765℃～785℃燒結溫度，既避免了金剛石磨粒的石墨化，又可以實現金屬結合劑與金剛石磨粒的高強度冶金結合。

本發明為了固定磨粒、便于燒結，所述的環形金屬片的厚度為磨粒粒徑35﹪～45﹪；所述的定位孔的直徑為磨粒粒徑75﹪～85﹪，所述的置粉孔的直徑為定位孔孔徑的3～5倍。

本發明所述的環形金屬片為銅基金屬片，所述的金屬結合劑粉末為銅基金屬結合劑粉末；所述的銅基采用Cu-Sn-Ti合金，其中Cu含量55﹪～63﹪，Sn含量25﹪～30﹪，Ti含量12﹪～15﹪。

本發明為了便于使用，步驟⑻中所述的最表層金剛石磨粒的出刃高度為磨粒高度的50﹪～60﹪。

一種金剛石砂輪，它包括砂輪基體、設于砂輪基體上的磨料層，所述的磨料層由 “三明治”結構逐層燒結而成，所述的“三明治”結構包括2片環形金屬片，環形金屬片上開設有規則排布的定位孔，在環形金屬片上相鄰定位孔的間隙之間開設有置粉孔，兩環形金屬片之間位于相應的定位孔處夾設有金剛石磨粒；所述的定位孔的孔徑略小于金剛石磨粒的粒徑，用于限定金剛石磨粒的幾何分布；所述的置粉孔的孔徑大于定位孔的孔徑，用于給金屬結合劑粉末留出融結空間，使燒結更均勻牢固；所述的磨料層最上層工作表面的磨粒處在同一平面內且具有一致的出刃高度。

本發明所述的環形金屬片的厚度為磨粒粒徑35﹪～45﹪；所述的定位孔直徑為磨粒粒徑75﹪～85﹪，所述的置粉孔的直徑為定位孔孔徑的3～5倍；所述的砂輪基體的磨料層的最上層（工作面）金剛石磨粒的出刃高度為磨粒高度的50﹪～60﹪。

本發明為了延長使用壽命，所述的磨料層包含10層～15層（優選10層）“三明治”結構（兩片環形金屬片與二者時間的磨粒構成一層“三明治”結構）。

由于采用上述技術方案，本發明較好的實現了發明目的，其采用激光增材技術準確加工，進一步提高加工精度及加工質量；采用“三明治”結構進行燒結，避免增材制造過程中由于噴嘴氣壓導致的磨粒位置移動問題，并確保金剛石磨粒的出刃高度基本保持一致，實現了金剛石磨粒的規則有序排布，進行磨削時可提供更大的容屑空間，減小磨削力，降低磨削溫度，提高磨削效率，有效改善磨削表面質量；通過控制激光器的功率控制燒結溫度，既避免了金剛石磨粒的石墨化，又可以實現金屬結合劑與金剛石磨粒的高強度冶金結合；在保證金屬結合劑與金剛石磨粒之間高強度冶金結合的同時，大幅降低持續高溫對金剛石磨粒的破壞程度，還可以簡化制造工藝；磨損后可“逐層”修整后繼續使用，修整方便，砂輪使用壽命長。可廣泛應用于硬脆材料的高效、精密磨削加工。

附圖說明

圖1是本發明中金剛石砂輪的結構示意圖；

圖2是本發明中砂輪基體1的結構示意圖；

圖3是本發明中金剛石砂輪的磨料層2的結構放大示意圖；

圖4本發明中環形金屬片7的結構示意圖；

圖5是圖4中A處的結構放大示意圖；

圖6是本發明中燒結前的“三明治”結構的結構放大示意圖。

圖中：1、砂輪基體；2、磨料層；3、“三明治”結構燒結層；4、金剛石磨粒；5、同軸送粉式噴嘴；6、激光束；7、環形金屬片；8、金屬結合劑燒結層；71、定位孔；72、置粉孔。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。

實施例1：

由圖1～圖6可知，一種金剛石砂輪的生產方法，它包括以下步驟：

⑴加工砂輪基體1：采用鋼材制出圓柱筒體形的砂輪基體1；

本發明所述的砂輪基體1采用的鋼材為45號鋼，所述的金剛石磨粒4為粒度為40目（0.42㎜～0.45㎜）的截角八面體單晶金剛石（本實施例金剛石磨粒4的粒徑為0.44㎜）。

⑵清洗：將砂輪基體1、金剛石磨粒4分別置于有機溶劑中進行超聲波清洗，去除表面的油污、氧化層等雜質；

⑶布孔：采用激光振鏡掃描裝置（二維振鏡式短脈沖激光掃描裝置），選擇適當的脈沖寬度、平均功率、脈沖頻率等激光參數，在環形金屬片7上加工出規則排布的定位孔71，定位孔71的孔徑略小于金剛石磨粒4的粒徑，用于確定金剛石磨粒4的幾何分布，再調整激光振鏡掃描裝置（二維振鏡式短脈沖激光掃描裝置）的激光參數，在該環形金屬片7上規則排布的定位孔71的間隙之間加工出孔徑較大的置粉孔72，其作用是為了留出填充金屬結合劑粉末的空間以更好的燒結；定位孔71、置粉孔72都是通孔；

⑷鋪磨粒：將步驟⑶得到的已布孔的環形金屬片7上均勻地鋪設一層經步驟⑵處理過的金剛石磨粒4，使環形金屬片7上的各定位孔71內均填充有金剛石磨粒4后，移除環形金屬片7上表面多余的金剛石磨粒4；

⑸定位：將另一片由步驟⑶得到的已布孔的環形金屬片7覆蓋于步驟⑷中的環形金屬片7上的金剛石磨粒4的上方，使該環形金屬片7的定位孔71與下方環形金屬片7上鋪設的金剛石磨粒4相應對齊，形成“三明治”結構，以確保各金剛石磨粒4出刃高度一致，同時防止磨粒在加工過程中發生移動；

⑹燒結:將與環形金屬片7組成材質一致的金屬結合劑粉末儲于送粉器（同軸送粉器）中，采用激光增材制造裝置對金屬結合劑粉末進行熔化燒結，在砂輪基體1表面形成金屬結合劑層；

送粉器是輸送熱噴涂粉末的裝置。同軸送粉器是將激光束6、粉末、保護氣體均從噴嘴內的通道進入并射出，激光束6由噴嘴軸線通過，并聚焦于焦點；粉末在載氣作用下沿送粉通道噴出，與激光束6相遇并迅速升溫，并在保護氣體吹送下形成熔滴，噴涂熔覆到工件表面。同軸送粉可有效提高熔覆層的質量和粉末利用率，并降低稀釋率。同軸送粉噴嘴是激光快速制造的核心裝置之一，同軸送粉噴嘴最基本的功能應該包括通光與粉末的均勻匯聚,粉末匯聚程度越高，則粉末利用率越高、制造精度越高。

本發明所述的激光增材制造裝置的激光增材制造加工頭由同軸送粉式噴嘴5和激光器的激光光路組合構成；激光光源采用連續型光纖激光器發出激光束6。通過控制激光增材制造加工頭按指定路徑對金屬結合劑粉末進行熔化燒結。

⑺結合燒結：將步驟⑸所述的“三明治”結構放置于步驟⑹中砂輪基體1表面形成的金屬結合劑層上，利用激光增材制造裝置將金剛石磨粒4燒結于金屬結合劑中，燒結過程中，所述的“三明治”結構中的環形金屬片7同時被熔化燒結；控制金屬結合劑粉末的送粉量和燒結溫度，使金剛石磨粒4層完全被金屬結合劑覆蓋；

⑻多層燒結：重復上述步驟⑷～⑺，直至完成逐層磨粒有序排布的增材制造，并且在最上層金剛石磨粒4燒結時控制減少金屬結合劑粉末的送粉量，以保證最上層金剛石磨粒4的出刃高度；

⑼修整：利用激光修整法對由步驟⑻加工得到的磨粒有序排布金剛石砂輪進行修整，將步驟⑻加工得到的磨粒有序排布金剛石砂輪安裝在精密磨床主軸上，通過二維運動平臺調整短脈沖激光束6的入射方向，使激光束6交于金剛石砂輪軸線且與所述金剛石砂輪工作表面（即燒結后的上表面）的切面平行，磨床主軸低速旋轉，同時沿砂輪工作表面的切面平行移動激光焦點位置，選擇合適的激光參數對砂輪進行修整，保證所有金剛石磨粒4的工作表面在同一平面內且具有一致的出刃高度。

本發明步驟⑵中所述的有機溶劑為丙酮；步驟⑺中所述的燒結溫度為765℃～785℃（本實施例為770℃）。

由于所述銅基金屬結合劑熔點為720℃～750℃，低于金剛石在空氣中的石墨化溫度（約800℃），采用765℃～785℃燒結溫度，既避免了金剛石磨粒4的石墨化，又可以實現金屬結合劑與金剛石磨粒4的高強度冶金結合。

本發明為了固定磨粒、便于燒結，所述的環形金屬片7的厚度為磨粒粒徑35﹪～45﹪（本實施例厚為0.2㎜，為磨粒粒徑的45﹪）；所述的定位孔71的直徑為磨粒粒徑75﹪～85﹪（本實施例定位孔71直徑為0.38㎜，為磨粒粒徑的85﹪），所述的置粉孔72的直徑為定位孔71孔徑的3～5倍（本實施例置粉孔72直徑為1.6㎜，為定位孔71孔徑的4.2倍）。

本發明所述的環形金屬片7為銅基金屬片，所述的金屬結合劑粉末為銅基金屬結合劑粉末；所述的銅基采用Cu-Sn-Ti合金，其中Cu含量55﹪～63﹪，Sn含量25﹪～30﹪，Ti含量12﹪～15﹪（本實施例Cu含量63﹪，Sn含量25﹪，Ti含量12﹪）。

本發明為了便于使用，步驟⑻中所述的最表層金剛石磨粒4的出刃高度為磨粒高度的50﹪～60﹪（本實施例為50﹪）。

一種金剛石砂輪，它包括砂輪基體1、設于砂輪基體1上的磨料層2，所述的磨料層2由 “三明治”結構逐層燒結而成，所述的“三明治”結構包括2片環形金屬片7，環形金屬片7上開設有規則排布的定位孔71，在環形金屬片7上相鄰定位孔71的間隙之間開設有置粉孔72，兩環形金屬片7之間位于相應的定位孔71處夾設有金剛石磨粒4；所述的定位孔71的孔徑略小于金剛石磨粒4的粒徑，用于限定金剛石磨粒4的幾何分布；所述的置粉孔72的孔徑大于定位孔71的孔徑，用于給金屬結合劑粉末留出融結空間，使燒結更均勻牢固；所述的磨料層2最上層工作表面的磨粒處在同一平面內且具有一致的出刃高度。

本發明所述的環形金屬片7的厚度為磨粒粒徑35﹪～45﹪（本實施例厚為0.2㎜，為磨粒粒徑的45﹪）；所述的定位孔71直徑為磨粒粒徑75﹪～85﹪（本實施例定位孔71直徑為0.38㎜，為磨粒粒徑的85﹪），所述的置粉孔72的直徑為定位孔71孔徑的3～5倍（本實施例置粉孔72直徑為1.6㎜，為定位孔71孔徑的4.2倍）；所述的砂輪基體1的磨料層2的最上層（工作面）金剛石磨粒4的出刃高度為磨粒高度的50﹪～60﹪（本實施例為50﹪）。

本發明為了延長使用壽命，所述的磨料層2包含10層～15層 “三明治”結構，兩片環形金屬片7與二者之間的金剛石磨粒4構成一層“三明治”結構（本實施例為11層）。

當金剛石砂輪的工作面（最上層）的金剛石磨粒4磨損無法使用時，采用激光修整法去除最上層的已磨損的金剛石磨粒4及金屬結合劑燒結層8，同時保證新的工作面最表層的金剛石磨粒4的出刃高度，繼而可以重新投入使用。

實施例2：

本實施例中金剛石磨粒4的粒徑為0.44㎜；步驟⑺中所述的燒結溫度為765℃；環形金屬片7的厚度為磨粒粒徑35﹪；定位孔71直徑為磨粒粒徑75﹪；置粉孔72的直徑為定位孔71孔徑的3倍；銅基中Cu含量55﹪，Sn含量30﹪，Ti含量5﹪；工作面（磨料層22最上層）的金剛石磨粒4的出刃高度為磨粒高度的55﹪；磨料層22包含10層“三明治”結構。

余同實施例1。

實施例3：

本實施例中金剛石磨粒4的粒徑為0.45㎜；步驟⑺中所述的燒結溫度為785℃；環形金屬片7的厚度為磨粒粒徑40﹪；定位孔71直徑為磨粒粒徑80﹪；置粉孔72的直徑為定位孔71孔徑的5倍；銅基中Cu含量60﹪，Sn含量27﹪，Ti含量13﹪；工作面（磨料層22最上層）的金剛石磨粒4的出刃高度為磨粒高度的60﹪；磨料層22包含15層“三明治”結構。

余同實施例1。