阅读说明：本技术 一种金属陶瓷结合剂cbn砂轮的3d打印制作工艺 (3D printing manufacturing process of metal ceramic bond CBN grinding wheel ) 是由 刘磊磊 李京泽 张绍和 苏舟 黄诗雅 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a 3D printing manufacturing process of a metal ceramic bond CBN grinding wheel. The production method comprises the steps of fully and uniformly mixing CBN grinding materials, metal ceramic bond powder and a special binder to form a flowing slurry material, banburying the slurry material in an internal mixer, granulating the slurry material in a granulator after banburying, drawing the granulated material in an extruder to obtain a wire-shaped printing material, printing the wire-shaped printing material in a 3D printer based on FDM forming technology, setting corresponding printing parameters, obtaining green bodies after printing and forming, degreasing and sintering the green bodies, and obtaining the metal ceramic bond CBN cutting and grinding tool finished product. The invention adopts the process of combining 3D printing and powder metallurgy, can meet the requirements of the complexity, high precision and the like of the metal ceramic bond CBN grinding wheel, is suitable for the requirements of individualized production and batch production of products with extremely small, extremely fine and extremely complex structures and the like, and is beneficial to reducing the production cost of the products and improving the quality.)

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。