選區(qū)激光燒結(jié)3D打印樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪初探

陳家泓，張鳳林*，許瓊生，劉 偉，周玉梅

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225)

0 前言

樹脂結(jié)合劑超硬材料砂輪主要以酚醛樹脂或聚酰亞胺樹脂與超硬磨料以及其它添加劑固化而成，廣泛應(yīng)用于各種難加工材料的磨削加工[1-3]。由于樹脂本身耐熱溫度和導(dǎo)熱率較低，如不能及時(shí)有效地對磨削弧區(qū)的磨削高溫進(jìn)行冷卻，有可能導(dǎo)致零件表面質(zhì)量降低或燒傷，也有可能導(dǎo)致砂輪的磨削鋒利度下降以及嚴(yán)重磨損[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者從砂輪的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)以改善冷卻效果，比如南京航空航天大學(xué)的赫青山和傅玉燦等人針對TC4鈦合金在磨削加工中存在磨削溫度高而導(dǎo)致工件表面燒傷的問題,提出利用熱管換熱技術(shù)冷卻磨削弧區(qū)的新方法，發(fā)現(xiàn)環(huán)形熱管砂輪可以有效降低磨削溫度,避免工件表面出現(xiàn)燒傷[7]。 四川理工的張婕等人針對內(nèi)冷式砂輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu),流道設(shè)計(jì),流道布置等問題作了比較完整的分析,并通過實(shí)例進(jìn)行具體分析、計(jì)算[8]。湘潭大學(xué)彭銳濤[9]等利用數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)了并制備了加壓內(nèi)冷卻砂輪，在磨削鎳基高溫合金時(shí)，降低了磨削溫度，提高了加工表面質(zhì)量。

3D打印技術(shù)(增材制造技術(shù)或快速成型技術(shù))是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用離散材料(液體、粉末、絲、片、板)通過逐層累加的方式來制造任意復(fù)雜形狀的零件[10]。3D打印最常用的材料是光固化樹脂，彭偉等人較早利用光固化樹脂制備了金剛石磨具，通過在光固化樹脂中添加微粉，可以增強(qiáng)層間結(jié)合強(qiáng)度，利用這種工藝制造出了圓盤狀平面磨削砂輪和超薄型切割砂輪[11-12]。河南工業(yè)大學(xué)朱春山等研究了光固化樹脂涂附磨具[13]，通過丙烯酸與環(huán)氧酚醛樹脂開環(huán)反應(yīng)，制備出能紫外光固化的酚醛樹脂結(jié)合劑，提高了砂輪的磨削比。但目前光固化3D打印帶有微結(jié)構(gòu)的樹脂金剛石砂輪的研究還較少。

選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)是另外一種常見的3D打印方法，但目前利用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行樹脂制備金剛石砂輪的3D打印的研究還比較少，因此本文嘗試采用選區(qū)激光燒結(jié)3D打印一種樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，并在砂輪工作層制備內(nèi)冷卻微流道，旨在改善砂輪磨削中的冷卻效果，并初步探索了3D打印砂輪的磨削性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所采用的原材料包括尼龍、輔助填料和磨粒，具體參數(shù)和微觀形貌見表1和圖1。本砂輪設(shè)計(jì)了無流道和有流道兩種砂輪樣品，砂輪的具體配方設(shè)計(jì)和流道結(jié)構(gòu)尺寸與數(shù)量見表2。磨削層的內(nèi)冷卻流道結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備使用的是EOS P110選區(qū)激光燒結(jié)機(jī)，配套軟件為Magics17.1及PSW3.6。設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由CO2激光器、激光光路系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、工作缸等組成。將上述砂輪的三維立體結(jié)構(gòu)模型文件由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸入到EOS P110燒結(jié)設(shè)備。經(jīng)溫度測試，成型參數(shù)優(yōu)化后，采用以下參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)：激光功率25W，掃描速度2000 mm/s,單層厚度0.1 mm，燒結(jié)溫度171.5℃。

表1 原材料參數(shù)Table 1 Details of raw materials

圖1 原材料的微觀形貌圖Fig.1 Microstructure of raw materials(a) 尼龍PA2200,(b) 空心玻璃微珠,(c) 白剛玉,(d) W40金剛石

在QT-1166型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲方式測定其抗彎強(qiáng)度，使用邵氏D型硬度計(jì)測試砂輪試樣硬度；采用型號為WAZA520X-NC日本長島超精密磨床進(jìn)行工件表面磨削，砂輪轉(zhuǎn)速7m/s，工件進(jìn)給速度20m/min，磨削深度11μm，磨削工件包括：普通平板玻璃、氧化鋁陶瓷、硬質(zhì)合金YG15；使用Kistler9257BA型壓電晶體測力儀和DEVE2010數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量磨削力；采用表面粗糙度儀測量磨削工件材料的表面粗糙度，采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察砂輪的微觀形貌分析及觀察工件的表面形貌。

表2 砂輪配方及流道設(shè)計(jì)Table 2 Grinding wheel composition and runner design

圖2 磨削層結(jié)構(gòu)Fig.2 The dimension and structure of 3D printed layer for grinding

圖3 3D打印的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪照片F(xiàn)ig.3 The picture of SLS diamond grinding wheel

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從表3可以看出，不同節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度均值在71MPa左右。測得的砂輪硬度為HS78左右。

表3 3D打印樹脂金剛石砂輪節(jié)塊的抗彎強(qiáng)度和硬度Table 3 The bending strength and hardness of SLS diamond grinding wheel

圖4～圖6為兩種砂輪磨削不同材料時(shí)的切向磨削力和法向磨削力。對比G1和G2砂輪磨削玻璃、氧化鋁陶瓷、硬質(zhì)合金磨削力大小，可以發(fā)現(xiàn)有流道的砂輪G2與無流道的砂輪G1相比在磨削玻璃時(shí)的切向磨削力和法向磨削力區(qū)別不大。而在磨削硬質(zhì)合金、氧化鋁陶瓷時(shí)，有流道砂輪的切向磨削力、法向磨削力有減小的趨勢。這可能與內(nèi)冷卻流道對砂輪的冷卻效果影響有關(guān)，具體機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

磨削后玻璃、氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金表面微觀形貌如圖7，從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)磨削玻璃時(shí)材料主要以脆性斷裂的方式去除，表面呈現(xiàn)較多的破碎坑。從圖7(b)可以看出，氧化鋁陶瓷材料表面略有材料塑性去除痕跡，但不是很明顯。這可能與氧化鋁陶瓷自身硬度較高有關(guān)，盡管添加了剛玉填料，樹脂結(jié)合劑砂輪所用的結(jié)合劑尼龍PA2200材料還是偏軟，容易在磨削高硬度的氧化鋁陶瓷時(shí)發(fā)生變形。從圖7(c)可以看出，磨削后的硬質(zhì)合金表面塑性去除的痕跡比較明顯，存在較多的劃擦和耕犁溝槽，這與YG15硬質(zhì)合金相較氧化鋁和玻璃的斷裂韌度高，更容易以塑性去除的方式被磨削加工。

圖4 G1和G2砂輪(不同流道數(shù)量)磨削玻璃時(shí)的磨削力Fig.4 The grinding forces of G1 and G2 grinding wheel on glass

圖5 G1和G2砂輪(不同流道數(shù)量)磨削氧化鋁陶瓷時(shí)的磨削力Fig.5 The grinding forces of G1 and G2 grinding wheel on alumina ceramic

圖6 G1和G2砂輪(不同流道數(shù)量)磨削硬質(zhì)合金時(shí)的磨削力Fig.6 The grinding forces of G1 and G2 grinding wheel on cemented carbide

圖8為3D打印樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削玻璃、氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金前后的表面粗糙度變化。無論是較低粗糙度的平板玻璃，或是氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金，經(jīng)過磨削后其表面粗糙度都在3μm 左右，說明SLS這種方法進(jìn)行3D打印的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪可以對常見的硬脆材料進(jìn)行有效磨削。本文僅初步探索了選區(qū)激光燒結(jié)這種方法進(jìn)行3D打印樹脂金剛石內(nèi)冷卻砂輪的制造，有關(guān)3D打印樹脂的優(yōu)選、樹脂的強(qiáng)化、砂輪的磨削機(jī)理和磨損機(jī)理等還需要進(jìn)一步研究。

圖7 G2砂輪磨削工件表面的SEM形貌Fig.7 The SEM morphology of workpiece ground by G2 SLS diamond wheel(a) 玻璃,(b) Al2O3陶瓷,(c) YG15硬質(zhì)合金

圖8 磨削前后工件表面粗糙度Fig.8 Surface roughness of workpieces before and after grinding

3 結(jié)論

(1)提出了利用激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)3D打印帶有內(nèi)冷卻流道的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪。研究發(fā)現(xiàn)利用在尼龍PA2200中添加剛玉可以提高選區(qū)激光燒結(jié)金剛石砂輪的硬度和強(qiáng)度，并可以制備出具有內(nèi)冷卻流道的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪。

(2)3D打印的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪中的內(nèi)冷卻微流道在加工時(shí)有助于降低砂輪磨削力；砂輪可以對玻璃、氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金等硬脆材料進(jìn)行有效磨削加工。