在本發(fā)明涉及一種金剛石工具的加工方法，具體為一種金剛石工具的增材制造方法及制得的金剛石工具。

背景技術(shù)：

在金屬結(jié)合劑金剛石工具多采用單層釬焊、電鍍和多層燒結(jié)三大類：（1）單層釬焊金剛石工具主要是采用真空爐中釬焊、高頻感應(yīng)釬焊和激光釬焊，真空爐中釬焊對(duì)于尺寸較大的金剛石工具，基體整體加熱時(shí)其變形量很難控制，且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，時(shí)間成本及能耗成本較高，金剛石磨粒長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度環(huán)境中，其熱損傷的危險(xiǎn)性加大，也難以實(shí)現(xiàn)在基體承受整體加熱時(shí)其變形不易控制的工具制造。高頻感應(yīng)釬焊，設(shè)備成本低，加熱、冷卻速度快，可以使釬焊周期大為縮短，但其升溫速度、加熱范圍受線圈形狀影響，特別是對(duì)于大型、異型面磨料工具，其感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)、制作也較復(fù)雜。單層釬焊金剛石工具由于只有一層金剛石磨粒，工作層較薄，使用壽命短。（2）電鍍金剛石工具僅靠鍍層金屬機(jī)械包鑲金剛石磨粒，在金剛石與鍍層界面上結(jié)合強(qiáng)度低，通常也是單層電鍍金剛石砂輪，工作壽命短。（3）多層燒結(jié)金剛石工具，是把金剛石和金屬粉末混合，轉(zhuǎn)入模具，在相當(dāng)高的溫度和壓力作用下燒結(jié)而成。金剛石磨粒僅以機(jī)械結(jié)合方式固定在胎體中，磨粒出刃較高時(shí)極易脫落，造成金剛石的浪費(fèi)，同時(shí)金剛石工具在燒結(jié)過程中易氧化，難以獲得質(zhì)量穩(wěn)定的金剛石工具。

目前，以激光束作為熱源成為釬焊金剛石工具的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)制造釬焊金剛石工具工藝相比，激光釬焊是一種快速加熱和快速冷卻的焊接方法，可以有效控制基體在釬焊過程中的熱變形量，有利于單層釬焊金剛石工具應(yīng)用于高效精密磨削加工，極大縮短了金剛石工具的制作周期，激光釬焊彌補(bǔ)真空爐中釬焊和高頻感應(yīng)釬焊工藝中存在的問題。然而，激光釬焊金剛石工具時(shí)，一般是預(yù)置金剛石在釬料中，激光掃描釬料和金剛石混合層，這會(huì)導(dǎo)致金剛石的石墨化甚至燃燒，嚴(yán)重影響釬焊層與金剛石之間的結(jié)合強(qiáng)度。并且，預(yù)置金剛石在釬料中，激光掃描釬料和金剛石混合層，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石磨粒的有序排布。

在2009年8月5日公開的，公開號(hào)為“cn101130213a”，發(fā)明名稱為“一種鎳基釬料激光釬焊金剛石磨粒的制造方法”的發(fā)明專利公開了一種鎳基釬料激光釬焊金剛石磨粒的制造方法，解決了釬焊金剛石工具中金剛石與釬料的結(jié)合力小的問題，但是該技術(shù)方案仍舊存在以下問題：釬焊時(shí)金剛石表面釬料吸收激光，從而使得釬焊后金剛石存在不同形式的燒損氧化和石墨化；另外，金剛石磨粒沒有實(shí)現(xiàn)有序排布。

在2012年12月26日公開的，公開號(hào)為“cn101862834b”，發(fā)明名稱為“一次成型多層釬焊金剛石鉆頭”的發(fā)明專利公開了一種一次成型多層釬焊金剛石鉆頭的制作工藝，解決了真空爐中釬焊多層金剛石工具結(jié)合力小的問題，但是該技術(shù)方案仍舊存在以下問題：金剛石磨粒無(wú)規(guī)則排序，磨削效率欠佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的目的是針對(duì)激光釬焊單層金剛石工具壽命短，激光釬焊過程中金剛石石墨化嚴(yán)重，以及多層金剛石工具有序排布的問題，提出一種磨粒多層有序排布且金剛石磨粒熱影響小的金剛石工具增材制造方法及制得的金剛石工具。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種金剛石工具的增材制造方法，其步驟包括。

步驟1，提供金剛石工具基體。

步驟2，提供噴射系統(tǒng)，噴射系統(tǒng)包括依次相連的送料器料斗、金剛石磨粒送料器、噴槍。

步驟3，提供金剛石磨粒，將金剛石磨粒置于送料器料斗中。

步驟4，提供激光釬焊系統(tǒng)，激光釬焊系統(tǒng)包括激光發(fā)生器、送粉裝置及與激光發(fā)生器相連的激光釬焊工作頭，激光釬焊工作頭外圍設(shè)有同軸噴嘴，送粉裝置包括相連的送粉器與粉斗，送粉器與同軸噴嘴相連。

步驟5，將釬焊料置于送粉器粉斗中。

步驟6，將激光釬焊工作頭與噴槍對(duì)準(zhǔn)金剛石工具基體表面。

步驟7，啟動(dòng)激光釬焊系統(tǒng)，送粉器將釬焊粉經(jīng)同軸噴嘴送到金剛石工具基體表面，激光釬焊工作頭產(chǎn)生的聚焦激光束輻照金剛石工具基體表面，激光束熔化同軸釬焊粉，形成激光釬焊熔池，開啟送料器，金剛石磨粒經(jīng)噴槍噴射到激光釬焊熔池，激光束、同軸噴嘴與噴槍同步移動(dòng)，完成一層釬焊過程，得到一層金剛石磨粒層。

步驟8，調(diào)小送粉器的送粉量，調(diào)低激光功率，關(guān)閉金剛石磨粒送料器，激光束熔化同軸釬焊粉，激光束、同軸噴嘴與噴槍同步移動(dòng)，在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成薄的網(wǎng)狀激光釬焊層。

步驟9，重復(fù)上述步驟8，直至在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成多層薄的網(wǎng)狀激光釬焊層覆蓋金剛石磨粒形成金剛石復(fù)合層。

步驟10，重復(fù)上述步驟7~9，獲得n-1層激光釬焊金剛石復(fù)合層。

步驟11，重復(fù)上述步驟7，獲得第n層激光釬焊金剛石磨粒層，完成激光釬焊過程，制得具有n層金剛石磨粒的激光釬焊金剛石工具。

優(yōu)選地，步驟1中，還包括對(duì)基體的表面進(jìn)行除銹、拋光、打磨后，再用有機(jī)溶劑清洗。

優(yōu)選地，步驟3中，將金剛石磨粒置于料斗之前，采用濃度為8%的稀硫酸對(duì)金剛石磨粒進(jìn)行清洗并用去離子水漂洗后烘干。

優(yōu)選地，步驟6中，噴槍與金剛石工具基體表面所成夾角α為30°~75°。

優(yōu)選地，步驟6中，噴槍與激光釬焊工作頭相連，使得只需控制其中一個(gè)即能使兩者同步移動(dòng)。

優(yōu)選地，步驟5中，釬焊料通過如下方式得到：將稀土元素鑭和鈰以200：1混合經(jīng)高能球磨處理15小時(shí)后得到的混合粉末，加入鎳基釬料中。

優(yōu)選地，步驟7中，噴射到釬焊熔池的金剛石磨粒與激光束中心保持一定距離δ。

本發(fā)明還提供一種通過增材制造方法制得的金剛石工具，包括金剛石工具基體，基體上設(shè)有n層結(jié)構(gòu)，第1層到第n－1層為復(fù)合層，第n層為金剛石磨粒層，金剛石復(fù)合層包括一層金剛石磨粒層以及覆蓋金剛石磨粒的多層薄網(wǎng)狀激光釬焊層，每一金剛石磨粒層包括釬焊縫以及嵌設(shè)于釬焊縫中的金剛石磨粒，第一層釬焊于基體表面，第二層至第n－1層依次釬焊于上一層表面，第n層釬焊于第n－1層金剛石復(fù)合層表面。

優(yōu)選地，釬焊縫材質(zhì)為鎳基釬料，還包括重量百分比為200：1的稀土元素鑭和鈰。

本發(fā)明的有益效果在于。

（1）本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用旁軸噴射金剛石磨粒進(jìn)行激光釬焊，避免了釬焊時(shí)預(yù)置的金剛石磨粒或其表面釬料對(duì)激光束的直接吸收而導(dǎo)致的金剛石磨粒嚴(yán)重?zé)龘p氧化和石墨化，提高釬料與金剛石磨粒界面結(jié)合強(qiáng)度。

（2）本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用旁軸噴射金剛石磨粒進(jìn)行激光釬焊，與常規(guī)預(yù)置金剛石磨粒和釬焊粉相比，在同等釬料和金剛石供給的條件下，激光束熔化的材料層厚大大減小，因此，所需激光束能量大大減小，激光釬焊熱輸入也大大減小，減小了釬焊過程中金剛石磨粒和砂輪基體的熱損傷。

（3）本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用激光釬焊系統(tǒng)與數(shù)控裝置配合，可以便捷地控制金剛石磨粒噴射時(shí)序，使得金剛石磨粒排布到金剛石工具表面的特定位置，從而便捷地實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒的有序排布。

（4）本發(fā)明的技術(shù)方案中，借鑒增材制造技術(shù)，相鄰金剛石磨粒層之間具有多層網(wǎng)狀激光釬焊層，即形成了空隙結(jié)合劑結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了完整的激光釬焊多層磨粒金剛石工具的制備，延長(zhǎng)了單層釬焊金剛石砂輪工具的使用壽命。

（5）本發(fā)明的技術(shù)方案中，激光釬焊利用激光加熱使得金屬釬料結(jié)合劑在金剛石磨粒、基體金屬之間發(fā)生擴(kuò)散、冶金化合反應(yīng)，得到富含碳化物的過渡層，從而相比于非金屬結(jié)合劑，激光釬焊金屬釬料結(jié)合劑提高了基體對(duì)金剛石顆粒的把持力，從根本上改善了磨料、結(jié)合劑、基體三者間的結(jié)合強(qiáng)度。

（6）本發(fā)明的技術(shù)方案中，激光釬焊系統(tǒng)極易與現(xiàn)代數(shù)控裝置匹配，可以實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)化柔性釬焊加工，大大提高生產(chǎn)效率。金剛石砂輪釬焊方法無(wú)需釬劑，對(duì)環(huán)境友好。

（7）本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用氮?dú)庾鳛殪F化噴射氣體和金剛石顆粒輸送氣體，對(duì)釬焊熔池具有較好的冷卻效果，進(jìn)一步降低金剛石磨粒的熱損傷。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中單層金剛石磨粒激光燒結(jié)宏觀示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中單層金剛石磨粒激光燒結(jié)局部示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中第一層薄網(wǎng)狀釬焊層激光燒結(jié)宏觀示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中第二層金剛石磨粒層激光燒結(jié)宏觀示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例金剛石工具局部截面示意圖。

圖中：1-基體、2-凝固的釬焊縫、3-金剛石磨粒、4-激光束、5-同軸噴嘴、6-激光釬焊工作頭、7-送粉管、8-釬焊料、9-粉斗、10-送粉器、11-料斗、12-控制器、13-送料器、14-真空室、15-真空發(fā)生器、16-送料管、17-輸送氣體入口、18-霧化氣體入口、19-噴槍、20-網(wǎng)狀激光釬焊層、21-同軸保護(hù)氣體、22-釬焊熔池、31-第一層金剛石復(fù)合層、32-第二層金剛石復(fù)合層、33-第三層金剛石磨粒層。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖1-5對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)施例使用的設(shè)備主要包括激光釬焊系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)。

噴射系統(tǒng)包括依次相連的送料器料斗11、送料器13（本實(shí)施例采用螺旋桿送料器）、真空室14、送料管16、噴槍19。送料器13還接有控制器12，真空室14接有真空發(fā)生器15，真空發(fā)生器15設(shè)有輸送氣體入口17，噴槍19設(shè)有霧化氣體入口18。

激光釬焊系統(tǒng)包括激光發(fā)生器（未圖示）、送粉裝置及與激光發(fā)生器相連的激光釬焊工作頭6，激光釬焊工作頭6外圍設(shè)有同軸噴嘴5，送粉裝置包括依次相連的粉斗9、送粉器10、送粉管7，送粉管7與同軸噴嘴5相連。

激光釬焊工作頭6與噴槍19固定在一起，且兩者之間成一夾角，焊接過程中兩者同時(shí)移動(dòng)。激光釬焊系統(tǒng)與數(shù)控裝置配合，可以實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒的有序排布。

如圖1、圖2所示，真空發(fā)生器15通過負(fù)壓吸金剛石磨粒3，用輸送氣體氮?dú)饨?jīng)送料管16將金剛石磨粒3輸送到噴槍19，再由霧化氣體氮?dú)鈱⒔饎偸チ?從噴槍19噴入釬焊熔池22中，快速冷卻后形成凝固的釬焊縫2，最后得到一層金剛石磨粒層。

接下來(lái)，如圖3所示，調(diào)小送粉器10的送粉量，調(diào)低激光功率，關(guān)閉送料器13，激光束4熔化同軸釬焊料8，激光束4、同軸噴嘴5與噴槍19同步移動(dòng)，在一層金剛石磨粒層上表面形成薄的網(wǎng)狀激光釬焊層20。

如圖4、圖5所示，重復(fù)上述步驟，直至在所述的金剛石磨粒層上表面形成多層薄的網(wǎng)狀激光釬焊層20覆蓋金剛石磨粒2形成金剛石復(fù)合層，再用上述同樣的方法可最后制得多層金剛石磨粒的激光釬焊金剛石。

該實(shí)施例提供了一種金剛石工具的增材制造方法，其步驟包括。

步驟1：提供金剛石工具基體1，具體為利用機(jī)械加工的方法制備金剛石工具的基體，對(duì)基體表面進(jìn)行除銹，拋光打磨后，再用有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗。

該步驟中：金剛石工具的基體1材質(zhì)為45鋼。

步驟2：提供上述噴射系統(tǒng)。

步驟3：提供金剛石磨粒，采用濃度為8%的稀硫酸對(duì)金剛石磨粒3進(jìn)行清洗并用去離子水漂洗后烘干，再將所述金剛石磨粒3置于送料器料斗11中。

該步驟中：金剛石大小為規(guī)格為25~55目。

步驟4：提供上述激光釬焊系統(tǒng)。

步驟5：將釬焊料8置于送粉器粉斗9中。

該步驟中：釬焊料為鎳基釬料。

優(yōu)選地，將稀土元素鑭和鈰以200：1混合經(jīng)高能球磨處理15小時(shí)后得到的混合粉末，加入鎳基釬料中，可以明顯改善釬焊料8與金剛石磨粒3之間界面的浸潤(rùn)性，加快釬焊料8與金剛石磨粒3的界面反應(yīng)過程。

步驟6：將激光釬焊工作頭與噴槍對(duì)準(zhǔn)金剛石工具基體表面，且使得噴槍19與金剛石工具基體表面所成夾角α為30°~75°（如圖2所示）。

步驟7：?jiǎn)?dòng)激光釬焊系統(tǒng)，打開控制同軸保護(hù)氣體21的同軸保護(hù)氣體閥門，開啟送粉器10，釬焊料8送到金剛石工具基體1表面，激光釬焊工作頭6產(chǎn)生的聚焦激光束4輻照金剛石工具基體1表面，激光束4熔化同軸釬焊料8，形成激光釬焊熔池22，開啟送料器13，金剛石磨粒3經(jīng)噴槍19噴射到激光釬焊熔池22，激光釬焊熔池22冷卻后形成凝固的釬焊縫2，將金剛石磨粒3焊接固定于金剛石工具基體1表面，激光束4、同軸噴嘴5與噴槍19同步移動(dòng)，完成一層釬焊過程,得到一層金剛石磨粒層。

該步驟中：所述激光束4為光纖激光，碟片激光，nd:yag激光或半導(dǎo)體激光器。激光束功率為600~1000w。噴射到釬焊熔池的金剛石磨粒3與激光束4中心保持一定距離δ，其中距離δ為0.2~5mm。金剛石磨粒3以速度為0.1～10m/min經(jīng)噴槍19噴射到釬焊熔池22。其中霧化氣體為氮?dú)?，氮?dú)鈿鈮簽?.5~1.5mpa。輸送氣體為氮?dú)?，氮?dú)鈿鈮簽?.1~1mpa。同軸保護(hù)氣體21為氬氣。

步驟8：調(diào)小送粉器10的送粉量，調(diào)低激光功率，關(guān)閉送料器13，激光束4熔化同軸釬焊料8，激光束4、同軸噴嘴5與噴槍19同步移動(dòng)，在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成薄的網(wǎng)狀激光釬焊層20。

步驟9：重復(fù)上述步驟8，直至在步驟7所述的金剛石磨粒層上表面形成多層薄的網(wǎng)狀激光釬焊層20覆蓋金剛石磨粒3形成金剛石復(fù)合層。

步驟10：重復(fù)上述步驟7~9，獲得n-1層激光釬焊金剛石復(fù)合層。

步驟11：重復(fù)上述步驟7，獲得第n層激光釬焊金剛石磨粒層，完成激光釬焊過程，制得具有n層金剛石磨粒的激光釬焊金剛石工具。

該步驟中，n為需要制備的金剛石工具的磨粒層數(shù)量。

該技術(shù)方案除用于制造多層金剛石砂輪外，還可用于制作其他多層金剛工具，如磨盤、鉆頭等。

如圖5所示，通過上述增材制造方法制得的金剛石工具，包括金剛石工具基體1，基體1上設(shè)有n層結(jié)構(gòu)，第1層31到第n－1層32為復(fù)合層，第n層33為金剛石磨粒層。

金剛石復(fù)合層包括一層金剛石磨粒層以及覆蓋金剛石磨粒的多層薄網(wǎng)狀激光釬焊層20，每一金剛石磨粒層包括釬焊縫2以及嵌設(shè)于釬焊縫2中的金剛石磨粒3。

第一層31釬焊于基體1表面，第二層至第n－1層32依次釬焊于上一層表面，第n層33釬焊于第n－1層金剛石復(fù)合層32表面。

本實(shí)施例中，釬焊縫材質(zhì)為鎳基釬料，還包括重量百分比為200：1的稀土元素鑭和鈰。