陳家泓，張鳳林*，許瓊生，劉 偉，周玉梅

(1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006；2.仲愷農業(yè)工程學院 機電工程學院，廣東 廣州 510225)

0 前言

樹脂結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熱率較低，如不能及時有效地對磨削弧區(qū)的磨削高溫進行冷卻，有可能導致零件表面質量降低或燒傷，也有可能導致砂輪的磨削鋒利度下降以及嚴重磨損[4-6]。國內外學者從砂輪的結構上進行設計以改善冷卻效果，比如南京航空航天大學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致工件表面燒傷的問題,提出利用熱管換熱技術冷卻磨削弧區(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冷式砂輪的內部結構,流道設計,流道布置等問題作了比較完整的分析,并通過實例進行具體分析、計算[8]。湘潭大學彭銳濤[9]等利用數值模擬方法，設計了并制備了加壓內冷卻砂輪，在磨削鎳基高溫合金時，降低了磨削溫度，提高了加工表面質量。

3D打印技術(增材制造技術或快速成型技術)是以數字模型為基礎，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，可以增強層間結合強度，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，制備出能紫外光固化的酚醛樹脂結合劑，提高了砂輪的磨削比。但目前光固化3D打印帶有微結構的樹脂金剛石砂輪的研究還較少。

選區(qū)激光燒結(SLS)是另外一種常見的3D打印方法，但目前利用選區(qū)激光燒結技術進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3D打印一種樹脂結合劑金剛石砂輪，并在砂輪工作層制備內冷卻微流道，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 實驗方法

本實驗所采用的原材料包括尼龍、輔助填料和磨粒，具體參數和微觀形貌見表1和圖1。本砂輪設計了無流道和有流道兩種砂輪樣品，砂輪的具體配方設計和流道結構尺寸與數量見表2。磨削層的內冷卻流道結構如圖2所示。設備使用的是EOS P110選區(qū)激光燒結機，配套軟件為Magics17.1及PSW3.6。設備結構主要由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構模型文件由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸入到EOS P110燒結設備。經溫度測試，成型參數優(yōu)化后，采用以下參數進行燒結：激光功率25W，掃描速度2000 mm/s,單層厚度0.1 mm，燒結溫度171.5℃。

表1 原材料參數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型萬能材料試驗機上采用三點彎曲方式測定其抗彎強度，使用邵氏D型硬度計測試砂輪試樣硬度；采用型號為WAZA520X-NC日本長島超精密磨床進行工件表面磨削，砂輪轉速7m/s，工件進給速度20m/min，磨削深度11μm，磨削工件包括：普通平板玻璃、氧化鋁陶瓷、硬質合金YG15；使用Kistler9257BA型壓電晶體測力儀和DEVE2010數據采集系統(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 砂輪配方及流道設計Table 2 Grinding wheel composition and runner design

圖2 磨削層結構Fig.2 The dimension and structure of 3D printed layer for grinding

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

2 實驗結果與分析

從表3可以看出，不同節(jié)塊的抗彎強度均值在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相比在磨削玻璃時的切向磨削力和法向磨削力區(qū)別不大。而在磨削硬質合金、氧化鋁陶瓷時，有流道砂輪的切向磨削力、法向磨削力有減小的趨勢。這可能與內冷卻流道對砂輪的冷卻效果影響有關，具體機理還需要進一步研究。

磨削后玻璃、氧化鋁陶瓷和硬質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，盡管添加了剛玉填料，樹脂結合劑砂輪所用的結合劑尼龍PA2200材料還是偏軟，容易在磨削高硬度的氧化鋁陶瓷時發(fā)生變形。從圖7(c)可以看出，磨削后的硬質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(不同流道數量)磨削玻璃時的磨削力Fig.4 The grinding forces of G1 and G2 grinding wheel on glass

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

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

圖8為3D打印樹脂結合劑金剛石砂輪磨削玻璃、氧化鋁陶瓷和硬質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合金，經過磨削后其表面粗糙度都在3μm 左右，說明SLS這種方法進行3D打印的樹脂結合劑金剛石砂輪可以對常見的硬脆材料進行有效磨削。本文僅初步探索了選區(qū)激光燒結這種方法進行3D打印樹脂金剛石內冷卻砂輪的制造，有關3D打印樹脂的優(yōu)選、樹脂的強化、砂輪的磨削機理和磨損機理等還需要進一步研究。

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 結論

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

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