CN101780664A - 磁场辅助成型磨石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：第一，将体积百分比为12.5％～50％的磁性颗粒、体积百分比为12.5％～50％非磁性磨粒以及体积百分比为33％～60％粘结剂置入容器中混合并充分搅拌；第二，将搅拌均匀的混合料注入非导磁性模具中，并对模具施加振动；第三，在保持振动搅拌的情况下，对该混合形成的混合料缓慢施加磁场至50～500mT并保持恒定不变；第四，去除振动，保持外加磁场强度恒定直到磁场辅助成型磨石固化成型；第五，去除磁场，脱模，取出磁场辅助成型磨石并修整飞边、毛刺，具有工艺简单，成本低，抛光效率高，抛光效果好的特点。
Description
技术领域
本发明属于研磨抛光材料制备领域，具体涉及一种基于外加磁场与振动搅拌的磁场辅助成型磨石的制备方法。
背景技术
随着现代工业技术的高度发展，制造技术已经成为一个国家经济发展的重要指标，而精密和超精密制造技术又是当前各个发达国家重点发展的核心技术之一，是一个国家重要的经济和技术实力的体现。作为获取高表面光洁度以及高形状精度的重要加工手段，抛光和研磨技术在现代精密和超精密制造技术中占有重要地位。由于抛光能改善材料表面的耐腐蚀性，耐磨性以及获得特殊性能，在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械、模具等领域应用广泛。如在军事领域、航空航天领域、医疗器械、民用光电产品中广泛使用的高精度的非球面镜，基本都是依靠抛光来修正其形状误差和提高表面光洁度；现代工业中大量使用的模具的表面光整加工也只能依靠研磨抛光来完成。然而，对于诸如非球面光学元件这种具有复杂几何形状的工件或者模具这种精加工空间狭小的工件，其抛光加工目前主要还是依靠手工完成，加工效率低且对工人技术的依赖程度强，不能满足成批生产的需要。以模具行业为例，截至2003年，我国模具工业总产值已经达到360多亿人民币，而模具加工中手工抛光约占总加工时间30％，如果能实现机械化快速抛光，将产生巨大的经济效益。因此，研究和开发新的抛光研磨技术，实现诸如模具、非球面光学元件之类的复杂型面的高精度机械化抛光，对提高我国精密和超精密加工水平具有重要的意义。
现有的磁场辅助抛光技术，由于抛光体是柔性的，可用于各种复杂内外型面的高精度抛光。如磁流体或磁流变液抛光、磁性研磨，均属于游离磨料加工。现有磁性游离磨料研磨抛光存在的问题是：磁性游离磨粒在抛光过程中，其运动速度、轨迹、抛光载荷等都无法有效控制，利用外加磁场产生的磁力作为磁性磨料抛光的驱动力，具有加工效率低、抛光时间长并会造成一定程度环境污染的缺点。
相比于磁场辅助抛光技术，磁场辅助成型磨石由于颗粒与基体粘结，基体材料可产生比磁场力更大的剪切作用力，因而抛光效率更高，试验证明抛光可获得优于传统的磁场辅助抛光方法的表面质量。磁场辅助成型磨石的抛光效率与抛光质量与该混合体中的颗粒分布均匀性有着密切的联系。而在磁场辅助成型磨石的制备过程中仅仅依靠外加磁场的作用控制颗粒分布的均匀性的方法存在一定的局限性。传统的磁场辅助成型磨石制备方法是将磁性颗粒、磨粒和粘结剂的混合液注入模具后，直接施加外部磁场，由于粘结剂固化过程中热胀冷缩的关系，磁场辅助成型磨石固结成型后局部易出现较大缩孔等缺陷，导致成型磨石质量降低。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种磁场辅助成型磨石的制备方法，可替代通用的磨削抛光用磨石，提高加工的效率与表面加工质量；实现各种异型曲面、复杂曲面以及其他传统方法无法精加工的零件表面的精密研磨抛光；提高磁场辅助成型磨石制备过程中颗粒分布的均匀性，从而提高磁场辅助成型磨石的抛光效率和改善其抛光质量；减小磁场辅助成型磨石成型过程中由于热胀冷缩而形成的较大缩孔等缺陷，使颗粒分布更加均匀；具有制备工艺简单，生产成本低，抛光效率高，抛光效果好，易于实现大批量生产和小批量单个制造的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：
第一，将体积百分比为12.5％～50％的粒度为80～500目的磁性颗粒、体积百分比为12.5％～50％粒度为80～500目的非磁性磨粒以及体积百分比为33％～60％粘结剂置入容器中混合并充分搅拌；
第二，将搅拌均匀的混合料注入非导磁性模具中，并对模具施加振动，
第三，在保持振动搅拌的情况下，对该混合形成的混合料以0.417mT/s～4.167mT/s的速度施加磁场2分钟至50～500mT并保持恒定不变；
第四，振动5～10分钟后去除振动，保持外加磁场强度恒定直到上述混合料固化成型；
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
上述磁场辅助成型磨石可在工件中浇铸成型。未固化前为混合料，固化后成为与工件被加工面相匹配的固体磨石。
上述磁场辅助成型磨石在固化过程中施加振动搅拌，其施加方式可以为机械振动搅拌或超声波振动搅拌法；机械振动搅拌，其振动频率为2～200Hz，振幅为1～10mm；超声波振动搅拌，其频率为1～200KHz，输出功率为20～1000w。
上述磁场辅助成型磨石在固化过程中施加外加磁场，其施加方式可以为电磁式或永磁式或者电磁与永磁混合施加方式。
上述磁场辅助成型磨石中磁性颗粒为软磁性颗粒。
上述磁场辅助成型磨石中磁性颗粒为羟基铁粉、还原铁粉其中之一种或两种的混合物，当为两种混合物时，其体积比为任意比。
上述磁场辅助成型磨石中的非磁性颗粒为金刚石、金刚砂、刚玉、陶瓷粉中之一种两种以上的混合物，当为两种以上的混合物时，其体积比为任意比。
上述磁场辅助成型磨石中粘结剂为以丙烯酸酯、环氧树脂为主体的慢干型粘合剂，如：慢干型AB胶，环氧树脂AB胶。其主要用途是使颗粒悬浮于粘结剂中却又不影响颗粒的流动性，固结后又要具有较强的结合力，并且能够满足抛光研磨的要求。
本发明的有益效果：由于磁场辅助成型磨石在固化以前，颗粒在粘结剂中处于游离状态，可将其注入任意形状任意尺寸的模具空腔中凝固成型，故而磁场辅助成型磨石可应用于复杂型面的抛光。由于磨石在第二步和第三步的制备过程中，微小的振动可以促使游离的磁性颗粒和磨粒形成更规则的排布，并且增加磁性颗粒和磨粒的流动性能，从而使磨石成型后颗粒分布状况更加均匀。磁场辅助成型磨石抛光实验表明，本发明方法制备所得磁场辅助成型磨石比传统的方法制备所得磨石的材料去除率高，表面质量好。
本发明制备而成的磁场辅助成型磨石，装夹于通用抛光研磨设备上，可实现对机械零件的平面、内外圆表面、复杂曲面、异型曲面的精密抛光研磨加工，加工后零件表面粗糙度Ra值可达0.1um以下。
具体实施例
实施例1
一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：
第一，按体积量取体积百分比为18.8％的120目的羟基铁粉、体积百分比为31.2％的120目的金刚砂与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；
第二，将羟基铁粉和金刚砂混料搅拌均匀，再与环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和金刚砂均被完全湿润，将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，在模具外侧施加频率为10Hz，振幅为5mm的机械振动；
第三，在保持振动搅拌的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以0.667mT/s的速度施加磁场2分钟直到80mT并保持恒定不变；
第四，待外加磁场恒定2分钟后去除机械振动，保持80mT外加磁场固化24小时，磁场辅助成型磨石固化成型；
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
实施例2
一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：
第一，按体积量取体积百分比为12.5％的120目的羟基铁粉、体积百分比为37.5％的120目的刚玉与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；
第二，将羟基铁粉和刚玉混料搅拌均匀，再与环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和刚玉均被完全湿润，将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，在模具的外侧施加频率为20KHz，输出功率为50w的超声波振动；
第三，在保持振动搅拌的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以0.667mT/s的速度施加磁场2分钟直到80mT并保持恒定不变；
第四，待外加磁场恒定2分钟后停止超声波振动，保持80mT外加磁场固化24小时后，磁场辅助成型磨石固化成型；
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
实施例3
一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：
第一，按体积量取体积百分比为21.4％的120目的还原铁粉、体积百分比为35.7％的120目的金刚石与体积百分比为42.9％的环氧树脂粘结剂；
第二，将还原铁粉和金刚石混料搅拌均匀，再与环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至还原铁粉和金刚石均被完全湿润，将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，在模具外侧施加频率为100Hz，振幅为2mm的机械振动；
第三，在保持机械振动的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以1.667mT/s的速度施加磁场2分钟直到200mT并保持恒定不变；
第四，待外加磁场恒定2分钟后停止机械振动，保持200mT外加磁场固化24小时后，磁场辅助成型磨石固化成型；
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
实施例4
一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：
第一，按体积量取体积百分比为25％的200目的羟基铁粉、体积百分比为41.7％的200目的陶瓷粉与体积百分比为33.3％的环氧树脂粘结剂；
第二，将羟基铁粉和陶瓷粉混料搅拌均匀，再与环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和陶瓷粉均被完全湿润，将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，在模具外侧施加频率为100KHz，输出功率为200w的超声波振动；
第三，在保持超声波振动的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以3.333mT/s的速度施加磁场2分钟直到400mT并保持恒定不变；
第四，待外加磁场恒定2分钟后停止超声波振动，保持400mT外加磁场固化24小时，磁场辅助成型磨石固化成型；
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
实施例5
一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：
第一，按体积量取体积百分比为37.5％的400目的羟基铁粉、体积百分比为12.5％的400目的刚玉与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；
第二，将羟基铁粉和刚玉混料搅拌均匀，再与调配好的环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和刚玉均被完全湿润；将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，在模具外侧施加频率为30KHz，输出功率为100w的超声波振动；
第三，在保持超声波振动的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以0.667mT/s的速度施加磁场2分钟直到80mT并保持恒定不变；
第四，待外加磁场恒定2分钟后停止超声波振动，保持80mT外加磁场固化24小时后，磁场辅助成型磨石固化成型；
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
实施例6
一种磁场辅助成型磨石的制备方法，包括以下步骤：
第一，按体积量取体积百分比为25.5％的200目的羟基铁粉、体积百分比为25.5％的500目的金刚砂与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；
第二，将羟基铁粉和金刚砂混料搅拌均匀，再与调配好的环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和金刚砂均被完全湿润；将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，然后在模具的外侧施加频率为20Hz，振幅为8mm的机械振动；
第三，在保持机械振动的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以0.833mT/s的速度施加磁场直到100mT并保持恒定不变；
第四，待外加磁场恒定2分钟后停止机械振动，保持100mT外加磁场固化24小时后，磁场辅助成型磨石固化成型。
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
对比例1
首先按体积量取体积百分比为18.8％的120目的羟基铁粉、体积百分比为31.2％的120目的金刚砂与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；然后将羟基铁粉和金刚砂混料搅拌均匀，再与调配好的环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和金刚砂均被完全湿润；再将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口；固化24小时后脱模。
对比例2
首先按体积量取体积百分比为18.8％的120目的羟基铁粉、体积百分比为31.2％的120目的金刚砂与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；然后将羟基铁粉和金刚砂混料搅拌均匀，再与调配好的环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和金刚砂均被完全湿润；再将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口；在模具外侧利用电磁场对磁性抛光材料缓慢施加磁场直到80mT；保持80mT外加磁场固化24小时后，磁场辅助成型磨石即可脱模。
测试
将实施例及对比例制备而成的抛光体，装夹在自制具有直线往复运动的旋转抛光研磨机上，采用的抛光参数为直线往复运动速度为0.014m/s，旋转转速为1400r/min，施加载荷为15N，抛光时间为40min，在黄铜试片上抛光，抛光完后取出试片清洗、烘干，分别测量铜片去除量及抛光后的表面粗糙度Ra。因为黄铜试片抛光40min后，表面去除较深，故试片初始粗糙度对抛光后的表面质量已经没有影响。
表1测试结果对比
| 实施例 | 去除量(mg) | 表面粗糙度值Ra(um) |
| 实施例1 | 91.6 | 0.088 |
| 实施例2 | 93.1 | 0.073 |
| 实施例3 | 92.1 | 0.070 |
| 实施例4 | 81.6 | 0.061 |
| 实施例5 | 62.8 | 0.033 |
| 实施例6 | 69.5 | 0.046 |
| 对比例1 | 46.2 | 0.218 |
| 对比例2 | 59.7 | 0.132 |
从表1可知，本发明的实施例与对比例抛光铜试片后比较，实施例去除量显著增加，即抛光效率显著提高或者说磨削能力有显著提高；表面粗糙度值降低约1/2，即抛光效果有所提高。
综上所述，通过本发明提供的磁场辅助成型磨石制备方法，可以制得一种抛光效率高，抛光效果好的磁场辅助成型磨石。
Claims (10)
1.一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一，将体积百分比为12.5％～50％的粒度为80～500目的磁性颗粒、体积百分比为12.5％～50％粒度为80～500目的非磁性磨粒以及体积百分比为33％～60％粘结剂置入容器中混合并充分搅拌；
第二，将搅拌均匀的混合料注入非导磁性模具中，并对模具施加振动，
第三，在保持振动搅拌的情况下，对该混合形成的混合料以0.417mT/s～4.167mT/s的速度施加磁场2分钟至50～500mT并保持恒定不变；
第四，振动5～10分钟后去除振动，保持外加磁场强度恒定直到上述混合料固化成型；
第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
2.如权利要求1所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，在固化过程中对模具施加振动，其施加方式可以为机械振动搅拌或超声波振动搅拌法。
3.根据权利要求2所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，机械振动搅拌的振动频率为2～200Hz，振幅为1～10mm。
4.根据权利要求2所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，超声波振动搅拌，其频率为1～200KHz，输出功率为20～1000w。
5.根据权利要求1所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，在固化过程中施加外加磁场，其施加方式可以为电磁式或永磁式或者电磁与永磁混合施加方式。
6.根据权利要求1所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，所说的磁性颗粒为软磁性颗粒。
7.根据权利要求1或6所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，所说的磁性颗粒为羟基铁粉、还原铁粉其中之一种或两种的混合物，当为两种混合物时，其体积比为任意比。
8.根据权利要求1所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，所说的非磁性颗粒为金刚石、金刚砂、刚玉、陶瓷粉中之一种两种以上的混合物，当为两种以上的混合物时，其体积比为任意比。
9.根据权利要求1所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一，按体积量取体积百分比为18.8％的120目的羟基铁粉、体积百分比为31.2％的120目的金刚砂与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；第二，将羟基铁粉和金刚砂混料搅拌均匀，再与环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和金刚砂均被完全湿润，将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，在模具外侧施加频率为10Hz，振幅为5mm的机械振动；第三，在保持振动搅拌的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以0.667mT/s的速度施加磁场2分钟直到80mT并保持恒定不变；第四，待外加磁场恒定2分钟后去除机械振动，保持80mT外加磁场固化24小时，磁场辅助成型磨石固化成型；第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
10.根据权利要求1所述的一种磁场辅助成型磨石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一，按体积量取体积百分比为12.5％的120目的羟基铁粉、体积百分比为37.5％的120目的刚玉与体积百分比为50％的环氧树脂粘结剂；第二，将羟基铁粉和刚玉混料搅拌均匀，再与环氧树脂粘结剂进行均匀搅拌至羟基铁粉和刚玉均被完全湿润，将搅拌均匀的混合料注入直径为10mm的塑料圆柱形模具中，注入完后封闭注入口，在模具的外侧施加频率为20KHz，输出功率为50w的超声波振动；第三，在保持振动搅拌的情况下，在模具外侧利用电磁场对该混合形成的混合料以0.667mT/s的速度施加磁场2分钟直到80mT并保持恒定不变；第四，待外加磁场恒定2分钟后停止超声波振动，保持80mT外加磁场固化24小时后，磁场辅助成型磨石固化成型；第五，去除磁场，取出磁场辅助成型磨石即可脱模，并修整飞边、毛刺。
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