CN102240984A - 叶序排布磨料圆柱超硬磨料砂轮及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超硬磨料磨具制造技术领域，本发明的此砂轮工作表面的磨粒排布满足生物科学中的叶序理论的VanIterson模型，即在柱面坐标下，第n个磨粒或磨料族与第n+1个磨粒或磨粒族之间的旋转夹角为

，n和n+1个磨粒或磨粒族之间的Z轴间距为,磨粒或磨粒族的径向半径r=constant(常数)。磨料或磨粒族叶序排布砂轮的制造采用感光膜掩膜技术和复合电镀工艺技术相结合，实现砂轮工作表面的可控性，使磨削温度、磨削力与比能耗达到最小，最终达到提高砂轮的综合磨削性能。

Description

叶序排布磨料圆柱超硬磨料砂轮及其生产方法

技术领域

本发明属于高效精密磨削加工领域，是一种新型的超硬磨料磨具的设计与制造方法。该超硬磨料砂轮的特点是把生物学中的叶序理论应用到磨削加工领域的超硬磨料砂轮的工程化设计，使砂轮表面形貌满足叶序分布排列的Van Iterson模型。在磨削加工光学零件、陶瓷零件、半导体晶体零件和金属难加工材料零件等过程中，能够获得较高的表面完整性、减低磨削热损伤、提高砂轮的使用寿命和磨削效率、降低磨削力和比能耗，对精密超精密零件的高效精密制造有着重要的意义。

背景技术

本发明的目的在于提供一种磨削加工是机械制造中重要的加工工艺。随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高，难加工金属材料、工程陶瓷材料、光学晶体材料和半导体材料的应用增多，给磨削加工提出了许多新挑战，在这种情况下超硬磨料磨具得到了广泛的发展和应用。根据磨削原理可知，影响磨削加工过程的因素很多，例如磨粒粒度、有效磨粒数、切削厚度、切削宽度和接触弧长等因素。在众多的影响因素中，砂轮表面磨粒的分布情况对加工精度、表面完整性、磨削效率和砂轮的耐用度的影响最大。目前超硬磨料砂轮表面的磨料分布是一种随机分布，而且是不可控的。随机分布带来无效磨削刃和磨削比能耗增大，易使砂轮阻塞、磨削力增大和磨削表面损伤等，因此，为了解决上述问题，如何实现砂轮表面工程化设计是磨削领域的技术关键所在。

近年来，磨粒有序化排布和开槽砂轮的研究表明，砂轮的地貌特征和砂轮的结构在提高砂轮的磨削性能方面起到关键作用，但在进行砂轮表面工程化设计方面，存在着砂轮表面设计参数的合理化选择问题，而且目前还缺少设计的理论依据。如果与砂轮表面磨料分布相关的参数选择不当，就会引起磨削过程不稳定和磨削效率低下。因此本发明基于生物学的进化结果而得到的叶序排布理论，来设计制造实现砂轮工作表面磨料的可控性，来解决上面所述的磨削中问题。实现外圆和内孔磨削用超硬磨料砂轮的高效精密磨削。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叶序排布磨料圆柱超硬磨料砂轮及其生产方法。

采用的技术方案：

本发明的叶序排布磨料圆柱超硬磨料砂轮，包括砂轮基体，其特征在于所述的砂轮基体工作表面的磨粒或磨粒族排布符合生物学的叶序理论，即基于叶序理论Van Iterson 模型，相邻序数磨粒或磨粒族之间的旋转角度为                                               ，相邻序数磨粒或磨粒族之间的Z轴间距 

,径向位置满足砂轮的半径r=constant(常数)。其中

为磨粒或磨粒族序数，h为磨粒或磨粒族在Z轴上的分布系数。

上述砂轮基体工作表面的磨粒或磨粒族可以是金刚石磨粒或者立方氮化硼磨粒，磨粒或磨料族与砂轮基体的粘结剂是金属结合剂。

本发明的叶序排布圆柱超硬磨料砂轮的生产方法，包括以下工艺过程：首先，设计并制造出砂轮基体，砂轮基体的材料可以是碳钢，砂轮基体硬度在HRC40以上；然后，更根据砂轮表面所设计的叶序排布磨料（粗粒度磨料以磨粒点排布，细粒度磨料以多磨粒形成的族作为排布点）图案制造出光刻掩膜版；再后，将砂轮基体涂覆紫外光光刻胶，并在紫外光下利用模版进行掩膜光刻和固化；最后，采用电镀超硬磨料砂轮的电镀工艺进行预电镀基体、置砂、加厚电镀和前后处理工艺等得到叶序排布磨粒或磨粒族磨削用超硬磨料砂轮。这样的制造工艺方法可以实现磨粒或磨粒族的叶序排布可控性。

上述砂轮的磨料或磨粒族与砂轮基体固结是利用电镀工艺实现的。电镀液的为镍基或镍钴合金电镀液，形成的结合剂层为镍或镍钴合金层。

本发明是基于生物学的叶序理论设计磨粒或磨料族叶序排布的超硬磨料砂轮，生物学的叶序理论表明，植物的叶子、花瓣和果实的籽粒的几何排布满足黄金分割律。其中Van Iterson 模型揭示空间籽粒的分布规律。Van Iterson 模型的内涵是相邻序数籽粒或籽粒族之间的旋转角度为

，相邻籽粒或籽粒族之间的Z轴间距 

,籽粒或籽粒族在径向的位置是砂轮半径r=const(常数)。其中n是籽粒序数，h是生长系数。Van Iterson模型是生物籽粒或花瓣结构排布规律模型，这种结构的排布在几何学上实现空间互补并满足黄金分割率，它具有表面对热辐射的最大吸收功能，所形成的叶列线螺旋沟槽对流体作用时有发散和均布效应。因此，在砂轮的表面工程化设计时可以把每个磨粒或多磨粒形成的一个族看成一个籽粒点，依据Van Iterson 模型进行设计砂轮表面的磨粒或磨粒族排布，形成叶序排布磨料超硬磨料砂轮。同时由于磨粒或磨粒族的叶序排布磨料超硬磨料砂轮可以通过改变Van Iterson 模型中的参数实现磨粒或磨粒族位置的可控性，从而获得最优化的砂轮表面磨料排布，也使超硬磨料砂轮的磨削性能得到优化，最终达到改善磨削质量，提高磨削效率和砂轮的使用寿命。

附图说明

图1本发明砂轮基体的结构示意图。

图2是磨粒或磨粒族叶序排布超硬砂轮的形态图。

图3是磨粒或磨粒族叶序排布超硬磨料砂轮的掩膜电镀制造工艺流程图。

具体实施方式

本发明的叶序排布磨料圆柱超硬磨料砂轮，包括砂轮基体1，其特点是砂轮基体1工作表面的磨粒3是金刚石磨粒，磨粒3与砂轮基体1通过镍结合剂2固定。

排布符合生物学的叶序理论，即基于叶序理论Van Iterson 模型，相邻序数磨粒或磨粒族之间的旋转角度为，相邻序数磨粒或磨粒族之间的Z轴间距 

,径向位置满足砂轮的半径r=constant(常数)。其中

为磨粒或磨粒族序数，h为磨粒或磨粒族在Z轴上的分布系数。

本发明的叶序排布圆柱超硬磨料砂轮的生产方法，包括以下工艺过程

1）. 利用CAD软件基于Van Iterson 模型（

， 

, r=constant)制作出按叶序理论排布的磨粒或磨粒族图案。

2）．设计出磨粒叶序排布砂轮的基体结构，如图2所示。基体材料可选择中碳钢、碳素工具钢、合金钢或轴承钢等，镀覆超硬磨料表面的热处理硬度大于HRC40，基体的尺寸可根据具体使用环境确立，外径尺寸一般在φ5mm～400mm范围内。

3). 按照图4的工艺流程制造砂轮。其中各个过程相关说明如下：

a) 光刻叶序排布图案：对砂轮工作表面进行去毛刺（使用砂纸）→电化学除油与溶剂除油处理→干燥→涂覆紫外感光胶（SU8或感光油墨）→干燥固化→掩膜曝光（可利用打印好叶序排布图案的菲林版覆盖在紫外线感光干膜上，然后利用紫外线灯管进行曝光）→显影（放入到显影剂溶液中，显影剂按1:100兑水）→清洗与干燥。电化学除油时的电化学除油剂配方为氢氧化钠16g/L, 碳酸钠40g/L,磷酸钠16g/L；除油时把砂轮基体转挂在电化学除油剂溶液中，溶液温度为50℃～60℃，接通电流密度为10

的电源，电极为石墨，先阴极处理1分钟，然后阳极处理3分钟。溶剂除油是采用丙酮溶剂擦洗。

b). 基体表面涂非导电绝缘胶。

c). 配制电镀液：硫酸镍250g/L～300g/L；氯化镍30～60 g/L；硫酸钴8 g/L；硼酸35～40g/L；十二烷基硫酸钠0.05～0.1g/L；1，4-丁炔醇0.3g/L；糖精0.8 g/L；

d). 镀前处理：酸洗（盐酸，体积比为1:1）→冷水冲洗→阳极处理（阳极处理溶液：硫酸，按体积比为2:3兑水；在溶液温度为20℃～30℃,电流密度为25

的电流作用下，电源负极用石墨，正极接砂轮基体，通电3分钟）→冲洗入电镀槽电镀。

e). 磨粒前处理：丙酮浸泡10分钟，然后稀硝酸煮30分钟→冷却→蒸馏水冲洗至中性→浸泡在电镀液中待用。

f).电镀过程：基体做接阴极，镍板接阳极。电镀的工艺条件为电镀液pH值为3～5 ，温度为45℃～60℃。预镀和上砂的电流密度为0.25～0.5

，上砂厚度为磨粒平均半径的10﹪左右；加厚的电流密度为1～2

，加厚厚度为磨粒的2/3高度。

g).后处理：脱膜（利用脱膜剂溶液，脱膜剂按1:60兑水）去除胶层，清洗，形成叶序排布磨粒或磨粒族电镀结合剂超硬砂轮。

Claims (3)

1.叶序排布磨料圆柱超硬磨料砂轮，包括砂轮基体，其特征在于所述的砂轮基体工作表面的磨粒或磨粒族排布符合生物学的叶序理论，即基于叶序理论Van Iterson 模型，相邻序数磨粒或磨粒族之间的旋转角度为                                                

，相邻序数磨粒或磨粒族之间的Z轴间距 

,径向位置满足砂轮的半径r=constant(常数),其中为磨粒或磨粒族序数，h为磨粒或磨粒族在Z轴上的分布系数。

2.根据权利要求1所述的叶序排布磨料圆柱超硬磨料砂轮，其特征在于所述的砂轮基体工作表面的磨粒或磨粒族为金刚石磨粒或者立方氮化硼磨粒，磨粒或磨料族与砂轮基体通过金属结合剂固定。

3.叶序排布圆柱超硬磨料砂轮的生产方法，包括以下工艺过程：

首先，设计并制造出砂轮基体，砂轮基体的材料可以是碳钢，砂轮基体硬度在HRC40以上；然后，更根据砂轮表面所设计的叶序排布磨料图案制造出光刻掩膜版；再后，将砂轮基体涂覆紫外光光刻胶，并在紫外光下利用模版进行掩膜光刻和固化；最后，采用电镀超硬磨料砂轮的电镀工艺进行预电镀基体、置砂、加厚电镀和前后处理工艺等得到叶序排布磨粒或磨粒族磨削用超硬磨料砂轮。

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