CN103506967A - 植入法生产高效磨削材料的原理和工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种植入法生产高效磨削材料的原理和工艺方法，即把磨料、胶粘剂及填料助剂在不同基材上作层(块、条、点及其他形状)状有程序化间隔起伏堆积的间歇式高效磨削材料的构造、制作原理及工艺方法。工作层的磨削元分布程序为具有一定形状的磨削元同非磨削间隙所形成的交互状。上述的工艺、原理和方法打破了传统固结、涂附和超硬磨削材料生产的界限，使得大小、刚柔之间的合理转换，满足功能性、针对性和专业性磨削材料的生产。用该方法生产的磨削材料具有适用广泛、针对性变化、功能独特、环保节能、高质高能等优点。应用证明深印植入法生产磨削材料有较高的加工效率，能使传统磨削材料生产节约30～50％的磨料，20～40％结合剂，磨削材料使用寿命提高1～5倍，使用者的生产率提高1～5倍。

Description

植入法生产高效磨削材料的原理和工艺方法

技术领域：

本发明涉及磨削材料的制备方法，具体涉及一种植入法生产高效磨削材料的原理和工艺方法。 

背景技术：

一、磨削材料行业发展概况 

1、磨削材料行业发展简史 

中国的磨削材料行业从零起步，从无到有，由小变大，经过半个多世纪发展，在上个世纪九十年代，我国磨削材料行业与世界先进水平的差距曾经大大缩小。但是，由于世界材料技术、机械加工工艺和技术，以及科研手段的迅猛发展，在世纪之交的一段时间里，国外磨削材料行业发展迅速，新技术、新产品、新工艺不断涌现；而这个时期我国的磨削材料行业正处于工业管理体制变革、企业转轨变型、产业组织结构调整的阶段，原有的产业布局被打乱，新的市场秩序正在探索建立，行业发展和技术进步一时处于停滞状态，使得本来已经缩小的差距又被迅速拉大。 

2、磨削材料企业发展态势 

当前，世界经济的发展取向和区域经济结构正处于巨大的变动之中。在经济全球化的驱使下，我国的磨削材料的生产企业为适应世界经济一体化和扩大内需所带来的机遇与挑战，企业重组、改制、改革、改造和产品结构的调整步伐也得到迅猛发展，国际化程度日益剧增。 

建国60年来，我国磨削材料生产企业取得了长足的发展，逐步形成了产品种类齐全、具有一定综合实力的磨削材料生产体系。进而形成了以跨国公司和合资公司及小部分国内公司为主的高端磨削材料生产企业，以国有大中型和部分原国有大中型改制的企业，及近年来迅速发展起来的大型民营和特色民营企业为主的中高端磨削材料生产企业，和以中小民营企业为主的生产中低端磨削材料生产企业三个层次。目前全国年磨削材料产能已经具有相当大的规模，大部分产品领域生产能力过剩。概括地讲，半个世纪以来，我国磨削材料生产得 到了大的发展，但是与国际顶级磨削材料先进企业相比，则还有一定差距。 

(1)总体工艺和装备水平还有一定差距。我国磨削材料生产企业经过近年来的发展，一些骨干企业的装备水平有了很大提高，部分工艺和装备水平达到了与国际接轨的一流现代化水平，但总体工艺和装备水平与国际磨削材料先进企业相比还有一定差距，特别是在产品研发、自动化和设备及理论集成化应用方面。 

(2)过去具有国际竞争力的主要是一些技术含量低、附加值较小的产品，而具有核心技术的大型、高技术产品欠缺。但近年来，状况虽有改观，但在基础的磨料、专业功能磨削材料的开发领域，我国的行动迟缓。 

(3)产出效益低下。先进国家磨削材料生产企业的增加值率大体在50％到150％之间，最低的也在30％以上，我国磨削材料生产企业只有5～20％，差距很大，经济效益低下。 

(4)由于理论集成化应用不足，在磨削材料的产品工艺、高端产品性能及新品研发方面，与国外先进水平还有相当大的差距。 

(5)企业对市场的快速反应能力差。我国磨削材料新产品平均开发周期为18个月，产品的生命周期为10～15年。而国外已实现“三个三”，即产品的生命周期为3年，产品的试制周期为3个月，产品的设计周期为3个星期。 

(6)企业规模结构不合理。从产业组织结构来讲，我国磨削材料生产企业规模组合极不合理，大型企业大而不强，产业带动作用不大，小型企业小而不专，协作能力差，企业在市场竞争中陷入了胶着状态。特别是大型企业的实力尚不能实现规模化经营和集团化运作，难以走向国外与跨国公司抗衡。 

从总体上来看，我国磨削材料行业虽取得了长足的发展。但由于产品自主研发能力薄弱，进入门槛较低，近十几年一直在模仿、抄袭的基础上发展与扩张，低效率的消耗着大量宝贵的资源和能源，与国际先进水平相比还有较大差距，主要表现在：1.高技术产品不能满足市场需求，依赖进口；低档通用产品出现结构性过剩，造成积压、拖欠货款和价格战。2.全行业生产能力已经达到一定规模，但实际生产能力较分散，企业规模小，经济效益差。3.技术开发能力弱，自有知识产权的产品和技术少，没有掌握产品开发的主动权。4.产品品种少，技术含量低，制造工艺数据缺乏严格的试验论证，不能保持产品持续的质量稳定。5.磨削材料行业国内名牌含金量低，更少有国际名牌。 

在世界产业格局流转情况下，我国虽为棕刚玉和碳化硅的生产出口大国。但目前国家开始实施积极的产业结构调政策，提高资源和能源使用成本等手段，棕刚玉和碳化硅为主的高耗能、高污染的发展必将受到限制。 

3、磨削材料产业发展环境 

(1)、工业化国家的必然产物 

磨削材料作为制造业、石油开采、矿勘、材料加工等领域的不可缺少和替代的加工工具，作为工业的“牙齿”，随着一个国家的经济发展，在基本缓解了基础产业的“瓶颈”制约后，必将致力于能带动和促进整个经济如制造业、石油开采、矿勘、材料加工等主导产业的发展。当今世界工业强国无一不是以上领域的强国，我国要走富国、强国之路，大力发展以上产业也是必然选择。这将为磨削材料的发展带来极大的发展机遇。 

(2)、经济全球化大势所趋 

生产经营的跨区域，又体现在社会消费的跨区域。应该全面、深入理解这一趋势对我国经济的影响。国际磨削材料跨国公司进入中国，带来了资金、先进技术、管理经验和新的经营理念，给中国经济注入了活力。产品和服务销售的全球一体化，对整体市场竞争力相对低下的我国磨削材料生产企业有相当影响。国内市场国际化可能使我国磨削材料生产企业丧失部分国内市场份额，当然，国际市场国内化也使国内企业更易以价廉的中国产品于进入国际市场。 

(3)、理论集成化应用、可持续发展 

各国发展经济越来越集中在提高科技水平上，市场的竞争，主要体现在产品技术水平的竞争上。目前世界上几个磨削材料生产著名企业，都在遵循自己的发展理念走着不同的道路。发展更加讲究产品技术的高起点、市场营销的高回报，力争跳出中低产品的竞争圈子。法、美、奥、日等国继续推进磨削材料生产业整体素质的提高，所以其国际市场竞争力依然不减当年。以韩国、台湾为代表的后起之秀努力进行产业组织结构调整，优化组合，尽快适应新形势的挑战。相比之下，我国磨削材料生产企业结构框架还很散乱，运行机制依然不够活泛，生产核心运营的科技含量和科研、理论集成化应用潜力不足。所以，在这一大背景下，我国磨削材料生产企业的发展首先是全面提高素质，广泛吸纳国内外的技术成果，充分发挥高新技术的后发优势，促进产业升级。 

(4)、国内需求市场巨大 

全世界磨削材料生产能力已经过剩，各国产业间、各大公司间的对市场的占领更加激烈。巨大的国内市场需求是大力发展我国磨削材料生产的沃土。国家实施的西部大开发、中部崛起、海西经济区等战略，加强城镇化建设，建设西气东输、西电东送、南水北调、高原铁路和高速铁路等一大批重点工程，加大对传统产业的改造力度，如此大规模的建设是发达国家经历过的，也是大多数发展中国家难以做到的，我国磨削材料生产企业应该充分抓住这一历史机遇，获得大的发展。 

(5)、拉动内需政策和十大产业政策 

在装备业振兴计划中，高档磨削材料是其振兴发展的内容，这为磨削材料生产企业充分利用国内的技术资源、资本资源、市场资源提供了便利，使磨削材料生产企业能在一个较高的起点上提升产业的技术水平，增强产品的市场竞争能力，同时将促使政府和企业加快、加大各项改革的步调和力度。 

二、磨削材料行业发展趋势分析 

1、高效高精自动化是产品发展的方向 

磨削材料行业是一个基础行业，在机械加工始终占据着极其重要地位。就磨削材料而言，有三方面改进与突破意义非凡。第一，磨削材料物理结构改进，如使单位时间内作用工件磨粒数增多、使磨削平均长度增长、使磨削接触面增大，这些都改变了单位时间磨除量，有效提升了效率；第二，超硬磨削材料应用，主要指以金刚石、CBN等超硬材料和金属粉末、金属氧化物作为填充物，以树脂、陶瓷或金属结合剂制成磨削材料应用。目前，由超硬磨削材料带来高精度、高效率磨削效果已被广泛认可；第三，新型磨削材料出现，如微米级多晶组成陶瓷微晶磨料、含微细金刚石磨粒球壳磨料、超精抛光用聚酯薄膜带等。这些新型磨削材料所具有的特点，使其磨削加工优势得到淋漓尽致的展现。 

纵观磨削领域发展，未来磨削加工将对磨削材料提出更高要求，从目前现状来判断，超硬制品恰恰满足这些新磨削需要。如CBN磨料具有良好热稳定性、硬度高、耐磨性好等特性，故其制品磨削加工时线速度高、磨削效率高、磨削寿命长，特别适宜加工高速钢、轴承钢、不锈钢、冷激铸铁等黑色金属材料。此外，满足各种需要的陶瓷结合剂砂轮、大气孔高速砂轮以及不同加工面、不 同磨粒砂轮、金刚石锯片等都将随着技术进步而扩大应用范围，成为磨削加工主流产品。 

磨削材料行业所涉及的产品主要有三大类：一是普通磨削材料，包括刚玉系列和碳化硅、树脂磨削材料、陶瓷磨削材料等；二是涂附磨削材料，包括砂布、砂纸、砂带等；三是超硬材料，主要是金刚石、立方氮化硼及制品。磨削是机械加工中不可替代而且是逐渐扩展的加工方法。在当今机械加工方式中，磨削加工之所以重要，正如德国磨削专家Carl.J.Salmon博士所说：“磨削在当今是受材料推动的，它与铣、刨和车削在常规加工材料上的竞争可能难分高下，但一碰到新一代的材料如陶瓷、金属陶瓷、复合材料、晶须增强材料和超耐高温合金就不用竞争了。这些材料都只能用磨削加工。” 

高效率、高精度和自动化是现代磨削加工技术追求的目标。首先，精密磨削和超精密磨削：随着高科技产品的不断涌现，零件加工精度和表面完整性愈来愈高，传统磨削正在向超精密磨削、超精密研磨和抛光等方向发展。超精密磨削是一项系统工程，包括高速高精度的磨床主轴、导轨与微进给机构，精密磨削材料及其平衡与修整技术，以及磨削环境的净化与冷却方式等。其次，高效率磨削：磨削虽然加工精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势，但其材料切除率难以与其它切削抗衡。为了提高磨削效率，采用增大单位时间内作用的磨粒数(如高速磨削、超高速磨削、砂带磨削等)、增大磨削平均断面积(如各种重磨削)及增大磨削平均长度(如缓进给深磨、立轴平磨)等许多高效率磨削技术，其中重负荷荒磨、超高速磨削、砂带磨削和高效深磨技术的发展尤为引人注目。第三，具有微米级多晶组成的陶瓷微晶磨料、用于砂带磨抛的中空球陶瓷磨料、用于超硬材料研磨的含微细金刚石磨粒的球壳磨料等多种新型磨料的使用；超精抛光用聚酯薄膜带、含磨料微粉的尼龙丝刷磨轮、铸铁结合剂砂轮等多种新磨削材料的出现；厘米级大粒径人造金刚石的制造；磨料喷射加工、磨料水力喷射加工、粘弹性磨料流挤压珩磨、整体成形磨削，磁研磨、磁流体精密研磨、低应力磨削、超高速磨削和极低速度磨削等一大批新磨削加工技术的出现和开发等，也是近年世界磨削技术发展的突出方面。 

2、转型调整成行业发展主旋律 

装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业，关联度高、 吸纳就业能力强、技术资金密集，是产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。加快振兴装备制造业，必须依托国家重点建设工程，大规模开展重大技术装备自主化工作；通过加大技术改造投入，增强企业自主创新能力，大幅度提高基础配套件和基础工艺水平；加快企业兼并重组和产品更新换代，促进产业结构优化升级，全面提升产业竞争力，磨削材料行业作为一个基础行业在机械制造和其他金属加工工业中被广泛采用，“十二五”产业振兴规划的出台必定会相应的带动磨削材料行业的发展，同时也会对磨削材料产业提出新的要求。产品的高品质、新品种等成了磨削材料行业所要追求的目标。规划中提出的自主创新、技术改造、淘汰落后、优化布局，推进结构调整和产业升级等一系列的举措对于磨削材料来说是个机遇，尤其是现在行业正处国际经济情况不好的情况下，通过一系列的调整不仅可以优化整个行业更能带动行业新一轮的繁荣。自主创新、转型调整一直是磨削材料行业探讨的话题，创新能促进发展，创新能造就品牌，但行业在这方面的研究一直很薄弱，此次规划的出台对与磨削材料行业来说不仅仅是个契机，更是一种推动力。 

金融危机的经历让更多的企业意识到不能靠以往的贴牌销售、仿制销售为生存方式，只有扎实的研制具有独特特色的产品才能稳扎于市场的浪潮中，才能所谓真正的促进行业发展。目前研磨行业最大的难题是需求不足、出口受挫；第二块就是创新不足，市场产品质量良莠不齐，必须改变传统的增长方式，利用科技创新来推动行业快速健康发展。磨削材料作为五金制品的“面子”处理工具，一直牵动着整个五金行业发展的神经，在这次全球的多米诺式的金融的动荡中，国内的经济已经面临着升级转型和格局调整。 

3、环保、节约、低碳成产业发展关键词 

受国际经济金融危机冲击条件下，所有的传统产业都在面临着产业升级两方面的压力，那就是排放与能耗。调整经济结构、转变以“高投入、高消耗、高排放、不协调、难循环、低效率”为特征的经济增长方式，努力建设节约型、环保型和创新型的生产强国，政府对能源、资源、排污等的约束力加大。而磨料的生产正属于能源资源消耗型且有污染排放，国家对此必定有所控制；另一方面，能源、原材料、运力、资金成本等等的压力使企业利润缩减，同样也必定影响到能源消耗大户，其中也包括磨削行业。 

三、磨削材料行业发展策略 

磨削材料行业的发展策略是信息化、技术集成化、自动化、智能化、绿色环保、经济高效、灵活和拥有自己特色的企业和产品文化。是用工程的观点，采用系统工程理论、集成技术、国际及国家的法律法规及惯例要求、工厂建设与管理、现代信息技术、企业文化建设等理论，研究实施磨削材料生产企业的发展的工程理念、方法和途径。 

在全球经济一体化的大趋势下，中国经济与全球经济的发展息息相关，国内外市场相互融合，中国磨削材料企业必须恰如其份地参与国际分工，满足国际标准、国际管理及国家和地区的法律法规、及不同地区经济发展层次等社会化要求，明确市场定位，即确立自己的服务领域和服务对象，以此确立一定时期内的发展规模、产品技术取向和特点。磨削材料行业发展要用整体和一体化的概念，按现代化磨削材料企业的理念来建设，展现企业文化内涵，提升企业的综合竞争力和核心竞争力。从过去的仅单一要求满足产品性能要求，提升到要求能整体满足节能环保、劳动安全卫生、现代化生产管理、营销节拍、企业文化和企业形象的一体化要求。同时又要根据每个磨削材料企业的个性化特点，来策划和确定磨削材料生产企业的专门适应性的生产、管理运作和企业文化系统。使企业具有专门生产工艺技术、及专业性和针对性的产品，确定企业产品的定位，最佳地保障市场对产品的需求。 

四、磨削材料市场发展前景 

国内普通的磨料磨具、涂附磨具和超硬磨具等磨削材料属于传统产品，拥有国内相对稳定的市场。随着我国数控机床、钢铁、汽车、造船业及轴承等行业的发展，大量引进国外生产技术和工艺装备，采用高效、精密、自动化、专用磨削材料的加工工艺，相应地对磨削材料质量和水平提出了更高的要求。目前，我国高品质的磨削材料产品市场供不应求。 

这不是我国的磨削材料的需求量不高、没有市场，而是我国制造的磨削材料品种还比较少，加工水平和产品质量仍然低于国外同类产品，新型、高效、专用、重负荷强力和精密磨削用磨削材料大部分还依赖进口。其中如何解决我们的磨削材料的制造水平，绝对是一次机遇和挑战。 

近十年国内外超硬磨削材料应用不断取得新进展：金刚石和立方氮化硼 (CBN)磨料因其高硬度和优良的耐磨性能，不仅在陶瓷、玻璃、石材、半导体等硬脆材料加工有广泛应用，而且具有耐久性和超高速的特点，在一般钢材的加工中发挥着日益突出的作用。磨削材料行业里有一种说法：未来磨削材料的发展趋势是B(CBN立方氮化硼)代替A(刚玉系列)，D(金刚石)代替C(碳化硅)。超硬材料磨削材料非常适宜自动化生产稳定地进行高精度磨削。为超硬材料的应用创造了强有力的物质基础。从整个超硬材料行业的发展来看，我国超硬材料的原辅材料已形成生产规模，但制品尚处于发展阶段，制品相对于原辅材料的升值空间较大 

由于磨削和磨床技术发展迅速，对磨削材料产品性能和质量的要求都比较高，目前的传统磨削材料产品生产工艺比较复杂、能耗较大，对环境也有很大的污染，且生产的产品难以满足现代加工业的需求。而我们的发明专利植入法生产高效磨削材料正是在(授权专利号：ZL200910023017.8无机高分子磨具的制备方法)基础上衍生发展而来，有效解决了当前行业这些难解决或不易解决的问题。 

发明内容

磨削材料我们的定义是磨削材料磨粒复合材料的一种，广义的磨削材料是指采用磨粒以一种形式(如固定、自由)或通过依附一种载体来切除工件上多余材料或使材料改变形状的加工工具，狭义的磨削材料中的磨粒是指以一定的线速度、微小的切削厚度进行精加工的一种功能性复合材料。随着超硬磨料和其他新磨粒的出现及精加工材料种类、制造技术要求的提高，磨削材料作为一种精密加工工具，而且是一种高效的加工工具，这就对磨削材料提出更高的要求。这也是我们站在新时代对材料加工需要的基础上重新定义的。 

陕西德赛科技原创性的植入法生产的高效磨削材料，是在材料学科的体系下，以复合材料的理念为基础，以摩擦学作指导，以微切削为应用理论，通过无机高分子材料的介入，把各种磨粒与无机高分子材料以物理的、化学的、机械的、加工制造的、材料科学的和摩擦学的各领域的融合，以满足对不同材料的最佳磨削加工解决方案为最终目的，打破传统磨料磨削材料、涂附磨削材料、超硬磨削材料固有的认识和制成观念，以一种全新的理念和展现方式，解决现在磨削材料对不同材料的磨削加工应对方案不能或不易解决的问题，进而实现 磨削材料专业性、针对性和功能性的应用。提出从材料角度来看待磨削材料及应用，从专业的角度来完成磨削材料的针对性和功能性；以无机高分子材料介入磨削材料的基础理论数据的整理、归类及微切削理论的应用验证；固结磨削材料、堆积磨料的应用研发；强力磨砂带、金刚石和CBN砂带及堆积磨料在涂附领域的应用研发；无机高分子材料与超硬磨粒在应用领域的研发。从而完成磨削材料体系的构建。 

本发明公开一种把磨料、胶粘剂、填料及助剂在不同基材上作层(条、块、点及其他形状)状有程序化间隔起伏堆积的间歇式高效磨削材料的构造、制作原理及工艺方法。工作层的磨削元分布程序为具有一定形状的磨削元同非磨削间隙所形成的交互状。上述的工艺、原理和方法打破了传统固结、涂附和超硬磨削材料生产的界限，使得大小、刚柔之间的合理转换，满足功能性、针对性和专业性磨削材料的生产。 

工作层的磨削元分布程序为具有一定形状的磨削元同非磨削间隙所形成的交互状。它的基本参数包括：磨削元宽度a，长度L，间距t，高度h，错位e，磨削元线倾斜角β，磨削元组相倾斜角γ，组植砂系数Ka即磨削元所占据的面积与总面积的比值，运动磨削元形成状态对空气动力学的排屑特征等。见附图1。 

制作植入法生产高效磨削材料的原理和工艺方法利用了印刷业上的深印刷原理，即可用设计的程序(模型)把各种磨料、结合剂和其它填料助剂形成的浆料印涂植入在不同的基体上；也可在底胶机上使用程序(模型)筒代替原实心涂胶筒，通过程序筒上的底胶印在基体上后，再在基体采用机械或静电植入两种多次单层植入堆积方式，比较好的方法是在静电场里使磨料形成几何定位；另外，利用点胶法或3D打印法也可达到同样的效果。 

使用植入法生产的高效磨削材料提高磨削效率这一总任务不但包括一系列理论问题，这些问题涉及以下几个方面：单个磨粒和磨削元的切削动力学，切削能力，被加工表面的粗糙度，程序化波状间隔起伏同被加工表面的接触区间的冷却条件，磨粒显微切削模型，磨削材料和毛坯的最佳接触面积，运动磨削元形成状态对空气动力学的排屑、降温特征等。同时，提高磨削效率的现代方向之一是有效选择使用刚柔、大小、薄厚、形状承载不同磨料的磨削材料，把 传统固结、涂附、超硬行业有机的统一。完成提高刚柔、大小、薄厚、形状的磨削材料的生产方法是使用合适的基体，结合剂和填充料，而这些是我们靠植入设计法生产的高效磨削材料及转化来达到此目的。其特点主要在于： 

1、植入法生产的高效磨削材料既有传统砂轮的刚性接触磨削，又有传统砂带的弹性接触磨削。形象的可以说称把不同专业性、针对性、功能性的磨削的小砂轮单元种植在不同材质的基体上形成植入法生产的高效磨削材料。从而使这种植入法生产的高效磨削材料既有传统砂轮的磨削特性，又有传统砂带的磨削特性。同时，用该方法生产的磨削材料具有适用广泛、针对性变化、功能独特、环保节能、高质高能等优点。 

2、在加工具体毛坯时需遵循一定的工艺规范：加工速度、接触区压力、切削力、磨削、锋利、时间和排屑等。通过对磨削机理和磨削工艺的研究，揭示各种磨削过程、磨削现象的本质，找出其变化规律。例如磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度的分布、切屑的形成过程及磨削过程的排除、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素和条件；不同工件材料(特别是难加工材料和特殊功能材料)和磨削条件的最佳磨削参数；植入法生产的高效磨削材料的磨削性能实现，正是通过磨削机理和磨削工艺的研究的基础上，设计的程序(模型)，使不同形状、大小的磨料组合的磨削单元在有机、科学、合理组成方式及结构上展示磨削性能，同时使自身整体结构在磨削过程中引入空气动力学实现降温、排屑的基础上，确定最佳的磨削范围，获取最佳的磨削参数。这也是本发明的重要特点。 

采用植入法设计生产的高效磨削材料对磨削加工过程的参数进行控制，才能制作出具有针对性、功能性、专业性的不同磨粒组成、排布、形状程序的磨削材料有了可能性。其方法是选择最佳植入法生产的高效磨削材料基础，对于所要探索的工艺过程来说，确定植入法生产的高效磨削材料的最佳结构在于：在了解磨料特征(粒度、总类、磨料组成，粒度级配即每个粒度号中各个粒级的不同尺寸等)、毛坯特征和加工时二者相互作用规律基础上选择工作层的波状间隔结构，所选结构要能确保在达到必须的工件质量前提下使植入法生产的高效磨削材料有最佳磨削效率。制作此种磨削材料要建立在以下基础上：确立决定植入法生产的高效磨削材料结构特点的各参数与加工过程工艺特征之间的函 数关系，这些工艺特征的组合就组成了数学模型。 

3、植入法生产的高效磨削材料的每个磨削单元从形式来看是多层磨料积累。植入法生产的高效磨削材料在起伏间隔结构参数的优化基础上为测量被加工表面的粗糙度和磨除量大小，其既具有传统固结磨削材料叠加切削刃剖面，又具有传统涂附磨削材料不同尺寸的颗粒的等高排列概率的切削刃剖面。这样一来，植入法生产的高效磨削材料的剖面较平整，切削颗粒数量增加。另外，植入法生产的高效磨削材料的多层磨料组成的磨削单元比传统的涂附磨削材料的单层磨削材料使用寿命大大延长，也增加了传统固结、涂附和超硬磨削材料的排屑、降温功能；同时，把传统固结磨削材料的修正方法移植到植入法生产的高效磨削材料中来，也大大提高植入法生产的高效磨削材料的磨削精度。 

4、对普通磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已开展了广泛而深入的研究。但在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削机理和磨削工艺方面，针对不同的工程材料(如陶瓷和玻璃)，国内外虽然开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整的理论体系，未找出其内在的规律。而植入法生产的高效磨削材料却很好的解决了：1.磨削过程中的磨削现象(如磨削力、磨削温度、磨削烧伤及裂纹等)；2.磨削工艺参数优化的研究；3.不同材料(常用材料)的磨削机理的研究；4.磨削过程的计算机模拟与仿真的研究。 

同时，植入法生产高效磨削材料解决了磨削材料行业一些关键技术，如：i.磨削材料基体材料及制造技术的开发、设计及其优化；ii.磨削元新型粘结剂(特别是适用于制造微细磨料磨削材料的粘结剂)的研究；iii.新型磨削材料的制备工艺；iv.新型磨削材料的制造工艺，既要使磨削具有足够的容屑空间并在空气动力的参与下排除，同时也要有更好的磨料凸出性；v.适合于超精密磨削的超微粉磨削元的组成。 

5、磨削加工过程是一个复杂的过程，由于磨削元的磨粒尺寸、形状和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律的复杂性，给磨削机理研究带来困难。应用计算机模拟磨削加工过程，能有效地研究分析这种复杂多因素问题，对磨削区工件表层温度分布的研究和磨削过程颤振的模拟计算说明了这一点。当前，随着计算机技术的迅速发展使得完全数字模拟磨削的整个过程并获得模拟加工表面成为可能。本发明中用数字模拟了磨削，并把磨削过程中的重要数据和结果以 图表形式反映出来，使得磨削过程及影响因素直观明了，进而对磨削机理进行了研究。计算机模拟不仅能作为一种分析与研究磨削过程的快捷方法，而且它不再象实验研究那样受客观条件限制，能拓宽研究范围和研究内容。 

利用计算机进行磨削基本参数及磨削工艺的仿真是一个重要的研究课题。利用计算机仿真，可以模拟磨削过程，并能分析和预测不同条件下磨削效果和磨削的性能，但仿真必须建立在有充分实验数据的基础之上。并对使用植入法生产的高效磨削材料地貌模型进行仿真，能对磨屑形成过程、能量转换、磨削力变化、磨削区温度、空气动力降温排屑、磨削精度和磨削表面质量进行仿真。 

在磨削过程中，磨粒被挤进磨削对象的尺寸和下列因素有关：磨粒自身尺寸、切削力Py和Pz，显微切削参数(显微切削深度ay、速度v)和被加工材料特点。所以植入法生产的高效磨削材料的最佳波间隔状结构间歇磨削的数学模型的主要环节是模拟显微切削过程。切削形成过程可描绘成一个不可压缩的介质的稳定的塑性不等温流，这使得利用实心介质的力学关系有了可能性。显微切削模型的解算建立在保角映算法和有限元法合并的基础上，这使得可找到被加工材料里的温度和应力分布情况，并可求出函数关系式：Py＝Py(ay，v)和Pz＝Pz(ay，v)。上述关系式是计算植入法生产的高效磨削材料最佳结构的基础。植入法生产的高效磨削材料最佳结构算法流程见附图2。 

植入法生产的高效磨削材料结构最佳化的途径是根据要求的粗糙度和规定的加工工艺制定算出植砂系数Ka，以便在磨削过程中空气动力学参与的情况下能充分实现磨粒的切削、排屑、降温性能。因为植砂系数是未知参数，并且在模型的许多函数关系中使用其作为原始参数，因此它的最佳参数选定采用极值随机寻找法，以缩小寻找范围。 

我们建立的数学模型算法用一系列TURBO Basic语言程序形式来实现，这使得可在磨削材料设计阶段为选择植入法生产的高效磨削材料具体结构提供依据，以达到所需的加工工艺参数。所进行的不同加工工艺规范的计算表明，磨削元植柔性基体上的入系数的最佳值的范围为Ka＝0.4～0.8，磨削元宽度范围为a＝2～3mm，高度范围为h＝0.7～3mm；磨削元钢性基体上的入系数的最佳值的范围为Ka＝0.6～0.8，磨削元宽度范围为a＝3～10mm，高度范围为h＝5～10mm。 

总之，植入法生产的高效磨削材料是根据切削能力、磨削材料使用寿命、被加工表面的粗糙度、磨损情况、磨削系数、切削力、磨削温度、排屑方式、空气动力学、磨除金属的单位能耗评价了其磨削效率，试验应用表明，植入法生产的高效磨削材料在所有参数方面均大大优于工作层带连续工作的同类磨削材料。 

植入法生产的高效磨削材料的工艺： 

利用了印刷业上的深印刷原理，即可用设计的程序(模型)把各种磨料、结合剂和其它填料助剂形成的浆料刮涂深印在不同的基体上： 

具体实施方式：

下面结合本发明做进一步说明： 

本发明所提供的植入法生产的高效磨削材料的制备方法是通过以下步骤实现的：成型工艺流程见附图3：具体如下： 

a.根据产品的针对性、功能性和专业性设计产品的配方； 

b.对设计好的配方按配比进行称重； 

c.将配方中的磨料和填料搅拌均匀；磨料与无机高分子结合剂配合使用时，先对磨料表面的酸性成分进行处理，其中磨料为刚玉类磨料、碳化硅、氮化硅、金刚石、立方氮化硼(CBN)类磨料一种或几种，磨料粒度相应级配；其中填料为氧化铁、铜粉、硫化铁、冰晶石、萤石、玻璃砂、粘土、硅灰石或无机矿物颜料； 

d.将配方中的无机高分子结合剂和助剂搅拌均匀，形成混合料；其中无机高分子结合剂在使用前要搅拌均匀；助剂包括蜂蜜、红糖、表面活性剂以及有机聚合物，并在使用时需先和结合剂混合均匀，助剂的蜂蜜、红糖为直链化合物，其作用是在高温磨削时消除应力产生的微裂纹；有机聚合物为苯乙烯-丁二烯嵌段共聚体(SBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚体(EVA)等热塑性有机化合物和其它表面助剂。其中有机高聚物的加入可以生产更具柔性的磨削元；表面活性剂可以改变混合材料的界面效应，提高整体效果； 

e.将搅拌均匀的磨料和填料在混料锅内搅拌均匀后加入结合剂和助剂的混合料，经充分搅拌后形成均匀的拌合浆料。在设计的程序(模型)把各种磨料、结合剂和其它填料助剂形成的浆料刮涂植入在不同的基体上，其中基体是经过处 理过的：对棉、聚酯、涤纶布基要经过去浆、燎毛、浸胶、拉伸、烘干定型处理；对棉、聚酯、涤纶、人造纤维网格等基体要经过浸胶、拉伸、烘干定型处理；对金属丝网格要经防腐处理； 

f.对通过设计的程序(模型)成形在基体上的材料在生产线上静置8～15分钟后进入烘道硬化，硬化后的毛坯成卷； 

g.对成卷后的高效磨削材料毛坯按功用进行修整、加工。对成卷的高效磨削材料毛坯进行加工、修整、包括整体和按功用转化两种。整体加工、修整、是对整卷毛坯的残缺、平整检测；按功用转化加工、修整、是对整卷毛坯按功用需要裁制后，或层压粘结成砂轮和切片，或缠绕粘结成砂轮，或直接黏附在其它基体上形成专用材料； 

h.对修整、加工过的高效磨削材料毛坯进行加温瓷化固结，并对加温瓷化固结后的高效磨削材料进行加工、修整、检测、成品入库。 

其中固结包括低温瓷化固结，微波瓷化固结、以及饱和蒸汽瓷化固结。低温瓷化固结是按照生产磨具的参考温控曲线进行，具体是：首先在50℃的环境中保温2小时后，再经1小时升温至70℃，然后再保温10～15小时后，再经2小时加温至90℃，然后再保温10～15小时，经2小时加温至95℃，保温10-15小时；经2小时加温至100℃，保温10-15小时；经2小时加温至120℃，保温20-50小时后使其自然降至室温。不同产品，在各温度控制段的升温、保温时间相应改变。 

微波固结是将磨削材料毛坯置于微波环境下瓷化固结，使用微波固结的方式以在10～24个小时内完成，并且节能、快捷效果显著。 

饱和蒸汽固结是将磨削材料毛坯置于饱和蒸汽环境下瓷化固结，通过饱和蒸汽固结可生产出比包括低温瓷化固结更高质量的植入法生产的高效磨削材料。 

例如，实验室条件下在双头砂带磨削试验仪器上进行了表面纵磨对比试验，不用冷却液，对于粒度号为24#的锆刚玉涂附磨削材料来说，植入法生产的高效磨削材料和同类进口的美国诺顿公司、韩国鹿牌和国产砂带的切削能力进行对比。在同样的加工规范下，加工金属的硬度为59Rc，钢件是52100钢，圆柱形金属工件，直径为2.5cm，磨削材料速度保持约15米/秒，进给力1.019kg/cm²。 试验表明，得到以下切削能力值： 

——植入法生产的高效磨削材料(Ka＝0.6，条形构造a＝2mm，L＝8mm，t＝2mm，h＝1mm)切削能力为3226.58克； 

——国产某品牌切削能力为470克； 

——美国诺顿公司R889涂附磨削材料切削能力为1660.5克； 

——韩国鹿牌PZ533涂附磨削材料切削能力为1038.96克。 

除此之外，上述磨削试验还做了使用寿命对比，试验表明，植入法生产的高效磨削材料具有足够的弹性和耐磨性，每条砂带的使用时间： 

——植入法生产的高效磨削材料使用寿命为250min以上； 

——国产某品牌使用寿命为67min； 

——美国诺顿公司R889涂附磨削材料使用寿命为160min； 

——韩国鹿牌PZ533涂附磨削材料使用寿命为120min。 

 

综上所述，上述试验材料证明带波状工作层的涂附磨削材料有较高的加工效率，能使磨削材料生产者节约30～50％的磨料，20～40％结合剂，磨削材料使用寿命提高1～5倍，使用者的生产率提高1～5倍。

附图说明

图1是间歇式高效磨削材料的构造图。 

图2是植入法生产的高效磨削材料最佳结构算法流程方框图。 

图3是植入法生产的高效磨削材料的制备方法成型工艺流程。 

Claims (16)

1.一种植入法生产高效磨削材料的原理和工艺方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤： 

1).根据产品的针对性、功能性和专业性相应的产品配方设计； 

2).对设计好的配方按配比进行称重； 

3).将配方中的磨料和填料搅拌均匀；磨料与无机高分子结合剂配合使用时，先对磨料表面的酸性成分进行处理，其中磨料为刚玉类磨料、碳化硅、氮化硅、金刚石、立方氮化硼(CBN)类磨料一种或几种，磨料粒度相应级配；其中填料为氧化铁、铜粉、硫化铁、冰晶石、萤石、玻璃砂、粘土、硅灰石或无机矿物颜料； 

4).将配方中的无机高分子结合剂和助剂搅拌均匀，形成混合料；其中无机高分子结合剂在使用前要搅拌均匀；助剂包括蜂蜜、红糖、表面活性剂以及有机聚合物，并在使用时需先和结合剂混合均匀，助剂的蜂蜜、红糖为直链化合物，其作用是在高温磨削时消除应力产生的微裂纹；有机聚合物为苯乙烯-丁二烯嵌段共聚体(SBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚体(EVA)等热塑性有机化合物和其它表面助剂。其中有机高聚物的加入可以生产更具柔性的磨削元；表面活性剂可以改变混合材料的界面效应，提高整体效果； 

5).将搅拌均匀的磨料和填料在混料锅内搅拌均匀后加入结合剂和助剂的混合料，经充分搅拌后形成均匀的拌合浆料。在设计的程序(模型)把各种磨料、结合剂和其它填料助剂形成的浆料刮涂植入在不同的基体上，其中基体是经过处理过的：对棉、聚酯、涤纶布基要经过去浆、燎毛、浸胶、拉伸、烘干定型处理；对棉、聚酯、涤纶、人造纤维网格等基体要经过浸胶、拉伸、烘干定型处理；对金属丝网格要经防腐处理； 

6).对通过设计的程序(模型)成形在基体上的材料在生产线上静置8～15分钟后进入烘道硬化，然后成卷； 

7).对成卷后的高效磨削材料按功用进行修整、加工。对成卷的高效磨削材料毛坯进行进行加工、修整、包括整体和按功用转化两种。整体加工、修整、是对整卷毛坯的残缺、平整检测；按功用转化加工、修整、是对整卷毛坯按功用需要裁制后，或层压粘结成砂轮和切片，或缠绕粘结成砂轮，或直接黏附在 其它基体上形成专用材料； 

8).对修整、加工过的高效磨削材料毛坯进行加温瓷化固结，并对加温瓷化固结后的高效磨削材料进行加工、修整、检测、成品入库。 

2.根据权利要求1所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：产品的针对性、功能性和专业性设计；所述步骤5)中的设计的程序(模型)原理和工艺方法是利用了印刷业上的深印原理，即可用设计的程序(模型)把各种磨料、结合剂和其它填料助剂形成的浆料印涂在不同的基体上。 

3.根据权利要求2所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：根据进行不同的加工工艺规范的计算表明，磨削元植柔性基体上的入系数的最佳值的范围为Ka＝0.4～0.8，磨削元宽度范围为a＝2～3mm，高度范围为h＝0.7～3mm；磨削元钢性基体上的入系数的最佳值的范围为Ka＝0.6～0.8，磨削元宽度范围为a＝3～10mm，高度范围为h＝5～10mm。 

4.根据权利要求3所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：也可在底胶机上使用程序(模型)筒代替原实心涂胶筒，通过程序筒上的底胶印在基体上后，再在基体采用机械或静电植砂两种多次单层植入堆积方式，这其中比较好的方法是在静电场里使磨料形成几何定位；另外，利用点胶法植入或3D打印法植入也可达到同样的效果。 

5.根据权利要求1.2.3.4所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：植入法生产的高效磨削材料的每个磨削单元从形式来看是多层磨料积累，植入法生产的高效磨削材料起伏间隔结构参数的优选法的基础为测量被加工表面的粗糙度和磨除量大小，其既具有传统固结磨削材料叠加切削刃剖面，又具有传统涂附磨削材料不同尺寸的颗粒的等高排列概率的切削刃剖面。同时，这样的设计使自身整体结构在磨削过程中引入空气动力学实现降温、排屑，是其重大特点。另外，植入法生产的高效磨削材料的多层磨料组成的磨削单元比传统的涂附磨削材料的单层磨削材料使用寿命大大延长；同时，把传统固结磨削材料的修正方法移植到植入法生产的高效磨削材料中来，也大大提高植入法生产的高效磨削材料的磨削精度。 

6.根据权利要求1所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，所述步骤7)中的固结包括：低温热固结，微波固结、以及饱和蒸汽固结。 

7.根据权利要求5所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述低温瓷化固结是按照生产磨削材料的参考温控曲线进行，具体是： 

a.在50℃的环境中保温5小时； 

b.经1小时升温至70℃，保温10-15小时； 

c.经2小时加温至90℃，保温10-15小时； 

d.经2小时加温至95℃，保温10-15小时； 

e.经2小时加温至100℃，保温10-15小时； 

f.经2小时加温至120℃，保温20-50小时； 

g.使其自然降至室温。 

不同产品，在各温度控制段的升温、保温时间相应改变。 

8.根据权利要求6所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述微波固结是将成磨削材料毛坯置于微波环境下瓷化固结，使用微波固结的方式以在10～24个小时内完成，并且节能、快捷效果显著。 

9.根据权利要求6所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述饱和蒸汽固结将磨削材料毛坯置于饱和蒸汽环境下瓷化固结，过饱和蒸汽固结可生比固结包括低温瓷化固结更高质量的植入法生产的高效磨削材料。 

10.根据权利要求1所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的磨料与无机高分子结合剂配合使用时，对磨料表面的酸性成分进行处理；所述磨料在磨削材料生产过程中需经过碱洗。 

11.根据权利要求2所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述磨料为刚玉类磨料、碳化硅、氮化硅、立方氮化硼、金刚石类的一种或多种组合。 

12.根据权利要求1所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的填料氧化铁、铜粉、硫化铁、冰晶石、萤石、玻璃砂、粘土、硅灰石或无机矿物颜料。 

13.根据权利要求1所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中的助剂的蜂蜜、红糖为直链化合物，其作用是在高温磨削时消除应力产生的微裂纹；有机聚合物为苯乙烯-丁二烯嵌段共聚体(SBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚体(EVA)等热塑性有机化合物和其它表面助剂。其中有机高聚物的 加入可以生产更具柔性的磨削元；表面活性剂可以改变混合材料的界面效应，提高整体效果。 

14.根据权利要求1所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中基体要经过处理：对棉、聚酯、涤纶布基要经过去浆、燎毛、浸胶、拉伸、烘干定型处理；对棉、聚酯、涤纶、人造纤维网格等基体要经过浸胶、拉伸、烘干定型处理；对金属丝网格要经防腐处理。 

15.根据权利要求1所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中对成卷的高效磨削材料毛坯进行加工、修整，包括整体和按功用转化两种。 

16.根据权利要求15所述的植入法生产高效磨削材料的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中整体加工、修整、是对整卷毛坯的残缺、平整检测；按功用转化加工、修整、是对整卷毛坯按功用需要裁制后，或层压粘结成砂轮和切片，或缠绕粘结成砂轮，或直接黏附在其它基体上形成专用材料。 

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