CN105058255A - 用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置及砂轮制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置及砂轮制备方法。所述装置包括砂轮成型模具与励磁系统；所述砂轮成型模具包括导磁杆，套装在导磁杆上的上模和下模，以及套装在上模和下模上兼作上导磁板的模套；在导磁杆、上模、下模、以及兼作上导磁板的模套之间形成用于容纳砂轮混合料的砂轮成型腔；所述励磁系统包括所述导磁杆、套装在导磁杆上的下导磁板、所述兼作上导磁板的模套、以及位于下导磁板与兼作上导磁板的模套之间的磁铁，该磁铁的磁力线沿着砂轮径向方向布置。本发明操作方便，实现了磁性磨粒在砂轮中的多层有序排布，砂轮成型周期短，成型工艺稳定，砂轮耐磨性好、磨削加工表面质量高等优点。

Description

用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置及砂轮制备方法

技术领域

本发明属于磨料、磨具制备及领域，具体涉及一种采用磁性磨粒，利用磁场辅助制备磨粒有序排布砂轮的方法。

背景技术

近年来，随着光学、电子、信息、航空航天技术的飞速发展，高集成、高性能、高精度的光学系统对以碳化钨、碳化硅、光学玻璃等硬脆材料为代表的光学元件的要求越来越严格，既要求具备纳米级的表面粗糙度，且要求表面质量非常均匀。这就要求使用微粉砂轮。传统的微粉砂轮，由于微粉磨料体积较小、形状不规则，往往容易产生偏析和聚集，聚集区的磨粒在磨削过程几乎不作为而自行脱落，得不到有效利用而导致浪费，砂轮的耐磨性差，磨粒随机分布、不规则，也会导致被磨削表面粗糙度不均匀。

传统磨具制备工艺中磨料随机分布的状态使得磨具的使用性能存在诸多不稳定因素，造成工件磨削质量稳定性差、加工表面质量不均匀、磨具使用寿命低等问题。

现有的磨粒规则排布技术：欧洲专利EP1208345A公开了一种采用点胶法制备磨粒有序排布砂轮，美国专利U.S.6，039，641公开了一种采用模板法实现磨粒的有序排布，中国专利CN102896590A公开了一种钎焊实现磨粒等距离排布的砂轮，这些方法都只是针对粗粒，对于微粉难以实现。中国专利CN101780664B提出了磁场辅助成型磨石的制备方法。这种磨石实际上是一种可固化的磁流变液，它由磁性颗粒、磨粒以及高分子聚合物，如树脂，按照一定比例混合而成，主要是用于抛光，无法应于成型磨削，且其中的铁粉与非磁性的磨粒是分开的，其原理是铁粉受到磁场力驱动形成磁链，运动中的铁粉会推动磨粒运动从而达到磨粒规则排布的目的，大大降低了磨粒规则排布的效果。

发明内容

本发明旨在提供一种用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置及砂轮制备方法，该装置及砂轮的制备方法采用磁性磨粒，利用磁场直接控制磁性磨粒规则排布，磁性磨粒有内核和外层组成，内核为铁磁性粒子，外层为磨粒。铁磁粒子在磁场中极易磁化，在磁场的作用下，这种磨粒就会沿磁力线规则排布。采用该方法能够制备出磨粒粒径均匀、磨粒分布规则的砂轮。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置，其结构特点是，包括砂轮成型模具与励磁系统；所述砂轮成型模具包括导磁杆，套装在导磁杆上的上模和下模，以及套装在上模和下模上兼作上导磁板的模套；所述上模可相对导磁杆的轴线上下滑动，在导磁杆外壁、上模下表面、下模上表面、以及兼作上导磁板的模套内壁面之间形成用于容纳砂轮混合料的砂轮成型腔；所述励磁系统包括所述导磁杆、套装在导磁杆上的下导磁板、所述兼作上导磁板的模套、以及位于下导磁板与兼作上导磁板的模套之间的磁铁，该磁铁的磁力线沿着砂轮成型腔径向方向布置。

所述砂轮成型腔与砂轮的形状匹配，砂轮的中心轴孔与导磁杆的形状匹配，砂轮成型腔径向方向是指垂直于砂轮成型腔轴向的截面圆环的径向方向。

由此，将磁性磨粒、填料和树脂进行充分混合形成砂轮混合料，并装填入成型腔进行生坯，将坯体烧结，脱模、修整即得砂轮。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

进一步地，所述兼作上导磁板的模套、下导磁板以及中间的导磁杆均由初始磁导率大于10⁴的材料制成。

优选地，所述磁铁的磁场强度大于0mT且不高于1000mT。

优选地，所述磁铁为钕铁硼永磁铁。

基于同一个构思，本发明还提供了一种利用上述用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置制备砂轮的方法，包括如下步骤：

S1、将兼作上导磁板的模套、下模、导磁杆组装；

S2、在所述成型腔内装填砂轮混合料；

S3、将磁铁、下导磁板组装，在磁场作用下磁性磨粒被磁化而沿磁力线的方向规则排布；

S4、待砂轮混合料稳定以后，通过套在导磁杆上的上模对砂轮混合料向下施加1—30MPa的压力使砂轮成型为坯体；

S5、将坯体烧结，脱模、修整得砂轮。

所述磁性磨粒由内部的铁磁相和包裹在铁磁相外的磨粒相组成，磁性磨粒的粒径为1—300μm。

进一步地，本发明所述砂轮混合料按质量百分比包括：

40%—70%的磁性磨粒；

3%—18%的填料；

12%—57%的树脂结合剂。

优选地，磁性磨粒为镀镍金刚石。

优选地，所述填料为Cu、Al、Fe、石墨中的一种或几种，其粒径为0.1μm—20μm；所述树脂结合剂为热固型环氧树脂、热固型酚醛树脂、热固型聚酰亚胺树脂粉末中的一种或几种。

步骤S5中，烧结前去除磁场，将装有坯料的模具置于160℃-—230℃恒温箱内对坯料加热至少30分钟；然后从恒温箱中取出模具，对坯料施加1MP—30MP的压力，保持压力至少1分钟；最后将装有坯料的模具置于160℃-—230℃恒温箱中继续加热至少2小时后冷却后脱模得到砂轮。

藉由上述结构，本发明通过实现磨粒的规则排布，可提高磨削过程稳定性，一方面可以提高磨粒的利用率，延长砂轮的使用寿命，降低生产成本，砂轮的耐磨性好，在成型磨削中就能得到较高的形状精度；另一方面磨粒的规则排布可使得同时参与切削作用的磨粒数量增加，有利于提高磨削效率，且磨粒规则的砂轮避免了传统砂轮中出现的磨粒聚集容易在工件表面产生粗大划痕的缺点，可获得比传统更均匀的表面质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在加压成型前，借助磁场的作用，磁性磨粒沿磁力线规则排布，一方面，可以提高磨粒的利用率，提供砂轮的耐磨性，延长砂轮的使用寿命，降低生产成本；另一方面，增强磨削过程稳定性，解决了传统砂轮由于磨粒聚集在工件表面产生粗大的划痕的问题，可获得比传统砂轮更均匀的表面质量，并且制备工艺简单，易于实现生产。

附图说明

图1是本发明一种实施例的砂轮制备装置示意图；

图2是本发明一种实施例的磁性磨粒规则排布原理俯视图；

图3是本发明一种实施例的磁性磨粒规则排布原理正视图；

图4是本发明一种实施例的磁性磨粒组成结构示意图。

其中

1-导磁杆，2-上模，3-制备砂轮的混合料，4-兼作上导磁板的模套，5-下模，6-永磁铁，7-下导磁板，8-磁性磨粒，9-树脂结合剂及填料，10-磁力线，11-磨粒相，12-铁磁相。

具体实施方式

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种磁场辅助磁性磨粒有序排布砂轮的制备装置，如图1、2和3所示，包括砂轮成型模具与励磁系统，所述的励磁系统由永磁铁6、高导磁的兼作上导磁板的模套4和下导磁板7以及中间的导磁杆1组成，所述的砂轮成型模具由上模2、下模5、兼作上导磁板的模套4、导磁杆1组成，中间形成的环形气隙为装填混合料的成型腔。所述永磁铁为钕铁硼永磁铁。所述兼作上导磁板的模套、下导磁板以及中间的导磁杆由初始磁导率大于10⁴的材料制成。

所述环形气隙中的磁场强度大于0且不大于1000mT。所述上模、下模由不导磁的不锈钢材料制成。

制备砂轮时：先将兼作上导磁板的模套4、下模5、导磁杆1组装，将磁性磨粒、填料、树脂进行充分混合以后装填入成型腔，然后将永磁铁以及下导磁板和上导磁板安装起来，由于磁性磨粒在磁场的作用下会被磁化，最终沿磁力线的方向规则排布，待混合料3稳定以后，将上模套在导磁杆，并施加向下的1—30MPa的压力，砂轮成型后，经烧结，脱模、修整等工序以后就可以使用了。所述磁性磨粒由内部的铁磁相12和包裹在铁磁相12外面的磨粒相11组成。

本实施例的整个装置成轴对称，永磁铁6、高导磁的兼作上导磁板的模套4和下导磁板7以及中间的导磁杆1组成磁路系统，其中，永磁铁6为规格Φ50*Φ30*10mm的N38钕铁硼永磁铁，兼作上导磁板的模套4和下导磁板7以及中间的导磁杆1为高饱和磁感应材料IJ22，兼作上导磁板的模套4的中间为10mm的孔，下导磁板7中间为5mm孔，导磁杆1为5mm圆棒，砂轮成型模具由上模2、下模5、兼作上导磁板的模套4、导磁杆1组成，上模2、下模5均为S304不锈钢材料，外径为10mm内径为5mm，装在模套4上，中间插入导磁杆1，中间形成的环形气隙为装填混合料的成型腔。制作砂轮时，先将兼作上导磁板的模套4、下模5、导磁杆1组装，将磁性磨粒、填料、树脂进行充分混合以后装填入成型腔，然后将永磁铁以及下导磁板10和上导磁板4安装起来，由于磁性磨粒在磁场的作用下会被磁化，最终沿磁力线的方向规则排布，待混合料3稳定以后，将上模套在导磁杆上，并通过上模向混合料向下施加10MPa的压力，砂轮成型后，经烧结，脱模、修整等工序以后就可以使用了。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置，其特征在于，包括砂轮成型模具与励磁系统；所述砂轮成型模具包括导磁杆（1），套装在导磁杆（1）上的上模（2）和下模（5），以及套装在上模（2）和下模（5）上兼作上导磁板的模套（4）；所述上模（2）可相对导磁杆（1）的轴线上下滑动，在导磁杆（1）外壁、上模（2）下表面、下模（5）上表面、以及兼作上导磁板的模套（4）内壁面之间形成用于容纳砂轮混合料的砂轮成型腔；所述励磁系统包括所述导磁杆（1）、套装在导磁杆（1）上的下导磁板（7）、所述兼作上导磁板的模套（4）、以及位于下导磁板（7）与兼作上导磁板的模套（4）之间的磁铁（6），该磁铁（6）的磁力线沿着砂轮成型腔径向方向布置。

2.根据权利要求1所述的用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置，其特征在于，所述兼作上导磁板的模套、下导磁板以及中间的导磁杆均由初始磁导率大于10⁴的材料制成。

3.根据权利要求1所述的用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置，其特征在于，所述磁铁（6）的磁场强度大于0mT且不高于1000mT。

4.根据权利要求1-3之一所述的用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置，其特征在于，所述磁铁（6）为钕铁硼永磁铁。

5.一种利用权利要求1-4之一所述用于制备磁性磨粒有序排布砂轮的装置制备砂轮的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将兼作上导磁板的模套（4）、下模（5）、导磁杆（1）组装；

S2、在所述成型腔内装填砂轮混合料；

S3、将磁铁（6）、下导磁板（7）组装，在磁场作用下磁性磨粒被磁化而沿磁力线的方向规则排布；

S4、待砂轮混合料（3）稳定以后，通过套在导磁杆（1）上的上模（2）对砂轮混合料（3）向下施加1—30MPa的压力使砂轮成型为坯体；

S5、将坯体烧结，脱模、修整得砂轮。

6.根据权利要求5所述制备砂轮的方法，其特征在于，所述磁性磨粒由内部的铁磁相（12）和包裹在铁磁相（12）外的磨粒相（11）组成，磁性磨粒的粒径为1—300μm。

7.根据权利要求5所述制备砂轮的方法，其特征在于，所述砂轮混合料按质量百分比包括：

40%—70%的磁性磨粒；

3%—18%的填料；

12%—57%的树脂结合剂。

8.根据权利要求7所述制备砂轮的方法，其特征在于，所述填料为Cu、Al、Fe、石墨中的一种或几种，其粒径为0.1μm—20μm；所述树脂结合剂为热固型环氧树脂、热固型酚醛树脂、热固型聚酰亚胺树脂粉末中的一种或几种。

9.根据权利要求6-8之一所述制备砂轮的方法，其特征在于，步骤S5中，烧结前去除磁场，将装有坯料的模具置于160℃-—230℃恒温箱内对坯料加热至少30分钟；然后从恒温箱中取出模具，对坯料施加1MP—30MP的压力，保持压力至少1分钟；最后将装有坯料的模具置于160℃-—230℃恒温箱中继续加热至少2小时后冷却后脱模得到砂轮。