CN105856088B - 一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置，包括涂布机构、磨料放置机构、磨料排布机构及固化机构。涂布机构涂覆形成预设厚度的树脂，磨料排布机构吸附磨粒并将磨粒单层有序地排列于涂布台的树脂中，固化机构固化排布有磨粒的树脂。本发明还公开了磨粒三维可控排布磨具的制备方法，通过单层固化、逐层叠加的方式实现了磨粒的三维可控排布，有效避免了固化过程中磨粒跑位的问题，可以实现磨粒位置的精确控制，提高磨具加工效率，延长使用寿命。

Description

一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置及其方法

技术领域

本发明涉及磨具制备技术，特别是涉及一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置及其方法。

背景技术

磨粒加工是利用硬质磨粒作为切削工具进行材料去除加工过程的统称，是机械加工的一种重要的材料去除形式。磨具是磨粒加工用的工具。固结磨具是由许多细小的磨粒用结合剂或粘结剂将其粘结成固结状态对工具进行切削加工。其中结合剂的作用是将磨粒粘在一起，使其具有一定形状和必要的强度。常用的结合剂有：陶瓷、树脂、橡胶、金属以及复合结合剂。典型的固结磨粒工具的制备过程是将磨粒与结合剂进行混合搅拌，然后通过压制烧结，或者固化的形式获得所需要的工具形状，并保证结合剂对磨粒的把持。在磨粒工具制备工艺中可以通过调速磨粒的种类、粒度、形状以及结合剂的种类、浓度等一系列参数，获得不同性质的磨粒工具，从而满足从高效到精密的各种不同场合的使用要求。

尽管应用广泛，但是磨粒工具通常也存在一些严重的缺陷。从上述对制备过程的描述中可以看出，常规的磨粒工具中，由于种种原因，例如磨粒与结合剂之间的密度差异性等，通过简单的混合搅拌方式，磨粒在工具的位置以及磨粒的取向都是随机的，磨粒在结合剂中分布不均匀，另一方面，即使在混合搅拌中保证了磨粒分布的均匀性，在烧制过程中，由于结合剂的流动，也会带动磨粒运动，进一步加剧了磨粒的不均匀性。这种不均匀性对磨粒的使用寿命及加工效率产生非常不利的影响。因此，寻找一种磨粒三维可控排布磨具的制备方法一直是业内研究的热点。

对于电镀工具制备中，高航等曾提出磨料群三维多层可控优化排布电镀工具的制备思路及方法(专利申请号：200710010921.6)，该方法通过增厚复合电镀掩膜的制备实现磨料群在电镀工具内的三维可控排布。然而制备该类型磨具的出发点主要为解决单层磨具性能过度依赖于基体加工精度和装配精度的问题，制备的磨具磨料层数有限(一般低于5层)，因此工具寿命也难有根本性的改善。

丁文锋等提出了通过使用纤维磨粒实现磨粒在陶瓷结合剂CBN砂轮内三维有序排布的方法(专利申请号：201210203443.1)，此方法通过将提前制备的一定截面尺寸的纤维磨粒在陶瓷结合剂CBN砂轮内部实现有序分布从而实现磨粒在CBN砂轮内部的有序排布。2013年，丁文锋等人又开发出了一种实现磨粒与气孔在多层超硬磨料砂轮内部三维协同排布的方法及其装置(专利申请号：201310321169.2)，该方法不需要制备纤维磨粒，使用陶瓷空心球作为造孔材料，通过特定的模板、模具装置和下模块升降装置实现磨粒与气孔在超硬磨料砂轮内部的三维协同排布。

在金属结合剂工具方面，韩国新韩(Shinhan)金刚石工业公司开发的ARIX自动排布系统，可在刀头中均匀有序排布金刚石磨粒，从而实现金属结合剂金刚石工具的制备。我国台湾的中国砂轮公司宋健民博士首先将金刚石有序排布应用于锯片刀具，提出了使用模板法实施金刚石磨料的有序排布。将胎体粉末加上适当的有机粘结剂形成的“面团”，然后通过滚压的方法做成薄层，然后再金刚石磨粒利用模板的方法放置于薄层上，并用平钢板将金刚石压入到胎体薄层。通过多层的重复从而得到胎坯，再通过热压烧结的方式获得磨粒有序排布的刀头。

从上可以看出上述制备方法中磨粒并没有做到真正的三维可控排布，其主要表现在以下两个方面：(1)对于高航及丁文锋等人所提出的方法，仅仅是磨粒群的有序排布，而并不是单颗磨粒的有序排布。即所得的磨具是“宏观有序，微观无序”的状态。(2)对于新韩和宋健民博士所得出的方法，两者都回避了如何避免磨具在烧制过程中，由于结合剂的流动，而导致磨粒位置的变化，因此，这两种方法虽然可以称之为磨粒有序排布，但是还不能完全实现磨粒的可控排布。同时，目前的磨粒三维可控排布的研究多集中在电镀、金属结合剂和陶瓷结合剂的磨具的制备，还没有关于树脂结合剂磨粒三维可控排布的可操作方法。

发明内容

本发明提供了一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置及其方法，其克服了现有技术所存在的不足之处。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置包括涂布机构、磨料放置机构、磨料排布机构及固化机构；涂布机构包括涂覆组件及涂布台，涂覆组件用于于涂布台上涂覆预设厚度的树脂；磨料放置机构用于放置磨粒；磨料排布机构包括第一运动组件及排布盘，第一运动组件用于带动排布盘于磨料放置机构及涂布机构之间运动，排布盘用于于磨料放置机构中吸附磨粒并将磨粒单层有序地排列于涂布台的树脂中；固化机构用于固化排布有磨粒的树脂。

优选地，所述排布盘上设有若干规则排布的锥孔并连通真空泵，通过真空泵抽真空将磨粒吸附于锥孔中实现磨粒的单层有序排列。

优选地，所述锥孔下孔径大于单倍磨粒粒径小于两倍磨粒粒径，上孔径小于单倍磨粒粒径。

优选地，所述磨料排布机构还包括带动排布盘转动的转动组件。

优选地，所述涂布台包括涂布盘、涂布盘外罩及升降架，涂布盘外罩与涂布盘周缘紧密配合的绕设于涂布盘外侧，升降架连接涂布盘并带动涂布盘相对涂布盘外罩上下运动。

优选地，所述涂布台还包括刮平组件及回收组件，刮平组件设置于涂布盘上方并用于刮平涂布盘上的树脂，回收组件设置于涂布盘外罩外侧并用于收集刮平组件刮出的多余树脂。

优选地，所述涂布机构还包括带动所述涂覆组件于第一水平方向上运动的第二运动组件及带动涂布台于第二水平方向上运动的第三运动组件，该第一水平方向与第二水平方向垂直以实现均匀涂覆树脂。

优选地，所述磨料放置机构包括磨料盘，磨料盘内设置有硅胶板。

优选地，所述固化机构是紫外光灯、激光发射装置或加热装置。

一种磨粒三维可控排布磨具的制备方法包括以下步骤：

1)涂覆形成一预设厚度的树脂层，其中所述树脂是光固化树脂或热固化树脂；

2)将磨粒单层有序的排布于树脂层中，所述磨粒选自金刚石、立方氮化硼、氧化铝、碳化硅中的一种或其组合；

3)对排布有磨粒的树脂层进行固化，形成固化单层；

4)于上述固化单层上重复步骤1)至步骤3)，直至达到所述厚度。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的装置包括涂布机构、磨料放置机构、磨料排布机构及固化机构，涂布机构用于涂覆形成预设厚度的树脂，磨料排布机构用于于磨料放置机构中吸附磨粒并将磨粒单层有序地排列于树脂中，固化机构用于固化排布有磨粒的树脂，从而形成固化单层，于固化单层上重复形成固化单层，即可形成磨粒三维有序排布的磨具，有效解决了烧结过程中磨粒跑位的问题，可以实现磨粒位置的精确控制，提高磨具加工效率，延长使用寿命。

2.磨料排布机构的排布盘上设有若干规则排布的锥孔并连通真空泵，通过真空泵抽真空将磨粒吸附于锥孔中实现磨粒的单层有序排列，可根据需求通过排布盘上锥孔的分布情况来实现磨粒不同的排布方式，排布效果好，可控性强；磨料排布机构还包括带动排布盘转动的转动组件，可实现层与层之间磨粒的错位排布，更能保证工件表面加工质量的稳定性。

3.涂布台包括涂布盘、涂布盘外罩及升降架，涂布盘外罩与涂布盘周缘紧密配合的绕设于涂布盘外侧，升降架连接涂布盘并带动涂布盘相对涂布盘外罩上下运动，可以实现预设厚度树脂层的涂覆，操作简单，精确度高，可控性强。

4.通过光固或热固实现树脂的固化，可以实现面固化或点固化，便于形成各种形状磨具的加工，适用范围广，加工效果好。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置及其方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明排布盘的结构示意图，其中a为俯视图，b为截面图；

图3是本发明一实施例形成的磨粒排布结构示意图。

具体实施方式

参考图1，本发明的一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置涂布机构1、磨料放置机构2、磨料排布机构3及固化机构4。

涂布机构1包括涂覆组件11及涂布台12，涂覆组件11用于于涂布台12上涂覆预设厚度的树脂。具体的，涂布台12包括涂布盘121、涂布盘外罩122及升降架123，涂布盘外罩122与涂布盘121周缘紧密配合的绕设于涂布盘121外侧，升降架123连接涂布盘121并带动涂布盘121相对涂布盘外罩122上下运动。开始时，涂布盘121与涂布盘外罩122上边缘平齐，通过升降架123带动涂布盘121向下运动预设厚度的距离，通过涂布盘外罩122相对于涂布盘121凸起部分的遮挡作用，即可于涂布盘121上实现预设厚度树脂的涂覆。

涂布机构1还包括带动涂覆组件11于第一水平方向上运动的第二运动组件13及带动涂布台12于第二水平方向上运动的第三运动组件14，第一水平方向与第二水平方向垂直，通过涂覆组件11与涂布台12水平上的相对运动，即可实现均匀的树脂涂覆。举例来说，第二运动组件13及第三运动组件14可以通过导轨配合的方式实现平移。

涂布台12还包括刮平组件124及回收组件(图未示)，刮平组件124设置于涂布盘121上方以用于刮平涂布盘121上的树脂，回收组件设置于涂布盘外罩122外侧并用于收集刮平组件124刮出的多余树脂。在一实施例中，刮平组件124包括气缸带动运动的刮平杆及连接刮平杆的刮平板，刮平板在刮平杆带动下刮平涂布盘121上的树脂以使其均匀，回收组件可以包括环设于涂布盘外罩122外侧的集液槽，多余的树脂进入集液槽。

磨料排布机构3包括排布盘31及第一运动组件32，第一运动组件32用于带动排布盘31于磨料放置机构2及涂布机构1之间运动，排布盘31用于于磨料放置机构2中吸附磨粒并将磨粒单层有序地排列于涂布台12的树脂中。排布盘31上设有若干规则排布的锥孔311并连通真空泵(图未示)，通过真空泵抽真空将磨粒吸附于锥孔311中实现磨粒的单层有序排列。举例来说，参考图2，锥孔311形成同心圆的排布方式且外围和中心的疏密度不同，磨粒亦形成相应的排布方式。此外，锥孔311可以根据加工需求于排布盘31上形成任意规则排布。锥孔311下孔径大于单倍磨粒粒径小于两倍磨粒粒径，上孔径小于单倍磨粒粒径，以使每一锥孔单次只能吸附一个磨粒，且确保磨粒吸附于锥孔中而不会穿过锥孔。在另一实施例中，磨料排布机构3还包括带动排布盘转动的转动组件，以实现层与层之间磨粒的错位排布，更能保证工件表面加工质量的稳定性。

磨料放置机构2包括磨料盘21，支架22及硅胶板23，磨料盘21设置于支架22上，磨料盘21内设置有硅胶板23以用于缓冲排布盘31，磨粒放置于硅胶板23上。

固化机构4是紫外光灯、激光发射装置或加热装置，以对排布有磨粒的树脂进行光固化或热固化。具体的，紫外光灯可实现整体固化，激光发射装置可以实现点固化，尤其适用于制造异形曲面磨具的固化。

在另一实施例中，第一运动组件32、第二运动组件13、第三运动组件14、涂覆组件11、升降架123、刮平组件124、固化机构4、真空泵等连接控制单元系统，并由控制系统控制各机械部分的协调动作，以实现自动化控制。

应用上述制备装置的制备方法包括以下步骤：

1)涂覆形成一预设厚度的树脂层，该树脂是光固化树脂或热固化树脂；

2)将磨粒单层有序的排布于树脂层中，该磨粒选自金刚石、立方氮化硼、氧化铝、碳化硅中的一种或其组合；

3)对排布有磨粒的树脂层进行固化，形成固化单层；

4)于上述固化单层上重复步骤1)至步骤3)，直至达到所述厚度。

参考图3，以下以形成该磨粒排布方式的磨具的制作为例来进行具体说明。

首先，涂布盘121向下移动预设层厚的距离。涂覆组件11于涂布盘121上涂覆树脂，具体可以通过第二运动组件及第三运动组件的相对运动实现均匀涂覆，刮平组件124将树脂表面刮平并去除多余树脂形成预设层厚的树脂层a，多余树脂进入回收组件；其次，第一运动组件32带动排布盘31移动至磨料盘21上方并于磨料盘21中吸附磨粒，再移动至涂布盘121上方释放磨粒使磨粒排布于树脂中形成第一磨粒层b1，排布盘31转动半个磨粒宽度的角度，再次从磨料盘21中吸附磨粒并排布于树脂中形成第二磨粒层b2，此时第一磨粒层b1与第二磨粒层b2形成图中所示的错位排布；接着，第三运动组件14带动涂布台12移动至固化机构4(UV灯箱)中进行紫外光固化；固化完成后，第三运动组件14带动涂布台12移回至涂覆组件11下方，重复上述步骤，直至达到所需厚度。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置及其方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种磨粒三维可控排布磨具的制备装置，其特征在于包括涂布机构、磨料放置机构、磨料排布机构及固化机构；

涂布机构包括涂覆组件及涂布台，涂覆组件用于于涂布台上涂覆预设厚度的树脂；

所述涂布台包括涂布盘、涂布盘外罩及升降架，涂布盘外罩与涂布盘周缘紧密配合的绕设于涂布盘外侧，升降架连接涂布盘并带动涂布盘相对涂布盘外罩上下运动；

所述涂布台还包括刮平组件及回收组件，刮平组件设置于涂布盘上方并用于刮平涂布盘上的树脂，回收组件设置于涂布盘外罩外侧并用于收集刮平组件刮出的多余树脂；

磨料放置机构用于放置磨粒；

磨料排布机构包括第一运动组件及排布盘，第一运动组件用于带动排布盘于磨料放置机构及涂布机构之间运动，排布盘用于于磨料放置机构中吸附磨粒并将磨粒单层有序地排列于涂布台的树脂中；

固化机构用于固化排布有磨粒的树脂；

所述排布盘上设有若干规则排布的锥孔并连通真空泵，通过真空泵抽真空将磨粒吸附于锥孔中实现磨粒的单层有序排列。

2.根据权利要求1所述的磨粒三维可控排布磨具的制备装置，其特征在于：所述锥孔下孔径大于单倍磨粒粒径小于两倍磨粒粒径，上孔径小于单倍磨粒粒径。

3.根据权利要求1所述的磨粒三维可控排布磨具的制备装置，其特征在于：所述磨料排布机构还包括带动排布盘转动的转动组件。

4.根据权利要求1所述的磨粒三维可控排布磨具的制备装置，其特征在于：所述涂布机构还包括带动所述涂覆组件于第一水平方向上运动的第二运动组件及带动涂布台于第二水平方向上运动的第三运动组件，该第一水平方向与第二水平方向垂直以实现均匀涂覆。

5.根据权利要求1所述的磨粒三维可控排布磨具的制备装置，其特征在于：所述磨料放置机构包括磨料盘，磨料盘内设置有硅胶板。

6.根据权利要求1所述的磨粒三维可控排布磨具的制备装置，其特征在于：所述固化机构是紫外光灯、激光发射装置或加热装置。