CN107932349A - 一种磁流变弹性体砂轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁流变弹性体砂轮及其制备方法，其特征在于，该砂轮本体包括非磁性微粉磨粒和磁流变弹性体结合剂，所述磁流变弹性体由铁磁性颗粒、橡胶类基体和添加剂组成，砂轮制备工艺主要分为混料、装模、加磁、压制成型、深度固化和冷却脱模几个步骤，制成的砂轮具有磁流变弹性体的变刚度特性，本发明的优点在于，砂轮的结合剂为智能材料，制备工艺成熟，工程应用中可用磁场控制砂轮柔性提高其对工件面型和接触力的自适应，可提高加工效率、减少工件表面损失，适用于微小非球面、微小复杂曲面等的高精度加工。
Description
技术领域
本发明属于砂轮领域，具体涉及一种磁流变弹性体砂轮及其制备方法。
背景技术
随着机械及光电产品向小型化、轻便化的发展，微小非球面、微小模具等超精密零件成为了高科技产品的关键核心零部件，这类零件有以下特点：1）形状复杂、尺寸小，大多为硬脆材料；2）对加工精度及尺寸稳定性要求高，表面质量要求纳米级或者亚纳米级；3）不存在表面或者亚表面损伤。这些都对超精密加工提出了巨大的挑战。
目前，最为有效的超精密加工手段是采用超精密铣削、车削、磨削等工艺后再进行抛光处理，而常用抛光方法主要分为两类：一类是通过在相对运动的抛光头与工件间加入磨料，利用游离磨粒对工件进行刮擦、挤压等来实现加工，其问题在于加工效率低、周期长，加工质量得不到保证；另一类是直接采用微细磨料制成的流体或者胶体进行抛光，可得到高质量加工表面，但加工过程不易控制，难以对零件面型进行精确修型加工。因此，传统的超精密加工技术在加工效率、加工精度、自动化以及适用的加工型面等方面难以满足微小非球面的高精度要求。
发明内容
针对上述难题，本发明提供一种磁流变弹性体砂轮及其制备方法，用于实现对微小非球面、微小复杂曲面体、高陡度的凹形光学零件及其模具的高效率、高精度抛光。
本发明提供了一种磁流变弹性体砂轮，由非磁性微粉磨粒、磁性颗粒、橡胶类基体和添加剂等原料制备而成，制成的砂轮具有磁流变弹性体的变刚度特性，即砂轮的刚度在周围磁场作用下可变、可控。
优选的，所述非磁性微粉磨粒、磁性颗粒、橡胶类基体和添加剂的质量比为70~90：30~50：20~40：5~10。
优选的，所述的非磁性微粉磨粒为金刚石磨粒；
所述磁性颗粒为羰基铁粉；
所述橡胶类基体为硅橡胶基体、天然橡胶基体或弹性聚氨酯基体；
所述添加剂包括增塑剂、促进剂和固化剂等，具体依据基体材料而定。
优选的，所述硅橡胶基体为双组份加成型硅橡胶；
所述天然橡胶基体为亚么尼亚胶；
所述弹性聚氨酯基体由多元醇和异氰酸酯经反应后得到，其中，多元醇包括聚脂多元醇和聚醚多元醇中的一种或两种，异氰酸酯包括2，4-二苯基甲烷二异氰酸酯、4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯和2，6-甲苯二异氰酸酯中的一种或多种。
优选的，所述橡胶类基体为硅橡胶基体时，所述添加剂为二甲基硅油、聚硅氧烷；
所述橡胶类基体为天然橡胶时，所述添加剂为氧化锌、硬脂酸、促进剂CZ以及硫磺；
所述橡胶类基体为弹性聚氨酯基体时，所述添加剂为邻苯二甲酸酯、1，4-丁二醇和辛酸亚锡。
本发明还提供一种磁流变弹性体砂轮的制备方法，制备工艺包括以下步骤：
一、混料，采用机械搅拌混料或者机械振动搅拌混料将称量好的各成分混合均匀备用；
二、装模，在模腔壁上均匀涂上脱模剂，将步骤一的混合料均匀地装入模具中，模具为不导磁材料；
三、加磁，在模具周围施加磁场并静置一段时间，让磁性颗粒在磁场力下重新分布；
四、压制成型，在模具上施加一定大小的压力，将砂轮压制成型；
五、深度固化，将成型的砂轮和模具一起置于室温下或者置于加热装置内加热保温一段时间；
六、冷却脱模，将砂轮冷却至室温后脱模并进行修整。
优选的，所述混料之前还包括液体原料的干燥步骤，干燥的时间为1～2小时，干燥的温度为60～100℃。
优选的，所述橡胶类基体为天然橡胶基体时，加磁过程中伴随有加热过程，温度维持在70~90℃。
优选的，所述加磁步骤根据需要实施，可以无磁场制备砂轮，可以在平行磁场下制备砂轮，也可以在环形辐射磁场下制备砂轮。实验表明，无论制备时有无磁场，磁流变弹性体砂轮都具有变刚度特性，而有场制备的砂轮比无场制备的砂轮具有更好的变刚度特性。在制备块状砂轮时，一般施加平行磁场，在制备柱状砂轮时，一般施加环形辐射状磁场。
优选的，所述橡胶基体为硅橡胶基体时，可在室温下深度固化1~3天；
所述橡胶基体为天然橡胶基体时，需在温度为130~160℃条件下固化3小时左右,然后深度固化1~3天；
所述橡胶基体为弹性聚氨酯基体时，可在室温下深度固化1~3天。
本发明的有益效果是：提出的磁流变弹性体砂轮是一种基于固着磨粒方式的抛光工具，相对于游离磨粒、磨粒流体或磨粒胶体，有着较高的加工效率；砂轮以磁流变弹性体智能材料作为结合剂，具有变刚度特性，在工程应用中可用磁场控制砂轮柔性提高其对工件面型和接触力的自适应能力，能有效减少工件表面损伤和亚表面损伤；砂轮的制备方法是以磁流变弹性体制备方法为基础，制备工艺比较成熟，制成品抛光效果显著。
附图说明
图1为磁流变弹性体砂轮制备工艺流程图；
图2为无磁场下磁流变弹性体砂轮成型示意图；
图3为平行磁场下磁流变弹性体砂轮成型示意图；
图4为环形辐射磁场下磁流变弹性体砂轮成型示意图。
图中标记：1为模具，2为非磁性微粉磨粒，3为磁性颗粒，4为橡胶类基体，5为磁场线，6为磁极N，7为磁极S。
具体实施方式：
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可，对其纯度也没有特别限制，本发明优选采用分析纯或砂轮制备领域和磁流变弹性体智能材料制备领域常规的纯度要求。
本发明提供了一种磁流变弹性体砂轮，其特征在于，原料包括非磁性微粉磨粒、橡胶类基体、磁性颗粒和添加剂。
本发明对所述非磁性微粉磨粒没有特别限制，优选1500~3000目金刚石磨粒，制备的砂轮抛光效果佳。
本发明对所述磁性颗粒没有特别限制，优选羰基铁粉，铁粉粒径优选为1~9μm，更优先为4~5μm。
本发明对所述橡胶类基体没有特别限制，以熟知的用于制备磁流变弹性体的橡胶类基体即可，本发明所述橡胶类基体优选硅橡胶基体、天然橡胶基体或弹性聚氨酯基体。
本发明对所述硅橡胶没有特别限制，以本领域技术人员熟知的硅橡胶即可，本发明所述硅橡胶优选双组份加成型硅橡胶。
本发明对所述天然橡胶没有特别限制，以本领域技术人员熟知的天然橡胶即可，本发明所述天然橡胶优选亚么尼亚胶。
本发明对所述弹性聚氨酯没有特别限制，以本领域技术人员熟知的弹性聚氨酯即可，本发明所述弹性聚氨酯优选由多元醇和异氰酸酯经反应后得到。本发明对所述多元醇没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备聚氨酯的多元醇即可，本发明所述多元醇优选为聚脂多元醇和聚醚多元醇中的一种或多种。本发明对所述异氰酸酯没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备聚氨酯的异氰酸酯即可，本发明所述异氰酸酯优选2，4-二苯基甲烷二异氰酸酯、4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯和2，6-甲苯二异氰酸酯中的一种或多种。
本发明对所述非磁性微粉磨粒、磁性颗粒、橡胶类基体和添加剂的加入量没有特别限制，优选非磁性微粉磨粒、磁性颗粒、橡胶类基体和添加剂的配比为70~90：30~50：20~40：5~10，更优选为75~85:35~45:25~35:7~8。
本发明对所述添加剂没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备磁流变弹性体的添加剂即可，当所述橡胶基体优选为硅橡胶基体时，所述添加剂优选为二甲基硅油、聚硅氧烷；当所述橡胶基体为天然橡胶基体时，所述添加剂优选为氧化锌、硬脂酸、促进剂CZ以及硫磺；当所述橡胶基体为聚氨酯基体时，所述添加剂优选为邻苯二甲酸酯、1，4-丁二醇和辛酸亚锡。
本发明还提供了一种磁流变弹性体砂轮的制备方法，包括以下步骤：
一、混料，采用机械搅拌混料或者机械振动搅拌混料将称量好的各成分混合均匀备用；
二、装模，在模腔壁上均匀涂上脱模剂，将步骤一的混合料均匀地装入模具中，模具为不导磁材料；
三、加磁，在模具周围施加磁场并静置一段时间，让磁性颗粒在磁场力下重新分布；
四、压制成型，在模具上施加一定大小的压力，将砂轮压制成型；
五、深度固化，将成型的砂轮和模具一起置于室温下或者置于加热装置内加热保温一段时间；
六、冷却脱模，将砂轮冷却至室温后脱模并进行修整。
本发明上述制备方法中，所述材料的选择和比例及其优选范围，与前述磁流变弹性体砂轮的材料的选择和比例及其优选范围优选保持一致，在此不再一一赘述。
本发明为进一步提高产品的性能，优化生产工艺和完整工艺路线，所述混合前优选还包括干燥步骤，即上述各种液体原料优选先进行干燥，本发明对所述干燥的温度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的干燥温度即可，本发明所述干燥的温度优选为60～100℃，更优选为70～90℃，最优选为75～85℃。本发明对所述干燥的时间没有特别限制，以本领域技术人员熟知的干燥时间即可，本发明所述干燥的时间优选为1～2小时，更优选为1.2～1.8小时，最优选为1.4～1.6小时。
本发明对所述施加磁场的方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备磁流变弹性体过程的加磁方式即可，可以选择不施加磁场制备各向同性磁流变弹性体砂轮，也可选择施加平行磁场或者环形辐射磁场制备各向异性磁流变弹性体砂轮 ，为进一步提高产品的性能，制备天然橡胶基砂轮时，优选在加磁过程中伴随加热过程，优选加热温度70~90℃，更优选加热温度80℃左右。
本发明对所述磁场的强度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备磁流变弹性体过程的磁场强度即可，为进一步提高产品的性能，所述磁场的强度优选为500~1000mT，更优选为750mT左右。
本发明对所述深度固化的温度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备磁流变弹性体固化过程的温度即可，为进一步提高产品的性能，所述橡胶基体为硅橡胶基体时，优选在温室下完成固化过程，所述橡胶基体为天然橡胶基体时，优选带模加热温度为130~160℃，所述橡胶基体为弹性聚氨酯基体时，优选在室温下完成固化过程。
本发明对所述深度固化的时间没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备磁流变弹性体过程的深度固化时间即可，深度固化的时间优选为1～3天，更优选为2天。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种磁流变弹性体砂轮及其制备方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
硅橡胶基磁流变弹性体砂轮
原料准备：金刚石磨粒40%，羰基铁粉30％，双组份硅橡胶23％，二甲基硅油5％，聚硅氧烷2%。
制备方法如以下步骤：
1）按质量比称量各组分原材料，并在真空干燥箱中80℃干燥硅橡胶和二甲基硅油1小时除水；
2）将硅橡胶和二甲基硅油混合均匀作为A组份，将磨粒和铁粉混合均匀作为B组份，再将A、B组份混合并加入聚硅氧烷搅拌均匀备用，采用机械搅拌装置混合原材料；
3）将混合物倒入模具中，在750mT磁场强度条件下让铁磁颗粒形成有序的链状或柱状结构；
4）将模具置于压力机下施加15MPa的压力，将砂轮压制成型；
5）在室温下深度固化24小时后脱模修整，制得硅橡胶基磁流变弹性体砂轮。
实施例2
天然橡胶基磁流变弹性体砂轮
原料准备：金刚石磨粒40%，羰基铁粉30％，亚么尼亚胶23％，氧化锌4%、硬脂酸0.7%、促进剂CZ0.3%，硫磺2%。
制备方法如以下步骤：
1）按质量比称量各组分原材料，并在真空干燥箱中60℃干燥亚么尼亚胶1小时除水；
2）将添加剂包括氧化锌、硬脂酸、促进剂CZ和硫磺混合均匀作为A组份，将磨粒和铁粉混合均匀作为B组份，先将B组份加入到亚么尼亚胶中混合均匀得到混合物，再将A组份加入到混合物中混合均匀备用，采用机械搅拌装置混合原材料；
3）将混合物装入模具中，提供750mT磁场强度条件和80℃温度条件，让铁磁颗粒形成有序的链状或柱状结构；
4）将模具置于压力机下施加15MPa的压力，将砂轮压制成型；
5）在135℃下固化3小时，再在室温下深度固化24小时后脱模修整，制得天然橡胶基磁流变弹性体砂轮。
实施例3
聚氨酯基磁流变弹性体砂轮
原料准备：金刚石磨粒40%，羰基铁粉30％，聚氨酯基体23％，邻苯二甲酸二丁酯6%、1，4-丁二醇1%和辛酸亚锡2~3滴。
制备方法如以下步骤：
1）按质量比称量各组分原材料，并在真空干燥箱中80℃干燥液体原材料2小时除水；
2）将2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯和4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物(各占50％)和蓖麻油混合搅拌聚合反应生成聚氨酯预聚体；再往所制聚氨酯预聚体中加入金刚石磨粒、羰基铁粉的混合物，然后依次加入邻苯二甲酸二丁酯、1,4-丁二醇和辛酸亚锡，60℃恒温机械搅拌混合均匀备用；
3）将混合物倒入模具中，在750mT磁场强度条件下让铁磁颗粒形成有序的链状或柱状结构
4）将模具置于压力机下施加15MPa的压力，将砂轮压制成型；
5）最后在室温下深度固化24小时后脱模修整，制得聚氨酯基磁流变弹性体砂轮。
以上对本发明提供的一种磁流变弹性体砂轮及其制备方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种磁流变弹性体砂轮，其特征在于，由非磁性微粉磨粒、磁性颗粒、橡胶类基体和添加剂等原料制备而成，制成的砂轮具有磁流变弹性体的变刚度特性，即砂轮的刚度在周围磁场作用下可变、可控。
2.根据权利要求1所述的磁流变弹性体砂轮，其特征在于，所述非磁性微粉磨粒、磁性颗粒、橡胶类基体和添加剂的质量比为70~90：30~50：20~40：5~10。
3.根据权利要求1所述的磁流变弹性体砂轮，其特征在于，所述的非磁性微粉磨粒为金刚石磨粒；所述磁性颗粒为羰基铁粉；所述橡胶类基体为硅橡胶基体、天然橡胶基体或弹性聚氨酯基体；添加剂包括增塑剂、促进剂和固化剂等，具体依据基体材料而定。
4.根据权利要求3所述的磁流变弹性体砂轮，其特征在于，所述硅橡胶基体为双组份加成型硅橡胶；所述天然橡胶基体为亚么尼亚胶；所述弹性聚氨酯基体由多元醇和异氰酸酯经反应后得到，其中，多元醇包括聚脂多元醇和聚醚多元醇中的一种或两种，异氰酸酯包括2，4-二苯基甲烷二异氰酸酯、4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯和2，6-甲苯二异氰酸酯中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的磁流变弹性体砂轮，其特征在于，所述橡胶类基体为硅橡胶基体时，所述添加剂为二甲基硅油、聚硅氧烷；所述橡胶类基体为天然橡胶时，所述添加剂为氧化锌、硬脂酸、促进剂CZ以及硫磺；所述橡胶类基体为弹性聚氨酯基体时，所述添加剂为邻苯二甲酸酯、1，4-丁二醇和辛酸亚锡；所述各类添加剂还包括其它类型的能发挥相同作用的增塑剂、促进剂和固化剂，要求中所述添加剂为优选方案。
6.一种磁流变弹性体砂轮的制备方法，其特征在于，制备工艺包括以下步骤：
一、混料，采用机械搅拌混料或者机械振动搅拌混料将称量好的各成分混合均匀备用；
二、装模，在模腔壁上均匀涂上脱模剂，将步骤一的混合料均匀地装入模具中，模具为不导磁材料；
三、加磁，在模具周围施加磁场并静置一段时间，让磁性颗粒在磁场力下重新分布；
四、压制成型，在模具上施加一定大小的压力，将砂轮压制成型；
五、深度固化，将成型的砂轮和模具一起置于室温下或者置于加热装置内加热保温一段时间；
六、冷却脱模，将砂轮冷却至室温后脱模并进行修整。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述混料之前还包括液体原料的干燥步骤，干燥的时间为1～2小时，干燥的温度为60～100℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述橡胶类基体为天然橡胶基体时，加磁过程中伴随有加热过程，温度为70~90℃。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述加磁步骤根据需要实施，可以无磁场制备砂轮，可以在平行磁场下制备砂轮，也可以在环形辐射磁场下制备砂轮。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述橡胶基体为硅橡胶基体时，可在室温下深度固化1~3天；所述橡胶基体为天然橡胶基体时，需在温度为130~160℃条件下固化3小时左右,然后深度固化1~3天；所述橡胶基体为弹性聚氨酯基体时，可在室温下深度固化1~3天。
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