CN109894990B - 一种具有胀流特性的柔性磨具及其抛光方法 - Google Patents

Abstract

一种具有胀流特性的柔性磨具，所述柔性磨具是由水凝胶、胀流相、磨料、凝固剂组成的固态磨具，抛光过程中，水凝胶和凝固剂会缓慢逐渐溶解，释放出胀流相和磨料，在水溶液的参与下形成胀流抛光液，胀流抛光液产生胀流现象，粘度上升，胀流抛光液会吸附在工件表面，在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下，实现磨具对工件表面的柔性抛光。以及提供一种具有胀流特性的柔性磨具实现的抛光方法。本发明具有胀流特性的柔性磨具有着使用方便、易储存、低经济成本等优点；由于磨具的胀流特性和柔性抛光，磨具能够适应多种面型(平面、简单或复杂曲面)，能够获得无/低表面损伤或亚表面损伤的工件。

Description

一种具有胀流特性的柔性磨具及其抛光方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及到一种具有胀流特性的柔性磨具及其抛光方法。

背景技术

超精密加工技术在现代科学技术的重要组成部分，在众多领域中广泛应用。例如蓝宝石、单晶硅及各功能性陶瓷等硬脆难加工材料的加工方面；各种复杂曲面的高精度、低损伤、美观等方面。利用超精密加工技术，可以获得低表面粗糙度、低/无表面损伤或亚表面损伤的工件表面。

磨具是用以磨削、研磨和抛光的工具。大部分的磨具是用磨料加上结合剂制成的人造磨具，也有用天然矿岩直接加工成的天然磨具。磨具除在机械制造和其他金属加工工业中被广泛采用外，还用于粮食加工、造纸工业和陶瓷、玻璃、石材、塑料、橡胶、木材等非金属材料的加工。

水凝胶是以水为分散介质的凝胶，具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物，是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。

膨胀性流体在外力作用下，其粘度会因剪切速率的增大而上升的流体，但在静置时，能逐渐恢复原来流动较好的状态。

已公开发明专利(CN 201811056573.0)，一种便于使用的金刚石磨具。本发明磨头组件为组合式，含有第一磨盘和第二磨盘，可同时对花岗岩或者大理石的两边进行打磨，大大提高了打磨的效率，且第一磨盘和第二磨盘间的距离可进行调节，可对同一高度不同厚度的花岗岩或者大理石板进行打磨，提高了装置的使用范围，本发明无需手持进行磨边，减轻了工人的劳动轻度，同时避免了受力不均而出现凹陷情况的发生，有利于提高打磨的质量。缺点在于金刚石磨具对工件磨削作用，会造成对工件表面较大的表面损伤或亚表面损伤。

已公开中国发明专利(CN 201810095554.2)，专利名称：一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法。本发明利用液流边界主动约束与抛光液流流动主动控制、剪切增稠与绿色化学作用协同，提高加工效率、精度，并扩展可加工材料及面形。该专利优点在于可加工材料广、加工面型多样、抛光液环保，利用了剪切增稠效应，使该抛光方法为柔性抛光，提高材料去除确定性，表面变质层少；缺点在于抛光过程中，使用的液态抛光液，有着容易变质、制备繁琐等缺点。

发明内容

为了克服已有抛光方式的不足，本发明提供了一种具有胀流特性的柔性磨具及其抛光方法，具有胀流特性的柔性磨具有着使用方便、易储存、低经济成本等优点；由于磨具的胀流特性和柔性抛光，磨具能够适应多种面型(平面、简单或复杂曲面)，能够获得无/低表面损伤或亚表面损伤的工件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有胀流特性的柔性磨具，所述柔性磨具是由水凝胶、胀流相、磨料、凝固剂组成的固态磨具，各个组份为：水凝胶20wt％-30wt％、胀流相20wt％-40wt％、磨料20wt％-30wt％、凝固剂10wt％-20wt％；

抛光过程中，水凝胶和凝固剂会缓慢逐渐溶解，释放出胀流相和磨料，在水溶液的参与下形成胀流抛光液，胀流抛光液产生胀流现象，粘度上升，胀流抛光液会吸附在工件表面，在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下，实现磨具对工件表面的柔性抛光。

进一步，所述水凝胶吸收分散介质(水)时水凝胶体积会膨胀，提供对工件表面的载荷以及让磨具更佳的吻合工件表面；失去分散介质(水)或分散介质少时，水凝胶体积小。即非抛光情况时，磨具恢复原状；遇到抛光水溶液时会逐渐溶解，释放出其中的胀流相、磨料。

再进一步，所述凝固剂能够将水凝胶、胀流相和磨料紧密联结在一起，形成稳定的固态磨具，凝固剂产生的是物理作用(非化学作用)；在接触水溶液时，凝固剂会逐渐缓慢溶解，将胀流相和磨料释放出，便于研磨抛光去除工件材料。

所述水溶液能够迅速溶解凝固剂和水凝胶，释放出其中的胀流相、磨料，胀流相、磨料在水溶液的参与下形成胀流抛光液。

一种具有胀流特性的柔性磨具实现的抛光方法，包括以下步骤：

1)选用工件夹具，装夹工件，将工件固定在抛光盘上；

2)将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上；

3)通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射，与此同时抛光盘转动，产生剪切速率；磨具在抛光水溶液的作用下，水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解，释放出胀流相和磨料，与抛光水溶液形成胀流抛光液，由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性，实现对工件的柔性抛光；与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀，磨具体积增大，增大了磨具对工件表面的瞬时载荷；

4)经过设定时间和转速的条件下，完成对工件的抛光。

进一步，所述具有胀流特性的柔性磨具是由水凝胶、胀流相、磨料、凝固剂组成的固态磨具，各个组份为：水凝胶20wt％-30wt％、胀流相20wt％-40wt％、磨料20wt％-30wt％、凝固剂10wt％-20wt％。

本发明的技术构思：抛光过程中，使用具有胀流特性的柔性磨具对工件表面进行抛光，磨具与工件之间的接触面，在抛光水溶液的作用下，水凝胶和凝固剂逐渐缓慢的溶解，释放出胀流相和磨料，与抛光水溶液结合形成胀流抛光液，粘度增大，使胀流抛光液吸附在工件表面上，在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下，实现磨具对工件表面的柔性抛光，获得无/低表面损伤或亚表面损伤的工件；由于水凝胶遇水膨胀，与工件表面接触的磨具体积增大，压在工件表面上，增大了抛光时的瞬时载荷，并使磨具更好的吻合工件表面，提高了磨具对工件的抛光效率、增加了抛光工件面型的种类(如平面、曲面等)；具有胀流特性的柔性磨具，有着使用方便、易储存、低经济成本等优点。

附图说明

图1为一种具有胀流特性的柔性磨具的截面图，金属层1为工件的装夹部分，磨料层2用于抛光。

图2为图1的俯视图。

图3为另一种有胀流特性的柔性磨具的截面图。

图4为另一种有胀流特性的柔性磨具的俯视图。

图5为磨具-工件抛光微观图，(a)平面工件(b)曲面工件，工件3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图4，一种具有胀流特性的柔性磨具，是由水凝胶、胀流相、磨料、凝固剂组成的固态磨具，各个组份为：水凝胶20wt％-30wt％、胀流相20wt％-40wt％、磨料20wt％-30wt％、凝固剂10wt％-20wt％；

本实施例中，固态模具的各个组份可以为：

水凝胶20wt％、胀流相40wt％、磨料25wt％、凝固剂15wt％；

或者是：水凝胶25wt％、胀流相37wt％、磨料28wt％、凝固剂10wt％；

再或者是：水凝胶27wt％、胀流相35wt％、磨料20wt％、凝固剂18wt％；

又或者是：水凝胶30wt％、胀流相20wt％％、磨料30wt％、凝固剂20wt％。

抛光时与工件接触的磨料层2，水凝胶和凝固剂会缓慢逐渐溶解，释放出胀流相和磨料，在抛光水溶液的参与下形成胀流抛光液，胀流抛光液产生胀流现象，粘度上升，胀流抛光液会吸附在工件表面，在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下，实现磨具对工件表面的柔性抛光。

进一步，所述水凝胶吸收分散介质(水)时水凝胶体积会膨胀，提供对工件表面的载荷以及让磨具更佳的吻合工件表面；失去分散介质(水)或分散介质少时，水凝胶体积小。即非抛光情况时，磨具恢复原状；遇到抛光水溶液时会逐渐溶解，释放出其中的胀流相、磨料。

再进一步，所述凝固剂能够将水凝胶、胀流相和磨料紧密联结在一起，形成稳定的固态磨具，凝固剂产生的是物理作用(非化学作用)；在接触水溶液时，凝固剂会逐渐缓慢溶解，将胀流相和磨料释放出，便于研磨抛光去除工件材料。

所述水溶液能够迅速溶解凝固剂和水凝胶，释放出其中的胀流相、磨料，胀流相、磨料在水溶液的参与下形成胀流抛光液。

本实施例中，图示为磨具的形态种类，图1和图2为圆柱形，图3和图4为矩形。

实施例2

实施设备包括：具有胀流特性的柔性磨具、磨具夹具、工件夹具、抛光盘、输液器等。

如图5-(a)所示，本发明用于抛光平面工件(轴承钢、硬质合金、金属陶瓷、光学玻璃以及难加工硬脆等材料)，抛光方法包括如下步骤：

1)选用工件夹具，装夹工件，将工件固定在抛光盘上；

2)将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上；

3)通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射，与此同时抛光盘转动，产生剪切速率。磨具在抛光水溶液的作用下，水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解，释放出胀流相和磨料，与抛光水溶液形成胀流抛光液，由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性，实现对工件的柔性抛光；与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀，磨具体积增大，增大了磨具对工件表面的瞬时载荷，并提高了抛光效率；

4)经过一定时间和转速的条件下，完成对工件的抛光，抛光结束。

实施例3

如图5-(b)所示，本发明用于抛光曲面工件(轴承钢、硬质合金、金属陶瓷、光学玻璃以及难加工硬脆等材料)，包括如下步骤：

1)选用工件夹具，装夹工件，将工件固定在抛光盘上；

2)将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上；

3)通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射，与此同时抛光盘转动，产生剪切速率。磨具在抛光水溶液的作用下，水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解，释放出胀流相和磨料，与抛光水溶液形成胀流抛光液，由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性，实现对工件的柔性抛光；与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀，磨具体积增大，更好的吻合曲面工件的抛光表面，增大了磨具对工件表面的瞬时载荷，并提高了抛光效率；

4)经过一定时间和转速的条件下，完成对工件的抛光，抛光结束。

Claims (5)

1.一种具有胀流特性的柔性磨具，其特征在于，所述柔性磨具是由水凝胶、胀流相、磨料、凝固剂组成的固态磨具，各个组份为：水凝胶20wt%-30wt%、胀流相20wt%-40wt%、磨料20wt%-30wt%、凝固剂10wt%-20wt%；

抛光过程中，水凝胶和凝固剂会缓慢逐渐溶解，释放出胀流相和磨料，在抛光水溶液的参与下形成胀流抛光液，胀流抛光液产生胀流现象，粘度上升，胀流抛光液会吸附在工件表面，在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下，实现磨具对工件表面的柔性抛光。

2.如权利要求1所述的一种具有胀流特性的柔性磨具，其特征在于，所述水凝胶吸收水时水凝胶体积会膨胀，提供对工件表面的载荷以及让磨具更佳的吻合工件表面；失去水少时，水凝胶体积小，即非抛光情况时，磨具恢复原状；遇到抛光水溶液时会逐渐溶解，释放出其中的胀流相、磨料。

3.如权利要求1或2所述的一种具有胀流特性的柔性磨具，其特征在于，所述凝固剂能够将水凝胶、胀流相和磨料紧密联结在一起，形成稳定的固态磨具，凝固剂产生的是物理作用；在接触抛光水溶液时，凝固剂会逐渐缓慢溶解，将胀流相和磨料释放出，便于研磨抛光去除工件材料。

4.如权利要求1或2所述的一种具有胀流特性的柔性磨具，其特征在于，所述抛光水溶液能够迅速溶解凝固剂和水凝胶，释放出其中的胀流相、磨料，胀流相、磨料在抛光水溶液的参与下形成胀流抛光液。

5.一种如权利要求1所述的具有胀流特性的柔性磨具实现的抛光方法，其特征在于，所述抛光方法包括以下步骤：

1）选用工件夹具，装夹工件，将工件固定在抛光盘上；

2）将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上；

3）通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射，与此同时抛光盘转动，产生剪切速率；磨具在抛光水溶液的作用下，水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解，释放出胀流相和磨料，与抛光水溶液形成胀流抛光液，由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性，实现对工件的柔性抛光；与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀，磨具体积增大，增大了磨具对工件表面的瞬时载荷；

4）经过设定时间和转速的条件下，完成对工件的抛光。

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