CN113953988B - 一种磨粒间距可控的有序排布砂轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磨粒间距可控的有序排布砂轮及其制备方法，有序排布砂轮包括砂轮本体和固接于砂轮本体的多个磨粒列，每个磨粒列均环绕于砂轮本体圆周表面，多个磨粒列互相平行且均匀间隔布置，磨粒列与砂轮本体端面之间夹角大于0，每个磨粒列均包括多个依次均匀间隔布置的磨粒，各个磨粒列之间相对应的磨粒组成磨粒行，磨粒行垂直于砂轮本体端面，每个磨粒列的磨粒数量和每个磨粒行的磨粒数量均分别相同，相邻两个磨粒列之间距离大于相邻两个磨粒行之间距离。同一磨粒列内相邻两磨粒之间不会发生干涉，工作时磨削力不会产生突变，保证了同一磨粒列的相邻磨粒先后刻划于工件，有利于抑制裂纹的产生，实现塑性域磨削。

Description

一种磨粒间距可控的有序排布砂轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及超硬磨具加工技术领域，特别是涉及一种磨粒间距可控的有序排布砂轮及其制备方法。
背景技术
由金刚石、立方氮化硼(CBN)磨粒作为磨粒的超硬磨料砂轮已广泛应用于陶瓷、玻璃等硬脆材料的磨削加工。
陶瓷和玻璃材料具有高硬度和低断裂韧性，属于典型的易脆性和难加工材料，磨削后工件表面及亚表面容易产生裂纹，影响了其物理性能和成型质量，需要通过附加研磨抛光等工序，这大大降低了生产效率，增加了生产成本。
现有技术的砂轮存在以下技术问题：砂轮上同一列的相邻磨粒往往同时刻划于工件，导致工件容易产生裂纹，不利于磨削塑性表面的形成。
近年来，已证实采取超细粒度的磨料并对磨料进行有序排布可以改善磨削环境，在一定程度上抑制裂纹的产生，进而实现塑性域磨削。
因此，有必要研发一种磨粒间距可控的有序排布砂轮。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，有利于抑制裂纹的产生，进而实现塑性域磨削。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，能够实现磨粒的有序排布，有利于抑制裂纹的产生，实现塑性域磨削。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，包括砂轮本体和固接于砂轮本体的多个磨粒列，每个磨粒列均环绕于砂轮本体圆周表面，多个磨粒列互相平行且均匀间隔布置，磨粒列与砂轮本体端面之间夹角大于0，每个磨粒列均包括多个依次均匀间隔布置的磨粒，各个磨粒列之间相对应的磨粒组成磨粒行，磨粒行垂直于砂轮本体端面，每个磨粒列的磨粒数量和每个磨粒行的磨粒数量均分别相同，相邻两个磨粒列之间距离大于相邻两个磨粒行之间距离。
进一步，砂轮本体包括砂轮基体和固定体，砂轮基体设有多个定位点，多个磨粒一一对应固接于多个定位点，固定体分别与磨粒侧壁和砂轮基体固接。
进一步，固定体为镍电镀层。
进一步，磨粒为金刚石或立方氮化硼。
一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，包括以下步骤，
根据预设的磨粒列与砂轮本体端面之间夹角、每个磨粒列的磨粒数量、每个磨粒行的磨粒数量、相邻两个磨粒列之间距离以及相邻两个磨粒行之间距离，在模板上制出与磨粒相对应的孔位，其中，磨粒行由各个磨粒列之间相对应的磨粒组成；
将带有孔位的模板贴附于砂轮基体圆周表面；
通过电镀上砂，将磨粒固定于与模板孔位对应的砂轮基体上；
去除带有孔位的模板，得到有序排布砂轮。
进一步，在模板上制出与磨粒相对应的孔位包括以下步骤，
将磨粒列与砂轮本体端面之间夹角、每个磨粒列的磨粒数量、每个磨粒行的磨粒数量、相邻两个磨粒列之间距离以及相邻两个磨粒行之间距离参数导入matlab程序中，生成含有与磨粒相对应孔位的二维矢量图；
将二维矢量图导入激光设备对模板进行激光刻蚀，在模板上得到与磨粒相对应的孔位。
进一步，电镀上砂中，电镀基质金属为镍。
进一步，模板包括中间层的紫外感光膜和上下两层保护膜。
进一步，除掉带有孔位的模板后，还包括以下步骤，把钎料喷至砂轮基体圆周表面后进行钎焊。
进一步，钎料为镍基合金粉。
总的说来，本发明具有如下优点：
同一磨粒列内相邻两磨粒之间不会发生干涉，容易实现磨粒的有序排布，工作时磨削力不会产生突变，保证了同一磨粒列的相邻磨粒先后刻划于工件，有利于抑制裂纹的产生，实现塑性域磨削。
附图说明
图1为有序排布砂轮圆周表面展开后的结构示意图。
图2为砂轮本体的立体结构示意图。
图3为砂轮本体圆周表面展开后的平面示意图。
图4为磨粒有序排布的原理示意图。
图5为图4中I处放大示意图。
图6为有序排布砂轮的制作流程图。
图7为砂轮工作示意图。
具体实施方式
采用超细粒度砂轮磨削硬脆材料时，相邻两磨粒间的横向间距决定着磨削后对应沟槽下应力分布，其排布角度决定着磨削时磨粒作用方式(先后刻划或同时刻划)。如图7所示，合适的磨粒横向间距d能够在保证去除材料同时，有效抑制裂纹的产生，且较大排布角下的先后刻划方式比同时刻划更有利于磨削塑性表面的形成。
现有的磨粒有序排布实现方法多为模板法、点胶法、负压法或磁吸法。但由于模板中用以控制单颗磨粒的主体(如模板法中的孔位、点胶法中的胶滴、负压法中的气管)之间存在相互干涉，导致无法实现超细磨粒横向间距较小的有序排布。如公开号为CN109483421B的发明专利基于点胶法的有序排布砂轮，磨粒粒径为40/45目(0.35-0.38mm)，且模板孔横向间距为磨粒直径的1.1-1.5倍。如公开号为CN204772149U的发明专利基于磁吸法制备超硬磨料有序排布砂轮，磁性磨粒直径为1-300um，但其工艺方法较为复杂，不利于工业化生产。另外，超细粒度超硬磨料主要由电镀工艺制备而成，但电镀砂轮磨粒把持力弱、易脱落，且难以实现超细磨粒较为规则的有序排布。钎焊砂轮可以实现较大磨粒规则的有序排布，且能够大大提高其把持力，但不适用于较细磨粒砂轮的制备。
目前超细磨粒有序排布砂轮制备中的主要问题为无法顾及到每一个磨粒的位置，因此多为磨粒簇的方式进行有序排布。究其原因，一是因为排布模板难以制作，无法精确保证模板相邻孔间距到达微米级。二是磨粒越小，使磨粒精确通过掩模版实现一孔一磨粒就越加困难。
基于此，本发明提出了一种磨粒间距可控的有序排布砂轮及其制备方法。
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，包括砂轮本体和固接于砂轮本体的多个磨粒列，每个磨粒列均环绕于砂轮本体圆周表面，多个磨粒列互相平行且均匀间隔布置，磨粒列与砂轮本体端面之间夹角大于0，每个磨粒列均包括多个依次均匀间隔布置的磨粒，各个磨粒列之间相对应的磨粒组成磨粒行，磨粒行垂直于砂轮本体端面，每个磨粒列的磨粒数量和每个磨粒行的磨粒数量分别相同，相邻两个磨粒列之间距离大于相邻两个磨粒行之间距离。
具体地，磨粒列倾斜布置于砂轮本体圆周，优选为与砂轮本体横截面之间具有锐角夹角。图1中用斜线串起来的多个磨粒表示为一个磨粒列。磨粒列的排布可认为是将第一个磨粒列依次横向平移复制得到多个磨粒列而成。
如图2-图5所示，将宽度为W、直径为D的砂轮本体周向展开。将宽度W进行第一次分割，分为n份，每份宽度为a。相邻磨粒列按排布角θ进行排列。再将每一份进行二次分割，磨粒横向间距为d，相邻磨粒行之间间距按照第一次分割后相邻两磨粒列的纵向间距排布，即磨粒纵向间距为h。
根据几何关系可得磨粒横向间距d和排布角θ等参数之间的关系式，如下所示。
Figure BDA0003265711400000051
h＝a*tanθ；
d＝dg+d′；
Figure BDA0003265711400000052
Figure BDA0003265711400000053
Figure BDA0003265711400000054
Figure BDA0003265711400000061
Figure BDA0003265711400000062
其中，IID为砂轮本体圆周表面展开后的长度，dg为单颗磨粒直径，d＇为同一磨粒列相邻两颗磨粒边缘横向间距，x(i,j)为第i行第j列磨粒横坐标，y(i,j)为第i行第j列磨粒纵坐标。
由于在保证磨粒横向间距d的同时兼顾了磨粒纵向间距h，且相邻两个磨粒列之间距离大于相邻两个磨粒行之间距离，使得磨粒横向间距d即使很小也不会导致同一磨粒列内相邻两磨粒之间发生干涉。同时磨粒横向间距d越小，实际磨粒作用时工作角α就会更大，更易于满足同一磨粒列的相邻磨粒先后刻划的条件。
另外，由于每个磨粒列的磨粒数量相同，每个磨粒行的磨粒数量相同，磨粒行垂直于砂轮本体端面，不仅容易实现磨粒的有序排布，而且工作时磨削力不会产生突变。同时，由于磨粒列倾斜布置，如图1所，砂轮本体展开后得到的矩形的左上角和右下角(示意性说明)为空白区，空白区并不设置磨粒，确保不会与有序排布的磨粒同时刻划于工件，保证了实现同一磨粒列的相邻磨粒先后刻划于工件的目的。
因此，本发明的有序排布砂轮有利于抑制裂纹的产生，进而实现塑性域磨削。
砂轮本体包括砂轮基体和固定体，砂轮基体设有多个定位点，多个磨粒一一对应固接于多个定位点，固定体分别与磨粒侧壁和砂轮基体固接。固定体提高了磨粒把持力，延长了有序排布砂轮的使用寿命。
固定体为镍电镀层。
磨粒为金刚石或立方氮化硼。
一种磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，包括以下步骤，
根据预设的磨粒列与砂轮本体端面之间夹角、每个磨粒列的磨粒数量、每个磨粒行的磨粒数量、相邻两个磨粒列之间距离以及相邻两个磨粒行之间距离，在模板上制出与磨粒相对应的孔位，其中，磨粒行由各个磨粒列之间相对应的磨粒组成；
将带有孔位的模板贴附于砂轮基体圆周表面；
通过电镀上砂，将磨粒固定于与模板孔位对应的砂轮基体上；
去除带有孔位的模板，得到有序排布砂轮。
由于磨粒排布角θ和相邻两个磨粒列之间距离a以及相邻两个磨粒行之间距离h相关，磨粒行由各个磨粒列之间相对应的磨粒组成，即同一磨粒列中相邻两磨粒之间的纵向距离(磨粒纵向间距)也为h。采用这种排布方式，能够通过排布角θ来控制工作角α，既可以获得较大的工作角α以确保同一磨粒列的相邻磨粒先后刻划于工件，还能够保证相邻磨粒列中各对应磨粒位于与砂轮基体端面垂直的同一直线上，排布更具有一致性，相较于无序加工效果更好。
同时，这种排布方式使得砂轮基体展开后得到的矩形的左上角和右下角为空白区，空白区并不设置磨粒，确保不会与有序排布的磨粒同时刻划于工件，保证了同一磨粒列的相邻磨粒先后刻划于工件的目的。
因此，本发明的制备方法通过控制关键参数制出具备有序排布孔位的模板，进而制得磨粒间距可控的有序排布砂轮，有利于抑制裂纹的产生，进而实现塑性域磨削。
制作流程如图6所示。图6中，(a)用激光加工的方法在紫外感光膜上制出孔位作为模板。(b)将模板紧紧贴附在砂轮基体表面。(c)电镀上砂处理，磨粒被固定在相应的孔位。(d)在碱液中溶解掉模板，并保证磨粒位置不受影响。(e)在电镀磨粒后的砂轮基体表面均匀喷敷钎料。(f)钎焊提高磨粒把持力和统一出刃高度。
具体包括以下步骤，
1.二维矢量图生成
将磨粒假设为圆形，预设好单颗磨粒直径、磨粒列与砂轮本体端面之间夹角、每个磨粒列的磨粒数量、每个磨粒行的磨粒数量、相邻两个磨粒列之间距离、相邻两个磨粒行之间距离、砂轮直径、砂轮宽度等参数，将各参数导入到matlab程序中，可生成基于cad软件的dxf格式文件。
2.模板制作
采用的模板包括中间层的紫外感光膜和上下两层保护膜，具有耐酸性，遇碱液溶解的性质。将上述的dxf格式文件导入激光设备，在模板上激光刻蚀掉相应孔位。
3.模板定位及初步电镀
充分清洗干净砂轮基体后，撕去模板保护膜中较硬的一层，微微加热砂轮基体，将模板紧密贴合在砂轮基体上，保证不会出现缝隙。紫外感光膜厚度为40um左右，因此可以实现一孔一磨粒的精准定位。将附着模板的砂轮基体拿到电镀液中做电镀上砂处理，散落在电镀液中的金刚石磨粒固结在砂轮基体孔位里。电镀基质金属为镍。控制电镀时间，这一步操作是为了将磨粒固定在孔位裸漏的砂轮基体上，镀层不宜过厚。
4.镀后钎焊
将电镀后的砂轮基体清洗干净，放入碱性溶液溶解掉模板，可保证去除模板时磨粒位置不发生改变。之后再清洗、干燥砂轮。钎料选用与镀层金属一致的镍基合金粉，具体为Ni-Cr-B-Si合金粉，用喷枪把混粉均匀地喷至砂轮基体表面后进行钎焊。
现有的脆性材料多采用磨削、研磨、抛光等手段得到光滑无损伤的表面，然而磨削中难以控制表面裂纹及亚表面裂纹，这为接下来的工艺步骤增加了负担。而目前国内外学者用于脆性材料超精密磨削的砂轮多采用磨粒粒径达几微米的电镀砂轮磨削，但无法实现有序排布，且把持力度不够，砂轮寿命低。或采用在大磨粒上激光加工出微刃达到结构化砂轮目的，但由于磨粒较大，结构化后单个切屑刃尺寸仍较大，效果不好。
本发明考虑磨削时相邻磨粒刻划相互作用，通过严格控制相邻磨粒横向间距和排布角抑制裂纹产生。关键点在于基于此理论提出的可调的磨粒横向间距、大排布角、单颗超细磨粒严格有序排布实现方式。新的排布方式不仅能够实现目标要求，同时也降低了模板的制作难度，不需要考虑模板相邻孔位之间的相互干涉问题，且制作方法简单，成本低。另外将模板法与电镀-钎焊工艺结合，严格控制每颗磨粒(280-300目)按照预设的位置固定，实现了模板的精准定位，且能够严格精确对每一颗超细磨粒进行排布，同时提高了磨粒把持力，保证了磨粒出刃高度统一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，其特征在于：包括砂轮本体和固接于砂轮本体的多个磨粒列，每个磨粒列均环绕于砂轮本体圆周表面，多个磨粒列互相平行且均匀间隔布置，磨粒列与砂轮本体端面之间夹角大于0，每个磨粒列均包括多个依次均匀间隔布置的磨粒，各个磨粒列之间相对应的磨粒组成磨粒行，磨粒行垂直于砂轮本体端面，每个磨粒列的磨粒数量和每个磨粒行的磨粒数量均分别相同，相邻两个磨粒列之间距离大于相邻两个磨粒行之间距离；
磨粒的排布方式如下，将宽度为W、直径为D的砂轮本体周向展开，将宽度W进行第一次分割，分为n份，每份宽度为a，相邻磨粒列按排布角θ进行排列，再将每一份进行二次分割，磨粒横向间距为d，相邻磨粒行之间间距按照第一次分割后相邻两磨粒列的纵向间距排布，即磨粒纵向间距为h，
根据几何关系可得磨粒横向间距d和排布角θ参数之间的关系式，
Figure FDA0003911809390000011
h＝a*tanθ；
d＝dg+d′；
Figure FDA0003911809390000012
Figure FDA0003911809390000013
Figure FDA0003911809390000014
Figure FDA0003911809390000021
Figure FDA0003911809390000022
其中，IID为砂轮本体圆周表面展开后的长度，dg为单颗磨粒直径，d＇为同一磨粒列相邻两颗磨粒边缘横向间距，x(i,j)为第i行第j列磨粒横坐标，y(i,j)为第i行第j列磨粒纵坐标。
2.按照权利要求1所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，其特征在于：砂轮本体包括砂轮基体和固定体，砂轮基体圆周表面设有多个定位点，多个磨粒一一对应固接于多个定位点，固定体分别与磨粒侧壁和砂轮基体固接。
3.按照权利要求2所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，其特征在于：固定体为镍电镀层。
4.按照权利要求1所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮，其特征在于：磨粒为金刚石或立方氮化硼。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
根据预设的磨粒列与砂轮本体端面之间夹角、每个磨粒列的磨粒数量、每个磨粒行的磨粒数量、相邻两个磨粒列之间距离以及相邻两个磨粒行之间距离，在模板上制出与磨粒相对应的孔位，其中，磨粒行由各个磨粒列之间相对应的磨粒组成；
将带有孔位的模板贴附于砂轮基体圆周表面；
通过电镀上砂，将磨粒固定于与模板孔位对应的砂轮基体上；
去除带有孔位的模板，得到有序排布砂轮。
6.按照权利要求5所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，其特征在于：在模板上制出与磨粒相对应的孔位包括以下步骤，
将磨粒列与砂轮本体端面之间夹角、每个磨粒列的磨粒数量、每个磨粒行的磨粒数量、相邻两个磨粒列之间距离以及相邻两个磨粒行之间距离参数导入matlab程序中，生成含有与磨粒相对应孔位的二维矢量图；
将二维矢量图导入激光设备对模板进行激光刻蚀，在模板上得到与磨粒相对应的孔位。
7.按照权利要求5所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，其特征在于：电镀上砂中，电镀基质金属为镍。
8.按照权利要求5所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，其特征在于：模板包括中间层的紫外感光膜和上下两层保护膜。
9.按照权利要求5所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，其特征在于：除掉带有孔位的模板后，还包括以下步骤，把钎料喷至砂轮基体圆周表面后进行钎焊。
10.按照权利要求9所述的一种磨粒间距可控的有序排布砂轮的制备方法，其特征在于：钎料为镍基合金粉。
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