一种超细磨粒簇有序排布的电镀砂轮及其制备方法与流程

1.本发明涉及砂轮磨具制备工艺，尤其涉及一种超细磨粒簇有序排布的电 镀砂轮及其制备方法。


背景技术：

2.传统的超硬磨粒砂轮表面的磨粒多呈随机无序排布状态，使得磨削时法 向力与切向力的比值波动大，磨削比能和磨削温度高。在磨粒密集区，大量 冗余磨粒不能有效利用而增加了砂轮制造成本，同时还严重干扰有效磨粒的 工作，容易堵塞和阻碍磨屑的去除，导致磨削效率降低；在磨粒稀疏区，由 于单个磨粒承载的工作负载大，冲击力大，磨粒容易破碎和脱落，导致磨具 使用寿命降低。
3.虽然常在磨具制备中加入充分混料和造粒工艺，但不能从根本上解决问 题。近年来国内外在磨粒有序排布方面做了很多工作尝试，大量实验表明， 如果人为有序的控制磨粒在胎体中的位置，使之根据不同磨削条件和材料下 进行磨削，能极大改善工具性能，延长寿命，提高磨削表面质量，且减少磨 粒用量，节能高效。
4.公开号为cn103465187a的专利“微结构化大磨粒金刚石砂轮的制造方 法”使用激光束对砂轮表面单层金刚石进行去除加工，通过控制加工轨迹从 而在金刚石砂轮表面形成微沟槽结构，实现织构化砂轮。虽然加工出的微沟 槽有利于磨削液进入磨削区，提高了砂轮的排屑和冷却性能，但是由于砂轮 是非均匀的多元复合体，采用激光对金刚石直接进行微结构加工，其被烧蚀 的对象包括金刚石磨粒和结合剂等，而这两种材料的激光加工性能差异极大， 导致微沟槽加工的结构和尺寸一致性差。同时，该方法针对的是90～500微 米的大磨粒砂轮，无法实现在超细磨粒的砂轮上加工出有序微槽结构。
5.公开号为cn109773671a的专利“一种有序微槽结构多层超硬磨粒电镀 砂轮”先在砂轮基体上涂覆聚乙烯醇胶水，然后利用激光在出数百微米间距 的直线型、斜线型或螺旋形的微沟槽，再将聚乙烯填充至微沟槽内，并溶解 掉基体表层的聚乙烯醇胶水，最后在基体砂轮上进行电镀磨粒，从而形成磨 粒与微沟槽的有序排布。通过此方法制备出的砂轮增加了砂轮的容屑空间， 提高砂轮的排屑能力。但是实现的微沟槽形状单一，无法形成任意几何形状 的有序微结构磨粒簇，并且较难实现几十微米的微结构间距。同时，缺乏砂 轮的修整，磨粒的出刃高度不一致，使得磨削时实际参与磨削的数量减少， 导致砂轮的磨削质量和磨削效率降低。
6.此外，人们还使用激光钎焊法、孔模板排布法、网筛排布法、隔板排布 法及静电排布法等，进行砂轮磨粒的有序排布。但是这些方法工艺流程复杂， 同时针对的都是较大颗粒的磨粒，无法实现超细磨粒及超小间距磨粒簇的有 序排布。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种超细磨粒 簇有序排布的电镀砂轮及其制备方法。本发明制备工艺，以增加砂轮容屑空间， 降低磨削温度，延
长砂轮使用寿命，提高砂轮的磨削效率，改善加工表面质量。
8.本发明的电镀砂轮，砂轮基体外表面分布着有序排布的超细磨粒簇的电镀 层，磨粒簇之间分布着几十微米超小间距的电镀绝缘层，在砂轮的基体外表面呈 现出超细磨粒簇和绝缘层的有序排布。
9.本发明制备工艺，得出磨粒簇排布的最优参数。通过砂轮的修整确保磨粒簇 的出刃高度尽可能的保持一致，显著提高砂轮磨削性能。
10.本发明通过下述技术方案实现：
11.(1)砂轮基体及电镀绝缘层的涂覆
12.为了实现超细磨粒簇有序排布电镀砂轮的制备，首先采用机加工的方法 制造出电镀砂轮的基体，保证砂轮基体圆跳动为0.01～0.05mm；随后对砂轮 基体的外圆周面进行超声去油清洗和干燥处理；最后绝缘层自动喷嘴对砂轮 基体进行多角度的均匀涂覆，并进行烘干处理，在基体表面形成电镀绝缘层。
13.所述砂轮基体材质为高强度合金钢，直径为30～100mm，厚度为3～ 50mm。
14.所述超细磨粒为cbn或金刚石，磨粒大小为40um。
15.所述电镀绝缘层在电镀过程中能抗电镀液的腐蚀，并有很好的绝缘性能。
16.所述的电镀绝缘层涂覆工艺步骤如下：
17.1、将砂轮基体固定在旋转轴上，旋转速度v1为20～30r/min；
18.2、对旋转的砂轮基体进行绝缘层的均匀涂覆，涂覆3～4层，总厚度为 5um～10um。
19.3、将涂覆绝缘层的砂轮基体在80～120℃的环境下，进行1～1.5h烘干 处理。
20.(2)基体的激光加工及超细磨粒簇的优化排布
21.本发明所设计的超细磨粒簇有序排布的电镀砂轮，可以通过调整砂轮基 体的旋转速度v2和激光器的移动速度v3，激光对砂轮基体的电镀绝缘层进行 不同几何形状以及不同排布方式的去除加工；激光加工完成之后，对砂轮基 体进行超声清洗，随后放置电镀溶液里进行超细磨粒的电镀。在电镀过程中， 砂轮基体外圆周面被去除的绝缘层位置形成不同几何形状(盲孔)及不同排 布方式的超细磨粒簇的有序排布。
22.激光加工(盲孔)深度为去除电镀绝缘层直至基体表面下方1～2um。
23.激光可采用纳秒激光，可精确控制去除的绝缘层的排布形状和尺寸大小， 以及精确控制十几至几十微米的排布间距，从而在电镀过程中形成精确可控 的超细磨粒簇的有序排布。激光加工参数为：激光波长为532～1064nm，脉 宽为50～100ns，焦斑直径为10～50um，脉冲重复频率为50～100khz，单脉 冲能量为1～3mj。
24.磨粒簇的几何形状和排布方式可以有多种形式，包括单列倾斜排布和不 同形状的磨粒簇的有序排布。对于单列磨粒的倾斜排布，磨粒是整齐紧密排 布在一条线上的，而每一列中磨粒之间的间距、磨粒带和轴向方向的夹角以 及磨粒带之间的间距是重要的排布参数；对于磨粒簇的排布，其中磨粒簇的 尺寸、磨粒簇的形状、排布的间距和倾斜角度是磨粒簇优化排布的重要参数。
25.磨粒带和磨粒簇的排布参数的优化需要考虑到表面粗糙度、磨削力和磨 削后残余应力等多方面的影响。通过磨削运动学的分析，显示磨粒带和磨粒 簇的排布角度增大会引起磨粒的磨削路径的重叠量增大，导致未变形切屑厚 度的减小，从而使更多的磨粒从切削的材料去除方式转变为犁耕和划擦。进 一步地，通过磨削力和应力场解析法的计算，表
明随着切屑厚度减小的过程 中，总磨削力和总的残余应力场强度会先减小后增加，因此，当排布角度在 60～70
°
左右时，砂轮的综合性能最佳，这也是本发明设定60～70
°
的原因。
26.除此以外，排布的间距增大会导致磨粒的密度降低、磨粒的未变形切屑 厚度增加，但是在确定了磨削参数后(磨削厚度、磨削进给和砂轮转速)，适 当地增大磨粒间距能有效改善磨削性能，降低磨削力和温度，提高参与磨削 的磨粒的占比。因此，排布的间距也存在一定的最优值，对于单列磨粒排布 而言，本发明设定这一间距应该约为2～3倍的磨粒直径，而对于磨粒簇而言 应为2～3倍的磨粒簇直径。
27.所述的磨粒簇的形状有多种选择，包括三角形、矩形、多边形、圆形或 其他某些图形的组合图形。
28.(3)超细磨粒簇有序排布的电镀砂轮的修整
29.电镀完成的砂轮，存在磨粒的出刃高度不一致的问题，如果不加修整直 接用于磨削加工，会导致砂轮的磨削质量和磨削效率降低。利用修整轮对电 镀砂轮上突出高度不一致的磨粒进行磨平修整工作。超细磨粒簇有序排布的 电镀砂轮与修整轮的修整旋转速度，分别为v4和v5。整个修整过程包括两个 过程：第一个过程为粗修整，利用粗修整轮对电镀砂轮进行修整，快速降低 电镀砂轮的圆跳动，使电镀砂轮磨粒的出刃高度的一致性达到80％左右；第 二个过程，利用精修整轮对粗修整后的电镀砂轮进行更精细的修整工作，直 至电镀砂轮磨粒的出刃高度达到90％以上。
30.修整轮安装在机床主轴上，修整轮孔径为10～20mm，直径为30～ 100mm，厚度为3～50mm；修整轮包括粗修整轮和精修整轮，粗修整轮的粒 度为15～30um，精修整轮的粒度为2.5～15um。
31.电镀砂轮和修整轮的修整旋转速v4和v5为300～3000r/min。修整过程中， 修整轮的外圆周面与电镀砂轮的外圆周面相切，并彼此反向转动。
32.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
33.1、利用纳秒激光加工工艺，可以精确控制超细磨粒簇的形状和尺寸大小 以及磨粒簇细小间距的有序排布，有利于增加容屑空间，有效减轻磨削过程 中的震动，同时确保了砂轮磨粒的分布密度，提高砂轮的磨削质量。
34.2、考虑到表面粗糙度、磨削力和磨削后残余应力等多方面的影响，通过 磨削运动学的分析，以及磨削力和应力场解析法的计算，使得的超细磨粒簇 在砂轮表面的排布及其间距更加合理，磨粒簇有序的排布方式和合理的排布 间距有利于磨削屑的排出、磨削液的进入和磨削热的转移等，显著的提高磨 削性能。
35.3、提高方便快捷的砂轮修整工具，降低了磨具的制造成本。有效的砂轮 修整，降低了磨削比能，延长了砂轮的使用寿命，提高了磨削性能。特别针 对玻璃、蓝宝石、陶瓷等典型的脆硬性难加工材料，极大的提高了加工表面 质量，有着良好的应用前景。
附图说明
36.图1为电镀绝缘层涂覆工艺示意图。
37.图2为激光加工去除砂轮基体绝缘层的示意图。
38.图3为图2中局部放大示意图a。
39.图4为图2中局部放大示意图b。
40.图5为电镀砂轮不同几何形状磨粒簇的排布图案的举例一。
41.图6为电镀砂轮不同几何形状磨粒簇的排布图案的举例二。
42.图7为电镀砂轮不同几何形状磨粒簇的排布图案的举例三。
43.图8为电镀砂轮修整工艺示意图。
44.图9为电镀砂轮修整前、后的局部对比示意图。
[0045][0046]
图1至图6的附图标记为：砂轮基体1；喷嘴2；电镀绝缘层3；激光器 4；超细磨粒簇5；修整轮6；修整轮刀柄7；超细磨粒8；垫圈9；锁紧螺母 10；刀杆11。
具体实施方式
[0047]
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0048]
本发明超细磨粒簇有序排布的电镀砂轮制备工艺如下：
[0049]
步骤1：利用机加工方式制造出砂轮基体，保证砂轮基体圆跳动为 0.01～0.05mm。
[0050]
砂轮基体材料为高强度合金钢，直径为30～100mm，厚度为3～50mm。加 工完成后，并对砂轮基体进行超声去油清洗和干燥处理。
[0051]
步骤2：将基体砂轮安装在旋转装置上，并以20～30r/min的v1速度旋转， 对砂轮基体进行多角度的绝缘层的均匀涂覆(可利用能旋转的喷嘴进行喷 涂)。
[0052]
在砂轮基体上涂覆3～4层，绝缘层总厚度为总厚度为5um～10um。
[0053]
涂覆完成后，将砂轮基体置于80～120℃的环境进行1～1.5h进行烘干处理， 从而在基体表面形成电镀绝缘层。绝缘层的涂覆工作示意图如图1所示。
[0054]
步骤3：根据加工表面粗糙度、磨削力和磨削后残余应力等多方面的影响， 通过磨削运动学的分析，确定磨粒簇排布角度在60～70
°
左右，间距为磨粒簇 直径的2～3倍，砂轮的综合性能最佳。
[0055]
磨粒簇的形状有多种选择，包括三角形、矩形、多边形、圆形或其他某 图形的组合，本发明图3给出的磨粒簇形状为矩形、三角形和圆形。
[0056]
步骤4：根据确定好的排布参数，通过协调砂轮基体的旋转速度v2和纳 秒激光器的移动速度v3，对砂轮基体的电镀绝缘层进行不同几何形状以及不 同排布方式的去除加工，激光加工示意图如图2所示。
[0057]
激光加工参数为：激光波长为532～1064nm，脉宽为50～100ns，焦斑直径 为10～50um，脉冲重复频率为50～100khz，单脉冲能量为1～3mj。激光的加 工深度为去除电镀绝缘层直至基体表面下方1～2um。
[0058]
步骤5：砂轮基体进行激光加工完成之后，进行超声清洗，随后放置电镀 溶液里面进行超细磨粒的电镀。电镀液里的磨粒为cbn或金刚石，磨粒大小 为40um。
[0059]
步骤6：砂轮电镀完成后，利用修整轮对其进行修整工作，修整工作分为 粗修整和精修整两个过程，修整工作示意图如图8所示。
[0060]
粗修整过程，利用粗修整轮对电镀砂轮进行修整，快速降低电镀砂轮的 圆跳动，使电镀砂轮磨粒蔟的出刃高度的一致性达到80％左右。
[0061]
精修整过程，利用精修整轮对粗修整后的电镀砂轮进行更精细的修整工 作，使电镀砂轮磨粒蔟的出刃高度达到90％以上(如图9所示)。
[0062]
修整轮孔径为10～20mm，直径为30～100mm，厚度为3～50mm。粗修整 轮的粒度为15～30um，精修整轮的粒度为2.5～15um。修整轮通过自制的修整 轮刀柄进行固定安装在旋转主轴上。电镀砂轮和修整轮的修整转速v4和v5为 300～3000r/min。
[0063]
修整轮刀柄材质为合金钢，包括刀杆、垫圈和锁紧螺母。可适用不同厚 度的修整轮，大大节省了工具制造费用，使用方便、安装便捷。其特征在于： 刀杆为阶梯轴形状，分为前端刀杆和末端刀杆及轴肩三个部分，长度为75～ 150mm。前端刀杆为机床主轴的夹持端，前端刀杆的直径大小可根据机床主 轴的夹持尺寸进行匹配，长度为50～60mm。末端刀杆为修整砂轮、垫圈和锁 紧螺母的安装端；末端刀杆的直径与修整砂轮的孔径相匹配，长度为15～ 55mm；垫圈孔径与末端刀杆直径一致，垫圈厚度可根据修整砂轮厚度进行调 节；末端刀柄的尾部具有与末端刀杆直径相匹配的外螺纹，为锁紧螺母的安 装位置。轴肩的直径与垫圈外圆直径和锁紧螺母的外圆直径相同，为修整砂 轮孔径的1.3～1.6倍。
[0064]
当然，修整轮刀柄结构及材质，也可以是本领域技术人员所熟知的其他 结构形式。
[0065]
如上所述，便可较好地实现本发明。
[0066]
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他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。