植入法生產高效磨削材料的原理和工藝方法

植入法生產高效磨削材料的原理和工藝方法
【專利摘要】本發明公開一種植入法生產高效磨削材料的原理和工藝方法，即把磨料、膠粘劑及填料助劑在不同基材上作層(塊、條、點及其他形狀)狀有程序化間隔起伏堆積的間歇式高效磨削材料的構造、制作原理及工藝方法。工作層的磨削元分布程序為具有一定形狀的磨削元同非磨削間隙所形成的交互狀。上述的工藝、原理和方法打破了傳統固結、涂附和超硬磨削材料生產的界限，使得大小、剛柔之間的合理轉換，滿足功能性、針對性和專業性磨削材料的生產。用該方法生產的磨削材料具有適用廣泛、針對性變化、功能獨特、環保節能、高質高能等優點。應用證明深印植入法生產磨削材料有較高的加工效率，能使傳統磨削材料生產節約30～50％的磨料，20～40％結合劑，磨削材料使用壽命提高1～5倍，使用者的生產率提高1～5倍。
【專利說明】植入法生產高效磨削材料的原理和工藝方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及磨削材料的制備方法，具體涉及一種植入法生產高效磨削材料的原理和工藝方法。
【背景技術】:
[0002]一、磨削材料行業發展概況
[0003]1、磨削材料行業發展簡史
[0004]中國的磨削材料行業從零起步，從無到有，由小變大，經過半個多世紀發展，在上個世紀九十年代，我國磨削材料行業與世界先進水平的差距曾經大大縮小。但是，由于世界材料技術、機械加工工藝和技術，以及科研手段的迅猛發展，在世紀之交的一段時間里，國外磨削材料行業發展迅速，新技術、新產品、新工藝不斷涌現；而這個時期我國的磨削材料行業正處于工業管理體制變革、企業轉軌變型、產業組織結構調整的階段，原有的產業布局被打亂，新的市場秩序正在探索建立，行業發展和技術進步一時處于停滯狀態，使得本來已經縮小的差距又被迅速拉大。
[0005]2、磨削材料企業發展態勢
[0006]當前，世界經濟的發展取向和區域經濟結構正處于巨大的變動之中。在經濟全球化的驅使下，我國的磨削材料的生產企業為適應世界經濟一體化和擴大內需所帶來的機遇與挑戰，企業重組、改制、改革、改造和產品結構的調整步伐也得到迅猛發展，國際化程度日益劇增。
[0007]建國60年來，我國磨削材料生產企業取得了長足的發展，逐步形成了產品種類齊全、具有一定綜合實力的磨削材料生產體系。進而形成了以跨國公司和合資公司及小部分國內公司為主的高端磨削材料生產企業，以國有大中型和部分原國有大中型改制的企業，及近年來迅速發展起來的大型民營和特色民營企業為主的中高端磨削材料生產企業，和以中小民營企業為主的生產中低端磨削材料生產企業三個層次。目前全國年磨削材料產能已經具有相當大的規模，大部分產品領域生產能力過剩。概括地講，半個世紀以來，我國磨削材料生產得到了大的發展，但是與國際頂級磨削材料先進企業相比，則還有一定差距。
[0008](I)總體工藝和裝備水平還有一定差距。我國磨削材料生產企業經過近年來的發展，一些骨干企業的裝備水平有了很大提高，部分工藝和裝備水平達到了與國際接軌的一流現代化水平，但總體工藝和裝備水平與國際磨削材料先進企業相比還有一定差距，特別是在產品研發、自動化和設備及理論集成化應用方面。
[0009](2)過去具有國際競爭力的主要是一些技術含量低、附加值較小的產品，而具有核心技術的大型、高技術產品欠缺。但近年來，狀況雖有改觀，但在基礎的磨料、專業功能磨削材料的開發領域，我國的行動遲緩。
[0010](3)產出效益低下。先進國家磨削材料生產企業的增加值率大體在50%到150%之間，最低的也在30%以上，我國磨削材料生產企業只有5?20%，差距很大，經濟效益低下。[0011](4)由于理論集成化應用不足，在磨削材料的產品工藝、高端產品性能及新品研發方面，與國外先進水平還有相當大的差距。
[0012](5)企業對市場的快速反應能力差。我國磨削材料新產品平均開發周期為18個月，產品的生命周期為10?15年。而國外已實現“三個三”，即產品的生命周期為3年，產品的試制周期為3個月，產品的設計周期為3個星期。
[0013](6)企業規模結構不合理。從產業組織結構來講，我國磨削材料生產企業規模組合極不合理，大型企業大而不強，產業帶動作用不大，小型企業小而不專，協作能力差，企業在市場競爭中陷入了膠著狀態。特別是大型企業的實力尚不能實現規模化經營和集團化運作，難以走向國外與跨國公司抗衡。
[0014]從總體上來看，我國磨削材料行業雖取得了長足的發展。但由于產品自主研發能力薄弱，進入門檻較低，近十幾年一直在模仿、抄襲的基礎上發展與擴張，低效率的消耗著大量寶貴的資源和能源，與國際先進水平相比還有較大差距，主要表現在:1.高技術產品不能滿足市場需求，依賴進口 ；低檔通用產品出現結構性過剩，造成積壓、拖欠貨款和價格戰。2.全行業生產能力已經達到一定規模，但實際生產能力較分散，企業規模小，經濟效益差。3.技術開發能力弱，自有知識產權的產品和技術少，沒有掌握產品開發的主動權。4.產品品種少，技術含量低，制造工藝數據缺乏嚴格的試驗論證，不能保持產品持續的質量穩定。5.磨削材料行業國內名牌含金量低，更少有國際名牌。
[0015]在世界產業格局流轉情況下，我國雖為棕剛玉和碳化硅的生產出口大國。但目前國家開始實施積極的產業結構調政策，提高資源和能源使用成本等手段，棕剛玉和碳化硅為主的高耗能、高污染的發展必將受到限制。
[0016]3、磨削材料產業發展環境
[0017](I)、工業化國家的必然產物
[0018]磨削材料作為制造業、石油開采、礦勘、材料加工等領域的不可缺少和替代的加工工具，作為工業的“牙齒”，隨著一個國家的經濟發展，在基本緩解了基礎產業的“瓶頸”制約后，必將致力于能帶動和促進整個經濟如制造業、石油開采、礦勘、材料加工等主導產業的發展。當今世界工業強國無一不是以上領域的強國，我國要走富國、強國之路，大力發展以上產業也是必然選擇。這將為磨削材料的發展帶來極大的發展機遇。
[0019](2)、經濟全球化大勢所趨
[0020]生產經營的跨區域，又體現在社會消費的跨區域。應該全面、深入理解這一趨勢對我國經濟的影響。國際磨削材料跨國公司進入中國，帶來了資金、先進技術、管理經驗和新的經營理念，給中國經濟注入了活力。產品和服務銷售的全球一體化，對整體市場競爭力相對低下的我國磨削材料生產企業有相當影響。國內市場國際化可能使我國磨削材料生產企業喪失部分國內市場份額，當然，國際市場國內化也使國內企業更易以價廉的中國產品于進入國際市場。
[0021](3)、理論集成化應用、可持續發展
[0022]各國發展經濟越來越集中在提高科技水平上，市場的競爭，主要體現在產品技術水平的競爭上。目前世界上幾個磨削材料生產著名企業，都在遵循自己的發展理念走著不同的道路。發展更加講究產品技術的高起點、市場營銷的高回報，力爭跳出中低產品的競爭圈子。法、美、奧、日等國繼續推進磨削材料生產業整體素質的提高，所以其國際市場競爭力依然不減當年。以韓國、臺灣為代表的后起之秀努力進行產業組織結構調整，優化組合，盡快適應新形勢的挑戰。相比之下，我國磨削材料生產企業結構框架還很散亂，運行機制依然不夠活泛，生產核心運營的科技含量和科研、理論集成化應用潛力不足。所以，在這一大背景下，我國磨削材料生產企業的發展首先是全面提高素質，廣泛吸納國內外的技術成果，充分發揮高新技術的后發優勢，促進產業升級。
[0023](4)、國內需求市場巨大
[0024]全世界磨削材料生產能力已經過剩，各國產業間、各大公司間的對市場的占領更加激烈。巨大的國內市場需求是大力發展我國磨削材料生產的沃土。國家實施的西部大開發、中部崛起、海西經濟區等戰略，加強城鎮化建設，建設西氣東輸、西電東送、南水北調、高原鐵路和高速鐵路等一大批重點工程，加大對傳統產業的改造力度，如此大規模的建設是發達國家經歷過的，也是大多數發展中國家難以做到的，我國磨削材料生產企業應該充分抓住這一歷史機遇，獲得大的發展。
[0025](5)、拉動內需政策和十大產業政策
[0026]在裝備業振興計劃中，高檔磨削材料是其振興發展的內容，這為磨削材料生產企業充分利用國內的技術資源、資本資源、市場資源提供了便利，使磨削材料生產企業能在一個較高的起點上提升產業的技術水平，增強產品的市場競爭能力，同時將促使政府和企業加快、加大各項改革的步調和力度。
[0027]二、磨削材料行業發展趨勢分析
[0028]1、聞效聞精自動化是廣品發展的方向
[0029]磨削材料行業是一個基礎行業，在機械加工始終占據著極其重要地位。就磨削材料而言，有三方面改進與突破意義非凡。第一，磨削材料物理結構改進，如使單位時間內作用工件磨粒數增多、使磨削平均長度增長、使磨削接觸面增大，這些都改變了單位時間磨除量，有效提升了效率；第二，超硬磨削材料應用，主要指以金剛石、CBN等超硬材料和金屬粉末、金屬氧化物作為填充物，以樹脂、陶瓷或金屬結合劑制成磨削材料應用。目前，由超硬磨削材料帶來高精度、高效率磨削效果已被廣泛認可；第三，新型磨削材料出現，如微米級多晶組成陶瓷微晶磨料、含微細金剛石磨粒球殼磨料、超精拋光用聚酯薄膜帶等。這些新型磨削材料所具有的特點，使其磨削加工優勢得到淋漓盡致的展現。
[0030]縱觀磨削領域發展，未來磨削加工將對磨削材料提出更高要求，從目前現狀來判斷，超硬制品恰恰滿足這些新磨削需要。如CBN磨料具有良好熱穩定性、硬度高、耐磨性好等特性，故其制品磨削加工時線速度高、磨削效率高、磨削壽命長，特別適宜加工高速鋼、軸承鋼、不銹鋼、冷激鑄鐵等黑色金屬材料。此外，滿足各種需要的陶瓷結合劑砂輪、大氣孔高速砂輪以及不同加工面、不同磨粒砂輪、金剛石鋸片等都將隨著技術進步而擴大應用范圍,成為磨削加工主流產品。
[0031]磨削材料行業所涉及的產品主要有三大類:一是普通磨削材料，包括剛玉系列和碳化硅、樹脂磨削材料、陶瓷磨削材料等；二是涂附磨削材料，包括砂布、砂紙、砂帶等；三是超硬材料，主要是金剛石、立方氮化硼及制品。磨削是機械加工中不可替代而且是逐漸擴展的加工方法。在當今機械加工方式中，磨削加工之所以重要，正如德國磨削專家Carl.J.Salmon博士所說:“磨削在當今是受材料推動的，它與銑、刨和車削在常規加工材料上的競爭可能難分高下，但一碰到新一代的材料如陶瓷、金屬陶瓷、復合材料、晶須增強材料和超耐高溫合金就不用競爭了。這些材料都只能用磨削加工。”
[0032]高效率、高精度和自動化是現代磨削加工技術追求的目標。首先，精密磨削和超精密磨削:隨著高科技產品的不斷涌現，零件加工精度和表面完整性愈來愈高，傳統磨削正在向超精密磨削、超精密研磨和拋光等方向發展。超精密磨削是一項系統工程，包括高速高精度的磨床主軸、導軌與微進給機構，精密磨削材料及其平衡與修整技術，以及磨削環境的凈化與冷卻方式等。其次，高效率磨削:磨削雖然加工精度和表面粗糙度方面具有無可比擬的優勢，但其材料切除率難以與其它切削抗衡。為了提高磨削效率，采用增大單位時間內作用的磨粒數(如高速磨削、超高速磨削、砂帶磨削等)、增大磨削平均斷面積(如各種重磨削)及增大磨削平均長度(如緩進給深磨、立軸平磨)等許多高效率磨削技術，其中重負荷荒磨、超高速磨削、砂帶磨削和高效深磨技術的發展尤為引人注目。第三，具有微米級多晶組成的陶瓷微晶磨料、用于砂帶磨拋的中空球陶瓷磨料、用于超硬材料研磨的含微細金剛石磨粒的球殼磨料等多種新型磨料的使用；超精拋光用聚酯薄膜帶、含磨料微粉的尼龍絲刷磨輪、鑄鐵結合劑砂輪等多種新磨削材料的出現；厘米級大粒徑人造金剛石的制造；磨料噴射加工、磨料水力噴射加工、粘彈性磨料流擠壓珩磨、整體成形磨削，磁研磨、磁流體精密研磨、低應力磨削、超高速磨削和極低速度磨削等一大批新磨削加工技術的出現和開發等，也是近年世界磨削技術發展的突出方面。
[0033]2、轉型調整成行業發展主旋律
[0034]裝備制造業是為國民經濟各行業提供技術裝備的戰略性產業，關聯度高、吸納就業能力強、技術資金密集，是產業升級、技術進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現。加快振興裝備制造業，必須依托國家重點建設工程，大規模開展重大技術裝備自主化工作；通過加大技術改造投入，增強企業自主創新能力，大幅度提高基礎配套件和基礎工藝水平；加快企業兼并重組和產品更新換代，促進產業結構優化升級，全面提升產業競爭力，磨削材料行業作為一個基礎行業在機械制造和其他金屬加工工業中被廣泛采用，“十二五”產業振興規劃的出臺必定會相應的帶動磨削材料行業的發展，同時也會對磨削材料產業提出新的要求。產品的高品質、新品種等成了磨削材料行業所要追求的目標。規劃中提出的自主創新、技術改造、淘汰落后、優化布局，推進結構調整和產業升級等一系列的舉措對于磨削材料來說是個機遇，尤其是現在行業正處國際經濟情況不好的情況下，通過一系列的調整不僅可以優化整個行業更能帶動行業新一輪的繁榮。自主創新、轉型調整一直是磨削材料行業探討的話題，創新能促進發展，創新能造就品牌，但行業在這方面的研究一直很薄弱，此次規劃的出臺對與磨削材料行業來說不僅僅是個契機，更是一種推動力。
[0035]金融危機的經歷讓更多的企業意識到不能靠以往的貼牌銷售、仿制銷售為生存方式，只有扎實的研制具有獨特特色的產品才能穩扎于市場的浪潮中，才能所謂真正的促進行業發展。目前研磨行業最大的難題是需求不足、出口受挫；第二塊就是創新不足，市場產品質量良莠不齊，必須改變傳統的增長方式，利用科技創新來推動行業快速健康發展。磨削材料作為五金制品的“面子”處理工具，一直牽動著整個五金行業發展的神經，在這次全球的多米諾式的金融的動蕩中，國內的經濟已經面臨著升級轉型和格局調整。
[0036]3、環保、節約、低碳成產業發展關鍵詞
[0037]受國際經濟金融危機沖擊條件下，所有的傳統產業都在面臨著產業升級兩方面的壓力，那就是排放與能耗。調整經濟結構、轉變以“高投入、高消耗、高排放、不協調、難循環、低效率”為特征的經濟增長方式，努力建設節約型、環保型和創新型的生產強國，政府對能源、資源、排污等的約束力加大。而磨料的生產正屬于能源資源消耗型且有污染排放，國家對此必定有所控制；另一方面，能源、原材料、運力、資金成本等等的壓力使企業利潤縮減，同樣也必定影響到能源消耗大戶，其中也包括磨削行業。
[0038]三、磨削材料行業發展策略
[0039]磨削材料行業的發展策略是信息化、技術集成化、自動化、智能化、綠色環保、經濟高效、靈活和擁有自己特色的企業和產品文化。是用工程的觀點，采用系統工程理論、集成技術、國際及國家的法律法規及慣例要求、工廠建設與管理、現代信息技術、企業文化建設等理論，研究實施磨削材料生產企業的發展的工程理念、方法和途徑。
[0040]在全球經濟一體化的大趨勢下，中國經濟與全球經濟的發展息息相關，國內外市場相互融合，中國磨削材料企業必須恰如其份地參與國際分工，滿足國際標準、國際管理及國家和地區的法律法規、及不同地區經濟發展層次等社會化要求，明確市場定位，即確立自己的服務領域和服務對象，以此確立一定時期內的發展規模、產品技術取向和特點。磨削材料行業發展要用整體和一體化的概念，按現代化磨削材料企業的理念來建設，展現企業文化內涵，提升企業的綜合競爭力和核心競爭力。從過去的僅單一要求滿足產品性能要求，提升到要求能整體滿足節能環保、勞動安全衛生、現代化生產管理、營銷節拍、企業文化和企業形象的一體化要求。同時又要根據每個磨削材料企業的個性化特點,來策劃和確定磨削材料生產企業的專門適應性的生產、管理運作和企業文化系統。使企業具有專門生產工藝技術、及專業性和針對性的產品，確定企業產品的定位，最佳地保障市場對產品的需求。
[0041]四、磨削材料市場發展前景
[0042]國內普通的磨料磨具、涂附磨具和超硬磨具等磨削材料屬于傳統產品，擁有國內相對穩定的市場。隨著我國數控機床、鋼鐵、汽車、造船業及軸承等行業的發展，大量引進國外生產技術和工藝裝備，采用高效、精密、自動化、專用磨削材料的加工工藝，相應地對磨削材料質量和水平提出了更高的要求。目前，我國高品質的磨削材料產品市場供不應求。
[0043]這不是我國的磨削材料的需求量不高、沒有市場，而是我國制造的磨削材料品種還比較少，加工水平和產品質量仍然低于國外同類產品，新型、高效、專用、重負荷強力和精密磨削用磨削材料大部分還依賴進口。其中如何解決我們的磨削材料的制造水平，絕對是一次機遇和挑戰。
[0044]近十年國內外超硬磨削材料應用不斷取得新進展:金剛石和立方氮化硼(CBN)磨料因其高硬度和優良的耐磨性能，不僅在陶瓷、玻璃、石材、半導體等硬脆材料加工有廣泛應用，而且具有耐久性和超高速的特點，在一般鋼材的加工中發揮著日益突出的作用。磨削材料行業里有一種說法:未來磨削材料的發展趨勢是B (CBN立方氮化硼)代替A(剛玉系列)，D(金剛石)代替C(碳化硅)。超硬材料磨削材料非常適宜自動化生產穩定地進行高精度磨削。為超硬材料的應用創造了強有力的物質基礎。從整個超硬材料行業的發展來看，我國超硬材料的原輔材料已形成生產規模，但制品尚處于發展階段，制品相對于原輔材料的升值空間較大
[0045]由于磨削和磨床技術發展迅速，對磨削材料產品性能和質量的要求都比較高，目前的傳統磨削材料產品生產工藝比較復雜、能耗較大，對環境也有很大的污染，且生產的產品難以滿足現代加工業的需求。而我們的發明專利植入法生產高效磨削材料正是在(授權專利號:ZL200910023017.8無機高分子磨具的制備方法)基礎上衍生發展而來，有效解決了當前行業這些難解決或不易解決的問題。

【發明內容】

[0046]磨削材料我們的定義是磨削材料磨粒復合材料的一種，廣義的磨削材料是指采用磨粒以一種形式(如固定、自由)或通過依附一種載體來切除工件上多余材料或使材料改變形狀的加工工具，狹義的磨削材料中的磨粒是指以一定的線速度、微小的切削厚度進行精加工的一種功能性復合材料。隨著超硬磨料和其他新磨粒的出現及精加工材料種類、制造技術要求的提高，磨削材料作為一種精密加工工具，而且是一種高效的加工工具，這就對磨削材料提出更高的要求。這也是我們站在新時代對材料加工需要的基礎上重新定義的。
[0047]陜西德賽科技原創性的植入法生產的高效磨削材料，是在材料學科的體系下，以復合材料的理念為基礎，以摩擦學作指導，以微切削為應用理論，通過無機高分子材料的介入，把各種磨粒與無機高分子材料以物理的、化學的、機械的、加工制造的、材料科學的和摩擦學的各領域的融合，以滿足對不同材料的最佳磨削加工解決方案為最終目的，打破傳統磨料磨削材料、涂附磨削材料、超硬磨削材料固有的認識和制成觀念，以一種全新的理念和展現方式，解決現在磨削材料對不同材料的磨削加工應對方案不能或不易解決的問題，進而實現磨削材料專業性、針對性和功能性的應用。提出從材料角度來看待磨削材料及應用，從專業的角度來完成磨削材料的針對性和功能性；以無機高分子材料介入磨削材料的基礎理論數據的整理、歸類及微切削理論的應用驗證；固結磨削材料、堆積磨料的應用研發；強力磨砂帶、金剛石和CBN砂帶及堆積磨料在涂附領域的應用研發；無機高分子材料與超硬磨粒在應用領域的研發。從而完成磨削材料體系的構建。
[0048]本發明公開一種把磨料、膠粘劑、填料及助劑在不同基材上作層(條、塊、點及其他形狀)狀有程序化間隔起伏堆積的間歇式高效磨削材料的構造、制作原理及工藝方法。工作層的磨削元分布程序為具有一定形狀的磨削元同非磨削間隙所形成的交互狀。上述的工藝、原理和方法打破了傳統固結、涂附和超硬磨削材料生產的界限，使得大小、剛柔之間的合理轉換，滿足功能性、針對性和專業性磨削材料的生產。
[0049]工作層的磨削元分布程序為具有一定形狀的磨削元同非磨削間隙所形成的交互狀。它的基本參數包括:磨削元寬度a，長度L，間距t，高度h，錯位e，磨削元線傾斜角β，磨削元組相傾斜角Y，組植砂系數Ka即磨削元所占據的面積與總面積的比值，運動磨削元形成狀態對空氣動力學的排屑特征等。見附圖1。
[0050]制作植入法生產高效磨削材料的原理和工藝方法利用了印刷業上的深印刷原理，即可用設計的程序(模型)把各種磨料、結合劑和其它填料助劑形成的漿料印涂植入在不同的基體上；也可在底膠機上使用程序(模型)筒代替原實心涂膠筒，通過程序筒上的底膠印在基體上后，再在基體采用機械或靜電植入兩種多次單層植入堆積方式，比較好的方法是在靜電場里使磨料形成幾何定位；另外，利用點膠法或3D打印法也可達到同樣的效果。
[0051]使用植入法生產的高效磨削材料提高磨削效率這一總任務不但包括一系列理論問題，這些問題涉及以下幾個方面:單個磨粒和磨削元的切削動力學，切削能力，被加工表面的粗糙度，程序化波狀間隔起伏同被加工表面的接觸區間的冷卻條件，磨粒顯微切削模型，磨削材料和毛坯的最佳接觸面積，運動磨削元形成狀態對空氣動力學的排屑、降溫特征等。同時，提高磨削效率的現代方向之一是有效選擇使用剛柔、大小、薄厚、形狀承載不同磨料的磨削材料，把傳統固結、涂附、超硬行業有機的統一。完成提高剛柔、大小、薄厚、形狀的磨削材料的生產方法是使用合適的基體，結合劑和填充料，而這些是我們靠植入設計法生產的高效磨削材料及轉化來達到此目的。其特點主要在于:
[0052]1、植入法生產的高效磨削材料既有傳統砂輪的剛性接觸磨削，又有傳統砂帶的彈性接觸磨削。形象的可以說稱把不同專業性、針對性、功能性的磨削的小砂輪單元種植在不同材質的基體上形成植入法生產的高效磨削材料。從而使這種植入法生產的高效磨削材料既有傳統砂輪的磨削特性，又有傳統砂帶的磨削特性。同時，用該方法生產的磨削材料具有適用廣泛、針對性變化、功能獨特、環保節能、高質高能等優點。
[0053]2、在加工具體毛坯時需遵循一定的工藝規范:加工速度、接觸區壓力、切削力、磨肖IJ、鋒利、時間和排屑等。通過對磨削機理和磨削工藝的研究，揭示各種磨削過程、磨削現象的本質，找出其變化規律。例如磨削力、磨削功率、磨削熱及磨削溫度的分布、切屑的形成過程及磨削過程的排除、磨削燒傷、磨削表面完整性等的影響因素和條件；不同工件材料(特別是難加工材料和特殊功能材料)和磨削條件的最佳磨削參數；植入法生產的高效磨削材料的磨削性能實現，正是通過磨削機理和磨削工藝的研究的基礎上，設計的程序(模型)，使不同形狀、大小的磨料組合的磨削單元在有機、科學、合理組成方式及結構上展示磨削性能，同時使自身整體結構在磨削過程中引入空氣動力學實現降溫、排屑的基礎上，確定最佳的磨削范圍，獲取最佳的磨削參數。這也是本發明的重要特點。
[0054]采用植入法設計生產的高效磨削材料對磨削加工過程的參數進行控制，才能制作出具有針對性、功能性、專業性的不同磨粒組成、排布、形狀程序的磨削材料有了可能性。其方法是選擇最佳植入法生產的高效磨削材料基礎，對于所要探索的工藝過程來說，確定植入法生產的高效磨削材料的最佳結構在于:在了解磨料特征(粒度、總類、磨料組成，粒度級配即每個粒度號中各個粒級的不同尺寸等)、毛坯特征和加工時二者相互作用規律基礎上選擇工作層的波狀間隔結構，所選結構要能確保在達到必須的工件質量前提下使植入法生產的高效磨削材料有最佳磨削效率。制作此種磨削材料要建立在以下基礎上:確立決定植入法生產的高效磨削材料結構特點的各參數與加工過程工藝特征之間的函數關系，這些工藝特征的組合就組成了數學模型。
[0055]3、植入法生產的高效磨削材料的每個磨削單元從形式來看是多層磨料積累。植入法生產的高效磨削材料在起伏間隔結構參數的優化基礎上為測量被加工表面的粗糙度和磨除量大小，其既具有傳統固結磨削材料疊加切削刃剖面，又具有傳統涂附磨削材料不同尺寸的顆粒的等高排列概率的切削刃剖面。這樣一來，植入法生產的高效磨削材料的剖面較平整，切削顆粒數量增加。另外，植入法生產的高效磨削材料的多層磨料組成的磨削單元比傳統的涂附磨削材料的單層磨削材料使用壽命大大延長，也增加了傳統固結、涂附和超硬磨削材料的排屑、降溫功能；同時，把傳統固結磨削材料的修正方法移植到植入法生產的高效磨削材料中來，也大大提高植入法生產的高效磨削材料的磨削精度。
[0056]4、對普通磨削而言，在磨削機理和磨削工藝方面已開展了廣泛而深入的研究。但在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削機理和磨削工藝方面，針對不同的工程材料(如陶瓷和玻璃)，國內外雖然開展了一些研究，但還很不全面，尚未形成完整的理論體系，未找出其內在的規律。而植入法生產的高效磨削材料卻很好的解決了:1.磨削過程中的磨削現象(如磨削力、磨削溫度、磨削燒傷及裂紋等)；2.磨削工藝參數優化的研究；3.不同材料(常用材料)的磨削機理的研究；4.磨削過程的計算機模擬與仿真的研究。
[0057]同時，植入法生產高效磨削材料解決了磨削材料行業一些關鍵技術，如:1.磨削材料基體材料及制造技術的開發、設計及其優化；i1.磨削元新型粘結劑(特別是適用于制造微細磨料磨削材料的粘結劑)的研究；ii1.新型磨削材料的制備工藝；iv.新型磨削材料的制造工藝，既要使磨削具有足夠的容屑空間并在空氣動力的參與下排除，同時也要有更好的磨料凸出性適合于超精密磨削的超微粉磨削元的組成。
[0058]5、磨削加工過程是一個復雜的過程，由于磨削元的磨粒尺寸、形狀和磨粒分布的隨機性以及磨削運動規律的復雜性，給磨削機理研究帶來困難。應用計算機模擬磨削加工過程，能有效地研究分析這種復雜多因素問題，對磨削區工件表層溫度分布的研究和磨削過程顫振的模擬計算說明了這一點。當前，隨著計算機技術的迅速發展使得完全數字模擬磨削的整個過程并獲得模擬加工表面成為可能。本發明中用數字模擬了磨削，并把磨削過程中的重要數據和結果以圖表形式反映出來，使得磨削過程及影響因素直觀明了，進而對磨削機理進行了研究。計算機模擬不僅能作為一種分析與研究磨削過程的快捷方法，而且它不再象實驗研究那樣受客觀條件限制，能拓寬研究范圍和研究內容。
[0059]利用計算機進行磨削基本參數及磨削工藝的仿真是一個重要的研究課題。利用計算機仿真，可以模擬磨削過程，并能分析和預測不同條件下磨削效果和磨削的性能，但仿真必須建立在有充分實驗數據的基礎之上。并對使用植入法生產的高效磨削材料地貌模型進行仿真，能對磨屑形成過程、能量轉換、磨削力變化、磨削區溫度、空氣動力降溫排屑、磨削精度和磨削表面質量進行仿真。
[0060]在磨削過程中，磨粒被擠進磨削對象的尺寸和下列因素有關:磨粒自身尺寸、切削力Py和Pz，顯微切削參數(顯微切削深度ay、速度V)和被加工材料特點。所以植入法生產的高效磨削材料的最佳波間隔狀結構間歇磨削的數學模型的主要環節是模擬顯微切削過程。切削形成過程可描繪成一個不可壓縮的介質的穩定的塑性不等溫流，這使得利用實心介質的力學關系有了可能性。顯微切削模型的解算建立在保角映算法和有限元法合并的基礎上，這使得可找到被加工材料里的溫度和應力分布情況，并可求出函數關系式:Py =Py (ay, v)和Pz = Pz (ay, V)。上述關系式是計算植入法生產的高效磨削材料最佳結構的基礎。植入法生產的高效磨削材料最佳結構算法流程見附圖2。
[0061]植入法生產的高效磨削材料結構最佳化的途徑是根據要求的粗糙度和規定的加工工藝制定算出植砂系數Ka，以便在磨削過程中空氣動力學參與的情況下能充分實現磨粒的切削、排屑、降溫性能。因為植砂系數是未知參數，并且在模型的許多函數關系中使用其作為原始參數，因此它的最佳參數選定采用極值隨機尋找法，以縮小尋找范圍。
[0062]我們建立的數學模型算法用一系列TURBO Basic語言程序形式來實現，這使得可在磨削材料設計階段為選擇植入法生產的高效磨削材料具體結構提供依據，以達到所需的加工工藝參數。所進行的不同加工工藝規范的計算表明，磨削元植柔性基體上的入系數的最佳值的范圍為Ka = 0.4?0.8，磨削元寬度范圍為a = 2?3mm，高度范圍為h = 0.7?3mm ;磨削元鋼性基體上的入系數的最佳值的范圍為Ka = 0.6?0.8,磨削元寬度范圍為a=3?10mm,高度范圍為h = 5?10mnin
[0063]總之，植入法生產的高效磨削材料是根據切削能力、磨削材料使用壽命、被加工表面的粗糙度、磨損情況、磨削系數、切削力、磨削溫度、排屑方式、空氣動力學、磨除金屬的單位能耗評價了其磨削效率，試驗應用表明，植入法生產的高效磨削材料在所有參數方面均大大優于工作層帶連續工作的同類磨削材料。
[0064]植入法生產的高效磨削材料的工藝:
[0065]利用了印刷業上的深印刷原理，即可用設計的程序(模型)把各種磨料、結合劑和其它填料助劑形成的漿料刮涂深印在不同的基體上:
【具體實施方式】:
[0066]下面結合本發明做進一步說明:
[0067]本發明所提供的植入法生產的高效磨削材料的制備方法是通過以下步驟實現的:成型工藝流程見附圖3:具體如下:
[0068]a.根據產品的針對性、功能性和專業性設計產品的配方；
[0069]b.對設計好的配方按配比進行稱重；
[0070]c.將配方中的磨料和填料攪拌均勻；磨料與無機高分子結合劑配合使用時，先對磨料表面的酸性成分進行處理，其中磨料為剛玉類磨料、碳化硅、氮化硅、金剛石、立方氮化硼(CBN)類磨料一種或幾種，磨料粒度相應級配；其中填料為氧化鐵、銅粉、硫化鐵、冰晶石、螢石、玻璃砂、粘土、硅灰石或無機礦物顏料；
[0071]d.將配方中的無機高分子結合劑和助劑攪拌均勻，形成混合料；其中無機高分子結合劑在使用前要攪拌均勻；助劑包括蜂蜜、紅糖、表面活性劑以及有機聚合物，并在使用時需先和結合劑混合均勻，助劑的蜂蜜、紅糖為直鏈化合物，其作用是在高溫磨削時消除應力產生的微裂紋；有機聚合物為苯乙烯-丁二烯嵌段共聚體(SBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚體(EVA)等熱塑性有機化合物和其它表面助劑。其中有機高聚物的加入可以生產更具柔性的磨削元；表面活性劑可以改變混合材料的界面效應，提高整體效果；
[0072]e.將攪拌均勻的磨料和填料在混料鍋內攪拌均勻后加入結合劑和助劑的混合料，經充分攪拌后形成均勻的拌合漿料。在設計的程序(模型)把各種磨料、結合劑和其它填料助劑形成的漿料刮涂植入在不同的基體上，其中基體是經過處理過的:對棉、聚酯、滌綸布基要經過去漿、燎毛、浸膠、拉伸、烘干定型處理；對棉、聚酯、滌綸、人造纖維網格等基體要經過浸膠、拉伸、烘干定型處理；對金屬絲網格要經防腐處理；
[0073]f.對通過設計的程序(模型)成形在基體上的材料在生產線上靜置8?15分鐘后進入烘道硬化，硬化后的毛坯成卷；
[0074]g.對成卷后的高效磨削材料毛坯按功用進行修整、加工。對成卷的高效磨削材料毛坯進行加工、修整、包括整體和按功用轉化兩種。整體加工、修整、是對整卷毛坯的殘缺、平整檢測；按功用轉化加工、修整、是對整卷毛坯按功用需要裁制后，或層壓粘結成砂輪和切片，或纏繞粘結成砂輪，或直接黏附在其它基體上形成專用材料；
[0075]h.對修整、加工過的高效磨削材料毛坯進行加溫瓷化固結，并對加溫瓷化固結后的高效磨削材料進行加工、修整、檢測、成品入庫。
[0076]其中固結包括低溫瓷化固結，微波瓷化固結、以及飽和蒸汽瓷化固結。低溫瓷化固結是按照生產磨具的參考溫控曲線進行，具體是:首先在50°C的環境中保溫2小時后，再經I小時升溫至70°C，然后再保溫10?15小時后，再經2小時加溫至90°C，然后再保溫10?15小時，經2小時加溫至95°C，保溫10-15小時；經2小時加溫至100°C，保溫10-15小時；經2小時加溫至120°C，保溫20-50小時后使其自然降至室溫。不同產品，在各溫度控制段的升溫、保溫時間相應改變。
[0077]微波固結是將磨削材料毛坯置于微波環境下瓷化固結，使用微波固結的方式以在10?24個小時內完成，并且節能、快捷效果顯著。
[0078]飽和蒸汽固結是將磨削材料毛坯置于飽和蒸汽環境下瓷化固結，通過飽和蒸汽固結可生產出比包括低溫瓷化固結更高質量的植入法生產的高效磨削材料。
[0079]例如，實驗室條件下在雙頭砂帶磨削試驗儀器上進行了表面縱磨對比試驗，不用冷卻液，對于粒度號為24#的鋯剛玉涂附磨削材料來說，植入法生產的高效磨削材料和同類進口的美國諾頓公司、韓國鹿牌和國產砂帶的切削能力進行對比。在同樣的加工規范下，加工金屬的硬度為59Rc，鋼件是52100鋼，圓柱形金屬工件，直徑為2.5cm，磨削材料速度保持約15米/秒,進給力1.019kg/cm2。試驗表明,得到以下切削能力值:
[0080]-植入法生產的高效磨削材料(Ka = 0.6,條形構造a = 2mm, L = 8mm, t = 2mm,
h = lmm)切削能力為3226.58克；
[0081]——國產某品牌切削能力為470克；
[0082]——美國諾頓公司R889涂附磨削材料切削能力為1660.5克；
[0083]——韓國鹿牌PZ533涂附磨削材料切削能力為1038.96克。
[0084]除此之外，上述磨削試驗還做了使用壽命對比，試驗表明，植入法生產的高效磨削材料具有足夠的彈性和耐磨性，每條砂帶的使用時間:
[0085]——植入法生產的高效磨削材料使用壽命為250min以上；
[0086]——國產某品牌使用壽命為67min ；
[0087]——美國諾頓公司R889涂附磨削材料使用壽命為160min ；
[0088]——韓國鹿牌PZ533涂附磨削材料使用壽命為120min。
[0089]綜上所述，上述試驗材料證明帶波狀工作層的涂附磨削材料有較高的加工效率，能使磨削材料生產者節約30?50%的磨料，20?40%結合劑，磨削材料使用壽命提高I?5倍，使用者的生產率提高I?5倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是間歇式高效磨削材料的構造圖。
圖2是植入法生產的高效磨削材料最佳結構算法流程方框圖。
圖3是植入法生產的高效磨削材料的制備方法成型工藝流程。
【權利要求】
1.一種植入法生產高效磨削材料的原理和工藝方法，其特征在于:所述制備方法包括以下步驟:1).根據產品的針對性、功能性和專業性相應的產品配方設計；2).對設計好的配方按配比進行稱重；3).將配方中的磨料和填料攪拌均勻；磨料與無機高分子結合劑配合使用時，先對磨料表面的酸性成分進行處理，其中磨料為剛玉類磨料、碳化硅、氮化硅、金剛石、立方氮化硼(CBN)類磨料一種或幾種，磨料粒度相應級配；其中填料為氧化鐵、銅粉、硫化鐵、冰晶石、螢石、玻璃砂、粘土、硅灰石或無機礦物顏料；4).將配方中的無機高分子結合劑和助劑攪拌均勻，形成混合料；其中無機高分子結合劑在使用前要攪拌均勻；助劑包括蜂蜜、紅糖、表面活性劑以及有機聚合物，并在使用時需先和結合劑混合均勻，助劑的蜂蜜、紅糖為直鏈化合物，其作用是在高溫磨削時消除應力產生的微裂紋；有機聚合物為苯乙烯-丁二烯嵌段共聚體(SBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚體(EVA)等熱塑性有機化合物和其它表面助劑。其中有機高聚物的加入可以生產更具柔性的磨削元；表面活性劑可以改變混合材料的界面效應，提高整體效果；5).將攪拌均勻的磨料和填料在混料鍋內攪拌均勻后加入結合劑和助劑的混合料，經充分攪拌后形成均勻的拌合漿料。在設計的程序(模型)把各種磨料、結合劑和其它填料助劑形成的漿料刮涂植入在不同的基體上，其中基體是經過處理過的:對棉、聚酯、滌綸布基要經過去漿、燎毛、浸膠、拉伸、烘干定型處理；對棉、聚酯、滌綸、人造纖維網格等基體要經過浸膠、拉伸、烘干定型處理；對金屬絲網格要經防腐處理；6).對通過設計的程序(模型)成形在基體上的材料在生產線上靜置8~15分鐘后進入烘道硬化，然后成卷；7).對成卷后的高效磨削材料按功用進行修整、加工。對成卷的高效磨削材料毛坯進行進行加工、修整、包括整體和按功用轉化兩種。整體加工、修整、是對整卷毛坯的殘缺、平整檢測；按功用轉化加工、修整、是對整卷毛坯按功用需要裁制后，或層壓粘結成砂輪和切片，或纏繞粘結成砂輪，或直接黏附在其它基體上形成專用材料；8).對修整、加工過的高效磨削材料毛坯進行加溫瓷化固結，并對加溫瓷化固結后的高效磨削材料進行加工、修整、檢測、成品入庫。
2.根據權利要求1所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:產品的針對性、功能性和專業性設計；所述步驟5)中的設計的程序(模型)原理和工藝方法是利用了印刷業上的深印原理，即可用設計的程序(模型)把各種磨料、結合劑和其它填料助劑形成的漿料印涂在不同的基體上。
3.根據權利要求2所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:根據進行不同的加工工藝規范的計算表明，磨削元植柔性基體上的入系數的最佳值的范圍為Ka=0.4~0.8,磨削元寬度范圍為a = 2~3mm,高度范圍為h = 0.7~3mm ;磨削元鋼性基體上的入系數的最佳值的范圍為Ka = 0.6~0.8，磨削元寬度范圍為a = 3~10mm，高度范圍為h = 5~10mm。
4.根據權利要求3所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:也可在底膠機上使用程序(模型)筒代替原實心涂膠筒，通過程序筒上的底膠印在基體上后，再在基體采用機械或靜電植砂兩種多次單層植入堆積方式，這其中比較好的方法是在靜電場里使磨料形成幾何定位；另外，利用點膠法植入或3D打印法植入也可達到同樣的效果。
5.根據權利要求1.2.3.4所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:植入法生產的高效磨削材料的每個磨削單元從形式來看是多層磨料積累，植入法生產的高效磨削材料起伏間隔結構參數的優選法的基礎為測量被加工表面的粗糙度和磨除量大小，其既具有傳統固結磨削材料疊加切削刃剖面，又具有傳統涂附磨削材料不同尺寸的顆粒的等高排列概率的切削刃剖面。同時，這樣的設計使自身整體結構在磨削過程中引入空氣動力學實現降溫、排屑，是其重大特點。另外，植入法生產的高效磨削材料的多層磨料組成的磨削單元比傳統的涂附磨削材料的單層磨削材料使用壽命大大延長；同時，把傳統固結磨削材料的修正方法移植到植入法生產的高效磨削材料中來，也大大提高植入法生產的高效磨削材料的磨削精度。
6.根據權利要求1所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，所述步驟7)中的固結包括:低溫熱固結，微波固結、以及飽和蒸汽固結。
7.根據權利要求5所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述低溫瓷化固結是按照生產磨削材料的參考溫控曲線進行，具體是: a.在50°C的環境中保溫5小時； b.經I小時升溫至70°C，保溫10-15小時； c.經2小時加溫至90°C，保溫10-15小時； d.經2小時加溫至95°C，保溫10-15小時； e.經2小時加溫至100。。，保溫10-15小時； f.經2小時加溫至120°C，保溫20-50小時；` g.使其自然降至室溫。 不同產品，在各溫度控制段的升溫、保溫時間相應改變。
8.根據權利要求6所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述微波固結是將成磨削材料毛坯置于微波環境下瓷化固結，使用微波固結的方式以在10~24個小時內完成，并且節能、快捷效果顯著。
9.根據權利要求6所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述飽和蒸汽固結將磨削材料毛坯置于飽和蒸汽環境下瓷化固結，過飽和蒸汽固結可生比固結包括低溫瓷化固結更高質量的植入法生產的高效磨削材料。
10.根據權利要求1所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中的磨料與無機高分子結合劑配合使用時，對磨料表面的酸性成分進行處理；所述磨料在磨削材料生產過程中需經過堿洗。
11.根據權利要求2所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述磨料為剛玉類磨料、碳化硅、氮化硅、立方氮化硼、金剛石類的一種或多種組合。
12.根據權利要求1所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中的填料氧化鐵、銅粉、硫化鐵、冰晶石、螢石、玻璃砂、粘土、硅灰石或無機礦物顏料。
13.根據權利要求1所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述步驟4)中的助劑的蜂蜜、紅糖為直鏈化合物，其作用是在高溫磨削時消除應力產生的微裂紋；有機聚合物為苯乙烯-丁二烯嵌段共聚體(SBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚體(EVA)等熱塑性有機化合物和其它表面助劑。其中有機高聚物的加入可以生產更具柔性的磨削元；表面活性劑可以改變混合材料的界面效應，提高整體效果。
14.根據權利要求1所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述步驟5)中基體要經過處理:對棉、聚酯、滌綸布基要經過去漿、燎毛、浸膠、拉伸、烘干定型處理；對棉、聚酯、滌綸、人造纖維網格等基體要經過浸膠、拉伸、烘干定型處理；對金屬絲網格要經防腐處理。
15.根據權利要求1所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述步驟7)中對成卷的高效磨削材料毛坯進行加工、修整，包括整體和按功用轉化兩種。
16.根據權利要求15所述的植入法生產高效磨削材料的制備方法，其特征在于:所述步驟7)中整體加工、修整、是對整卷毛坯的殘缺、平整檢測；按功用轉化加工、修整、是對整卷毛坯按功用需要裁制后，或層壓粘結成砂輪和切片，或纏繞粘結成砂輪，或直接黏附在其它基體上形成專用材料。
【文檔編號】B24D18/00GK103506967SQ201310277035
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月3日 優先權日:2013年7月3日
【發明者】黃曦 申請人:陜西德賽新材料科技有限公司