CN102198641B - 叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮，包括砂轮基体，砂轮基体的工作表面具有符合生物学叶序理论的多个磨粒或磨粒族，多个磨粒或磨粒族通过金属结合剂固定在砂轮基体上，多个磨粒或磨粒族按生物学的叶序理论形成多条逆时针叶列线沟槽，和多条顺时针叶列线沟槽。本发明可确保砂轮工作表面磨粒或磨粒族排布符合叶序理论的H.Vogel模型，实现砂轮工作表面的地貌形态可控性。磨料的固结使用镍或镍钴合金作为结合剂固结。该砂轮能够控制磨削区域内磨粒切削状态、冷却液的分布和磨削温度分布，达到最小的磨削力与比能耗、最小的磨削温度与烧伤，最小的砂轮磨损和最佳的工件表面完整性等，提高了超硬磨料砂轮端面磨削的综合磨削性能。
Description
技术领域
本发明属于高效精密磨削加工领域，是一种新型的超硬磨料磨具的设计与制造方法。该砂轮的特点是把生物学中的叶序理论应用到磨削加工中的砂轮设计及制造领域中，使端面磨削用超硬磨料砂轮表面形貌满足葵花籽粒分布排列的H.Vogel 模型。主要应用于磨削加工光学零件、半导体晶片、陶瓷零件和难加工金属材料零件等的制造领域过程中，能够获得较高的表面完整性，减低磨削热损伤、磨削力和比能耗，提高砂轮的使用寿命和磨削效率，对高效精密磨削精密零件有着重要的意义。
背景技术
磨削加工是机械制造中重要的加工工艺。随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高，难加工金属材料、工程陶瓷材料、光学晶体材料和半导体材料的应用增多，给磨削加工提出了许多新挑战，在这种情况下超硬磨料磨具得到了广泛的发展和应用。根据磨削原理可知，影响磨削加工过程的因素很多，例如磨粒粒度、有效磨粒数、切削厚度、切削宽度和接触弧长等因素。在众多的影响因素中，砂轮表面磨粒的分布情况对加工精度的影响最大。目前超硬磨料砂轮表面的磨料分布是一种随机分布，而且是不可控的。随机分布带来无效磨削刃和磨削比能耗增大，砂轮阻塞和磨削表面损伤大问题，因此，如何实现砂轮表面工程化可控是领域的技术关键所在。
近年来，磨粒有序化排布和开槽砂轮的研究表明，特定的砂轮的地貌特征和砂轮的结构在提高砂轮的磨削性能方面有显著效果，但在砂轮表面设计参数的合理化选择问题上缺少理论依据。如果参数选择不当，就会引起磨削的不稳定性和磨削效率低下。因此本发明基于生物学的进化结果而得到的叶序排布理论，来设计制造实现砂轮工作表面磨料的排布，实现砂轮表面磨料分布的可控性，解决上面所述的磨削中问题。实现端面磨削用超硬磨料砂轮的高效精密磨削。
发明内容
本发明的目的是为解决上述磨削中的问题而提供一种叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮及其生产方法
采用的技术方案是：
本发明的叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮，包括砂轮基体，其特征在于所述的砂轮基体的工作表面具有符合生物学叶序理论的多个磨粒或磨粒族，多个磨粒或磨粒族通过金属结合剂固定在砂轮基体上，多个磨粒或磨粒族按生物学的叶序理论形成多条逆时针叶列线沟槽，和多条顺时针叶列线沟槽。
本发明的叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮的生产方法，包括以下工艺过程：
首先，设计并制造出砂轮基体，砂轮基体的材料是碳钢，砂轮基体的硬度在HRC40以上，直径可根据使用要求确定；然后，更根据砂轮表面所设计的叶序排布磨料（粗粒度磨料以磨粒点排布，细粒度磨料以多磨粒形成的族作为排布点）图案制造出光刻掩膜版；在后，将砂轮基体涂覆紫外光光刻胶，并在紫外光下利用模版进行掩膜光刻和固化；最后，采用电镀超硬磨料砂轮的电镀工艺进行预电镀基体、置砂、加厚电镀和前后处理工艺得到叶序排布磨粒或磨粒族端面磨削用超硬磨料砂轮。这样的制造工艺方法可以实现磨粒或磨料族的叶序排布可控性。
本发明可确保砂轮工作表面磨粒或磨粒族排布符合叶序理论的H. Vogel 模型，实现砂轮工作表面的地貌形态可控性。磨料的固结使用镍或镍钴合金作为结合剂固结。该砂轮能够控制磨削区域内磨粒切削状态、冷却液的分布和磨削温度分布，达到最小的磨削力与比能耗、最小的磨削温度与烧伤，最小的砂轮磨损和最佳的工件表面完整性等，提高了超硬磨料砂轮端面磨削的综合磨削性能。
附图说明
图1 是磨粒或磨粒族叶序排布砂轮的结构示意图。
图2是磨粒叶序排布砂轮的电镀法制造工艺流程图。
具体实施方式
本发明的叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮，包括砂轮基体1，砂轮基体1的工作表面具有符合生物学叶序理论的多个磨粒2，多个磨粒2通过镍结合剂固定在砂轮基体1上。多个磨粒2按生物学的叶序理论形成多条逆时针叶列线沟槽3，和多条顺时针叶列线沟槽4。
生物学的叶序理论H.Vogel 模型，即植物的籽粒极坐标角度满足 
，籽粒块极坐标径向位置满足。其中n是籽粒的序数，k是生长系数。H.Vogel 模型是典型的描述葵花籽粒结构排布规律的模型。葵花籽粒结构的排布具有表面对热辐射的最大吸收，形成的斜列线螺旋沟槽对流体作用时有发散效应的特征，籽粒的几何排布满足黄金分割律。这些为砂轮表面合理化排布磨料，实现砂轮高性能化提供了可观可行性。在砂轮表面工程化设计时，可以把一个磨粒或多个磨粒所组成的磨粒族作为一个籽粒点进行排布，形成具有叶序排布磨料的超硬砂轮。通过改变H.Vogel 模型中的相关参数实现磨粒或磨粒族排布的可控性，从而获得最优化的端面磨削用超硬磨料砂轮，提高其磨削性能。
本发明的叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮的生产方法，包括以下工艺过程：
1）.利用CAD软件基于H.Vogel 模型（
，
）制作出按叶序理论排布的图案，并通过制版机制作掩膜版。
2）.设计出磨粒叶序排布砂轮的基体结构。基体材料可选择中碳钢、碳素工具钢、合金钢或轴承钢等，镀覆超硬磨料表面的热处理硬度大于HRC40，直径可根据实际需求确定，基体的其他尺寸和结构可根据具体实际需求确定。
3). 按照图2的工艺流程制造砂轮。其中各个过程相关说明如下：
a) 光刻叶序排布图案：对砂轮工作表面进行去毛刺（使用砂纸）→电化学除油与溶剂处理→干燥→涂覆紫外感光胶（SU8或感光油墨）→干燥固化→掩膜曝光（可利用打印好叶序排布图案的菲林版覆盖在紫外线感光干膜上，然后利用紫外线灯管进行曝光）→显影（放入到显影剂溶液中，显影剂按1:100兑水）→清洗与干燥。电化学除油时的电化学除油剂配方为氢氧化钠16g/L, 碳酸钠40g/L,磷酸钠16g/L；除油时把砂轮基体转挂在电化学除油剂溶液中，溶液温度为50℃～60℃，接通电流密度为10
的电源，电极为石墨，先阴极处理1分钟，然后阳极处理3分钟。溶剂除油是采用丙酮溶剂擦洗。
b). 基体表面涂非导电绝缘胶。
c). 配制电镀液：硫酸镍250g/L～300g/L
氯化镍30～60 g/L；硫酸钴8 g/L；硼酸35～40g/L；十二烷基硫酸钠0.05～0.1g/L；1，4-丁炔醇0.3g/L；糖精0.8 g/L；
d). 镀前处理：酸洗（盐酸，体积比为1:1）→冷水冲洗→阳极处理（阳极处理溶液：硫酸，按体积比为2:3兑水；在溶液温度为20℃～30℃,电流密度为25的电流作用下，电源负极用石墨，正极接砂轮基体，通电3分钟）→冲洗入电镀槽电镀。
e). 磨粒前处理：丙酮浸泡10分钟，然后稀硝酸煮30分钟→冷却→蒸馏水冲洗至中性→浸泡在电镀液中待用。
f).电镀过程：基体做接阴极，镍板接阳极。电镀的工艺条件为电镀液pH值为3～5 ，温度为45℃～60℃。预镀和上砂的电流密度为0.25～0.5，上砂厚度为磨粒平均半径的10﹪左右；加厚的电流密度为1～2
，加厚厚度为磨粒的2/3高度。
g).后处理：脱膜（利用脱膜剂溶液，脱膜剂按1:60兑水）去除胶层，清洗，形成叶序排布磨粒或磨粒族电镀结合剂超硬砂轮。
Claims (1)
1.叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮的生产方法，其特征在于包括以下工艺过程：
1）.利用CAD软件基于H.Vogel 模型 
，
制作出按叶序理论排布的图案，并通过制版机制作掩膜版；n是籽粒的序数，k是生长系数；
2）.设计出磨粒叶序排布砂轮的基体结构，基体材料选择中碳钢、碳素工具钢、合金钢或轴承钢，镀覆超硬磨料表面的热处理硬度大于HRC40，直径根据实际需求确定，基体的其他尺寸和结构根据具体实际需求确定；
3). 按照以下工艺流程制造砂轮，砂轮基体设计及制造→磨料叶序排布的设计及制板→基体电化学除油与溶剂除油→旋转涂覆感光胶及曝光→显影形成叶序掩膜基体→叶序掩膜基体酸洗→叶序掩膜基体活化处理→叶序掩膜基体预镀处理→基体表面电镀置砂→结合剂镀层加厚→脱掩膜胶、清洗形成叶序砂轮，在基体表面电镀置砂步骤之前进行磨粒镀前处理；其中各个过程相关说明如下：
a) 光刻叶序排布图案：对砂轮工作表面使用砂纸进行去毛刺→电化学除油与溶剂处理→干燥→涂覆紫外感光胶→干燥固化→掩膜曝光：利用打印好叶序排布图案的菲林版覆盖在紫外线感光干膜上，然后利用紫外线灯管进行曝光→显影：放入到显影剂溶液中，显影剂按1:100兑水→清洗与干燥；电化学除油时的电化学除油剂配方为：氢氧化钠16g/L, 碳酸钠40g/L,磷酸钠16g/L；除油时把砂轮基体转挂在电化学除油剂溶液中，溶液温度为50℃～60℃，接通电流密度为10
的电源，电极为石墨，先阴极处理1分钟，然后阳极处理3分钟，溶剂处理是采用丙酮溶剂擦洗；
b). 基体表面涂非导电绝缘胶；
c). 配制电镀液：硫酸镍250g/L～300g/L；氯化镍30～60 g/L；硫酸钴8 g/L；硼酸35～40g/L；十二烷基硫酸钠0.05～0.1g/L；1，4-丁炔醇0.3g/L；糖精0.8 g/L；
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的电流作用下，电源负极用石墨，正极接砂轮基体，通电3分钟→冲洗入电镀槽电镀；
e). 磨粒前处理：丙酮浸泡10分钟，然后稀硝酸煮30分钟→冷却→蒸馏水冲洗至中性→浸泡在电镀液中待用；
f).电镀过程：基体接阴极，镍板接阳极；电镀的工艺条件为电镀液pH值为3～5 ，温度为45℃～60℃，预镀和上砂的电流密度为0.25～0.5
，上砂厚度为磨粒平均半径10﹪；加厚的电流密度为1～2
，加厚厚度为磨粒的2/3高度；
g).后处理：脱膜：利用脱膜剂溶液，脱膜剂按1:60兑水去除胶层，清洗，形成叶序排布磨料端面超硬磨料砂轮。
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