磨粒有序布置的磨具相關(guān)專利申請(qǐng)現(xiàn)狀概述

磨粒有序布置的磨具相關(guān)專利申請(qǐng)現(xiàn)狀概述

周自維

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州510000)

摘要：在整個(gè)磨具領(lǐng)域中，關(guān)于磨粒有序布置的磨具以及其制作方法有著大量的研究，已經(jīng)形成了獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)。通過磨粒有序布置的方法，使磨具的磨粒裸露高度一致、磨粒間距相同，從而提高磨具的磨削性能，延長(zhǎng)了磨具的使用壽命，提高了加工對(duì)象的光潔度。對(duì)磨粒有序布置的磨具相關(guān)專利的年申請(qǐng)量、主要申請(qǐng)國(guó)家和公司進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)常見的磨粒有序布置方式及相關(guān)研究做了介紹，便于磨具領(lǐng)域的技術(shù)人員從專利技術(shù)的角度把握該類磨具的現(xiàn)狀，從而利于技術(shù)人員對(duì)該類磨具的改進(jìn)和專利申請(qǐng)。

關(guān)鍵詞:磨具磨粒有序布置專利

中圖分類號(hào)：TG74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：周自維(1985-)，男，四川內(nèi)江人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心審查員，審查領(lǐng)域：機(jī)床與磨削加工。

收稿日期：2015-03-06

Patent status summary on grinding tool of abrasive orderly arrangement

ZHOU Ziwei

Abstract:In the field of grinding tool, there are a lot of studies about the grinding tool of abrasive orderly arrangement and related methods. Unique characteristic of the technology has been formed.The same height and equal distance of exposed abrasives can be got by arranging abrasives. Thereby, the grinding performance is improved. The life of abrasives can be extended, and the roughness of workpiece can be improved. In this paper, the relevant patent applications in different countries and companies are statistically analyzed, and common abrasive orderly arrangement and related researches are introduced. This work is helpful to grasp the current situation of such grinding tool for technicians. And this will help to improve the grinding tool and apply for patents.

Keywords:grinding tool; abrasive particle; orderly; arrangement; patent

1簡(jiǎn)介

磨具種類繁多，通常情況下按照磨具制作方法、粘結(jié)劑種類、用途、形狀、材料結(jié)構(gòu)、加工對(duì)象等進(jìn)行劃分。按照粘結(jié)劑種類可以將磨具分為金屬粘結(jié)磨具、樹脂粘結(jié)磨具、陶瓷粘結(jié)磨具，其中又以金屬粘結(jié)磨具應(yīng)用最為廣泛。在磨具的分類中很少有人按照磨粒的布置是否規(guī)則來(lái)分類。但是在整個(gè)磨具領(lǐng)域中，關(guān)于磨粒有序布置的磨具以及其制作方法有著大量的研究，并且穿插于磨具的各個(gè)小領(lǐng)域中，形成了獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)。

1.1磨粒有序布置磨具產(chǎn)生背景

當(dāng)技術(shù)人員使用人造鉆石和立方氮化硼作為磨粒材料的時(shí)候，磨具的性能得到顯著提高。但鉆石或立方氮化硼磨粒沒有均勻分布在基體中，往往出現(xiàn)磨粒之間離得太遠(yuǎn)或者靠得太近的情況，從而在磨削時(shí)磨粒沒有處于效率最大的位置，并且也使得工具的制造成本為最大。這是因?yàn)?，如果磨料顆粒被分得太遠(yuǎn)，各磨粒的工作負(fù)載會(huì)過大(比如由工件對(duì)磨粒產(chǎn)生的沖擊力)，稀疏分布的磨粒會(huì)被壓碎、或從磨具基體上剝離。這些損壞的磨粒不能對(duì)工作負(fù)載有充分的協(xié)助，從而導(dǎo)致磨具表面或結(jié)構(gòu)上的過早失效。另一方面，如果磨?？康锰?，一些磨粒就是多余的，這樣的磨粒對(duì)于磨削僅提供極少的幫助或沒有提供幫助。當(dāng)然，由于鉆石和氮化硼成本很高，使用過多磨粒會(huì)增加磨料的費(fèi)用。甚至，這些無(wú)功能的磨粒會(huì)堵塞磨屑通道，從而降低切削效率。因此，有必要通過有序布置磨粒來(lái)提高磨具的性能和降低成本。

1.2磨粒有序布置的磨具的磨削性能

磨粒有序性的概念首先是針對(duì)普通砂輪而提出的，主要目的是使磨粒有序布置的砂輪具有極為理想的磨削地貌，如圖1所示。磨粒在磨具表面布置達(dá)到規(guī)則化、序列化，以保證合理的磨粒裸露高度和合理的顆粒間距，從而減少重復(fù)磨損，延長(zhǎng)工具的使用壽命以及提高加工對(duì)象光潔度的效果，實(shí)現(xiàn)高效切削。在對(duì)有序布置金剛石鋸片切削性能研究中表明[1]：有序布置的鋸片壽命比隨機(jī)布置的高20%，能耗低15%，在加工石材時(shí)使用壽命更能達(dá)到隨機(jī)布置鋸片的兩倍，在隨機(jī)布置鋸片已經(jīng)失效后，有序布置金剛石鋸片仍顯示良好的切削性能。在整個(gè)切削過程中，能耗的波動(dòng)小，切削狀態(tài)穩(wěn)定，金剛石破碎率小。

(a)有序布置　　　　　　　　　(b)隨機(jī)布置 圖1　不同布置方式的金剛石工具表面形貌 [2]

2磨粒有序布置的磨具專利申請(qǐng)現(xiàn)狀

2.1專利申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

圖2記錄了從1985年到2014年上半年，主要幾個(gè)專利申請(qǐng)大國(guó)在磨粒有序布置方面的專利年申請(qǐng)量。從圖2中可以看出與磨粒有序布置磨具相關(guān)的專利年申請(qǐng)量是呈現(xiàn)整體增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而且每年申請(qǐng)的數(shù)量也是比較大的，多年保持在150件以上，特別在2012年，相關(guān)專利的年申請(qǐng)量已經(jīng)突破了210件，2014年數(shù)據(jù)為2014年提交并且公開的申請(qǐng)，可以判斷2014年的申請(qǐng)量較2013年還會(huì)有增加。所以可以看出在磨具研究領(lǐng)域，磨粒有序布置受到了技術(shù)人員廣泛關(guān)注。

圖2　與磨粒有序布置磨具的相關(guān)專利 年申請(qǐng)量變化情況圖

2.2專利申請(qǐng)國(guó)家和申請(qǐng)人

圖3記錄了主要專利申請(qǐng)國(guó)家或地區(qū)在磨粒有序布置方面的專利總申請(qǐng)量。從圖3可以看出日本在研究磨粒有序布置方面做了大量的研究，相關(guān)專利量接近1200件。其次是美國(guó)和中國(guó)，專利申請(qǐng)量都是800件左右。所以本領(lǐng)域技術(shù)人員在分析研究磨粒有序布置的專利時(shí)，需要特別注意日本、美國(guó)和中國(guó)的文獻(xiàn)，這樣有助于了解現(xiàn)有技術(shù)。另外，在德國(guó)、韓國(guó)以及中國(guó)臺(tái)灣的專利中也有不少的相關(guān)文獻(xiàn)。

圖3　主要國(guó)家的專利申請(qǐng)數(shù)量對(duì)比圖

表1顯示的是在磨粒有序布置方面做了大量申請(qǐng)的公司。從表1可以看出專利申請(qǐng)人主要是美國(guó)、日本和法國(guó)的刀具領(lǐng)域的大公司，這些公司的專利占據(jù)了這個(gè)領(lǐng)域的大部分專利，而且引領(lǐng)著這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。在中國(guó)國(guó)內(nèi)主要是南京航空航天大學(xué)和臺(tái)灣中國(guó)砂輪公司宋健民博土做了較多的相關(guān)研究。

表1　與磨粒有序布置磨具相關(guān)的專利申請(qǐng)人分布

2.3常見磨粒有序布置方式及相關(guān)研究

磨粒有序布置一般是從磨粒布置方法、粘接材料等方面進(jìn)行創(chuàng)新。磨粒有序布置的常規(guī)粘接方法一般有燒結(jié)、電鍍和釬焊三種。但通常是首先按照加工條件的要求優(yōu)化設(shè)計(jì)出磨具的最佳地貌，然后按優(yōu)化結(jié)果來(lái)布置磨粒。磨粒優(yōu)化布置時(shí)以加工不同材料的磨削比能最小為目標(biāo)，以加工質(zhì)量為約束條件，優(yōu)化出磨粒布置方式、磨粒粒度、濃度、裸露高度等靜態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)及動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)、動(dòng)態(tài)磨粒間距等動(dòng)態(tài)參數(shù)。接著，從優(yōu)化的結(jié)果出發(fā)，布置磨粒。這樣才能結(jié)合磨粒的有序布置使磨具的性能和壽命得到提升。

使用最早的磨粒有序布置的方法就是將磨粒通過熔融液態(tài)金屬將磨粒固定在磨具基體上。具體方法如宋健民公開的一種研磨工具及其制造方法[3]，該方法預(yù)先將磨粒固定在模具的凹槽中，使磨粒有序布置，再用熔融液態(tài)金屬結(jié)合劑將磨具基體與磨粒結(jié)合。再如臺(tái)灣專利公開號(hào)為TW587972B、TWI286097A的文獻(xiàn)用網(wǎng)或柵格使磨粒分布在孔里，然后使用熔融結(jié)合劑將其固定形成磨具(圖4)，其操作必須嚴(yán)格選擇磨料顆粒的粒度與小孔匹配。然而，當(dāng)金剛石磨粒尺寸很小時(shí)，這些布置模式的生產(chǎn)方法就采用了新型的激光燒結(jié)技術(shù)，如李長(zhǎng)河等公開的一種磨粒排布優(yōu)化凸出精確可控的砂輪制造裝置[4]，使用了新型的設(shè)備對(duì)磨粒進(jìn)行燒結(jié)，其事先將各種技術(shù)參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，然后在計(jì)算機(jī)程序的控制下，把砂輪原料分層施放在設(shè)定位置上，使用激光發(fā)生器依次用激光燒結(jié)成型。

圖4　使用熔融結(jié)合劑固定磨粒

圖5　磨具及電鍍裝置

電鍍方法也是磨粒布置中的一種常用方法，如美國(guó)專利《ELECTROPLATED ABRASIVE TOOLS,METHODS,AND MOLDS》[5]公開了一種電鍍研磨工具及方法和模具，具體方法是暫時(shí)性地將該多個(gè)研磨粒子固定到模具的模面上；再將該模具定位到電沉積室，且模具的模面面向需要附加磨粒的基材；再通過電沉積材料，以電解方式將多個(gè)研磨粒子附加到基材上；最后去除該模具。具體的磨具及電鍍裝置如圖5所示。

圖6　無(wú)熱損傷立方氮化硼 　　　　磨粒釬焊試樣示意圖

在一些高強(qiáng)度的磨削加工中，通過電鍍和燒結(jié)方法在磨具上結(jié)合的磨粒，由于磨具對(duì)磨粒的把持力相對(duì)較弱，磨粒受強(qiáng)力作用就容易自行脫落。通過釬焊的方法則很好的解決了這一問題，如南京航空航天大學(xué)的徐鴻鈞等人就提出了一種具有優(yōu)化顆粒布置的單層金剛石固結(jié)磨具的方法[6]。臺(tái)灣宋簡(jiǎn)民也公開了一種釬焊金剛石工具及其制造方法[7]，其利用具有以預(yù)定圖形布置的多個(gè)孔的模板將超磨料顆粒放置在給定基底或基體支承材料上，將磨粒按照預(yù)定圖形通過釬焊合金化學(xué)結(jié)合到基體支承材料上，該釬焊合金可為粉末、薄片或非晶態(tài)合金片。丁文鋒等公開了用于立方氮化硼磨粒的無(wú)熱損傷活性釬焊材料[8]，通過改變Ag-Cu-Ti合金粉末三種元素的重量百分比，TiC顆粒的尺寸采用亞微米級(jí)，改進(jìn)了普通單層釬焊CBN磨具的性能，降低了其內(nèi)部的焊后殘余應(yīng)力，提高了磨具的強(qiáng)度和耐磨度，無(wú)熱損傷立方氮化硼磨粒釬焊試樣示意圖如圖6所示。

3結(jié)論與展望

磨粒在基體中的分布和磨粒出刃高度對(duì)磨具的性能有顯著影響，良好的磨粒有序性布置能顯著增加工具的磨削性能，減少顆粒的重復(fù)磨損和加工過程的磨削力。常規(guī)磨具由于其制造工藝的限制，磨粒隨機(jī)分布于基體內(nèi)，在加工過程中工具易于堵塞，降低切削效率，或因負(fù)荷過大，過早的破碎和脫落，嚴(yán)重削弱了工具加工性能，降低了磨粒的利用率。采用磨粒有序布置的工具可顯著增加工具的使用壽命，提高加工對(duì)象光潔度。

從各國(guó)申請(qǐng)的專利看，研究者們通過提出新型或改進(jìn)現(xiàn)有的制造技術(shù)、制造工藝，已研制出多種適合不同工具的磨粒有序布置裝置和技術(shù)，并取得顯著的研究成果。在有序布置磨粒的同時(shí)也需要開發(fā)出更好的不同于現(xiàn)有技術(shù)的粘接磨粒的方式以及各種金屬和非金屬的粘接材料，使有序布置磨粒更容易，使得對(duì)磨粒具有更好的把持力，提高磨具的性能。這也是各國(guó)研究人員正積極通過專利的方式想要占領(lǐng)的領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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[8]丁文鋒，徐九華，苗情等.用于立方氮化硼磨粒的無(wú)熱損傷活性釬焊方法及所用釬焊材料[P].中國(guó)專利：CN102699565A，2012-10-03