磨粒有序布置的磨具相关专利申请现状概述

磨粒有序布置的磨具相关专利申请现状概述

周自维

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州510000)

摘要：在整个磨具领域中，关于磨粒有序布置的磨具以及其制作方法有着大量的研究，已经形成了独有的技术特点。通过磨粒有序布置的方法，使磨具的磨粒裸露高度一致、磨粒间距相同，从而提高磨具的磨削性能，延长了磨具的使用寿命，提高了加工对象的光洁度。对磨粒有序布置的磨具相关专利的年申请量、主要申请国家和公司进行了统计分析，并对常见的磨粒有序布置方式及相关研究做了介绍，便于磨具领域的技术人员从专利技术的角度把握该类磨具的现状，从而利于技术人员对该类磨具的改进和专利申请。

关键词:磨具磨粒有序布置专利

中图分类号：TG74文献标识码：A

作者简介：周自维(1985-)，男，四川内江人，国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心审查员，审查领域：机床与磨削加工。

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简介

磨具种类繁多，通常情况下按照磨具制作方法、粘结剂种类、用途、形状、材料结构、加工对象等进行划分。按照粘结剂种类可以将磨具分为金属粘结磨具、树脂粘结磨具、陶瓷粘结磨具，其中又以金属粘结磨具应用最为广泛。在磨具的分类中很少有人按照磨粒的布置是否规则来分类。但是在整个磨具领域中，关于磨粒有序布置的磨具以及其制作方法有着大量的研究，并且穿插于磨具的各个小领域中，形成了独有的技术特点。

1.1磨粒有序布置磨具产生背景

当技术人员使用人造钻石和立方氮化硼作为磨粒材料的时候，磨具的性能得到显著提高。但钻石或立方氮化硼磨粒没有均匀分布在基体中，往往出现磨粒之间离得太远或者靠得太近的情况，从而在磨削时磨粒没有处于效率最大的位置，并且也使得工具的制造成本为最大。这是因为，如果磨料颗粒被分得太远，各磨粒的工作负载会过大(比如由工件对磨粒产生的冲击力)，稀疏分布的磨粒会被压碎、或从磨具基体上剥离。这些损坏的磨粒不能对工作负载有充分的协助，从而导致磨具表面或结构上的过早失效。另一方面，如果磨粒靠得太近，一些磨粒就是多余的，这样的磨粒对于磨削仅提供极少的帮助或没有提供帮助。当然，由于钻石和氮化硼成本很高，使用过多磨粒会增加磨料的费用。甚至，这些无功能的磨粒会堵塞磨屑通道，从而降低切削效率。因此，有必要通过有序布置磨粒来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针对普通砂轮而提出的，主要目的是使磨粒有序布置的砂轮具有极为理想的磨削地貌，如图1所示。磨粒在磨具表面布置达到规则化、序列化，以保证合理的磨粒裸露高度和合理的颗粒间距，从而减少重复磨损，延长工具的使用寿命以及提高加工对象光洁度的效果，实现高效切削。在对有序布置金刚石锯片切削性能研究中表明[1]：有序布置的锯片寿命比随机布置的高20%，能耗低15%，在加工石材时使用寿命更能达到随机布置锯片的两倍，在随机布置锯片已经失效后，有序布置金刚石锯片仍显示良好的切削性能。在整个切削过程中，能耗的波动小，切削状态稳定，金刚石破碎率小。

(a)有序布置　　　　　　　　　(b)随机布置 图1　不同布置方式的金刚石工具表面形貌 [2]

2磨粒有序布置的磨具专利申请现状

2.1专利申请量趋势分析

图2记录了从1985年到2014年上半年，主要几个专利申请大国在磨粒有序布置方面的专利年申请量。从图2中可以看出与磨粒有序布置磨具相关的专利年申请量是呈现整体增长的趋势，而且每年申请的数量也是比较大的，多年保持在150件以上，特别在2012年，相关专利的年申请量已经突破了210件，2014年数据为2014年提交并且公开的申请，可以判断2014年的申请量较2013年还会有增加。所以可以看出在磨具研究领域，磨粒有序布置受到了技术人员广泛关注。

图2　与磨粒有序布置磨具的相关专利 年申请量变化情况图

2.2专利申请国家和申请人

图3记录了主要专利申请国家或地区在磨粒有序布置方面的专利总申请量。从图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，相关专利量接近1200件。其次是美国和中国，专利申请量都是800件左右。所以本领域技术人员在分析研究磨粒有序布置的专利时，需要特别注意日本、美国和中国的文献，这样有助于了解现有技术。另外，在德国、韩国以及中国台湾的专利中也有不少的相关文献。

图3　主要国家的专利申请数量对比图

表1显示的是在磨粒有序布置方面做了大量申请的公司。从表1可以看出专利申请人主要是美国、日本和法国的刀具领域的大公司，这些公司的专利占据了这个领域的大部分专利，而且引领着这个领域的技术进步。在中国国内主要是南京航空航天大学和台湾中国砂轮公司宋健民博土做了较多的相关研究。

表1　与磨粒有序布置磨具相关的专利申请人分布

2.3常见磨粒有序布置方式及相关研究

磨粒有序布置一般是从磨粒布置方法、粘接材料等方面进行创新。磨粒有序布置的常规粘接方法一般有烧结、电镀和钎焊三种。但通常是首先按照加工条件的要求优化设计出磨具的最佳地貌，然后按优化结果来布置磨粒。磨粒优化布置时以加工不同材料的磨削比能最小为目标，以加工质量为约束条件，优化出磨粒布置方式、磨粒粒度、浓度、裸露高度等静态结构参数及动态有效磨粒数、动态磨粒间距等动态参数。接着，从优化的结果出发，布置磨粒。这样才能结合磨粒的有序布置使磨具的性能和寿命得到提升。

使用最早的磨粒有序布置的方法就是将磨粒通过熔融液态金属将磨粒固定在磨具基体上。具体方法如宋健民公开的一种研磨工具及其制造方法[3]，该方法预先将磨粒固定在模具的凹槽中，使磨粒有序布置，再用熔融液态金属结合剂将磨具基体与磨粒结合。再如台湾专利公开号为TW587972B、TWI286097A的文献用网或栅格使磨粒分布在孔里，然后使用熔融结合剂将其固定形成磨具(图4)，其操作必须严格选择磨料颗粒的粒度与小孔匹配。然而，当金刚石磨粒尺寸很小时，这些布置模式的生产方法就采用了新型的激光烧结技术，如李长河等公开的一种磨粒排布优化凸出精确可控的砂轮制造装置[4]，使用了新型的设备对磨粒进行烧结，其事先将各种技术参数输入计算机控制系统，然后在计算机程序的控制下，把砂轮原料分层施放在设定位置上，使用激光发生器依次用激光烧结成型。

图4　使用熔融结合剂固定磨粒

图5　磨具及电镀装置

电镀方法也是磨粒布置中的一种常用方法，如美国专利《ELECTROPLATED ABRASIVE TOOLS,METHODS,AND MOLDS》[5]公开了一种电镀研磨工具及方法和模具，具体方法是暂时性地将该多个研磨粒子固定到模具的模面上；再将该模具定位到电沉积室，且模具的模面面向需要附加磨粒的基材；再通过电沉积材料，以电解方式将多个研磨粒子附加到基材上；最后去除该模具。具体的磨具及电镀装置如图5所示。

图6　无热损伤立方氮化硼 　　　　磨粒钎焊试样示意图

在一些高强度的磨削加工中，通过电镀和烧结方法在磨具上结合的磨粒，由于磨具对磨粒的把持力相对较弱，磨粒受强力作用就容易自行脱落。通过钎焊的方法则很好的解决了这一问题，如南京航空航天大学的徐鸿钧等人就提出了一种具有优化颗粒布置的单层金刚石固结磨具的方法[6]。台湾宋简民也公开了一种钎焊金刚石工具及其制造方法[7]，其利用具有以预定图形布置的多个孔的模板将超磨料颗粒放置在给定基底或基体支承材料上，将磨粒按照预定图形通过钎焊合金化学结合到基体支承材料上，该钎焊合金可为粉末、薄片或非晶态合金片。丁文锋等公开了用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊材料[8]，通过改变Ag-Cu-Ti合金粉末三种元素的重量百分比，TiC颗粒的尺寸采用亚微米级，改进了普通单层钎焊CBN磨具的性能，降低了其内部的焊后残余应力，提高了磨具的强度和耐磨度，无热损伤立方氮化硼磨粒钎焊试样示意图如图6所示。

3结论与展望

磨粒在基体中的分布和磨粒出刃高度对磨具的性能有显著影响，良好的磨粒有序性布置能显著增加工具的磨削性能，减少颗粒的重复磨损和加工过程的磨削力。常规磨具由于其制造工艺的限制，磨粒随机分布于基体内，在加工过程中工具易于堵塞，降低切削效率，或因负荷过大，过早的破碎和脱落，严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显著增加工具的使用寿命，提高加工对象光洁度。

从各国申请的专利看，研究者们通过提出新型或改进现有的制造技术、制造工艺，已研制出多种适合不同工具的磨粒有序布置装置和技术，并取得显著的研究成果。在有序布置磨粒的同时也需要开发出更好的不同于现有技术的粘接磨粒的方式以及各种金属和非金属的粘接材料，使有序布置磨粒更容易，使得对磨粒具有更好的把持力，提高磨具的性能。这也是各国研究人员正积极通过专利的方式想要占领的领域。

参考文献

[1]何梦佳，司卫征. 钎焊金刚石工具磨粒有序排布研究现状[J].广东科技，2010，(229):46-48

[2]苏玲玲，黄辉，徐西鹏. 金刚石磨具表面磨粒分布形态的定量评价[J].中国机械工程，2014，25(10):1290-1294

[3]宋健民，陈盈同. 研磨工具及其制造方法[P].中国专利：ZL200910129684，2012-09-03

[4]李长河，杜超，丁玉成. 磨粒排布优化凸出精确可控的砂轮制造装置[P].中国专利：ZL2009201737842，2010-03-25

[5]SUNG C, SUNG C M. Electroplated abrasive tools，methods，and molds[P].美国专利：US2007/0128994A1，2007-06-07

[6]徐鸿钧，傅玉灿，肖冰等.具有优化颗粒布置的单层金刚石固结磨具的方法[P].中国专利：ZL200310106070，2006-08-04

[7]宋简民.钎焊金刚石工具及其制造方法[P].中国专利：CN101391402A，2009-03-25

[8]丁文锋，徐九华，苗情等.用于立方氮化硼磨粒的无热损伤活性钎焊方法及所用钎焊材料[P].中国专利：CN102699565A，2012-10-03