磨粒有序布置的磨具相關專利申請現狀概述

磨粒有序布置的磨具相關專利申請現狀概述

周自維

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東廣州510000)

摘要：在整個磨具領域中，關于磨粒有序布置的磨具以及其制作方法有著大量的研究，已經形成了獨有的技術特點。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，延長了磨具的使用壽命，提高了加工對象的光潔度。對磨粒有序布置的磨具相關專利的年申請量、主要申請國家和公司進行了統計分析，并對常見的磨粒有序布置方式及相關研究做了介紹，便于磨具領域的技術人員從專利技術的角度把握該類磨具的現狀，從而利于技術人員對該類磨具的改進和專利申請。

關鍵詞:磨具磨粒有序布置專利

中圖分類號：TG74文獻標識碼：A

作者簡介：周自維(1985-)，男，四川內江人，國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心審查員，審查領域：機床與磨削加工。

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簡介

磨具種類繁多，通常情況下按照磨具制作方法、粘結劑種類、用途、形狀、材料結構、加工對象等進行劃分。按照粘結劑種類可以將磨具分為金屬粘結磨具、樹脂粘結磨具、陶瓷粘結磨具，其中又以金屬粘結磨具應用最為廣泛。在磨具的分類中很少有人按照磨粒的布置是否規則來分類。但是在整個磨具領域中，關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小領域中，形成了獨有的技術特點。

1.1磨粒有序布置磨具產生背景

當技術人員使用人造鉆石和立方氮化硼作為磨粒材料的時候，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，往往出現磨粒之間離得太遠或者靠得太近的情況，從而在磨削時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。這是因為，如果磨料顆粒被分得太遠，各磨粒的工作負載會過大(比如由工件對磨粒產生的沖擊力)，稀疏分布的磨粒會被壓碎、或從磨具基體上剝離。這些損壞的磨粒不能對工作負載有充分的協助，從而導致磨具表面或結構上的過早失效。另一方面，如果磨粒靠得太近，一些磨粒就是多余的，這樣的磨粒對于磨削僅提供極少的幫助或沒有提供幫助。當然，由于鉆石和氮化硼成本很高，使用過多磨粒會增加磨料的費用。甚至，這些無功能的磨粒會堵塞磨屑通道，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到規則化、序列化，以保證合理的磨粒裸露高度和合理的顆粒間距，從而減少重復磨損，延長工具的使用壽命以及提高加工對象光潔度的效果，實現高效切削。在對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布置的高20%，能耗低15%，在加工石材時使用壽命更能達到隨機布置鋸片的兩倍，在隨機布置鋸片已經失效后，有序布置金剛石鋸片仍顯示良好的切削性能。在整個切削過程中，能耗的波動小，切削狀態穩定，金剛石破碎率小。

(a)有序布置　　　　　　　　　(b)隨機布置 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現狀

2.1專利申請量趨勢分析

圖2記錄了從1985年到2014年上半年，主要幾個專利申請大國在磨粒有序布置方面的專利年申請量。從圖2中可以看出與磨粒有序布置磨具相關的專利年申請量是呈現整體增長的趨勢，而且每年申請的數量也是比較大的，多年保持在150件以上，特別在2012年，相關專利的年申請量已經突破了210件，2014年數據為2014年提交并且公開的申請，可以判斷2014年的申請量較2013年還會有增加。所以可以看出在磨具研究領域，磨粒有序布置受到了技術人員廣泛關注。

圖2　與磨粒有序布置磨具的相關專利 年申請量變化情況圖

2.2專利申請國家和申請人

圖3記錄了主要專利申請國家或地區在磨粒有序布置方面的專利總申請量。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，相關專利量接近1200件。其次是美國和中國，專利申請量都是800件左右。所以本領域技術人員在分析研究磨粒有序布置的專利時，需要特別注意日本、美國和中國的文獻，這樣有助于了解現有技術。另外，在德國、韓國以及中國臺灣的專利中也有不少的相關文獻。

圖3　主要國家的專利申請數量對比圖

表1顯示的是在磨粒有序布置方面做了大量申請的公司。從表1可以看出專利申請人主要是美國、日本和法國的刀具領域的大公司，這些公司的專利占據了這個領域的大部分專利，而且引領著這個領域的技術進步。在中國國內主要是南京航空航天大學和臺灣中國砂輪公司宋健民博土做了較多的相關研究。

表1　與磨粒有序布置磨具相關的專利申請人分布

2.3常見磨粒有序布置方式及相關研究

磨粒有序布置一般是從磨粒布置方法、粘接材料等方面進行創新。磨粒有序布置的常規粘接方法一般有燒結、電鍍和釬焊三種。但通常是首先按照加工條件的要求優化設計出磨具的最佳地貌，然后按優化結果來布置磨粒。磨粒優化布置時以加工不同材料的磨削比能最小為目標，以加工質量為約束條件，優化出磨粒布置方式、磨粒粒度、濃度、裸露高度等靜態結構參數及動態有效磨粒數、動態磨粒間距等動態參數。接著，從優化的結果出發，布置磨粒。這樣才能結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，再用熔融液態金屬結合劑將磨具基體與磨粒結合。再如臺灣專利公開號為TW587972B、TWI286097A的文獻用網或柵格使磨粒分布在孔里，然后使用熔融結合劑將其固定形成磨具(圖4)，其操作必須嚴格選擇磨料顆粒的粒度與小孔匹配。然而，當金剛石磨粒尺寸很小時，這些布置模式的生產方法就采用了新型的激光燒結技術，如李長河等公開的一種磨粒排布優化凸出精確可控的砂輪制造裝置[4]，使用了新型的設備對磨粒進行燒結，其事先將各種技術參數輸入計算機控制系統，然后在計算機程序的控制下，把砂輪原料分層施放在設定位置上，使用激光發生器依次用激光燒結成型。

圖4　使用熔融結合劑固定磨粒

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，具體方法是暫時性地將該多個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　無熱損傷立方氮化硼 　　　　磨粒釬焊試樣示意圖

在一些高強度的磨削加工中，通過電鍍和燒結方法在磨具上結合的磨粒，由于磨具對磨粒的把持力相對較弱，磨粒受強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的徐鴻鈞等人就提出了一種具有優化顆粒布置的單層金剛石固結磨具的方法[6]。臺灣宋簡民也公開了一種釬焊金剛石工具及其制造方法[7]，其利用具有以預定圖形布置的多個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，將磨粒按照預定圖形通過釬焊合金化學結合到基體支承材料上，該釬焊合金可為粉末、薄片或非晶態合金片。丁文鋒等公開了用于立方氮化硼磨粒的無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，改進了普通單層釬焊CBN磨具的性能，降低了其內部的焊后殘余應力，提高了磨具的強度和耐磨度，無熱損傷立方氮化硼磨粒釬焊試樣示意圖如圖6所示。

3結論與展望

磨粒在基體中的分布和磨粒出刃高度對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，減少顆粒的重復磨損和加工過程的磨削力。常規磨具由于其制造工藝的限制，磨粒隨機分布于基體內，在加工過程中工具易于堵塞，降低切削效率，或因負荷過大，過早的破碎和脫落，嚴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，提高加工對象光潔度。

從各國申請的專利看，研究者們通過提出新型或改進現有的制造技術、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，并取得顯著的研究成果。在有序布置磨粒的同時也需要開發出更好的不同于現有技術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，使得對磨粒具有更好的把持力，提高磨具的性能。這也是各國研究人員正積極通過專利的方式想要占領的領域。

參考文獻

[1]何夢佳，司衛征. 釬焊金剛石工具磨粒有序排布研究現狀[J].廣東科技，2010，(229):46-48

[2]蘇玲玲，黃輝，徐西鵬. 金剛石磨具表面磨粒分布形態的定量評價[J].中國機械工程，2014，25(10):1290-1294

[3]宋健民，陳盈同. 研磨工具及其制造方法[P].中國專利：ZL200910129684，2012-09-03

[4]李長河，杜超，丁玉成. 磨粒排布優化凸出精確可控的砂輪制造裝置[P].中國專利：ZL2009201737842，2010-03-25

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

[6]徐鴻鈞，傅玉燦，肖冰等.具有優化顆粒布置的單層金剛石固結磨具的方法[P].中國專利：ZL200310106070，2006-08-04

[7]宋簡民.釬焊金剛石工具及其制造方法[P].中國專利：CN101391402A，2009-03-25

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