超硬砂輪修整專利技術綜述

李川

摘 要：通過統計分析國內外關于超硬砂輪修整技術的專利申請，整理了超硬砂輪修整領域的技術發展脈絡，同時，重點對超硬砂輪修整的核心專利、技術發展演進進行分析。

關鍵詞：超硬；磨具；砂輪；修整；修銳

中圖分類號：TG74+3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0037-02

Abstract： Through statistical analysis of domestic and foreign superhard grinding wheel dressing technology patent applications， this paper traces the technical development of super-hard grinding wheel， and at the same time， analyzes the core patent and technology development evolution of the superhard grinding wheel dressing.

Keywords： superhard； abrasive tool； grinding wheel； dressing； sharpening

引言

由于超硬砂輪具備較好的物理化學性能，其在磨削技術方面的應用使得磨削技術得到飛躍式的發展[1]。目前，超硬材料如工程陶瓷、單晶硅等以其高硬度、高彈性、高強度、耐磨性、耐腐蝕以及重量輕等優良性能在工業上得到了廣泛應用[2]。對于超硬材料而言，具有難加工和加工精度要求較高的特點，使得如金剛石砂輪、CBN砂輪等對超硬材料進行磨削加工的應用日益增加，而欲保證硬脆材料的加工質量，超硬砂輪的修整技術是關鍵[3]。

1 國內外超硬砂輪修整的專利現狀分析

1.1 國內外超硬砂輪修整的專利申請量分析

本文對申請日為2016年以前的超硬砂輪修整的專利申請進行分析，得到申請量的年代分布曲線圖，如圖1所示，其總體發展呈現上升趨勢。其中，A曲線顯示了全球范圍內超硬砂輪修整的申請量的年度分布，而B曲線顯示了中國國內申請量的年度分布。從圖中反映出，在全球范圍內，專利申請始于上世紀70年代初，但專利申請始終處于較低狀態，直至1999年后才有一定量的增長，并在2000-2004年間進入了平穩期；而從2005-2007年之間，專利申請量出現了較大幅度的上升，這期間是該領域技術的一個發展高潮，并在2007年出現了峰值；隨后，由于世界范圍內的經濟放緩，從2008-2011年，專利申請量發生急劇下滑；2011年之后，專利申請總量再次大幅度上升。

對比中國國內的專利申請量，從圖中可以看出，國內申請在2003年以前一直保持較低的水平，說明國內企業的研究起步較晚，但從2005年開始，國內申請量一直保持平穩較快的上升，速度也基本超過全球增長速度，說明中國市場逐漸被重視，各國企業開始進入中國申請，同時國內申請也逐漸加大。

1.2 國內外超硬砂輪修整的專利申請地域分析

專利申請的地域分布能夠反映不同國家和地區在一定領域內的專利技術實力和產品市場重心。對超硬砂輪修整的專利申請所在國家和地區產權組織分布進行統計，如圖2所示，排名前六位的分別是中國、日本、德國、蘇聯、歐洲、美國，這六個國家占據專利申請總量的89%，與該領域的市場分布情況匹配，其中，中國申請量為45%，表明中國國內申請量不斷增加，各國企業愈發重視中國市場，其次是日本和德國，分別占有13%和10%的申請量。

2 超硬砂輪修整技術發展演進

通過對超硬砂輪修整各個時期的專利文獻進行整理和分析，得到該領域的專利技術演進路線圖，如圖3所示，超硬砂輪修整技術專利申請的發展大致經歷以下幾個主要發展階段：

第一階段（1985年以前）為起步期。這一階段砂輪的修整主要集中在傳統的機械磨削修整，例如金剛石筆整形、磨削整形法等。金剛石滾輪修整是70年代由英國和德國開發的修整技術，其原本是用于普通砂輪的修整，隨著具有金剛石、CBN磨粒的超硬砂輪逐漸在工業上應用，逐漸將其用于超硬砂輪的修整，比較具有代表性的是1979年由日本豐田在美國申請的US4151684，其涉及一種具備修整裝置的磨削設備，磨削設備的砂輪采用CBN磨粒，為了修整CBN磨輪，在磨輪一側設置金剛石滾輪。在各類修整方式中，金剛石修整在修整精度和修整壽命方面具有明顯優勢。

第二階段（1986-1999年）為快速發展期。在該階段，傳統的機械去除修整開始向非機械能修整方式轉變，砂輪修整領域開始明顯出現了幾個分支，包括：GC杯修整、電解修整、電火花修整、激光修整以及超聲波修整。90年代初，日本申請的JPH08323618公開了一種高精度修整裝置，杯型修整砂輪與被修金剛石砂輪呈垂直布置，采用端面磨削方式修磨砂輪，能夠對砂輪進行較高精度的修整。早在70年代，電解磨削修整開始應用于砂輪修整中，主要用于修整金屬基砂輪，例如US4013526。值得注意的是，90年代初在電解修整原理的基礎上，日本進一步發展了在線電解修整（ELID）技術，例如EP0640438，ELID技術將磨輪作為電源陽極，修整裝置作為陰極，然后在之間通入電解磨削液，通過電解露出磨粒，同時電解液在表面形成鈍化阻止進一步電解損失，較好地解決了細粒度超硬砂輪修整與峰銳性的問題。80年代初，電火花修整技術開始用于砂輪修整，US4236985公開了一種電火花磨削工具，電火花修整采用放電加工技術，金屬結合劑砂輪接電源正極，修整工具接砂輪負極，正負極之間的間隙放電，電弧產生瞬間高溫蝕除結合劑和磨料。80年代，人們開始逐漸研究激光修整，其基本原理是采用具備一定強度的激光照射砂輪表面，使結合劑和磨料瞬間融化、氣化去除。超聲波修整是通過超聲波發生器帶動修整器振動對砂輪結合劑破壞，從而對砂輪進行修整，DE4334391公開了一種液體噴射磨料結合超聲波振動砂輪修整裝置。

第三階段（2000-2016年）為全面發展期。在該階段，人們更多的是關注砂輪修整的效率和精度問題，修整方法開始步入不同方法的復合修整。在此間較有代表性的專利包括：JP2001062633、JPH11239969、JP2005059176、JP2007050

471、DE102011051772、KR20160109688、JP2015098041等。2001年日本專利JP2001062633將杯型修整與電解修整結合，通過直杯磨輪與噴嘴供給導電冷卻劑研磨表面，細化磨輪顆粒。YAG激光器用于砂輪成為研究主流，其與CO2激光器相比，輸出波長較短，易于光纖傳輸，體積小，利于工業化推廣。2005年日本專利JP2005059176，采用YAG激光被照射較高的諧波從激光修整機構提供到外周表面以一種希望的形狀尺寸進行修整。超聲震動修整是一種較為優良的修整方法，對于磨削件而言，易于避免工件燒傷、降低磨削溫度、減小磨削力、提高砂輪的使用壽命等優點。德國專利DE4334391結合超聲波修整與液體噴射修整，將接觸流體通過超聲振蕩以高速度輸送到研磨表面，使得形狀和精度得以保持。DE102011051772采用超聲輔助放電加工方法修整，并控制預定深度和預定的進料。

3 結束語

關于超硬砂輪修整技術，從全球范圍來看，核心專利仍然集中在美國、日本、歐洲等發達國家。雖然我國從2005年開始，專利申請量在該領域逐漸上升，但是仍然主要集中在國內的高校與科研院所，相關技術部分還處于研發布局階段。隨著超硬磨具在工程中的應用不斷增加，其對砂輪修整的效率和精度提出了更高要求，超硬砂輪的修整技術是迫切需要解決的難題。

參考文獻：

[1]崔仲鳴，赫青山，馮創舉，等.超硬磨料磨具修整技術研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2016，36（1）：43-49.

[2]惠軍濤，鄧小玲，范全堂.超硬材料砂輪的修整技術[J].礦山機械，2004（2）：52-53.

[3]樊全堂，趙波，劉傳紹，等.超硬磨料砂輪修整技術的新發展[J].河南理工大學學報自然科學版，2003，22（1）：43-47.