電鍍立方氮化硼砂輪技術專利分析

陳亞娟 劉然 陳曉宇

摘要：電鍍立方氮化硼（CBN）砂輪因具有磨削比高、能耗低、制作成本低等優點，已被廣泛應用于航空航天、汽車、半導體等行業。本文從專利分析角度，通過檢索統計分析了國內外電鍍立方氮化硼砂輪技術的專利申請情況，梳理了其技術發展脈絡，同時，對該技術領域的核心專利、申請地域、主要申請人進行了分析。

關鍵詞：電鍍;CBN;砂輪;磨具;專利

中圖分類號：G306文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）24-0133-04

1 引言

超硬磨料（金剛石、立方氮化硼）以其極高的硬度、耐磨性已在機械工程領域獲得普遍認可[1-2]。電鍍立方氮化硼砂輪是采用復合電鍍技術，通過金屬電沉積方法將CBN均勻夾雜于鍍層中。與其他砂輪相比制作能耗低很多，且可以用簡單的設備電鍍各種形狀復雜的砂輪，特別適宜于高速、超高速磨削，砂輪線速度可達200m/s～500m/s，具有廣闊的發展前景[3-4]。本文從專利分析的角度出發，檢索、篩選、統計從1975—2019年全球范圍內的電鍍立方氮化硼砂輪相關技術的專利申請，對技術發展脈絡、申請量、申請地域、主要申請人進行梳理統計分析，以便在專利篩選分析工作中有效利用。

2 專利申請分析

2.1 關鍵詞和數據庫

采用INCOPAT專利數據庫作為數據源，檢索年份截止到2019年，選用的中文關鍵詞為：立方氮化硼、正方體氮化硼、立方體氮化硼、輪、盤、磨具、輥、電鍍等，英文關鍵詞為：cbn、abn、cubic boron nitride、c-bn、wheel、disc、disk、plate、roller、grind、polish、abras、buzzer、electroplat、electrofac、electrochemical plating、galvanography plating等。IPC分類號涉及：B24B、B24C、B24D、B23D、B23F、C25D。根據以上檢索要素檢索得到的專利申請進行篩選，建立專利申請數據庫，作為本文的研究對象。

2.2 技術分支和技術路線分析

電鍍CBN砂輪技術專利內容主要集中在對電鍍過程、鍍液、鍍層的改進;對砂輪結構的改進如排屑槽結構、超聲或激光輔助的砂輪制造、新的仿形方法;對超硬磨料的改進如磨料預處理、微觀性態的改進與鍍前分選等。圖1為電鍍CBN砂輪技術分支圖。由圖中可以看出，電鍍CBN砂輪技術專利主要是對結構和工藝的改進，分別占比47.49%、43.01%，對磨料改進的專利申請量僅占9.5%。由這些技術分支可以整理出電鍍CBN砂輪技術發展的三條主要技術路線，即對砂輪制造工藝的改進、對砂輪結構的改進和對磨料的改進。將涉及這三條技術路線的專利按年代順序進行梳理得到電鍍CBN砂輪技術演進路線圖（如圖2所示）。

最早關于電鍍CBN砂輪技術方面的專利可以追溯到1975年，專利（公開號：FR2328553A1）中公開了一種礦用采掘巖切割鋸，采用一系列金剛石或立方氮化硼通過粉末冶金或電鍍方法連接到柔性金屬線上。采用電鍍工藝得到的砂輪基體金屬、鍍層金屬和磨料界面并不是真正的化學冶金結合，因而把持力不大，在負荷較重的高效磨削時，砂輪容易因磨粒的脫落或鍍層成片脫落而導致砂輪整體失效，此外，砂輪表面的磨料分布不均勻，等高性差，影響了砂輪的切削性能和加工質量。為了克服上述缺點，國內外研究學者針對砂輪成型工藝和砂輪結構進行了深入研究，分別從鍍液成分、電鍍條件（溫度、時間等參數）、磨料排序、鍍層結構等方面進行改進。專利（公開號：CN102009391A）公開了一種高精密電鍍CBN砂輪的制造工藝，包括基體及磨粒準備、鍍液調制、上砂和電鍍、磨粒等高性改善處理、鍍后處理工藝等步驟，通過磨粒等高性改善處理提高砂輪磨粒的等高性，使盡可能多的磨料處在相同的層面上，使更多的磨料能夠同時參與磨削，提高磨削效率并且從微觀上減低被磨工件表面的高低不平，從而提高了該砂輪的制造精度。申請人信越化學工業株式會社申請的專利（公開號：CN101905447A）中公開了一種用于制造外刀切削輪的方法和夾具組件，通過將永磁體片布置在側表面并在基體外周面以內的位置以形成磁場，將磁體涂覆到金剛石或CBN研磨顆粒上以使磁場能夠作用于顆粒，導致顆粒被磁吸引到基體外周面上，并且進行電鍍或無電涂鍍，借此研磨顆粒被結合到基體外周面上以形成刀片部分。

隨著汽車、航空航天、半導體等行業對精磨切磨加工的需求進一步增加，其對電鍍CBN砂輪的加工精度與耐磨性等提出了更高的要求。近年來，國內外學者開始研究對磨料進行處理，從而提高磨料與鍍層的結合力，提高砂輪的磨削性能以及壽命。專利（公開號：CN109648484A）公開了一種水基磨削液氣門加工用電鍍CBN砂輪，其中對CBN磨料進行真空鍍鈦預處理，以改善普通電鍍CBN砂輪在水基磨削液加工中出現的工件燒傷、振紋、砂輪壽命短、磨料水解、脫落、堵塞等一系列問題。專利（公開號：CN109333383A）公開了一種表面包覆CrN膜的電鍍CBN砂輪及其制備方法，其中在砂輪輪轂外表面電鍍有一層金屬鎳，CBN磨粒被埋覆在鎳層中，在由砂輪CBN磨粒和鎳層構成的磨料層上沉積有一層CrN膜;使得電鍍砂輪對磨粒的把持由單獨的機械錨固轉變成錨固力、化學冶金結合力復合作用，有效減少了磨粒脫落，也顯著增加了CBN磨粒的裸露高度和容屑空間，提高了砂輪壽命和磨削質量。

2.3 國內外電鍍CBN砂輪技術專利申請量分析

通過章節2.1所述方法進行檢索、提取和分析，得到電鍍立方氮化硼砂輪技術全球申請量和中國申請量的年度分布曲線圖，如圖3所示?？梢钥闯觯谌蚍秶鷥?，電鍍CBN砂輪技術專利申請始于20世紀70年代中期，在21世紀之前，全球專利申請量始終處于較低狀態，技術發展較為緩慢，此階段為萌芽期;進入21世紀，專利申請量呈整體上升趨勢，進入平穩發展期;2010年之后，專利申請量迅猛增長，進入電鍍CBN砂輪技術的快速發展期，技術產出增多，電鍍CBN砂輪技術研究逐步走向成熟，走向產業化[5]，需要指出的是，由于發明專利可以在申請日起18個月公開，以及公開后數據整理入庫也需要一定時間，2018至2019年的專利申請有部分尚未公開，使得圖中2018至2019年數據下降，但并不說明相關專利申請量的下降，也并不能反映該領域進入衰退期。

對比中國的專利申請量，可以看出，我國電鍍CBN砂輪技術專利申請始于1997年，相對較晚，在2000年之前始終保持較低的申請量，這說明國內電鍍CBN砂輪技術研究和應用起步較晚，國外的企業和研究中心對中國市場不夠重視，基本沒有對中國市場開展專利布局。從2000年開始，國內申請量穩步提升，國內外開始重視電鍍CBN砂輪技術的研究以及專利申請，尤其是2010年以后，專利申請量快速增長，對該技術的研究和應用在不斷拓展，中國市場逐漸被重視，各國企業進入中國，國內外企業開始加大對其核心技術尋求專利保護[1]。

2.4 國內外電鍍CBN砂輪技術專利申請地域分析

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。一個國家擁有的技術專利越多，說明其在該領域的研發能力和技術實力越強。圖4為電鍍CBN砂輪技術專利申請所在國家和地區產權組織分布情況，其中，中國占主導地位，專利申請量最多，占此78.77%;其次是日本和美國，分別占有9.5%和3.35%的申請量，通過梳理國內的申請專利，發現有相當一部分專利是國外在華申請，這表明不僅我國重視電鍍CBN砂輪技術的研究，而且國內外企業和研究中心都看好中國的巨大市場需求，積極在中國進行專利保護，占領中國技術市場。

2.5 國內外主要申請人

圖5所示為電鍍CBN砂輪技術國內外主要申請人及申請量的對應關系。從圖中可以看出，企業、高校和科研院所均對電鍍CBN砂輪技術有所研究，高校中華僑大學申請量最大，其研究重點主要涉及電鍍CBN砂輪磨粒的磨削性能測試，專利申請人中大多數是企業，這說明國內外電鍍CBN砂輪技術已相對成熟，處于大規模的工業化生產應用階段。目前，電鍍CBN砂輪已在汽車凸輪軸、渦輪葉片、轉子等產品的磨削加工中發揮了重要作用。

通過對各申請人的專利進行梳理總結，將電鍍CBN砂輪技術領域的兩個國內外申請人信越化學工業株式會社、鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司的專利簡單介紹。

2.5.1 信越化學工業株式會社：創立于1926年9月16日，是世界最大的晶圓制造企業、世界最大聚氯乙烯制造企業。其研究重點為硬質合金基底外刃切割輪。比如公開號為CN103459091A的專利涉及一種硬質合金基底外刃切割輪及其制造方法，包括硬質合金的環形薄圓片形式的基底，和基底外緣上的刃部。該刃部包含：預涂覆磁性材料的金剛石或CBN磨粒;通過電鍍或無電鍍敷形成的用于將磨粒粘結在一起并粘結在基底上的金屬或合金結合材料;滲入磨粒之間和磨粒與基底之間的具有最高350℃的熔點的金屬或合金粘結劑。

2.5.2 鄭州磨料磨具磨削研究所：成立于1958年，主要生產及研究金剛石、超硬材料制品、行業專用生產和檢測設備等。該所主要通過控制電鍍工藝和磨料改進等方法成型出具有高磨削性能、低成本的電鍍CBN砂輪。例如公開號為CN103878705A的專利涉及一種用于齒輪高效精密成形磨削的電鍍CBN砂輪及其制備方法，首先加工砂輪基體，然后將砂輪基體依次進行陰陽極交替電化學除油、夾具+靜電吸附膜絕緣組裝、陰陽極交替電解處理、沖擊法預鍍、上砂、加厚和電鍍砂輪后處理，成功實現了齒輪的高效精密成形磨削。

3 結語

近十年是全球電鍍CBN砂輪技術的高速發展期，我國在該領域雖起步較晚，但發展較快，目前我國是該技術領域的主要研究和應用市場，隨著航空航天、汽車、半導體等行業的不斷發展，電鍍CBN砂輪的應用會日益增加，對砂輪的磨削精度和效率等性能會提出更高的要求，電鍍CBN砂輪在工藝、結構、磨料上的創新和改進也是迫切需要解決的難題。

參考文獻：

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