超硬砂轮修整专利技术综述

李川

摘 要：通过统计分析国内外关于超硬砂轮修整技术的专利申请，整理了超硬砂轮修整领域的技术发展脉络，同时，重点对超硬砂轮修整的核心专利、技术发展演进进行分析。

关键词：超硬；磨具；砂轮；修整；修锐

中图分类号：TG74+3 文献标志码：A 文章编号：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

由于超硬砂轮具备较好的物理化学性能，其在磨削技术方面的应用使得磨削技术得到飞跃式的发展[1]。目前，超硬材料如工程陶瓷、单晶硅等以其高硬度、高弹性、高强度、耐磨性、耐腐蚀以及重量轻等优良性能在工业上得到了广泛应用[2]。对于超硬材料而言，具有难加工和加工精度要求较高的特点，使得如金刚石砂轮、CBN砂轮等对超硬材料进行磨削加工的应用日益增加，而欲保证硬脆材料的加工质量，超硬砂轮的修整技术是关键[3]。

1 国内外超硬砂轮修整的专利现状分析

1.1 国内外超硬砂轮修整的专利申请量分析

本文对申请日为2016年以前的超硬砂轮修整的专利申请进行分析，得到申请量的年代分布曲线图，如图1所示，其总体发展呈现上升趋势。其中，A曲线显示了全球范围内超硬砂轮修整的申请量的年度分布，而B曲线显示了中国国内申请量的年度分布。从图中反映出，在全球范围内，专利申请始于上世纪70年代初，但专利申请始终处于较低状态，直至1999年后才有一定量的增长，并在2000-2004年间进入了平稳期；而从2005-2007年之间，专利申请量出现了较大幅度的上升，这期间是该领域技术的一个发展高潮，并在2007年出现了峰值；随后，由于世界范围內的经济放缓，从2008-2011年，专利申请量发生急剧下滑；2011年之后，专利申请总量再次大幅度上升。

对比中国国内的专利申请量，从图中可以看出，国内申请在2003年以前一直保持较低的水平，说明国内企业的研究起步较晚，但从2005年开始，国内申请量一直保持平稳较快的上升，速度也基本超过全球增长速度，说明中国市场逐渐被重视，各国企业开始进入中国申请，同时国内申请也逐渐加大。

1.2 国内外超硬砂轮修整的专利申请地域分析

专利申请的地域分布能够反映不同国家和地区在一定领域内的专利技术实力和产品市场重心。对超硬砂轮修整的专利申请所在国家和地区产权组织分布进行统计，如图2所示，排名前六位的分别是中国、日本、德国、苏联、欧洲、美国，这六个国家占据专利申请总量的89%，与该领域的市场分布情况匹配，其中，中国申请量为45%，表明中国国内申请量不断增加，各国企业愈发重视中国市场，其次是日本和德国，分别占有13%和10%的申请量。

2 超硬砂轮修整技术发展演进

通过对超硬砂轮修整各个时期的专利文献进行整理和分析，得到该领域的专利技术演进路线图，如图3所示，超硬砂轮修整技术专利申请的发展大致经历以下几个主要发展阶段：

第一阶段（1985年以前）为起步期。这一阶段砂轮的修整主要集中在传统的机械磨削修整，例如金刚石笔整形、磨削整形法等。金刚石滚轮修整是70年代由英国和德国开发的修整技术，其原本是用于普通砂轮的修整，随着具有金刚石、CBN磨粒的超硬砂轮逐渐在工业上应用，逐渐将其用于超硬砂轮的修整，比较具有代表性的是1979年由日本丰田在美国申请的US4151684，其涉及一种具备修整装置的磨削设备，磨削设备的砂轮采用CBN磨粒，为了修整CBN磨轮，在磨轮一侧设置金刚石滚轮。在各类修整方式中，金刚石修整在修整精度和修整寿命方面具有明显优势。

第二阶段（1986-1999年）为快速发展期。在该阶段，传统的机械去除修整开始向非机械能修整方式转变，砂轮修整领域开始明显出现了几个分支，包括：GC杯修整、电解修整、电火花修整、激光修整以及超声波修整。90年代初，日本申请的JPH08323618公开了一种高精度修整装置，杯型修整砂轮与被修金刚石砂轮呈垂直布置，采用端面磨削方式修磨砂轮，能够对砂轮进行较高精度的修整。早在70年代，电解磨削修整开始应用于砂轮修整中，主要用于修整金属基砂轮，例如US4013526。值得注意的是，90年代初在电解修整原理的基础上，日本进一步发展了在线电解修整（ELID）技术，例如EP0640438，ELID技术将磨轮作为电源阳极，修整装置作为阴极，然后在之间通入电解磨削液，通过电解露出磨粒，同时电解液在表面形成钝化阻止进一步电解损失，较好地解决了细粒度超硬砂轮修整与峰锐性的问题。80年代初，电火花修整技术开始用于砂轮修整，US4236985公开了一种电火花磨削工具，电火花修整采用放电加工技术，金属结合剂砂轮接电源正极，修整工具接砂轮负极，正负极之间的间隙放电，电弧产生瞬间高温蚀除结合剂和磨料。80年代，人们开始逐渐研究激光修整，其基本原理是采用具备一定强度的激光照射砂轮表面，使结合剂和磨料瞬间融化、气化去除。超声波修整是通过超声波发生器带动修整器振动对砂轮结合剂破坏，从而对砂轮进行修整，DE4334391公开了一种液体喷射磨料结合超声波振动砂轮修整装置。

第三阶段（2000-2016年）为全面发展期。在该阶段，人们更多的是关注砂轮修整的效率和精度问题，修整方法开始步入不同方法的复合修整。在此间较有代表性的专利包括：JP2001062633、JPH11239969、JP2005059176、JP2007050

471、DE102011051772、KR20160109688、JP2015098041等。2001年日本专利JP2001062633将杯型修整与电解修整结合，通过直杯磨轮与喷嘴供给导电冷却剂研磨表面，细化磨轮颗粒。YAG激光器用于砂轮成为研究主流，其与CO2激光器相比，输出波长较短，易于光纤传输，体积小，利于工业化推广。2005年日本专利JP2005059176，采用YAG激光被照射较高的谐波从激光修整机构提供到外周表面以一种希望的形状尺寸进行修整。超声震动修整是一种较为优良的修整方法，对于磨削件而言，易于避免工件烧伤、降低磨削温度、减小磨削力、提高砂轮的使用寿命等优点。德国专利DE4334391结合超声波修整与液体喷射修整，将接触流体通过超声振荡以高速度输送到研磨表面，使得形状和精度得以保持。DE102011051772采用超声辅助放电加工方法修整，并控制预定深度和预定的进料。

3 结束语

关于超硬砂轮修整技术，从全球范围来看，核心专利仍然集中在美国、日本、欧洲等发达国家。虽然我国从2005年开始，专利申请量在该领域逐渐上升，但是仍然主要集中在国内的高校与科研院所，相关技术部分还处于研发布局阶段。随着超硬磨具在工程中的应用不断增加，其对砂轮修整的效率和精度提出了更高要求，超硬砂轮的修整技术是迫切需要解决的难题。

参考文献：

[1]崔仲鸣，赫青山，冯创举，等.超硬磨料磨具修整技术研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2016，36（1）：43-49.

[2]惠军涛，邓小玲，范全堂.超硬材料砂轮的修整技术[J].矿山机械，2004（2）：52-53.

[3]樊全堂，赵波，刘传绍，等.超硬磨料砂轮修整技术的新发展[J].河南理工大学学报自然科学版，2003，22（1）：43-47.