專利名稱：磁場輔助成型磨石的制備方法
技術領域：
本發明屬于研磨拋光材料制備領域，具體涉及一種基于外加磁場與振動攪拌的磁
場輔助成型磨石的制備方法。
背景技術：
隨著現代工業技術的高度發展，制造技術已經成為一個國家經濟發展的重要指 標，而精密和超精密制造技術又是當前各個發達國家重點發展的核心技術之一，是一個國 家重要的經濟和技術實力的體現。作為獲取高表面光潔度以及高形狀精度的重要加工手 段，拋光和研磨技術在現代精密和超精密制造技術中占有重要地位。由于拋光能改善材料 表面的耐腐蝕性，耐磨性以及獲得特殊性能，在電子設備、精密機械、儀器儀表、光學元件、 醫療器械、模具等領域應用廣泛。如在軍事領域、航空航天領域、醫療器械、民用光電產品中 廣泛使用的高精度的非球面鏡，基本都是依靠拋光來修正其形狀誤差和提高表面光潔度； 現代工業中大量使用的模具的表面光整加工也只能依靠研磨拋光來完成。然而，對于諸如 非球面光學元件這種具有復雜幾何形狀的工件或者模具這種精加工空間狹小的工件，其拋 光加工目前主要還是依靠手工完成，加工效率低且對工人技術的依賴程度強，不能滿足成 批生產的需要。以模具行業為例，截至2003年，我國模具工業總產值已經達到360多億人 民幣，而模具加工中手工拋光約占總加工時間30% ，如果能實現機械化快速拋光，將產生巨 大的經濟效益。因此，研究和開發新的拋光研磨技術，實現諸如模具、非球面光學元件之類 的復雜型面的高精度機械化拋光，對提高我國精密和超精密加工水平具有重要的意義。
現有的磁場輔助拋光技術，由于拋光體是柔性的，可用于各種復雜內外型面的高 精度拋光。如磁流體或磁流變液拋光、磁性研磨，均屬于游離磨料加工。現有磁性游離磨料 研磨拋光存在的問題是磁性游離磨粒在拋光過程中，其運動速度、軌跡、拋光載荷等都無 法有效控制，利用外加磁場產生的磁力作為磁性磨料拋光的驅動力，具有加工效率低、拋光 時間長并會造成一定程度環境污染的缺點。 相比于磁場輔助拋光技術，磁場輔助成型磨石由于顆粒與基體粘結，基體材料可 產生比磁場力更大的剪切作用力，因而拋光效率更高，試驗證明拋光可獲得優于傳統的磁 場輔助拋光方法的表面質量。磁場輔助成型磨石的拋光效率與拋光質量與該混合體中的顆 粒分布均勻性有著密切的聯系。而在磁場輔助成型磨石的制備過程中僅僅依靠外加磁場的 作用控制顆粒分布的均勻性的方法存在一定的局限性。傳統的磁場輔助成型磨石制備方法 是將磁性顆粒、磨粒和粘結劑的混合液注入模具后，直接施加外部磁場，由于粘結劑固化過 程中熱脹冷縮的關系，磁場輔助成型磨石固結成型后局部易出現較大縮孔等缺陷，導致成 型磨石質量降低。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種磁場輔助成型磨石的 制備方法，可替代通用的磨削拋光用磨石，提高加工的效率與表面加工質量；實現各種異型曲面、復雜曲面以及其他傳統方法無法精加工的零件表面的精密研磨拋光；提高磁場輔助 成型磨石制備過程中顆粒分布的均勻性，從而提高磁場輔助成型磨石的拋光效率和改善其 拋光質量；減小磁場輔助成型磨石成型過程中由于熱脹冷縮而形成的較大縮孔等缺陷，使 顆粒分布更加均勻；具有制備工藝簡單，生產成本低，拋光效率高，拋光效果好，易于實現大 批量生產和小批量單個制造的特點。 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種磁場輔助成型磨石的制備方 法，包括以下步驟 第一，將體積百分比為12. 5% 50%的粒度為80 500目的磁性顆粒、體積百分 比為12. 5% 50%粒度為80 500目的非磁性磨粒以及體積百分比為33% 60%粘結 劑置入容器中混合并充分攪拌； 第二，將攪拌均勻的混合料注入非導磁性模具中，并對模具施加振動， 第三，在保持振動攪拌的情況下，對該混合形成的混合料以0.417mT/s
4. 167mT/s的速度施加磁場2分鐘至50 500mT并保持恒定不變； 第四，振動5 10分鐘后去除振動，保持外加磁場強度恒定直到上述混合料固化 成型； 第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛剌。 上述磁場輔助成型磨石可在工件中澆鑄成型。未固化前為混合料，固化后成為與
工件被加工面相匹配的固體磨石。 上述磁場輔助成型磨石在固化過程中施加振動攪拌，其施加方式可以為機械振動 攪拌或超聲波振動攪拌法；機械振動攪拌，其振動頻率為2 200Hz，振幅為1 10mm ;超聲 波振動攪拌，其頻率為1 200KHz，輸出功率為20 1000w。 上述磁場輔助成型磨石在固化過程中施加外加磁場，其施加方式可以為電磁式或 永磁式或者電磁與永磁混合施加方式。 上述磁場輔助成型磨石中磁性顆粒為軟磁性顆粒。 上述磁場輔助成型磨石中磁性顆粒為羥基鐵粉、還原鐵粉其中之一種或兩種的混 合物，當為兩種混合物時，其體積比為任意比。 上述磁場輔助成型磨石中的非磁性顆粒為金剛石、金剛砂、剛玉、陶瓷粉中之一種 兩種以上的混合物，當為兩種以上的混合物時，其體積比為任意比。 上述磁場輔助成型磨石中粘結劑為以丙烯酸酯、環氧樹脂為主體的慢干型粘合
劑，如慢干型AB膠，環氧樹脂AB膠。其主要用途是使顆粒懸浮于粘結劑中卻又不影響顆
粒的流動性，固結后又要具有較強的結合力，并且能夠滿足拋光研磨的要求。 本發明的有益效果由于磁場輔助成型磨石在固化以前，顆粒在粘結劑中處于游
離狀態，可將其注入任意形狀任意尺寸的模具空腔中凝固成型，故而磁場輔助成型磨石可
應用于復雜型面的拋光。由于磨石在第二步和第三步的制備過程中，微小的振動可以促使
游離的磁性顆粒和磨粒形成更規則的排布，并且增加磁性顆粒和磨粒的流動性能，從而使
磨石成型后顆粒分布狀況更加均勻。磁場輔助成型磨石拋光實驗表明，本發明方法制備所
得磁場輔助成型磨石比傳統的方法制備所得磨石的材料去除率高，表面質量好。 本發明制備而成的磁場輔助成型磨石，裝夾于通用拋光研磨設備上，可實現對機
械零件的平面、內外圓表面、復雜曲面、異型曲面的精密拋光研磨加工，加工后零件表面粗糙度Ra值可達O. lum以下。
具體實施例
實施例1 —種磁場輔助成型磨石的制備方法，包括以下步驟 第一，按體積量取體積百分比為18.8%的120目的羥基鐵粉、體積百分比為 31. 2%的120目的金剛砂與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑； 第二，將羥基鐵粉和金剛砂混料攪拌均勻，再與環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至 羥基鐵粉和金剛砂均被完全濕潤，將攪拌均勻的混合料注入直徑為10mm的塑料圓柱形模 具中，注入完后封閉注入口，在模具外側施加頻率為10Hz，振幅為5mm的機械振動；
第三，在保持振動攪拌的情況下，在模具外側利用電磁場對該混合形成的混合料 以0. 667mT/s的速度施加磁場2分鐘直到80mT并保持恒定不變； 第四，待外加磁場恒定2分鐘后去除機械振動，保持80mT外加磁場固化24小時， 磁場輔助成型磨石固化成型； 第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛剌。
實施例2 —種磁場輔助成型磨石的制備方法，包括以下步驟 第一，按體積量取體積百分比為12.5%的120目的羥基鐵粉、體積百分比為 37. 5%的120目的剛玉與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑； 第二，將羥基鐵粉和剛玉混料攪拌均勻，再與環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至羥 基鐵粉和剛玉均被完全濕潤，將攪拌均勻的混合料注入直徑為10mm的塑料圓柱形模具中， 注入完后封閉注入口，在模具的外側施加頻率為20KHz，輸出功率為50w的超聲波振動；
第三，在保持振動攪拌的情況下，在模具外側利用電磁場對該混合形成的混合料 以0. 667mT/s的速度施加磁場2分鐘直到80mT并保持恒定不變； 第四，待外加磁場恒定2分鐘后停止超聲波振動，保持80mT外加磁場固化24小時 后，磁場輔助成型磨石固化成型； 第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛剌。
實施例3 —種磁場輔助成型磨石的制備方法，包括以下步驟 第一，按體積量取體積百分比為21. 4%的120目的還原鐵粉、體積百分比為 35. 7%的120目的金剛石與體積百分比為42. 9%的環氧樹脂粘結劑； 第二，將還原鐵粉和金剛石混料攪拌均勻，再與環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至 還原鐵粉和金剛石均被完全濕潤，將攪拌均勻的混合料注入直徑為10mm的塑料圓柱形模 具中，注入完后封閉注入口，在模具外側施加頻率為100Hz，振幅為2mm的機械振動；
第三，在保持機械振動的情況下，在模具外側利用電磁場對該混合形成的混合料 以1. 667mT/s的速度施加磁場2分鐘直到200mT并保持恒定不變； 第四，待外加磁場恒定2分鐘后停止機械振動，保持200mT外加磁場固化24小時 后，磁場輔助成型磨石固化成型； 第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛剌。
實施例4 —種磁場輔助成型磨石的制備方法，包括以下步驟 第一，按體積量取體積百分比為25%的200目的羥基鐵粉、體積百分比為41. 7% 的200目的陶瓷粉與體積百分比為33. 3%的環氧樹脂粘結劑； 第二，將羥基鐵粉和陶瓷粉混料攪拌均勻，再與環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至 羥基鐵粉和陶瓷粉均被完全濕潤，將攪拌均勻的混合料注入直徑為10mm的塑料圓柱形模 具中，注入完后封閉注入口，在模具外側施加頻率為100KHz，輸出功率為200w的超聲波振 動； 第三，在保持超聲波振動的情況下，在模具外側利用電磁場對該混合形成的混合 料以3. 333mT/s的速度施加磁場2分鐘直到400mT并保持恒定不變； 第四，待外加磁場恒定2分鐘后停止超聲波振動，保持400mT外加磁場固化24小 時，磁場輔助成型磨石固化成型； 第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛剌。
實施例5 —種磁場輔助成型磨石的制備方法，包括以下步驟 第一，按體積量取體積百分比為37. 5%的400目的羥基鐵粉、體積百分比為 12. 5%的400目的剛玉與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑； 第二，將羥基鐵粉和剛玉混料攪拌均勻，再與調配好的環氧樹脂粘結劑進行均勻 攪拌至羥基鐵粉和剛玉均被完全濕潤；將攪拌均勻的混合料注入直徑為10mm的塑料圓柱 形模具中，注入完后封閉注入口，在模具外側施加頻率為30KHz，輸出功率為lOOw的超聲波 振動； 第三，在保持超聲波振動的情況下，在模具外側利用電磁場對該混合形成的混合 料以0. 667mT/s的速度施加磁場2分鐘直到80mT并保持恒定不變； 第四，待外加磁場恒定2分鐘后停止超聲波振動，保持80mT外加磁場固化24小時 后，磁場輔助成型磨石固化成型； 第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛剌。
實施例6 —種磁場輔助成型磨石的制備方法，包括以下步驟 第 一 ，按體積量取體積百分比為25. 5 %的200目的羥基鐵粉、體積百分比為 25. 5%的500目的金剛砂與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑； 第二，將羥基鐵粉和金剛砂混料攪拌均勻，再與調配好的環氧樹脂粘結劑進行均 勻攪拌至羥基鐵粉和金剛砂均被完全濕潤；將攪拌均勻的混合料注入直徑為10mm的塑料 圓柱形模具中，注入完后封閉注入口，然后在模具的外側施加頻率為20Hz，振幅為8mm的機 械振動； 第三，在保持機械振動的情況下，在模具外側利用電磁場對該混合形成的混合料 以0. 833mT/s的速度施加磁場直到100mT并保持恒定不變； 第四，待外加磁場恒定2分鐘后停止機械振動，保持100mT外加磁場固化24小時 后，磁場輔助成型磨石固化成型。 第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛剌。
對比例1 首先按體積量取體積百分比為18. 8%的120目的羥基鐵粉、體積百分比為31. 2% 的120目的金剛砂與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑；然后將羥基鐵粉和金剛砂混 料攪拌均勻，再與調配好的環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至羥基鐵粉和金剛砂均被完全濕 潤；再將攪拌均勻的混合料注入直徑為lOmm的塑料圓柱形模具中，注入完后封閉注入口 ； 固化24小時后脫模。
對比例2 首先按體積量取體積百分比為18. 8%的120目的羥基鐵粉、體積百分比為31. 2% 的120目的金剛砂與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑；然后將羥基鐵粉和金剛砂混 料攪拌均勻，再與調配好的環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至羥基鐵粉和金剛砂均被完全濕 潤；再將攪拌均勻的混合料注入直徑為lOmm的塑料圓柱形模具中，注入完后封閉注入口 ； 在模具外側利用電磁場對磁性拋光材料緩慢施加磁場直到80mT ;保持80mT外加磁場固化 24小時后，磁場輔助成型磨石即可脫模。
測試 將實施例及對比例制備而成的拋光體，裝夾在自制具有直線往復運動的旋轉拋光 研磨機上，采用的拋光參數為直線往復運動速度為0. 014m/s，旋轉轉速為1400r/min，施加 載荷為15N，拋光時間為40min，在黃銅試片上拋光，拋光完后取出試片清洗、烘干，分別測 量銅片去除量及拋光后的表面粗糙度Ra。因為黃銅試片拋光40min后，表面去除較深，故試 片初始粗糙度對拋光后的表面質量已經沒有影響。
表1測試結果對比
實施例去除量(mg)表面粗糙度值 Ra(um)
實施例191. 60. 088
實施例293. 10. 073
實施例392. 10. 070
實施例481. 60. 061
實施例562. 80. 033
實施例669. 50. 046
對比例146. 20. 218
對比例259. 70. 132 從表1可知，本發明的實施例與對比例拋光銅試片后比較，實施例去除量顯著增
8加，即拋光效率顯著提高或者說磨削能力有顯著提高；表面粗糙度值降低約1/2，即拋光效 果有所提高。 綜上所述，通過本發明提供的磁場輔助成型磨石制備方法，可以制得一種拋光效 率高，拋光效果好的磁場輔助成型磨石。
權利要求
一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一，將體積百分比為12.5％～50％的粒度為80～500目的磁性顆粒、體積百分比為12.5％～50％粒度為80～500目的非磁性磨粒以及體積百分比為33％～60％粘結劑置入容器中混合并充分攪拌；第二，將攪拌均勻的混合料注入非導磁性模具中，并對模具施加振動，第三，在保持振動攪拌的情況下，對該混合形成的混合料以0.417mT/s～4.167mT/s的速度施加磁場2分鐘至50～500mT并保持恒定不變；第四，振動5～10分鐘后去除振動，保持外加磁場強度恒定直到上述混合料固化成型；第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛刺。
2. 如權利要求1所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，在固化過程 中對模具施加振動，其施加方式可以為機械振動攪拌或超聲波振動攪拌法。
3. 根據權利要求2所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，機械振動 攪拌的振動頻率為2 200Hz，振幅為1 10mm。
4. 根據權利要求2所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，超聲波振 動攪拌，其頻率為1 200KHz，輸出功率為20 1000w。
5. 根據權利要求1所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，在固化過 程中施加外加磁場，其施加方式可以為電磁式或永磁式或者電磁與永磁混合施加方式。
6. 根據權利要求1所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，所說的磁 性顆粒為軟磁性顆粒。
7. 根據權利要求1或6所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，所說的 磁性顆粒為羥基鐵粉、還原鐵粉其中之一種或兩種的混合物，當為兩種混合物時，其體積比 為任意比。
8. 根據權利要求1所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，所說的非 磁性顆粒為金剛石、金剛砂、剛玉、陶瓷粉中之一種兩種以上的混合物，當為兩種以上的混 合物時，其體積比為任意比。
9. 根據權利要求1所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟第一，按體積量取體積百分比為18.8%的120目的羥基鐵粉、體積百分比為31.2%的 120目的金剛砂與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑；第二，將羥基鐵粉和金剛砂混料 攪拌均勻，再與環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至羥基鐵粉和金剛砂均被完全濕潤，將攪拌 均勻的混合料注入直徑為10mm的塑料圓柱形模具中，注入完后封閉注入口，在模具外側施 加頻率為10Hz，振幅為5mm的機械振動；第三，在保持振動攪拌的情況下，在模具外側利用 電磁場對該混合形成的混合料以0. 667mT/s的速度施加磁場2分鐘直到80mT并保持恒定 不變；第四，待外加磁場恒定2分鐘后去除機械振動，保持80mT外加磁場固化24小時，磁場 輔助成型磨石固化成型；第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整飛邊、毛 剌。
10. 根據權利要求1所述的一種磁場輔助成型磨石的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟第一，按體積量取體積百分比為12. 5%的120目的羥基鐵粉、體積百分比為37. 5%的 120目的剛玉與體積百分比為50%的環氧樹脂粘結劑；第二，將羥基鐵粉和剛玉混料攪拌均勻，再與環氧樹脂粘結劑進行均勻攪拌至羥基鐵粉和剛玉均被完全濕潤，將攪拌均勻的 混合料注入直徑為10mm的塑料圓柱形模具中，注入完后封閉注入口，在模具的外側施加頻 率為20KHz，輸出功率為50w的超聲波振動；第三，在保持振動攪拌的情況下，在模具外側利 用電磁場對該混合形成的混合料以0. 667mT/s的速度施加磁場2分鐘直到80mT并保持恒 定不變；第四，待外加磁場恒定2分鐘后停止超聲波振動，保持80mT外加磁場固化24小時 后，磁場輔助成型磨石固化成型；第五，去除磁場，取出磁場輔助成型磨石即可脫模，并修整 飛邊、毛剌。
全文摘要
一種磁場輔助成型磨石的制備方法，包括以下步驟第一，將體積百分比為12.5％～50％的磁性顆粒、體積百分比為12.5％～50％非磁性磨粒以及體積百分比為33％～60％粘結劑置入容器中混合并充分攪拌；第二，將攪拌均勻的混合料注入非導磁性模具中，并對模具施加振動；第三，在保持振動攪拌的情況下，對該混合形成的混合料緩慢施加磁場至50～500mT并保持恒定不變；第四，去除振動，保持外加磁場強度恒定直到磁場輔助成型磨石固化成型；第五，去除磁場，脫模，取出磁場輔助成型磨石并修整飛邊、毛刺，具有工藝簡單，成本低，拋光效率高，拋光效果好的特點。
文檔編號B24D18/00GK101780664SQ20091021913
公開日2010年7月21日 申請日期2009年11月25日 優先權日2009年11月25日
發明者張優云, 張征凱, 曹玉新, 朱永生, 鐘偉 申請人:西安交通大學