具有胀流特性的柔性磨具及其抛光方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910221152.7 (22)申请日 2019.03.22 (71)申请人 湖南科技大学 地址 411201 湖南省湘潭市雨湖区石码头2 号 (72)发明人 李敏宋方增董婷杨晓莹 刘明辉黄振荣唐成 (74)专利代理机构 杭州斯可睿专利事务所有限 公司 33241 代理人 王利强 (51)Int.Cl. B24D 18/00(2006.01) B24B 1/00(2006.01) B24B 57/02(2006.01) (54)发明名称 一种具有胀流特性的柔性磨具及其抛光方。

2、 法 (57)摘要 一种具有胀流特性的柔性磨具， 所述柔性磨 具是由水凝胶、 胀流相、 磨料、 凝固剂组成的固态 磨具， 抛光过程中， 水凝胶和凝固剂会缓慢逐渐 溶解， 释放出胀流相和磨料， 在水溶液的参与下 形成胀流抛光液， 胀流抛光液产生胀流现象， 粘 度上升， 胀流抛光液会吸附在工件表面， 在磨具 膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作 用下， 实现磨具对工件表面的柔性抛光。 以及提 供一种具有胀流特性的柔性磨具实现的抛光方 法。 本发明具有胀流特性的柔性磨具有着使用方 便、 易储存、 低经济成本等优点； 由于磨具的胀流 特性和柔性抛光， 磨具能够适应多种面型(平面、 简单或复杂曲面)。

3、， 能够获得无/低表面损伤或亚 表面损伤的工件。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 109894990 A 2019.06.18 CN 109894990 A 1.一种具有胀流特性的柔性磨具， 其特征在于， 所述柔性磨具是由水凝胶、 胀流相、 磨 料、 凝固剂组成的固态磨具， 各个组份为： 水凝胶20wt.-30wt.、 胀流相20wt.- 40wt.、 磨料20wt.-30wt.、 凝固剂10wt.-20wt.； 抛光过程中， 水凝胶和凝固剂会缓慢逐渐溶解， 释放出胀流相和磨料， 在水溶液的参与 下形成胀流抛光液， 胀流抛光液产生胀流现象， 粘度上升， 胀流抛光液会吸附在工件表面，。

4、 在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下， 实现磨具对工件表面的柔性抛 光。 2.如权利要求1所述的一种具有胀流特性的柔性磨具， 其特征在于， 所述水凝胶吸收分 散介质(水)时水凝胶体积会膨胀， 提供对工件表面的载荷以及让磨具更佳的吻合工件表 面； 失去分散介质(水)或分散介质少时， 水凝胶体积小。 即非抛光情况时， 磨具恢复原状； 遇 到抛光水溶液时会逐渐溶解， 释放出其中的胀流相、 磨料。 3.如权利要求1或2所述的一种具有胀流特性的柔性磨具， 其特征在于， 所述凝固剂能 够将水凝胶、 胀流相和磨料紧密联结在一起， 形成稳定的固态磨具， 凝固剂产生的是物理作 用(非化学作用)；。

5、 在接触水溶液时， 凝固剂会逐渐缓慢溶解， 将胀流相和磨料释放出， 便于 研磨抛光去除工件材料。 4.如权利要求1或2所述的一种具有胀流特性的柔性磨具， 其特征在于， 所述水溶液能 够迅速溶解凝固剂和水凝胶， 释放出其中的胀流相、 磨料， 碎屑中的胀流相、 磨料在水溶液 的参与下形成胀流抛光液。 5.一种如权利要求1所述的具有胀流特性的柔性磨具实现的抛光方法， 其特征在于， 所 述抛光方法包括以下步骤： 1)选用工件夹具， 装夹工件， 将工件固定在抛光盘上； 2)将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上； 3)通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射， 与此同时抛光盘转动， 产 生剪切。

6、速率； 磨具在抛光水溶液的作用下， 水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解， 释放出胀流相和 磨料， 与抛光水溶液形成胀流抛光液， 由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性， 实现对工件的 柔性抛光； 与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀， 磨具体积增大， 增大了磨具对工件 表面的瞬时载荷； 4)经过设定时间和转速的条件下， 完成对工件的抛光。 6.如权利要求5所述的抛光方法， 其特征在于， 所述具有胀流特性的柔性磨具是由水凝 胶、 胀流相、 磨料、 凝固剂组成的固态磨具， 各个组份为： 水凝胶20wt.-30wt.、 胀流相 20wt.-40wt.、 磨料20wt.-30wt.、 凝固剂10wt.-20wt.。

7、。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109894990 A 2 一种具有胀流特性的柔性磨具及其抛光方法 技术领域 0001 本发明属于超精密加工技术领域， 具体涉及到一种具有胀流特性的柔性磨具及其 抛光方法。 背景技术 0002 超精密加工技术在现代科学技术的重要组成部分， 在众多领域中广泛应用。 例如 蓝宝石、 单晶硅及各功能性陶瓷等硬脆难加工材料的加工方面； 各种复杂曲面的高精度、 低 损伤、 美观等方面。 利用超精密加工技术， 可以获得低表面粗糙度、 低/无表面损伤或亚表面 损伤的工件表面。 0003 磨具是用以磨削、 研磨和抛光的工具。 大部分的磨具是用磨料加上结合剂制成的 人造磨具。

8、， 也有用天然矿岩直接加工成的天然磨具。 磨具除在机械制造和其他金属加工工 业中被广泛采用外， 还用于粮食加工、 造纸工业和陶瓷、 玻璃、 石材、 塑料、 橡胶、 木材等非金 属材料的加工。 0004 水凝胶是以水为分散介质的凝胶， 具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部 分疏水基团和亲水残基， 亲水残基与水分子结合， 将水分子连接在网状内部， 而疏水残基遇 水膨胀的交联聚合物， 是一种高分子网络体系， 性质柔软， 能保持一定的形状， 能吸收大量 的水。 0005 膨胀性流体在外力作用下， 其粘度会因剪切速率的增大而上升的流体， 但在静置 时， 能逐渐恢复原来流动较好的状态。 0006 已公。

9、开发明专利(CN 201811056573.0)， 一种便于使用的金刚石磨具。 本发明磨头 组件为组合式， 含有第一磨盘和第二磨盘， 可同时对花岗岩或者大理石的两边进行打磨， 大 大提高了打磨的效率， 且第一磨盘和第二磨盘间的距离可进行调节， 可对同一高度不同厚 度的花岗岩或者大理石板进行打磨， 提高了装置的使用范围， 本发明无需手持进行磨边， 减 轻了工人的劳动轻度， 同时避免了受力不均而出现凹陷情况的发生， 有利于提高打磨的质 量。 缺点在于金刚石磨具对工件磨削作用， 会造成对工件表面较大的表面损伤或亚表面损 伤。 0007 已公开中国发明专利(CN 201810095554.2)， 专利。

10、名称： 一种高效超精密剪切增 稠-化学协同抛光方法。 本发明利用液流边界主动约束与抛光液流流动主动控制、 剪切增稠 与绿色化学作用协同， 提高加工效率、 精度， 并扩展可加工材料及面形。 该专利优点在于可 加工材料广、 加工面型多样、 抛光液环保， 利用了剪切增稠效应， 使该抛光方法为柔性抛光， 提高材料去除确定性， 表面变质层少； 缺点在于抛光过程中， 使用的液态抛光液， 有着容易 变质、 制备繁琐等缺点。 发明内容 0008 为了克服已有抛光方式的不足， 本发明提供了一种具有胀流特性的柔性磨具及其 抛光方法， 具有胀流特性的柔性磨具有着使用方便、 易储存、 低经济成本等优点； 由于磨具 说。

11、明书 1/4 页 3 CN 109894990 A 3 的胀流特性和柔性抛光， 磨具能够适应多种面型(平面、 简单或复杂曲面)， 能够获得无/低 表面损伤或亚表面损伤的工件。 0009 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 0010 一种具有胀流特性的柔性磨具， 所述柔性磨具是由水凝胶、 胀流相、 磨料、 凝固剂 组成的固态磨具， 各个组份为： 水凝胶20wt.-30wt.、 胀流相20wt.-40wt.、 磨料 20wt.-30wt.、 凝固剂10wt.-20wt.； 0011 抛光过程中， 水凝胶和凝固剂会缓慢逐渐溶解， 释放出胀流相和磨料， 在水溶液的 参与下形成胀流抛光液， 胀流抛。

12、光液产生胀流现象， 粘度上升， 胀流抛光液会吸附在工件表 面， 在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下， 实现磨具对工件表面的柔 性抛光。 0012 进一步， 所述水凝胶吸收分散介质(水)时水凝胶体积会膨胀， 提供对工件表面的 载荷以及让磨具更佳的吻合工件表面； 失去分散介质(水)或分散介质少时， 水凝胶体积小。 即非抛光情况时， 磨具恢复原状； 遇到抛光水溶液时会逐渐溶解， 释放出其中的胀流相、 磨 料。 0013 再进一步， 所述凝固剂能够将水凝胶、 胀流相和磨料紧密联结在一起， 形成稳定的 固态磨具， 凝固剂产生的是物理作用(非化学作用)； 在接触水溶液时， 凝固剂会逐渐缓慢。

13、溶 解， 将胀流相和磨料释放出， 便于研磨抛光去除工件材料。 0014 所述水溶液能够迅速溶解凝固剂和水凝胶， 释放出其中的胀流相、 磨料， 碎屑中的 胀流相、 磨料在水溶液的参与下形成胀流抛光液。 0015 一种具有胀流特性的柔性磨具实现的抛光方法， 包括以下步骤： 0016 1)选用工件夹具， 装夹工件， 将工件固定在抛光盘上； 0017 2)将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上； 0018 3)通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射， 与此同时抛光盘转 动， 产生剪切速率； 磨具在抛光水溶液的作用下， 水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解， 释放出胀 流相和磨料， 与抛光水溶液形成胀。

14、流抛光液， 由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性， 实现对 工件的柔性抛光； 与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀， 磨具体积增大， 增大了磨具 对工件表面的瞬时载荷； 0019 4)经过设定时间和转速的条件下， 完成对工件的抛光。 0020 进一步， 所述具有胀流特性的柔性磨具是由水凝胶、 胀流相、 磨料、 凝固剂组成的 固态磨具， 各个组份为： 水凝胶20wt.-30wt.、 胀流相20wt.-40wt.、 磨料20wt.- 30wt.、 凝固剂10wt.-20wt.。 0021 本发明的技术构思： 抛光过程中， 使用具有胀流特性的柔性磨具对工件表面进行 抛光， 磨具与工件之间的接触面， 在。

15、抛光水溶液的作用下， 水凝胶和凝固剂逐渐缓慢的溶 解， 释放出胀流相和磨料， 与抛光水溶液结合形成胀流抛光液， 粘度增大， 使胀流抛光液吸 附在工件表面上， 在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下， 实现磨具对 工件表面的柔性抛光， 获得无/低表面损伤或亚表面损伤的工件； 由于水凝胶遇水膨胀， 与 工件表面接触的磨具体积增大， 压在工件表面上， 增大了抛光时的瞬时载荷， 并使磨具更好 的吻合工件表面， 提高了磨具对工件的抛光效率、 增加了抛光工件面型的种类(如平面、 曲 面等)； 具有胀流特性的柔性磨具， 有着使用方便、 易储存、 低经济成本等优点。 说明书 2/4 页 4 CN 。

16、109894990 A 4 附图说明 0022 图1为一种具有胀流特性的柔性磨具的截面图， 金属层1为工件的装夹部分， 磨料 层2用于抛光。 0023 图2为图1的俯视图。 0024 图3为另一种有胀流特性的柔性磨具的截面图。 0025 图4为另一种有胀流特性的柔性磨具的俯视图。 0026 图5为磨具-工件抛光微观图， (a)平面工件(b)曲面工件， 工件3。 具体实施方式 0027 下面结合附图对本发明作进一步描述。 0028 实施例1 0029 参照图1图4， 一种具有胀流特性的柔性磨具， 是由水凝胶、 胀流相、 磨料、 凝固剂 组成的固态磨具， 各个组份为： 水凝胶20wt.-30wt.。

17、、 胀流相20wt.-40wt.、 磨料 20wt.-30wt.、 凝固剂10wt.-20wt.； 0030 本实施例中， 固态模具的各个组份可以为： 0031 水凝胶20wt.、 胀流相40wt.、 磨料25wt.、 凝固剂15wt.； 0032 或者是： 水凝胶25wt.、 胀流相37wt.、 磨料28wt.、 凝固剂10wt.； 0033 再或者是： 水凝胶27wt.、 胀流相35wt.、 磨料20wt.、 凝固剂18wt.； 0034 又或者是： 水凝胶30wt.、 胀流相20wt.、 磨料30wt.、 凝固剂20wt.。 0035 抛光时与工件接触的磨料层2， 水凝胶和凝固剂会缓慢逐。

18、渐溶解， 释放出胀流相和 磨料， 在抛光水溶液的参与下形成胀流抛光液， 胀流抛光液产生胀流现象， 粘度上升， 胀流 抛光液会吸附在工件表面， 在磨具膨胀产生的载荷和夹具提供的剪切速率双重作用下， 实 现磨具对工件表面的柔性抛光。 0036 进一步， 所述水凝胶吸收分散介质(水)时水凝胶体积会膨胀， 提供对工件表面的 载荷以及让磨具更佳的吻合工件表面； 失去分散介质(水)或分散介质少时， 水凝胶体积小。 即非抛光情况时， 磨具恢复原状； 遇到抛光水溶液时会逐渐溶解， 释放出其中的胀流相、 磨 料。 0037 再进一步， 所述凝固剂能够将水凝胶、 胀流相和磨料紧密联结在一起， 形成稳定的 固态磨具。

19、， 凝固剂产生的是物理作用(非化学作用)； 在接触水溶液时， 凝固剂会逐渐缓慢溶 解， 将胀流相和磨料释放出， 便于研磨抛光去除工件材料。 0038 所述水溶液能够迅速溶解凝固剂和水凝胶， 释放出其中的胀流相、 磨料， 碎屑中的 胀流相、 磨料在水溶液的参与下形成胀流抛光液。 0039 本实施例中， 图示为磨具的形态种类， 图1和图2为圆柱形， 图3和图4为矩形。 0040 实施例2 0041 实施设备包括： 具有胀流特性的柔性磨具、 磨具夹具、 工件夹具、 抛光盘、 输液器 等。 0042 如图5-(a)所示， 本发明用于抛光平面工件(轴承钢、 硬质合金、 金属陶瓷、 光学玻 璃以及难加工硬。

20、脆等材料)， 抛光方法包括如下步骤： 0043 1)选用工件夹具， 装夹工件， 将工件固定在抛光盘上； 说明书 3/4 页 5 CN 109894990 A 5 0044 2)将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上； 0045 3)通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射， 与此同时抛光盘转 动， 产生剪切速率。 磨具在抛光水溶液的作用下， 水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解， 释放出胀 流相和磨料， 与抛光水溶液形成胀流抛光液， 由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性， 实现对 工件的柔性抛光； 与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀， 磨具体积增大， 增大了磨具 对工件表面的瞬时载荷， 并提高。

21、了抛光效率； 0046 4)经过一定时间和转速的条件下， 完成对工件的抛光， 抛光结束。 0047 实施例3 0048 如图5-(b)所示， 本发明用于抛光曲面工件(轴承钢、 硬质合金、 金属陶瓷、 光学玻 璃以及难加工硬脆等材料)， 包括如下步骤： 0049 1)选用工件夹具， 装夹工件， 将工件固定在抛光盘上； 0050 2)将具有胀流特性的柔性磨具装夹在工件夹具上； 0051 3)通过输液器将抛光水溶液对准工件与磨具的抛光区喷射， 与此同时抛光盘转 动， 产生剪切速率。 磨具在抛光水溶液的作用下， 水凝胶和凝固剂逐渐缓慢溶解， 释放出胀 流相和磨料， 与抛光水溶液形成胀流抛光液， 由于水凝胶和胀流抛光液的柔性特性， 实现对 工件的柔性抛光； 与工件表面接触的磨具由于水凝胶吸水膨胀， 磨具体积增大， 更好的吻合 曲面工件的抛光表面， 增大了磨具对工件表面的瞬时载荷， 并提高了抛光效率； 0052 4)经过一定时间和转速的条件下， 完成对工件的抛光， 抛光结束。 说明书 4/4 页 6 CN 109894990 A 6 图1 图2 图3 图4 说明书附图 1/2 页 7 CN 109894990 A 7 图5 说明书附图 2/2 页 8 CN 109894990 A 8 。