具有沟槽结构的砂轮及制备方法

摘要

本发明提供了一种具有沟槽结构的砂轮，包括：砂轮基体(1)、金属材料薄板(2)以及磨料结合剂混合物(3)；所述金属材料薄板(2)与砂轮基体(1)连接；所述金属材料薄板(2)之间填充有磨料结合剂混合物(3)；所述砂轮基体(1)具有导电性；所述金属材料薄板(2)在电解加工过程中可逐渐被去除，从而形成沟槽，沟槽的深度由电解加工控制。本发明制备成本低，便于实现工业化生产。使用这种砂轮进行磨削加工，可以降低磨削力，冷却液进入沟槽结构，可以增强散热能力；同时砂轮基体(1)和金属材料薄板(2)可以将磨削热量传导出去，降低磨削区域温度。

权利要求

1.一种具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，包括：砂轮基体(1)、金属材料薄板(2)以及磨料结合剂混合物(3)；

所述金属材料薄板(2)与砂轮基体(1)连接；

所述金属材料薄板(2)之间填充有磨料结合剂混合物(3)；

所述砂轮基体(1)具有导电性；

所述磨料结合剂混合物(3)不具有导电性，不能被电解加工去除；

所述金属材料薄板(2)在电解加工过程中可逐渐被去除，从而形成沟槽，沟槽的深度由电解加工控制。

2.根据权利要求1所述的具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，所述金属材料薄板(2)以砂轮基体(1)为中心形成环形阵列结构。

3.根据权利要求2所述的具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，所述金属材料薄板(2)的阵列结构与沟槽的阵列结构一致。

4.根据权利要求1所述的具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，所述沟槽的宽度与金属材料薄板(2)的厚度一致。

5.根据权利要求1所述的具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，所述沟槽为平行沟槽结构、或为倾斜沟槽结构、或为V型沟槽结构、或为交叉沟槽结构。

6.根据权利要求5所述的具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，所述沟槽与金属材料薄板(2)包括如下组合状态：

当沟槽结构为平行沟槽结构时，金属材料薄板(2)为平面薄板，金属材料薄板(2)平行于砂轮基体(1)的轴线放置；

当沟槽结构为倾斜沟槽结构时，金属材料薄板(2)为平面薄板，金属材料薄板(2)与砂轮基体(1)的轴线存在倾斜角度；

当沟槽结构为V型沟槽结构时，金属材料薄板(2)为V型薄板，V型薄板之间构成多条相隔预定距离的锯齿线结构；

当沟槽结构为交叉沟槽结构时，金属材料薄板(2)为V型薄板，V型薄板彼此接触构成网格结构。

7.根据权利要求1所述的具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，所述磨料结合剂混合物(3)包括靠近所述砂轮基体(1)的砂轮结构强化区域，以及远离所述砂轮基体(1)的砂轮有效磨削区域；

所述砂轮结构强化区域内的金属材料薄板(2)沿砂轮轴向的宽度小于砂轮有效磨削区域内金属材料薄板(2)的宽度；

所述砂轮结构强化区域内，磨料结合剂混合物(3)的轴向宽度大于金属材料薄板(2)；

所述砂轮有效磨削区域内，磨料结合剂混合物(3)的轴向宽度与金属材料薄板(2)相同，被金属材料薄板(2)分割成多个与所述砂轮结构强化区域连接的小区域。

8.根据权利要求1所述的具有沟槽结构的砂轮，其特征在于，所述磨料结合剂混合物(3)包括靠近所述砂轮基体(1)的砂轮结构强化区域，以及远离所述砂轮基体(1)的砂轮有效磨削区域；

所述砂轮结构强化区域的轴向宽度大于砂轮有效磨削区域的轴向宽度，砂轮结构强化区域和有效磨削区域内的金属材料薄板(2)的轴向宽度一致。

9.一种具有沟槽结构的砂轮的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至8任一项所述的具有沟槽结构的砂轮的制备方法包括如下步骤：步骤1：将金属材料薄板(2)与砂轮基体(1)连接；

步骤2：将金属材料薄板(2)与砂轮基体(1)放置在砂轮模具(5)中并填充磨料结合剂混合物(3)，使磨料结合剂混合物(3)填充在金属材料薄板(2)之间；

步骤3：进行砂轮固化，砂轮固化后与砂轮模具(5)分离；

步骤4：对砂轮进行电解加工，形成沟槽。

10.一种具有沟槽结构的砂轮的使用方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的具有沟槽结构的砂轮，在砂轮的沟槽深度小于预设值时，通过电解加工逐渐去除金属材料薄板(2)，使沟槽深度对应加深。

说明书

具有沟槽结构的砂轮及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及磨削加工领域，具体地，涉及一种具有沟槽结构的砂轮及制备方法。

背景技术

[0002] 磨削加工是用磨料去除材料的一种加工方法，在机械加工领域有十分重要的地位。磨削加工主要用于精加工，微量去除工件材料，获得良好的尺寸精度及表面精度；磨削
加工也可以进行重负荷磨削，快速、大量去除工件材料。砂轮是磨削加工的工具，砂轮由多
种磨料和多种结合剂材料及成分组成。通常使用的普通砂轮磨料有氧化铝或碳化硅，而超
硬磨料砂轮的磨料有金刚石或立方氮化硼磨料。磨削加工的工件表面质量与砂轮密切相
关。由于磨削的耕犁、划擦、切削作用，磨削力大，磨削过程中会产生大量的热量。由于磨削
过程中材料去除量小，切屑能带走的热量很少，大部分磨削热被传入工件，严重时会造成工
件烧伤，在工件表面形成残余应力，可能会造成不利影响。磨削过程中需要通入冷却液降低
磨削温度，常规的冷却方式难以有效降低工件磨削区域的温度。

[0003] 表面结构化砂轮磨削加工技术采用具有规则排布磨粒或者沟槽结构的砂轮，以改善磨削加工工艺性能。研究表明，采用沟槽结构化砂轮进行磨削加工，可以有效降低磨削
力，沟槽结构可以增强冷却液的散热能力，有效抑制磨削烧伤。合理分布的沟槽结构可以改
善工件表面残余应力，提高工件的使用性能。目前主要采用激光去除的方式在砂轮磨削表
面加工出沟槽结构，然后使用这种修整后的砂轮进行磨削加工。传统的如专利文献
CN201811360379.1所公开的一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法，但是在工业化生
产中，这种沟槽结构化砂轮的制备成本高、效率低。

发明内容

[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有沟槽结构的砂轮及制备方法。

[0005] 根据本发明提供的一种具有沟槽结构的砂轮，包括：砂轮基体1、金属材料薄板2以及磨料结合剂混合物3；

[0006] 所述金属材料薄板2与砂轮基体1连接；

[0007] 所述金属材料薄板2之间填充有磨料结合剂混合物3；

[0008] 所述砂轮基体1具有导电性；

[0009] 所述磨料结合剂混合物3不具有导电性，不能被电解加工去除；

[0010] 所述金属材料薄板2在电解加工过程中可逐渐被去除，从而形成沟槽，沟槽的深度由电解加工控制。

[0011] 优选地，所述金属材料薄板2以砂轮基体1为中心形成环形阵列结构。

[0012] 优选地，所述金属材料薄板2的阵列结构与沟槽的阵列结构一致。

[0013] 优选地，所述沟槽的宽度与金属材料薄板2的厚度一致。

[0014] 优选地，所述沟槽为平行沟槽结构、或为倾斜沟槽结构、或为V型沟槽结构、或为交叉沟槽结构。

[0015] 优选地，所述沟槽与金属材料薄板2包括如下组合状态：

[0016] 当沟槽结构为平行沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，金属材料薄板2平行于砂轮基体1的轴线放置；

[0017] 当沟槽结构为倾斜沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，金属材料薄板2与砂轮基体1的轴线存在倾斜角度；

[0018] 当沟槽结构为V型沟槽结构时，金属材料薄板2为V型薄板，V型薄板之间构成多条相隔预定距离的锯齿线结构；

[0019] 当沟槽结构为交叉沟槽结构时，金属材料薄板2为V型薄板，V型薄板彼此接触构成网格结构。

[0020] 优选地，所述磨料结合剂混合物3包括靠近所述砂轮基体1的砂轮结构强化区域，以及远离所述砂轮基体1的砂轮有效磨削区域；

[0021] 所述砂轮结构强化区域内，磨料结合剂混合物3的宽度大于金属材料薄板2；

[0022] 所述砂轮有效磨削区域内，磨料结合剂混合物3的宽度与金属材料薄板2相同，被金属材料薄板2分割成多个与所述砂轮结构强化区域连接的小区域。

[0023] 优选地，所述磨料结合剂混合物3包括靠近所述砂轮基体1的砂轮结构强化区域，以及远离所述砂轮基体1的砂轮有效磨削区域；

[0024] 所述砂轮结构强化区域的轴向宽度大于砂轮有效磨削区域的轴向宽度，砂轮结构强化区域和有效磨削区域内的金属材料薄板2的宽度一致；

[0025] 所述砂轮有效磨削区域内的磨料结合剂混合物3被金属材料薄板2分割成多个与所述砂轮结构强化区域连接的小区域。

[0026] 根据本发明提供的一种具有沟槽结构的砂轮的制备方法，包括如下步骤：

[0027] 步骤1：将金属材料薄板2与砂轮基体1连接；

[0028] 步骤2：将金属材料薄板2与砂轮基体1放置在砂轮模具5中并填充磨料结合剂混合物3，使磨料结合剂混合物3填充在金属材料薄板2之间；

[0029] 步骤3：进行砂轮固化，砂轮固化后与砂轮模具5分离；

[0030] 步骤4：对砂轮进行电解加工，形成沟槽。

[0031] 根据本发明提供的一种具有沟槽结构的砂轮的使用方法，采用所述的具有沟槽结构的砂轮，在砂轮的沟槽深度小于预设值时，通过电解加工逐渐去除金属材料薄板2，使沟
槽深度对应加深。

[0032] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0033] 1、对金属材料薄板进行电解加工，电解加工后形成沟槽结构，沟槽结构的形状由金属材料薄板决定，砂轮磨损后，再次对金属材料薄板进行电解加工，增大沟槽深度，砂轮
可继续使用，提高了了砂轮的耐用性。

[0034] 2、砂轮基体和金属材料薄板具有良好的导热性，可以将磨削区域的热量传导出去，降低磨削区域温度，有效抑制磨削烧伤，改善工件表面残余应力，提高工件表面质量。

[0035] 3、这种具有沟槽结构的砂轮制备成本低，便于实现工业化生产。使用这种砂轮进行磨削加工，可以降低磨削力，冷却液进入沟槽结构，可以增强散热能力。

附图说明

[0036] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0037] 图1为砂轮磨削表面沟槽结构示意图，其中(a)为平行沟槽，(b)为倾斜沟槽，(c)为V型沟槽，(d)为交叉沟槽；

[0038] 图2为金属材料薄板结构示意图，其中(a)为平面薄板，(b)为“V”型薄板；

[0039] 图3为金属材料薄板结构示意图，其中(a)为平面薄板，(b)为“V”型薄板；

[0040] 图4为平行沟槽结构砂轮基体与金属材料薄板连接示意图；

[0041] 图5为倾斜沟槽结构砂轮基体与金属材料薄板连接示意图；

[0042] 图6为V型沟槽结构砂轮基体与金属材料薄板连接示意图；

[0043] 图7为交叉沟槽结构砂轮基体与金属材料薄板连接示意图；

[0044] 图8为砂轮固化示意图；

[0045] 图9为砂轮固化示意图；

[0046] 图10为沟槽结构砂轮组成示意图；

[0047] 图11为沟槽结构砂轮组成示意图；

[0048] 图12为电解加工制备砂轮表面沟槽结构示意图；

[0049] 图13为沟槽结构砂轮局部示意图；

[0050] 图中示出：

[0051]

具体实施方式

[0052] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明
的保护范围。

[0053] 根据本发明提供的一种具有沟槽结构的砂轮，包括：砂轮基体1、金属材料薄板2以及磨料结合剂混合物3；所述金属材料薄板2与砂轮基体1连接；所述金属材料薄板2之间填
充有磨料结合剂混合物3；所述砂轮基体1具有导电性；所述磨料结合剂混合物不具有导电
性，不能被电解加工去除；所述金属材料薄板2在电解加工过程中可逐渐被去除，从而形成
沟槽，沟槽的深度由电解加工控制。所述金属材料薄板2以砂轮基体1为中心形成环形阵列
结构。所述金属材料薄板2的阵列结构与沟槽的阵列结构一致。所述沟槽的宽度与金属材料
薄板2的厚度一致。在优选例中，磨料结合剂混合物3包括磨料、结合剂，根据磨料与结合剂
的固化需求，磨料结合剂混合物3中可包含添加剂。磨削加工过程中，随着砂轮磨损，沟槽结
构深度逐渐变小，使用一段时间后对金属材料薄板2进行电解加工，增大沟槽深度，砂轮可
再次使用。

[0054] 进一步地，所述沟槽为平行沟槽结构、或为倾斜沟槽结构、或为V型沟槽结构、或为交叉沟槽结构，如图1所示。所述沟槽与金属材料薄板2包括如下组合状态：当沟槽结构为平
行沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，金属材料薄板2平行于砂轮基体1的轴线放置；
当沟槽结构为倾斜沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，金属材料薄板2与砂轮基体1的
轴线存在倾斜角度；当沟槽结构为V型沟槽结构时，金属材料薄板2为V型薄板，V型薄板之间
构成多条相隔预定距离的锯齿线结构；当沟槽结构为交叉沟槽时，金属材料薄板2为V型薄
板，V型薄板彼此接触构成网格结构。所述磨料结合剂混合物3包括靠近所述砂轮基体1的砂
轮结构强化区域，以及远离所述砂轮基体1的砂轮有效磨削区域；所述砂轮结构强化区域
内，磨料结合剂混合物3的轴向宽度大于金属材料薄板2；所述砂轮有效磨削区域内，磨料结
合剂混合物3的轴向宽度与金属材料薄板2相同，被金属材料薄板2分割成多个与所述砂轮
结构强化区域连接的小区域，既提高了砂轮强度，也有助于砂轮传导热量。

[0055] 更进一步地，所述沟槽为平行沟槽结构、或为倾斜沟槽结构、或为V型沟槽结构、或为交叉沟槽结构，如图1所示。所述沟槽与金属材料薄板2包括如下组合状态：当沟槽结构为
平行沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，金属材料薄板2平行于砂轮基体1的轴线放
置；当沟槽结构为倾斜沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，金属材料薄板2与砂轮基体
1的轴线存在倾斜角度；当沟槽结构为V型沟槽结构时，金属材料薄板2为V型薄板，V型薄板
之间构成多条相隔预定距离的锯齿线结构；当沟槽结构为交叉沟槽时，金属材料薄板2为V
型薄板，V型薄板彼此接触构成网格结构。所述磨料结合剂混合物3包括靠近所述砂轮基体1
的砂轮结构强化区域，以及远离所述砂轮基体1的砂轮有效磨削区域；所述砂轮结构强化区
域的轴向宽度大于砂轮有效磨削区域的轴向宽度，砂轮结构强化区域和有效磨削区域内的
金属材料薄板2的宽度一致；所述砂轮有效磨削区域内的磨料结合剂混合物3被金属材料薄
板2分割成多个与所述砂轮结构强化区域连接的小区域。在优选例中，使用所述砂轮进行磨
削加工，冷却液进入砂轮的沟槽结构中，可以增强散热能力，同时砂轮基体1和金属材料薄
板2具有良好的导热性，可以将磨削热量传导出去，降低磨削区域温度，有效抑制磨削烧伤，
改善工件表面残余应力，提高工件表面质量。在优选例中，为提高砂轮强度，砂轮结构强化
区域内的金属材料薄板2沿砂轮轴向的宽度a小于砂轮磨削区域宽度b。在优选例中，为提高
砂轮强度，设置砂轮模具形状，使砂轮结构强化区域的轴向宽度大于砂轮有效磨削区域的
轴向宽度，砂轮结构强化区域和有效磨削区域内的金属材料薄板2的宽度一致。

[0056] 根据本发明提供的一种具有沟槽结构的砂轮的制备方法，包括如下步骤：

[0057] 步骤1：将金属材料薄板2与砂轮基体1连接；

[0058] 步骤2：将金属材料薄板2与砂轮基体1放置在砂轮模具5中并填充磨料结合剂混合物3，使磨料结合剂混合物3填充在金属材料薄板2之间；

[0059] 步骤3：进行砂轮固化，砂轮固化后与砂轮模具5分离；

[0060] 步骤4：对砂轮进行电解加工，形成沟槽。

[0061] 根据本发明提供的一种具有沟槽结构的砂轮的使用方法，采用具有沟槽结构的砂轮，在砂轮的沟槽深度小于预设值时，通过电解加工逐渐去除金属材料薄板2，使沟槽深度
对应加深。

[0062] 在优选例中，一种具有沟槽结构的砂轮及其制备方法，包括以下步骤：

[0063] a、将金属材料薄板2与砂轮基体1连接，金属材料薄板2以砂轮基体1为中心组成环形阵列结构，金属材料薄板2的厚度不小于20μm，金属材料薄板2的优选厚度为100μm～2mm；
根据所需砂轮磨削表面沟槽结构设置金属材料薄板2的放置位置；当沟槽结构为平行沟槽
结构时，金属材料薄板2为平面薄板，如图2a，金属材料薄板2平行于砂轮基体1的轴线放置，
如图4；当沟槽结构为倾斜沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，如图2a，金属材料薄板2
与砂轮基体1的轴线存在倾斜角度，如图5；当沟槽结构为V型沟槽结构时，金属材料薄板2为
V型薄板，如图2b，V型薄板之间构成多条相隔预定距离的锯齿线结构，如图6；当沟槽结构为
交叉沟槽时，金属材料薄板2为V型薄板，如图2b，V型薄板彼此接触构成网格结构，如图7；为
提高砂轮强度，金属材料薄板2靠近砂轮基体的部分沿砂轮轴向的宽度a小于砂轮宽度，此
区域为砂轮结构强化区域，靠近砂轮磨削表面的金属材料薄板宽度b与砂轮磨削区域宽度
一致，此区域为砂轮有效磨削区域，优选的尺寸为a/b在1/5～4/5；

[0064] b、将磨料和结合剂等进行混合，根据需要可在混合物中加入添加剂形成磨料结合剂混合物3；

[0065] c、将砂轮基体1和金属材料薄板2放置在砂轮模具5中；将磨料结合剂混合物3填充在砂轮模具5里，如图8；在砂轮结构强化区域内，磨料结合剂混合物3的轴向宽度大于金属
材料薄板2；在砂轮有效磨削区域内，磨料结合剂混合物3的轴向宽度与金属材料薄板2相
同，被金属材料薄板2分割成多个与所述砂轮结构强化区域连接的小区域；

[0066] d、根据磨料和结合剂的不同选择合适的条件进行砂轮固化，砂轮4固化后与砂轮模具5分离；

[0067] e、将砂轮4修整成所需要的形状，如图10；

[0068] f、如图12所示，对砂轮4进行电解加工，砂轮基体1接电源8的正极，阴极工具7为环形薄板、接电源8的负极，金属材料薄板2为阳极工件，阴极工具7与砂轮4表面距离为5mm～
20mm，电解液6为高压强流动电解液，优选为NaNO3溶液，电解液压强为0.1MPa～0.5MPa，电
源电压为20V～30V；电源8通电后进行电解加工，金属材料薄板2发生电解反应被去除，被去
除区域留下沟槽结构，沟槽的深度由电解加工时间决定，优选的沟槽深度为100μm～1mm，如
图13。

[0069] g、使用砂轮进行磨削加工后，砂轮磨削表面的沟槽深度逐渐降低，根据需要，按照步骤f的方法对金属材料薄板2进行电解加工，增大沟槽深度，砂轮可再次用于磨削加工。

[0070] 在优选例中，一种具有沟槽结构的砂轮及其制备方法，包括以下步骤：

[0071] a、将金属材料薄板2与砂轮基体1连接，金属材料薄板2以砂轮基体1为中心组成环形阵列结构，金属材料薄板2的厚度不小于20μm，金属材料薄板2的优选厚度为100μm～2mm；
根据所需砂轮磨削表面沟槽结构设置金属材料薄板2的放置位置；当沟槽结构为平行沟槽
结构时，金属材料薄板2为平面薄板，如图3a，金属材料薄板2平行于砂轮基体1的轴线放置；
当沟槽结构为倾斜沟槽结构时，金属材料薄板2为平面薄板，如图3a，金属材料薄板2与砂轮
基体1的轴线存在倾斜角度；当沟槽结构为V型沟槽结构时，金属材料薄板2为V型薄板，如图
3b，V型薄板之间构成多条相隔预定距离的锯齿线结构；当沟槽结构为交叉沟槽时，金属材
料薄板2为V型薄板，如图3b，V型薄板彼此接触构成网格结构；

[0072] b、将磨料和结合剂等进行混合，根据需要可在混合物中加入添加剂形成磨料结合剂混合物3；

[0073] c、将砂轮基体1和金属材料薄板2放置在砂轮模具5中；将磨料结合剂混合物3填充在砂轮模具5里，如图9；设置砂轮模具5的形状，磨料结合剂混合物3包括靠近砂轮基体1的
砂轮结构强化区域，以及远离所述砂轮基体1的砂轮有效磨削区域；砂轮结构强化区域的轴
向宽度大于砂轮有效磨削区域的轴向宽度，砂轮有效磨削区域内的磨料结合剂混合物3被
金属材料薄板2分割成多个与砂轮结构强化区域连接的小区域。

[0074] d、根据磨料和结合剂的不同选择合适的条件进行砂轮固化，砂轮4固化后与砂轮模具5分离；

[0075] e、将砂轮4修整成所需要的形状，如图11；

[0076] f、如图12所示，对砂轮4进行电解加工，砂轮基体1接电源8的正极，阴极工具7为环形薄板、接电源8的负极，金属材料薄板2为阳极工件，阴极工具7与砂轮4表面距离为5mm～
20mm，电解液6为高压强流动电解液，优选为NaNO3溶液，电解液压强为0.1MPa～0.5MPa，电
源电压为20V～30V；电源8通电后进行电解加工，金属材料薄板2发生电解反应被去除，被去
除区域留下沟槽结构，根据沟槽的深度确定金属材料薄板的去除尺寸，沟槽的深度由电解
加工时间决定，优选的沟槽深度为100μm～1mm，如图13。

[0077] g、使用砂轮进行磨削加工后，砂轮磨削表面的沟槽深度逐渐降低，根据需要，按照步骤f的方法对金属材料薄板2进行电解加工，增大沟槽深度，砂轮可再次用于磨削加工。

[0078] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位
置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0079] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影
响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相
互组合。