本發明涉及一種新型磨削工具，尤其是一種針對難加工材料的高切向力與低法向力的磨削工具，屬于難加工材料高效精密磨削技術領域。

技術背景

傳統磨削技術采用表面具有許多細小且極硬磨料的磨具對工件表面進行加工。由于磨具較大的負前角和刃口圓弧半徑，切削深度非常小，工件表面材料產生彈性變形，隨著擠入深度的增大，磨粒與工件表面的壓力逐漸變大，工件表面材料開始產生塑性變形，繼續加大切入深度，工件表面部分材料開始沿剪切面滑移并形成磨屑。在磨削過程中，與其它切削加工相比，產生的總磨削力非常大，總磨削力又可分解為切向磨削力、法向磨削力和軸向磨削力，由于磨粒幾何形狀和工作角度的隨機性，三向分力中，法向磨削力總是最大，通常情況下，法向磨削力大約是切向磨削力三倍左右。然而，從材料磨削去除機理角度分析，高的法向磨削力和低的切向磨削力是導致材料磨除率低、磨具與工件損壞變形、磨削震動、砂輪阻塞、工件表面完整性差以及磨削燒傷頻繁等問題的主要成因。特別對于硬脆材料或者航空航天新型復合材料的磨削加工，法向磨削力比普通材料高數倍乃至百倍，難以提高磨削效率和磨削質量。在磨削加工過程中，降低法向磨削力以及提高切向磨削力，甚至，能夠實現高切向磨削力與低法向磨削力加工，將是解決高效率高表面完整性磨削的重要突破口。

本發明針對當前難加工材料磨削加工過程中磨具易阻塞、磨削工件表面完整性差、磨削燒傷頻繁等問題，通過改變傳統砂輪磨削過程中切向磨削力與法向磨削力的特性，發明一種“類防彈衣”式的高切向力與低法向力的新型磨削工具，并給出了磨具的組織結構與成份及其制造工藝。新型磨具的磨削過程原理如下：工件表面微凸峰與磨具高速下發生摩擦、碰撞、擠壓，對磨具產生“沖擊載荷”，使受沖擊區域中磨粒瞬間產生“集群效應”，從而瞬間增大磨具的切向磨削力并降低法向磨削力（類似于子彈沖擊防彈衣的原理）；磨削過程中，磨具中的添加物會不斷地向磨削液中溶解并擴散，在工件表面產生具有氧化性和堿性（或酸性）的工作液環境，形成活化性工件表面和磨料表面；然后，通過磨粒與工件之間的接觸、碰撞、摩擦和熱作用激發或強化工件表面與工作液的固液化學反應以及“集群效應”的磨粒與工件表面的固相化學反應，形成工件表面的“軟化層”，在進一步的磨削過程中，“集群效應”的磨粒在高切向磨削力與低法向磨削力的方式下，快速去除“軟化層”，而不會在工件表面產生嚴重機械損傷；此后，工件表面又會暴露在工作液環境中，繼續產生固液化學反應生成“軟化層”，而脫落的磨粒以及去除的材料會一同隨工作液排走，反復進行以上過程，實現難加工材料的高效、精密、高表面完整性磨削加工。

本發明的新型磨削工具具有高材料去除率、良好的磨削自銳性、高磨削工件表面完整性等特點。

技術實現要素：

發明的一種高切向磨削力與低法向磨削力的磨削工具，其組織結構與成份及其制造工藝為：

(1)磨削工具由配合環-Ⅰ、基體環-Ⅱ、磨料層-Ⅲ組成；配合環和基體環的材料為鋁合金、低碳鋼或者不銹鋼；磨料層由磨料、填充物、粘結劑、分散相、分散介質、高性能纖維織物、氣孔組成；填充物由氧化劑、活化劑、PH調節劑組成；

(2)磨料選用金屬氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金剛石），粒度為1-200 μm。填充物中的氧化劑和活化劑選用過氧化鈉、次氯酸鈉、高錳酸鉀或者過氧化鈣等。PH調節劑選用強酸弱堿鹽或強堿弱酸鹽，如碳酸鈉、碳酸鉀或者碳酸氫鈉等。粘結劑選用陶瓷、金屬、樹脂或者橡膠等。分散相選用碳酸鈣、二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），粒徑小于1 μm。分散介質選用有機物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG）等）或者礦物油等。高性能纖維織物選用芳綸纖維（Kevlar）、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、尼龍（Nylon）、聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維（PBO）、聚酰亞胺（PI）或蜘蛛絲纖維等；

(3)磨料層制作方法如下：利用油浴攪拌法或球磨法在超聲輔助下將分散相與分散介質混合，制成分散體系，固體質量含量為10%-80%。當分散相的粒徑為1 nm-100 nm，選用油浴攪拌法與超聲分散法相結合的方式制作所述分散體系，在70-90℃油浴溫度下，將定量的分散相緩慢加入分散介質中，并在超聲輔助下進行機械攪拌1-2 h，控制速度范圍200-350 r/min，直至分散相充分且均勻地分散到分散介質中，制成分散體系；當分散相的粒徑為100 nm-1 μm時，選用球磨法與超聲分散法結合的方式制作所述分散體系，運用磨球干磨定量的分散相0.5-1 h，隨后加入定量的分散介質在超聲輔助下進行球磨3-5 h，制成所述分散體系；將定量所述分散體系加到定量磨料和填充物中在超聲輔助下進行球磨1-2 h，制成磨料分散體系，并置入真空干燥箱內24 h，控制溫度范圍20-27℃，除去所述磨粒分散體系中的氣泡。然后，按1:1至1:3對所述磨料分散體系與無水乙醇進行配比稀釋，將高性能纖維織物浸漬在被稀釋的磨料分散體系中，并超聲震動2-10 min，使各組成成份充分且均勻地分布在高性能纖維織物中。最后將所述浸漬后的高性能纖維織物放入烘干箱中，控制溫度范圍為60-90℃，時間為1-24 h，使無水乙醇完全揮發，制成磨粒層-Ⅲ；

(4)磨削工具制作方法如下：將樹脂涂抹于磨料層-Ⅲ，沿基體環-Ⅱ的外圈逐層纏繞，并利用機器對所述磨粒層-Ⅲ緩慢拉緊，并置入烘干箱中，控制溫度范圍為170-190℃，時間為0.5-10 h，使磨粒層-Ⅲ固結在基體環-Ⅱ上；然后將基體-Ⅱ裝配到配合環-Ⅰ上，利用內六角螺栓固定，制成磨削工具；

(5)將所述制作完成的磨削工具進行靜平衡測試，對基體環-Ⅱ進行配重調整使磨削工具達到靜平衡；針對磨料層-Ⅲ已磨損的磨削工具，只需更換固結有高性能纖維織物的基體環-Ⅱ即可。

本發明具有以下明顯效果：所述磨削工具材料的去除率高；磨削表面完整性好；可進行高效、高精度、高表面完整性磨削。

附圖說明

圖1是一種高切向磨削力與低法向磨削力的磨削工具的磨料層成份示意圖。其中：1.1-磨料，1.2-填充物，1.3-粘結劑，1.4-分散相，1.5-分散介質，1.6-高性能纖維織物層，1.7-氣孔。

圖2是磨料層制作程序框圖。

圖3是一種高切向磨削力與低法向磨削力的砂帶磨削工具示意圖。其中，Ⅲ-磨料層，3.1-背基，3.2-底膠，3.3-砂帶。

圖4是一種高切向磨削力與低法向磨削力的平行磨削工具示意圖。其中，Ⅰ-配合環，Ⅱ-基體環，Ⅲ-磨粒層，Ⅳ-配合環與卡盤連接螺紋孔，Ⅴ-內六角螺栓。

圖5是一種高切向磨削力與低法向磨削力的杯形磨削工具示意圖。其中，Ⅰ-配合環，Ⅱ-基體環，Ⅲ-磨粒層，Ⅳ-配合環與卡盤連接螺紋孔，Ⅴ-內六角螺栓。

具體實施方式

具體實施方式一：結合附圖1與附圖2詳細說明本發明中磨料層具體實施方式：

(1)參考附圖1，磨料[1.1]選用金屬氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金剛石），粒度為1-200 μm。填充物[1.2]中的氧化劑和活化劑選用過氧化鈉、次氯酸鈉、高錳酸鉀或者過氧化鈣等。 PH調節劑選用碳酸鈉、碳酸鉀或碳酸氫鈉等。粘結劑[1.3]選用陶瓷、金屬、樹脂或者橡膠等。分散相[1.4]選用碳酸鈣、二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，粒徑小于1 μm。分散介質[1.5]選用有機物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG）等)或者礦物油等。高性能纖維織物[1.6]選用芳綸纖維（Kevlar)、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、尼龍（Nylon）、聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維（PBO）、聚酰亞胺（PI）或者蜘蛛絲纖維等；

(2)參考附圖1和附圖2，分別稱取定量的磨料[1.1]、填充物[1.2]、分散相[1.3]、分散介質[1.5]。當分散相[1.4]的粒徑為1 nm-100 nm時，選用油浴攪拌法與超聲分散法相結合的方式制作所述分散體系，在70-90℃油浴溫度下，將定量的分散相[1.4]緩慢加入分散介質[1.5]中，并在超聲輔助下進行機械攪拌1-2 h，控制速度范圍為200-350 r/min，直至分散相[1.4]充分且均勻地分散到分散介質[1.5]中，制成分散體系；當分散相[1.4]的粒徑為100 nm-1 μm時，選用球磨法與超聲分散法相結合的方式制作所述分散體系，運用磨球干磨定量的分散相[1.4] ，控制時間范圍為0.5-1h，隨后加入定量的分散介質[1.5]在超聲輔助下進行球磨3-5 h，制成所述分散體系；將定量所述分散體系加入定量磨料[1.1]和填充物[1.2]在超聲輔助下進行球磨1-2 h，制成磨料分散體系，并置入真空干燥箱內24 h，控制溫度范圍為20-27℃，除去所述磨粒分散體系中的氣泡；然后按1:1至1:3的比例對所述磨料分散體系與無水乙醇進行配比稀釋，將高性能纖維織物[1.6]浸漬在被稀釋的磨料分散體系中，并超聲震動2-10 min，使所述磨料分散體系中的各組成成分充分且均勻地分布在高性能纖維織物[1.6]中。最后將所述浸漬后的高性能纖維織物[1.6]放入烘干箱中，控制溫度范圍為60-90℃，時間為1-24 h，使無水乙醇完全揮發，制成磨料層-Ⅲ。

具體實施方式二：結合附圖3，詳細說明制作一種高切向磨削力與低法向磨削力的砂帶磨削工具的具體實施方式。按照具體實施方式一所述方法制成磨料層-Ⅲ，底膠[3.2]選用樹脂，利用底膠[3.2]將所述磨粒層-Ⅲ與帶基[3.1]粘結在一起，之后置入烘干箱中，溫度控制在170-190℃，時間為0.5-10 h，將所述磨粒層-Ⅲ固結在帶基[3.1]上，制成砂帶磨削工具[3.3]。

具體實施方式三：結合附圖3和附圖4，詳細說明制作一種高切向磨削力與低法向磨削力的平行磨削工具和杯形磨削工具的具體實施方式：

(1)按照具體實施方式一所述方法制成磨料層-Ⅲ，在所述磨料層-Ⅲ表面涂抹樹脂后，沿基體環-Ⅱ的外圈層層纏繞，并利用機器緩慢對所述磨料層-Ⅲ進行拉緊，之后將所述纏有磨料層Ⅲ的基體環-Ⅱ置入烘干箱中，溫度控制在170-190℃，保溫時間為0.5-10h，使所述磨料層-Ⅲ固結在基體環-Ⅱ上；

(2)將所述固結有磨料層-Ⅲ的基體環-Ⅱ裝配到配合環-Ⅰ上，附圖3所示的平行磨削工具利用4個內六角螺栓-Ⅴ將基體環-Ⅱ與配合環-Ⅰ進行固定，附圖4所示的杯形磨削工具利用6個內六角螺栓-Ⅴ將基體環-Ⅱ與配合環-Ⅰ進行固定，從而制成平行磨削工具和杯形磨削工具；所述平行磨削工具和杯形磨削工具的配合環-Ⅰ端面上各有4個螺紋孔-Ⅳ，利用螺紋孔-Ⅳ和螺栓可將所述平行磨削工具和杯形磨削工具裝配到磨床主軸的卡盤上；

(3)將所述制成的平行磨削工具和杯形磨削工具進行靜平衡測試，對基體環-Ⅱ進行配重調整使磨削工具達到靜平衡；如果所述平行磨削工具或杯形磨削工具的磨料層-Ⅲ已磨損，僅需更換相配套的基體環-Ⅱ即可繼續使用。