一种超硬磨料有序排布方法技术领域
本发明属于超硬材料处理领域，具体涉及一种超硬磨料有序排布方法。
背景技术
超硬磨料工具多用于硬脆材料、金属板材等材料的成型切割、打磨，其加工精度高、效率高，应用前景广，是一种市场潜力巨大的工具。然而固结超硬磨料工具其切割主体为排布于工具表面的超硬磨料，超硬磨料的种类、粒度、晶型及其在工具基体表面的排布方式决定了工具的加工性能。
现有的磨料排序方法中大多将超硬磨料与金属结合剂混合在一起，装入模具内进行制坯和烧结。但是，该工艺存在以下问题：（1）机械混料无法保证磨料在金属结合剂中混合均匀，导致部分区域磨料浓度高，部分区域磨料浓度低，甚至有些区域没有磨料分布；（2）因磨料分布不均匀，锯片切割效能下降，磨料浓度高的区域切割阻力大，切屑易堵塞，切割效率低；在磨料稀少区域，磨料也不能有效切割，所受冲击力大，磨料易于破碎和脱落；在无磨料的区域，结合剂磨损快，切割阻力大；（3）因切割阻力大，切割温度高，结合剂与磨料易烧伤。
我国台湾的中国砂轮公司宋建民博士首先将金刚石有序排布应用于锯片刀头，其提出的专利技术(U.S.Patent6039641)是用模板法实施金刚石磨料的有序排布。该法的第一步，将胎体粉末混合均匀，加上适当的有机粘结剂和溶剂的混合物，做成“面团”，然后通过滚压的方法做成薄层；第二步，按金刚石磨料的粒径与排布方式制作带有通孔的模板，孔径大于单颗金刚石粒径，小于两颗金刚石磨料粒径和，确保单颗金刚石进入模板孔中，模板厚度为金刚石平均粒径的1/3-2/3；第三步，将金刚石布于模板通孔中；第四步，移去模板，孔中的金刚石落在薄层的表面，形成有序排布阵列，多余的金刚石随同模板一起移去；第五步，用平钢板将金刚石压入胎体薄层中。该工艺可精确有序排布金刚石磨料，但是存在以下缺点：（1）每道工序人工操作，费时费力，效率低；（2）砂轮公司是让单个金刚石颗粒进入模板，这样针对不同颗粒的金刚石需做不同模板，比较费力；（3）移除模板的过程中会打乱有序排布的金刚石。
由于磨料有序排布技术研究时间不长，现有的金刚石磨料有序排布工艺明显存在不足，主要表现在生产效率低、排布精度低、设备昂贵等方面。
发明内容
本发明的目的在于提供高效、精确、节省成本的超硬磨料有序排布方法。
基于上述目的，本发明采用以下技术方案：一种超硬磨料有序排布方法，包括以下步骤：
（1）在金属基体表面铺设压敏胶；
（2）在压敏胶上粘结一层表面均匀有序分布有通孔的水溶性薄膜；
（3）待压敏胶进入水溶性薄膜的通孔后，在薄膜表面布撒超硬磨料颗粒，然后烘干固化，使得磨料颗粒充分固结；
（4）将步骤（3）中得到的固结好的半成品置于水中，将水溶性薄膜充分溶解并烘干。
优选地，所述的水溶性薄膜为聚乙烯醇薄膜、聚氧化乙烯薄膜、水溶性纤维素薄膜或水溶性淀粉类薄膜。
进一步地，通孔的孔径为10-300目，孔间距为0.02-10mm。
进一步地，压敏胶和水溶性薄膜的厚度均为0.1-1mm。
进一步地，将烘干固化后的半成品表面未被粘结的磨料颗粒扫落后，再将样品置于水中。
进一步地，在金属基体表面铺设的压敏胶前，先将金属基体表面放入酒精中超声清洗。
进一步地，所述金属基体表面为平面或曲面。
进一步地，所述的超硬磨料为金刚石、电镀金刚石、立方氮化硼、电镀立方氮化硼、聚晶立方氮化硼和硬质合金破碎颗粒中的一种或多种。
进一步地，步骤（3）中烘干固化的温度60~80℃，时间为0.5~1h。
进一步地，步骤（4）中水温为20~80℃，烘干温度为100~150℃。
与现有技术相比，本发明提供的超硬磨料有序排布方法具有以下优点：
（1）本方法高效、精确、节省成本，易于工业化推广；
（2）本方法中让基体上的压敏胶通过水溶性薄膜上的孔渗出，形成有序排布的“胶点”，每个胶点可以粘结超硬磨料，不受磨粒种类及颗粒大小的影响的影响，通用性强；
（3）本方法利用水溶性材料制作模板，让模板自动水解，不会破坏超硬磨料的排列顺序；
（4）本方法利用的水溶性材料制作模板，为柔性薄膜，基体可以为平面或曲面，均不影响其有序排布效果。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是采用实施例1的方法制备出的碗型打磨片的照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种超硬磨料有序排布方法，如图1所示，包括以下步骤：
（1）取直径为10cm的碗型65锰钢基体，将基体放入5%~15%的酒精溶液中，用超声波清洗3~5分钟，置于通风处晾干备用；选取30-40目的金刚石颗粒，置于丙酮溶液中超声波清洗，去除金刚石表面附着的灰尘与油脂等杂质；在碗磨片粘结磨粒的表面，涂抹压敏胶，胶体厚度为0.5~1mm；
（2）取一张边长大于10cm的正方形的聚乙烯醇薄膜，在激光打孔机上进行打孔处理，每隔1mm打一个直径为20目的孔（孔间距可根据超硬磨料颗粒的大小进行选择，以颗粒间互不影响为宜）；将该多孔的聚乙烯醇薄膜铺在处理后的基体表面，并按压使得压敏胶从通孔渗出；
（3）将金刚石颗粒自然洒落步骤（2）所得的半成品表面后，将半成品置于60℃的烘箱中0.5h，使得压敏胶固化，将金刚石颗粒固结在压敏胶上；使用软毛刷将未被粘结的磨料颗粒轻轻扫落；
（4）将固化好的半成品放入60℃的水中，使聚乙烯醇薄膜水解，待其完全水解后（约5min），从水中取出，100-150℃下烘干即得成品1。
将成品1表面均匀排布一层粉状钎料，然后放入真空或保护气体炉中，加热至钎料融化，冷却后金刚石磨料通过钎焊结合剂牢固固定在65锰钢基体表面，形成碗型打磨片，如图2所示，打磨片表面的磨料分布均匀，无磨料聚集和磨料稀疏的情况出现。
实施例2
一种超硬磨料有序排布方法，包括以下步骤：
（1）取直径为8cm的圆形65锰钢基体，将基体放入5%~15%的酒精溶液中，用超声波清洗3~5分钟，置于通风处晾干备用；选取50-60目的CBN（立方氮化硼）颗粒的金刚石颗粒，置于丙酮溶液中超声波清洗，去除CBN颗粒表面附着的灰尘与油脂等杂质；在圆形磨片粘结磨粒的表面，涂抹压敏胶，胶体厚度为0.4~0.8mm；
（2）取一张边长大于8cm的正方形的聚乙烯醇薄膜，聚乙烯醇薄膜的厚度与压敏胶的厚度一致，在激光打孔机上进行打孔处理，每隔0.8mm打一个直径为40目的孔（孔间距可根据超硬磨料颗粒的大小进行选择，以颗粒间互不影响为宜）；将该多孔的聚乙烯醇薄膜铺处理后的基体表面，并按压使得压敏胶从通孔中渗出；
（3）将CBN颗粒自然洒落步骤（2）所得的半成品表面后，将半成品置于70℃的烘箱中0.5h，使得压敏胶固化，将CBN颗粒固结在压敏胶上；使用软毛刷将未被粘结的CBN颗粒轻轻扫落；
（4）将固化好的半成品放入50℃的水中，使聚乙烯醇薄膜水解，待其完全水解后（约7min），将半成品取出，100-150℃下烘干即得成品2。
将成品2表面均匀排布一层粉状钎料，然后放入真空或保护气体炉中，加热至钎料融化，冷却后CBN磨料颗粒通过钎焊结合剂牢固固定在65锰钢基体表面，形成圆型打磨片。
实施例3
一种超硬磨料有序排布方法，包括以下步骤：
（1）取外径为18cm，内径为3.2cm，宽度为2cm的砂轮基体，基体材质为45钢，将基体放入5%~15%的酒精溶液中，用超声波清洗3~5分钟，置于通风处晾干备用；选取20-30目的CBN（立方氮化硼）颗粒颗粒，置于丙酮溶液中超声波清洗，去除CBN颗粒表面附着的灰尘与油脂等杂质；在砂轮基体回转外圆粘结磨粒的，涂抹压敏胶，胶体厚度为0.6~1mm；
（2）取4张边长大于5cm的正方形聚氧化乙烯薄膜，聚氧化乙烯薄膜的厚度与压敏胶的厚度一致，在激光打孔机上进行打孔处理，每隔2mm打一个直径为10目的孔（孔间距可根据超硬磨料颗粒的大小进行选择，以颗粒间互不影响为宜）；将该多孔聚乙烯醇薄膜铺在处理过后的基体表面，并按压使得压敏胶从通孔中渗出，由于基体为圆形回转件，在铺展时使用4张薄膜，将基体圆周全部覆盖；
（3）将CBN颗粒自然洒落步骤（2）所得的半成品表面后，将半成品置于80℃的烘箱中0.5h，使得压敏胶固化，将CBN颗粒固结在压敏胶上；使用软毛刷将未被粘结的CBN颗粒轻轻扫落；
（4）将固化好的半成品放入70℃的水中，使聚氧化乙烯薄膜水解，待其完全水解后（约5min），将半成品取出，100-150℃下烘干即得成品3。
将成品3表面均匀排布一层粉状钎料，然后放入真空或保护气体炉中，加热至钎料融化，冷却后CBN磨料颗粒通过钎焊结合剂牢固固定在45钢基体表面，形成CBN砂轮。
实施例4
一种超硬磨料有序排布方法，包括以下步骤：
（1）取直径为8cm的圆形65锰钢基体，将基体放入5%~15%的酒精溶液中，用超声波清洗3~5分钟，置于通风处晾干备用；选取50-60目的电镀金刚石与金刚石颗粒的金刚石颗粒，置于丙酮溶液中超声波清洗，去除电镀金刚石与金刚石颗粒表面附着的灰尘与油脂等杂质；在圆形磨片粘结磨粒的表面，涂抹压敏胶，胶体厚度为0.1~0.5mm；
（2）取一张边长大于8cm的正方形的水溶性纤维素薄膜，水溶性纤维素薄膜的厚度与压敏胶的厚度一致，在激光打孔机上进行打孔处理，每隔10mm打一个直径为10目的孔（孔间距可根据超硬磨料颗粒的大小进行选择，以颗粒间互不影响为宜）；将该多孔的水溶性纤维素薄膜铺处理后的基体表面，并按压使得压敏胶从孔洞中流出；
（3）将电镀金刚石与金刚石颗粒自然洒落步骤（2）所得的半成品表面后，将半成品置于70℃的烘箱中0.5h，使得压敏胶固化，将电镀金刚石与金刚石颗粒固结在压敏胶上；使用软毛刷将未被粘结的磨料颗粒轻轻扫落；
（4）将固化好的半成品放入50℃的水中，使水溶性纤维素薄膜水解，待其完全水解后（约7min），将半成品取出，100-150℃下烘干即得成品4。
将成品4表面均匀排布一层粉状钎料，然后放入真空或保护气体炉中，加热至钎料融化，冷却后磨料颗粒通过钎焊结合剂牢固固定在65锰钢基体表面，形成圆型打磨片。
实施例5
一种超硬磨料有序排布方法，包括以下步骤：
（1）取直径为10cm的碗型65锰钢基体，将基体放入5%~15%的酒精溶液中，用超声波清洗3~5分钟，置于通风处晾干备用；选取280-300目的电镀立方氮化硼和聚晶立方氮化硼颗粒，置于丙酮溶液中超声波清洗，去除电镀立方氮化硼和聚晶立方氮化硼表面附着的灰尘与油脂等杂质；在碗磨片粘结磨粒的表面，涂抹压敏胶，胶体厚度为0.2-0.41mm；
（2）取一张边长大于10cm的正方形的水溶性淀粉类薄膜，在激光打孔机上进行打孔处理，每隔0.2mm打一个直径为300目的孔（孔间距可根据超硬磨料颗粒的大小进行选择，以颗粒间互不影响为宜）；将该多孔的水溶性淀粉类薄膜铺在处理后的基体表面，并按压使得压敏胶从通孔中渗出；
（3）将电镀立方氮化硼和聚晶立方氮化硼颗粒自然洒落步骤（2）所得的半成品表面后，将半成品置于80℃的烘箱中0.5h，使得压敏胶固化，将电镀立方氮化硼和聚晶立方氮化硼颗粒固结在压敏胶上；使用软毛刷将未被粘结的磨料颗粒轻轻扫落；
（4）将固化好的半成品放入80℃的水中，使水溶性淀粉类薄膜水解，待其完全水解后（约7min），从水中取出，100-150℃下烘干即得成品5。
将成品5表面均匀排布一层粉状钎料，然后放入真空或保护气体炉中，加热至钎料融化，冷却后磨料通过钎焊结合剂牢固固定在65锰钢基体表面，形成碗型打磨片。
实施例6
一种超硬磨料有序排布方法，包括以下步骤：
（1）取直径为10cm的碗型65锰钢基体，将基体放入5%~15%的酒精溶液中，用超声波清洗3~5分钟，置于通风处晾干备用；选取80-90目的硬质合金颗粒，置于丙酮溶液中超声波清洗，去除硬质合金表面附着的灰尘与油脂等杂质；在碗磨片粘结磨粒的表面，涂抹压敏胶，胶体厚度为0.5~1mm；
（2）取一张边长大于10cm的正方形的聚氧化乙烯薄膜，在激光打孔机上进行打孔处理，每隔0.5mm打一个直径为80目的孔（孔间距可根据超硬磨料颗粒的大小进行选择，以颗粒间互不影响为宜）；将该多孔的聚氧化乙烯薄膜铺在处理后的基体表面，并按压使得压敏胶从通孔中渗出；
（3）将硬质合金颗粒自然洒落步骤（2）所得的半成品表面后，将半成品置于60℃的烘箱中0.5h，使得压敏胶固化，将硬质合金颗粒固结在压敏胶上；使用软毛刷将未被粘结的磨料颗粒轻轻扫落；
（4）将固化好的半成品放入20℃的水中，使聚氧化乙烯薄膜水解，待其完全水解后（约14min），从水中取出，100-150℃下烘干即得成品6。
将成品6表面均匀排布一层粉状钎料，然后放入真空或保护气体炉中，加热至钎料融化，冷却后硬质合金磨料通过钎焊结合剂牢固固定在65锰钢基体表面，形成碗型打磨片。
对比例
对比例与实施例1的不同之处在于：在基体表面铺设压敏胶之后，直接在压敏胶上布撒磨料颗粒和焊剂，然后固化、烘干即得样品7，无需使用聚乙烯醇薄膜。
将样品7表面均匀排布一层粉状钎料，然后放入真空或保护气体炉中，加热至钎料融化，冷却后金刚石磨料通过钎焊结合剂牢固固定在65锰钢基体表面，形成碗型打磨片。经过观测可知打磨片表面的磨料颗粒分布不均匀，个别区域出现磨料聚集，而有些区域出现磨料稀疏的情况。
性能测试实验
分别对采用实施例1和对比例的方法制备出的碗型打磨片进行性能检测。
分别使用实施例1和对比例制备的10cm的碗型打磨片对45钢进行打磨，结果如下
采用对比例的方法制备的碗型打磨片的打磨效率为8~10g/min，使用寿命为连续打磨6h；采用实施例1的方法制备的碗型打磨片的打磨效率为12~14g/min，使用寿命为连续打磨8.5h。与对比例相比，实施例1的碗型打磨片的打磨效率提高了40%~50%，使用寿命提高42%。