陳亞娟 劉然 陳曉宇

摘要：電鍍立方氮化硼（CBN）砂輪因具有磨削比高、能耗低、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、半導(dǎo)體等行業(yè)。本文從專利分析角度，通過檢索統(tǒng)計(jì)分析了國內(nèi)外電鍍立方氮化硼砂輪技術(shù)的專利申請(qǐng)情況，梳理了其技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，同時(shí)，對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的核心專利、申請(qǐng)地域、主要申請(qǐng)人進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電鍍;CBN;砂輪;磨具;專利

中圖分類號(hào)：G306文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）24-0133-04

1 引言

超硬磨料（金剛石、立方氮化硼）以其極高的硬度、耐磨性已在機(jī)械工程領(lǐng)域獲得普遍認(rèn)可[1-2]。電鍍立方氮化硼砂輪是采用復(fù)合電鍍技術(shù)，通過金屬電沉積方法將CBN均勻夾雜于鍍層中。與其他砂輪相比制作能耗低很多，且可以用簡(jiǎn)單的設(shè)備電鍍各種形狀復(fù)雜的砂輪，特別適宜于高速、超高速磨削，砂輪線速度可達(dá)200m/s～500m/s，具有廣闊的發(fā)展前景[3-4]。本文從專利分析的角度出發(fā)，檢索、篩選、統(tǒng)計(jì)從1975—2019年全球范圍內(nèi)的電鍍立方氮化硼砂輪相關(guān)技術(shù)的專利申請(qǐng)，對(duì)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、申請(qǐng)量、申請(qǐng)地域、主要申請(qǐng)人進(jìn)行梳理統(tǒng)計(jì)分析，以便在專利篩選分析工作中有效利用。

2 專利申請(qǐng)分析

2.1 關(guān)鍵詞和數(shù)據(jù)庫

采用INCOPAT專利數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，檢索年份截止到2019年，選用的中文關(guān)鍵詞為：立方氮化硼、正方體氮化硼、立方體氮化硼、輪、盤、磨具、輥、電鍍等，英文關(guān)鍵詞為：cbn、abn、cubic boron nitride、c-bn、wheel、disc、disk、plate、roller、grind、polish、abras、buzzer、electroplat、electrofac、electrochemical plating、galvanography plating等。IPC分類號(hào)涉及：B24B、B24C、B24D、B23D、B23F、C25D。根據(jù)以上檢索要素檢索得到的專利申請(qǐng)進(jìn)行篩選，建立專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)庫，作為本文的研究對(duì)象。

2.2 技術(shù)分支和技術(shù)路線分析

電鍍CBN砂輪技術(shù)專利內(nèi)容主要集中在對(duì)電鍍過程、鍍液、鍍層的改進(jìn);對(duì)砂輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)如排屑槽結(jié)構(gòu)、超聲或激光輔助的砂輪制造、新的仿形方法;對(duì)超硬磨料的改進(jìn)如磨料預(yù)處理、微觀性態(tài)的改進(jìn)與鍍前分選等。圖1為電鍍CBN砂輪技術(shù)分支圖。由圖中可以看出，電鍍CBN砂輪技術(shù)專利主要是對(duì)結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)，分別占比47.49%、43.01%，對(duì)磨料改進(jìn)的專利申請(qǐng)量?jī)H占9.5%。由這些技術(shù)分支可以整理出電鍍CBN砂輪技術(shù)發(fā)展的三條主要技術(shù)路線，即對(duì)砂輪制造工藝的改進(jìn)、對(duì)砂輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和對(duì)磨料的改進(jìn)。將涉及這三條技術(shù)路線的專利按年代順序進(jìn)行梳理得到電鍍CBN砂輪技術(shù)演進(jìn)路線圖（如圖2所示）。

最早關(guān)于電鍍CBN砂輪技術(shù)方面的專利可以追溯到1975年，專利（公開號(hào)：FR2328553A1）中公開了一種礦用采掘巖切割鋸，采用一系列金剛石或立方氮化硼通過粉末冶金或電鍍方法連接到柔性金屬線上。采用電鍍工藝得到的砂輪基體金屬、鍍層金屬和磨料界面并不是真正的化學(xué)冶金結(jié)合，因而把持力不大，在負(fù)荷較重的高效磨削時(shí)，砂輪容易因磨粒的脫落或鍍層成片脫落而導(dǎo)致砂輪整體失效，此外，砂輪表面的磨料分布不均勻，等高性差，影響了砂輪的切削性能和加工質(zhì)量。為了克服上述缺點(diǎn)，國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)砂輪成型工藝和砂輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，分別從鍍液成分、電鍍條件（溫度、時(shí)間等參數(shù)）、磨料排序、鍍層結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)。專利（公開號(hào)：CN102009391A）公開了一種高精密電鍍CBN砂輪的制造工藝，包括基體及磨粒準(zhǔn)備、鍍液調(diào)制、上砂和電鍍、磨粒等高性改善處理、鍍后處理工藝等步驟，通過磨粒等高性改善處理提高砂輪磨粒的等高性，使盡可能多的磨料處在相同的層面上，使更多的磨料能夠同時(shí)參與磨削，提高磨削效率并且從微觀上減低被磨工件表面的高低不平，從而提高了該砂輪的制造精度。申請(qǐng)人信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社申請(qǐng)的專利（公開號(hào)：CN101905447A）中公開了一種用于制造外刀切削輪的方法和夾具組件，通過將永磁體片布置在側(cè)表面并在基體外周面以內(nèi)的位置以形成磁場(chǎng)，將磁體涂覆到金剛石或CBN研磨顆粒上以使磁場(chǎng)能夠作用于顆粒，導(dǎo)致顆粒被磁吸引到基體外周面上，并且進(jìn)行電鍍或無電涂鍍，借此研磨顆粒被結(jié)合到基體外周面上以形成刀片部分。

隨著汽車、航空航天、半導(dǎo)體等行業(yè)對(duì)精磨切磨加工的需求進(jìn)一步增加，其對(duì)電鍍CBN砂輪的加工精度與耐磨性等提出了更高的要求。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始研究對(duì)磨料進(jìn)行處理，從而提高磨料與鍍層的結(jié)合力，提高砂輪的磨削性能以及壽命。專利（公開號(hào)：CN109648484A）公開了一種水基磨削液氣門加工用電鍍CBN砂輪，其中對(duì)CBN磨料進(jìn)行真空鍍鈦預(yù)處理，以改善普通電鍍CBN砂輪在水基磨削液加工中出現(xiàn)的工件燒傷、振紋、砂輪壽命短、磨料水解、脫落、堵塞等一系列問題。專利（公開號(hào)：CN109333383A）公開了一種表面包覆CrN膜的電鍍CBN砂輪及其制備方法，其中在砂輪輪轂外表面電鍍有一層金屬鎳，CBN磨粒被埋覆在鎳層中，在由砂輪CBN磨粒和鎳層構(gòu)成的磨料層上沉積有一層CrN膜;使得電鍍砂輪對(duì)磨粒的把持由單獨(dú)的機(jī)械錨固轉(zhuǎn)變成錨固力、化學(xué)冶金結(jié)合力復(fù)合作用，有效減少了磨粒脫落，也顯著增加了CBN磨粒的裸露高度和容屑空間，提高了砂輪壽命和磨削質(zhì)量。

2.3 國內(nèi)外電鍍CBN砂輪技術(shù)專利申請(qǐng)量分析

通過章節(jié)2.1所述方法進(jìn)行檢索、提取和分析，得到電鍍立方氮化硼砂輪技術(shù)全球申請(qǐng)量和中國申請(qǐng)量的年度分布曲線圖，如圖3所示?？梢钥闯觯谌蚍秶鷥?nèi)，電鍍CBN砂輪技術(shù)專利申請(qǐng)始于20世紀(jì)70年代中期，在21世紀(jì)之前，全球?qū)＠暾?qǐng)量始終處于較低狀態(tài)，技術(shù)發(fā)展較為緩慢，此階段為萌芽期;進(jìn)入21世紀(jì)，專利申請(qǐng)量呈整體上升趨勢(shì)，進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期;2010年之后，專利申請(qǐng)量迅猛增長(zhǎng)，進(jìn)入電鍍CBN砂輪技術(shù)的快速發(fā)展期，技術(shù)產(chǎn)出增多，電鍍CBN砂輪技術(shù)研究逐步走向成熟，走向產(chǎn)業(yè)化[5]，需要指出的是，由于發(fā)明專利可以在申請(qǐng)日起18個(gè)月公開，以及公開后數(shù)據(jù)整理入庫也需要一定時(shí)間，2018至2019年的專利申請(qǐng)有部分尚未公開，使得圖中2018至2019年數(shù)據(jù)下降，但并不說明相關(guān)專利申請(qǐng)量的下降，也并不能反映該領(lǐng)域進(jìn)入衰退期。

對(duì)比中國的專利申請(qǐng)量，可以看出，我國電鍍CBN砂輪技術(shù)專利申請(qǐng)始于1997年，相對(duì)較晚，在2000年之前始終保持較低的申請(qǐng)量，這說明國內(nèi)電鍍CBN砂輪技術(shù)研究和應(yīng)用起步較晚，國外的企業(yè)和研究中心對(duì)中國市場(chǎng)不夠重視，基本沒有對(duì)中國市場(chǎng)開展專利布局。從2000年開始，國內(nèi)申請(qǐng)量穩(wěn)步提升，國內(nèi)外開始重視電鍍CBN砂輪技術(shù)的研究以及專利申請(qǐng)，尤其是2010年以后，專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，對(duì)該技術(shù)的研究和應(yīng)用在不斷拓展，中國市場(chǎng)逐漸被重視，各國企業(yè)進(jìn)入中國，國內(nèi)外企業(yè)開始加大對(duì)其核心技術(shù)尋求專利保護(hù)[1]。

2.4 國內(nèi)外電鍍CBN砂輪技術(shù)專利申請(qǐng)地域分析

專利申請(qǐng)的地域分布能夠反映不同國家和地區(qū)在一定領(lǐng)域內(nèi)的專利技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)品市場(chǎng)重心。一個(gè)國家擁有的技術(shù)專利越多，說明其在該領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)實(shí)力越強(qiáng)。圖4為電鍍CBN砂輪技術(shù)專利申請(qǐng)所在國家和地區(qū)產(chǎn)權(quán)組織分布情況，其中，中國占主導(dǎo)地位，專利申請(qǐng)量最多，占此78.77%;其次是日本和美國，分別占有9.5%和3.35%的申請(qǐng)量，通過梳理國內(nèi)的申請(qǐng)專利，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分專利是國外在華申請(qǐng)，這表明不僅我國重視電鍍CBN砂輪技術(shù)的研究，而且國內(nèi)外企業(yè)和研究中心都看好中國的巨大市場(chǎng)需求，積極在中國進(jìn)行專利保護(hù)，占領(lǐng)中國技術(shù)市場(chǎng)。

2.5 國內(nèi)外主要申請(qǐng)人

圖5所示為電鍍CBN砂輪技術(shù)國內(nèi)外主要申請(qǐng)人及申請(qǐng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，企業(yè)、高校和科研院所均對(duì)電鍍CBN砂輪技術(shù)有所研究，高校中華僑大學(xué)申請(qǐng)量最大，其研究重點(diǎn)主要涉及電鍍CBN砂輪磨粒的磨削性能測(cè)試，專利申請(qǐng)人中大多數(shù)是企業(yè)，這說明國內(nèi)外電鍍CBN砂輪技術(shù)已相對(duì)成熟，處于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用階段。目前，電鍍CBN砂輪已在汽車凸輪軸、渦輪葉片、轉(zhuǎn)子等產(chǎn)品的磨削加工中發(fā)揮了重要作用。

通過對(duì)各申請(qǐng)人的專利進(jìn)行梳理總結(jié)，將電鍍CBN砂輪技術(shù)領(lǐng)域的兩個(gè)國內(nèi)外申請(qǐng)人信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社、鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司的專利簡(jiǎn)單介紹。

2.5.1 信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社：創(chuàng)立于1926年9月16日，是世界最大的晶圓制造企業(yè)、世界最大聚氯乙烯制造企業(yè)。其研究重點(diǎn)為硬質(zhì)合金基底外刃切割輪。比如公開號(hào)為CN103459091A的專利涉及一種硬質(zhì)合金基底外刃切割輪及其制造方法，包括硬質(zhì)合金的環(huán)形薄圓片形式的基底，和基底外緣上的刃部。該刃部包含：預(yù)涂覆磁性材料的金剛石或CBN磨粒;通過電鍍或無電鍍敷形成的用于將磨粒粘結(jié)在一起并粘結(jié)在基底上的金屬或合金結(jié)合材料;滲入磨粒之間和磨粒與基底之間的具有最高350℃的熔點(diǎn)的金屬或合金粘結(jié)劑。

2.5.2 鄭州磨料磨具磨削研究所：成立于1958年，主要生產(chǎn)及研究金剛石、超硬材料制品、行業(yè)專用生產(chǎn)和檢測(cè)設(shè)備等。該所主要通過控制電鍍工藝和磨料改進(jìn)等方法成型出具有高磨削性能、低成本的電鍍CBN砂輪。例如公開號(hào)為CN103878705A的專利涉及一種用于齒輪高效精密成形磨削的電鍍CBN砂輪及其制備方法，首先加工砂輪基體，然后將砂輪基體依次進(jìn)行陰陽極交替電化學(xué)除油、夾具+靜電吸附膜絕緣組裝、陰陽極交替電解處理、沖擊法預(yù)鍍、上砂、加厚和電鍍砂輪后處理，成功實(shí)現(xiàn)了齒輪的高效精密成形磨削。

3 結(jié)語

近十年是全球電鍍CBN砂輪技術(shù)的高速發(fā)展期，我國在該領(lǐng)域雖起步較晚，但發(fā)展較快，目前我國是該技術(shù)領(lǐng)域的主要研究和應(yīng)用市場(chǎng)，隨著航空航天、汽車、半導(dǎo)體等行業(yè)的不斷發(fā)展，電鍍CBN砂輪的應(yīng)用會(huì)日益增加，對(duì)砂輪的磨削精度和效率等性能會(huì)提出更高的要求，電鍍CBN砂輪在工藝、結(jié)構(gòu)、磨料上的創(chuàng)新和改進(jìn)也是迫切需要解決的難題。

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