CN101537603B - 外刃切割砂轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

外刃切割砂轮，包含硬质合金的环形薄圆片基底，该环形薄圆片基底的外径为80-200mm，内径为30-80mm，厚度为0.1-1.0mm，及位于该基底的外周缘的刃部，刃部包含与杨氏模量为0.7-4.0×1011Pa的金属结合材料结合的金刚石磨粒和/或CBN磨粒，并且刃部的厚度比基底的厚度至少大0.01mm。所述外刃切割砂轮能够以高精度和低公差切割工件，改善了机加工成品率，并减少了机加工成本。

Description

外刃切割砂轮及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于切割稀土烧结磁体的外刃切割砂轮，以及制造该外刃切割砂轮的方法。
背景技术
用于切割稀土烧结磁体的外刃切割砂轮在JP-A 9-174441、JP-A 10-175171和JP-A 10-175172中都有公开，这些外刃切割砂轮包含硬质合金基底，所述基底具有用酚醛树脂等将金刚石磨粒粘结在其上的外缘。由于金刚石磨粒粘结在硬质合金基底上，因此基底在机械强度方面相对于现有技术的合金工具钢和高速钢得到提高，从而提高了机加工精度。并且通过使用硬质合金基底减少刃的厚度，改善了机加工产率并提高了机加工速度。虽然这种使用了硬质合金基底的切割砂轮显示出优于现有技术外刃切割砂轮的切割性能，但市场对减少切割砂轮成本提出了与日俱增的要求。希望具有胜过现有技术的外刃切割砂轮的新型高性能切割砂轮。
尽管在机加工稀土永久磁体或烧结磁体中可以采用多种切割技术，包括外刃切割、内刃切割和线锯切割技术，然而最广泛使用外刃切割技术。由于外刃切割技术具有许多优点，包括廉价的切割砂轮、使用硬金属刃时的可接受的切割公差、高精度、较高的机加工速度和大规模制造，因此该技术被广泛地应用在稀土烧结磁体的切割中。
用于外刃切割的传统切割砂轮所使用的基底由钢合金材料制成，如本领域中的合金工具钢(如JIS中的SKD级)和高速钢。然而，在JP-A 9-174441、JP-A10-175171和JP-A 10-175172(发明人将这些内容做为现有技术)中公开了使用硬质合金基底的切割砂轮。通过使用钴或镍金属的结合材料基质对碳化钨(WC)磨粒烧结胶结制成的硬质合金，是杨氏模量高达450-700GPa的坚固材料，比杨氏模量为约200GPa的钢合金材料强度显著更大。
高杨氏模量意味着减小刃在切割力(或者切割阻力)下的变形量。反过来又意味着在同样的切割力下，刃的弯曲减小，意味着在同样的刃弯曲下，即使刃的厚度减小也可以保证同样的切割精度。虽然作用在刃的每单位面积上的切割力基本保持不变，但是由于刃厚度变小，作用在刃上的总切割力变小。在多道机加工过程中，磁体块一次被包含多个切割砂轮的切割装置机加工成多片，作用在切割装置上的总切割力减小。这对于相同功率的马达可使切割砂轮数目增加，或者对于相同数目的切割砂轮使切割力减小，从而节省了马达功率。如果马达功率相对于切割力具有富余，则可以加快切割砂轮装置的前进以缩短所需的切割时间。
使用高模量的硬质合金基底显著改善了外刃切割的生产能力。然而，随着制造商进入激烈地追求低成本的竞争中，市场对稀土烧结磁体的需求日益增加。对于稀土永久磁体材料的有效利用率，切割公差越小，材料利用效率越高。机加工速度越快，生产能力提高越多。这样就希望有一种外刃切割砂轮，尽管它的刃厚度比当前的硬质合金基底的切割砂轮的刃厚度小，但还能够提供高模量和高精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种外刃切割砂轮及其制造方法，该外刃切割砂轮能够以高精度和低公差进行切割，同时增加机加工产率，并降低机加工成本。
本发明涉及一种外刃切割砂轮，其包含硬质合金制成的基底。具有较高强度和较高模量的金属结合材料用来将包含金刚石磨粒、CBN磨粒，或者金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物的磨粒粘结到基底的外缘，由此改善刃部的机械强度以及外刃切割砂轮的总体机机械刚性。因此本发明成功地减小了刃部的厚度，加快了切割速度。
一方面，本发明提供了一种外刃切割砂轮，其包括：限定外周缘的外径为80-200mm，限定孔的内径为30-80mm，厚度为0.1到1.0mm的硬质合金环形薄圆片基底，和设置于该基底的外周缘上的刃部，其包含有用金属结合材料结合的磨粒，所述磨粒包含金刚石磨粒、CBN磨粒或者金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物，金属结合材料的杨氏模量为0.7×1011-4.0×1011Pa，刃部的厚度比基底的厚度至少大0.01mm。
在优选实施方案中，金属结合材料的维氏硬度为100-550，密度为2.5-12g/cm3。典型地，金属结合材料包括选自Ni、Fe、Co、Cu和Sn中的至少一种金属、包含上述金属中的至少两种的合金、或包含上述金属中的至少一种与磷的合金。
在优选实施方案中，刃部通过电镀金属结合材料形成，使得金属结合材料在将磨粒与其结合时沉积于基底的外周缘上。更优选地，通过电镀沉积于基底上的金属结合材料的内部残余应力为-2×108到2×108Pa。
在另一个优选实施方案中，刃部通过钎焊磨粒而形成，使得金属结合材料在将磨粒与其结合时固着于基底的外周缘。
第二方面，本发明提供一种制造外刃切割砂轮的方法，包括：提供具有限定外周缘的外径为80-200mm，内径为30-80mm，厚度为0.1-1.0mm的硬质合金环形薄圆片基底；以及将金属结合材料与磨粒一起电镀以便在所述基底的外周缘上沉积电镀层，在电镀层中磨粒与金属结合材料结合，所述磨粒包含金刚石磨粒、CBN磨粒或者金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物，金属结合材料的杨氏模量为0.7×1011-4.0×1011Pa，该电镀层的厚度比基底的厚度大至少0.01mm，并且被用做刃部。优选地，通过电镀沉积在基底上的金属结合材料的内部残余应力为-2×108到2×108Pa。
第三个方面，本发明提供一种制造外刃切割砂轮的方法，包括：提供具有限定外周缘的外径为80-200mm，内径为30-80mm，厚度为0.1-1.0mm的硬质合金环形薄圆片基底；以及将磨粒与金属结合材料钎焊到基底的外周缘上以形成层，在该层中磨粒与金属结合材料结合，所述磨粒包含金刚石磨粒、CBN磨粒或者金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物，金属结合材料的杨氏模量为0.7×1011-4.0×1011Pa，该层的厚度比基底的厚度大至少0.01mm，并且被用做刃部。
在优选实施方案中，金属结合材料的维氏硬度为100-550，密度为2.5-12g/cm3。典型地，金属结合材料包含选自Ni、Fe、Co、Cu和Sn中的至少一种金属，包含上述金属中的至少两种的合金，或上述金属中的至少一种与磷的合金。
如背景技术中所述，本领域中所使用的用于切割稀土烧结磁体的大多数外刃切割砂轮是树脂粘合的金刚石切割砂轮，其具有用酚醛树脂等粘结的金刚石磨粒。为了改善机加工稀土烧结磁体的产率和降低成本，期望减小外缘刃部的厚度，并且提高切割速度。
为了满足这些需求，发明人关注用于将磨粒结合到硬质合金基底外周缘的结合材料。外刃切割砂轮基本由用作基轮的硬质合金基底和结合有磨粒的刃部组成。刃部包括金刚石磨粒、CBN磨粒或者金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物形式的磨粒和用于将磨粒结合到基底的结合材料。结合材料的作用是保持住磨粒并将磨粒结合到基底上，使得在切割操作中可以承受旋转力和磨削阻力，从而实现对工件的切割。
对结合材料的形式和作用进行描述。结合材料的一个重要作用就是使通过结合材料形成的刃部处于基底的外周缘上以跨越基底的外缘。刃部的跨越基底外缘的部分(或是结构)可以是磨粒与结合材料混合而成的研磨层，或是单独的结合材料层，这取决于工件材料的性质或切割目的。因此，刃部的厚度大于基底的厚度。采用的这样的形状是由于两个原因。一个原因是增加结合材料-基底的接触面积以实现牢固的接合。如果刃部设置成仅与基底的端面接触，则预计结合材料与基底的结合强度不足，这样刃部将容易与基底分离。当刃部设置成跨越基底边缘，结合材料-基底的接触面积增大，在基底与结合材料之间提供充足的结合强度。
另一个原因是便于研磨液和切割渣料的流出。刃部的结构比基底厚，意味着基底与工件(典型为磁体)之间在刃部内的位置存在间隙。这个间隙在切割操作中非常重要，因为研磨液会进入到该间隙中，该间隙提供了将工件与刃部之间产生的摩擦热量除去的通道，以及将载有切屑渣料的研磨液排出。缺少该间隙时，切下的切屑渣料会在刃部与工件之间被捕获或堆积，引起显著的摩擦，并且研磨液将不能到达刃端部，从而不能排出摩擦热量，也就不能继续切割操作。
结合材料的强度也是重要的。由于金刚石或CBN的磨粒环绕在其边缘以增加切割阻力，所以磨粒会在外力下脱落。在磨粒脱落的位置处，结合材料必然被工件(稀土烧结磁体)摩耗，使得包埋在底下的磨粒从下面暴露出来。当磨粒脱落或被摩耗掉时，仅结合材料留在刃部的表面，那么磨粒流失的结合材料部位一定会被研削掉。当结合材料被工件研削时，新的磨粒从下面自己暴露出来。如果重复这个循环，新的锋利切割刃就自动地重新产生(被称为“自锐化”)。
本发明通过研究刃部中结合材料所需的性能和设计满足这种需求的结合材料，成功开发出高性能的外刃切割砂轮。
特别地，改善用于刃部的结合材料的机械性能以提高外刃切割砂轮的总体机械强度。这样就可以提供一种高性能、高强度切割砂轮。在现有技术中普遍使用酚醛树脂等的树脂结合剂，但是由于树脂或塑料的特性，几乎不能期望它们发挥出自身的机械强度。根据本发明，使用具有优良的机械强度的单一金属或金属合金作为结合材料而非树脂或塑料形成了刃部，因此刃部的机械性能提高，同时基底的强度增加。这样就提供了一种具有改善的机械刚度或坚固性的高性能外刃切割砂轮。
上述引用的专利文献部分地涉及电解沉积和金属结合材料，却没有涉及到必要的机械特性和相应优点。根据本发明，由于刃部与工件直接接触，且必须比基底厚，并且由于刃部最有利于促进基底的机械强化，因此提高了在基底外缘上的刃部的机械强度。用厚金属材料包封基底的边缘以增强基底对于改善整个基底的机械特性最有效。
本发明的外刃切割砂轮能够以高精度和低公差进行切割，其改善了机加工产率，并降低了机加工成本。
附图说明
图1示意性地示出了本发明一个实施方案的外刃切割砂轮，图1A为平面图，图1B为沿图1A中B-B线的剖视图，图1C，1D和1E为基底边缘上刃部的不同实例的放大视图。
图2为实施例1中磨粒共电沉积(grain-co-electrodeposite)的外刃切割砂轮的刃部的显微照片。
图3为实施例1(内部残余应力为0.53×107Pa的磨粒共电沉积切割砂轮)、实施例2、实施例3、实施例4(内部残余应力为1.5×108Pa的磨粒共电沉积切割砂轮)、实施例5(维氏硬度Hv为440的磨粒共电沉积切割砂轮)、实施例6和对比例1的切割精度相对于切割速度的曲线图。
图4为实施例1到实施例6以及对比例1和对比例2的切割精度相对于弹性模量(杨氏模量)的曲线图。
图5为实施例1到实施例6以及对比例1和对比例2的切割精度相对于维氏硬度的曲线图。
图6为实施例1到实施例6的切割精度相对于内应力的曲线图。
具体实施方式
参考图1，图解说明了本发明一个实施方案中的外刃切割砂轮，其包括基底10和刃部20，基底10是硬质合金制成的环形薄圆片形式，刃部20设置在基底10的外缘上。刃部20包括与金属结合材料结合的磨粒，磨粒包括金刚石磨粒、CBN磨粒或金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物。
基底10是环形薄圆片(另一说法为，具有中心孔12的环状薄片或圆环形薄片)形式，其限定外缘的外径为80-200mm，优选为100-180mm，其限定孔12的内径为30-80mm，优选为40-70mm，并且其厚度为0.1-1.0mm，优选为0.2-0.8mm。
如图1所示，该圆片具有中心孔和外圆周。因此术语“径向”和“轴向”是相对于圆片中心而使用的，因此厚度是轴向尺寸，而长度(或高度)是径向尺寸。
制成基底的硬质合金的例子包括这样的合金，其中将周期表的IVB、VB和VIB族中的那些金属的粉状碳化物，如WC、TiC、MoC、NbC、TaC和Cr3C2通过烧结胶结在Fe、Co、Ni、Mo、Cu、Pb、Sn或其金属合金的结合基质中。在这些硬质合金中，优选WC-Co、WC-Ti、C-Co和WC-TiC-TaC-Co系统。此外优选那些具有足以电镀的导电性或者在钯催化剂等的作用下能够获得该导电性的硬质合金。当硬质合金在钯催化剂等的作用下获得导电性时，就可以使用公知的试剂，如在ABS树脂的镀覆中使用的导电处理剂。
在本发明中，将金属结合材料用于形成刃部20。金属结合材料应当具有0.7×1011-4.0×1011Pa的杨氏模量，优选为0.8×1011-3.6×1011Pa。如果金属结合材料的杨氏模量小于0.7×1011Pa，刃部就会因其在高速切割时其受到的切割阻力而弯曲，这样导致切割面歪斜或起伏。如果金属结合材料的杨氏模量大于4.0×1011Pa，那么刃部像基底一样几乎不变形，对于高精度切割是优选的；然而金属结合材料同时具有较高硬度，这样当磨粒磨耗或脱落时，由于上述原因就不能产生切割边缘的自锐化，从而导致切割性能的下降。
需要注意，杨氏模量是这样确定的，通过将结合材料单独成型为合适尺寸的零件，将该零件加工成测量用尺寸的样品，将该样品置于恒温箱中，并且通过共振法测量。
本文使用的金属结合材料的维氏硬度优选为100-550，密度为2.5-12g/cm3。硬度的选择考虑到具有约600-约800的维氏硬度的稀土烧结磁体。如果使用比工件或稀土烧结磁体的硬度低的结合材料形成刃部，必要时可以用工件摩耗结合材料，以便于自锐化成磨粒的自凸现。至于与维氏硬度相关联的金属结合材料的密度，如果密度小于2.5g/cm3，即低于金刚石和CBN的密度，则结合材料结合磨粒的强度可能低，造成磨粒脱落。如果密度大于12g/cm3，即等于或大于制成基底的硬质合金的密度，则刃部可能具有较低的结合强度，使刃部容易破碎和脱落。
通过商购的显微维氏硬度测量仪进行维氏硬度的测量，因为样品非常薄，必须使厚度的影响最小化。
本文使用的金属结合材料是选自Ni、Fe、Co、Cu和Sn中的至少一种金属，包含上述金属中至少两种的合金，或上述金属中至少一种与磷的合金。
本文使用的磨粒是金刚石磨粒(包括天然金刚石和工业合成金刚石)，立方氮化硼(CBN)磨粒，或金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物。
磨粒的尺寸取决于磨粒所结合的基底的厚度。优选磨粒的平均粒度为10-500μm。如果平均粒度小于10μm，那么在磨粒之间就可能会出现小间隙，从而在切割操作中会出现类似变光滑和堵塞(loading)这样的问题并失去了切割能力。如果平均粒度大于500μm，也可能会出现问题，例如由此切割出的磁体片可能具有粗糙的表面。
优选刃部20包含10-80体积％比例的磨粒，更优选15-75体积％。少于10体积％意味着用于切割的磨粒的比例少，而磨粒大于80体积％会在切割操作中增加有害堵塞。任何一种情况都增加切割操作中的阻力，因此必须降低切割速度。根据具体的应用，磨粒的体积分数通过混合除磨粒外的合适成分来进行控制。
如图1C到1E所示，刃部20包括一对夹持结构22a，22b，它们在轴向将基底10的外缘夹持在它们之间，还包括本体28，其在径向向外延伸超出基底10的外缘(周缘)。(这种区分是为了便于描述，因为所述结构和本体共同形成刃部)。刃部20的厚度大于基底10的厚度。
更加具体地，刃部20的夹持结构22a、22b将基底10的外缘夹持在其间，每个夹持结构的长度H1优选为0.1-10mm，更优选为0.5-5mm。每个夹持结构22a、22b的厚度T3优选为至少5μm(＝0.005mm)，更优选为5～2,000μm，并且更加优选10～1,000μm。由此夹持结构22a、22b的总厚度优选为0.01mm，更优选为0.01～4mm，更加优选为0.02～2mm。刃部20在该总厚度上比基底10厚。如果夹持结构22a、22b的长度H1小于0.1mm，它们仍然能有效地避免硬质合金基底的边缘破碎或破裂，但对于增强基底的效果较小，并且有时不能够防止基底因切割阻力而变形。如果长度H1超过10mm，基底的增强是在牺牲费用的情况下实现的。如果夹持结构的厚度T3小于5μm，这样的薄夹持结构不能增加基底的机械强度或有效排出切屑渣料。
为防止在切割操作中破裂和开裂并增加电镀强度，可以在基底的外周缘区域处对其进行倒棱或开槽。可以根据具体的情况选择合适的倒棱模式，如C形倒棱或R形倒棱。同样，也可以在三角形凹槽和矩形凹槽以及其它形状中选择槽口，这取决于如基底厚度和磨料层高度的参数。
如图1C到1E所示，夹持结构22a、22b可以由金属结合材料24和磨粒26(图1C)组成，由金属结合材料24(图1D)组成，或者包括由覆盖基底10的金属结合材料24组成的下方层和由金属结合材料24和磨粒26组成的上方层(图1E)。
另一方面，在径向向外延伸超出基底10周缘的本体28的长度H2优选为0.1-10mm，更优选地为0.3-8mm，尽管这个长度可以随着所结合的磨粒的尺寸而变化。如果本体长度H2小于0.1mm，则刃部可能在短时间内由于切割操作中的冲击和磨损而被消耗，导致切割砂轮的寿命短。如果本体的长度H2超过10mm，刃部会易于变形，虽然变形取决于刃厚度(图1中的T2)，从而导致具有波浪形切割表面的切割磁体片，并因此使尺寸精度变差。刃部的本体28主要由金属结合材料24和磨粒26组成。
在基底10的周缘上形成刃部20的方法可以是电镀或钎焊。通过电镀或钎焊，将选自Ni、Fe、Co、Cu和Sn中的至少一种金属、上述金属的合金、或这样的金属与磷的合金沉积在硬质合金基底上，同时将磨粒与其结合。
通过镀覆沉积金属结合材料的方法通常分为两类，电镀方法和无电镀覆方法。在本发明的实践中，目前选择电镀方法，因为电镀方法容易控制残留在金属结合材料中的内应力，并且生产成本低。
可以通过任何公知技术、采用公知的电镀浴进行电镀来沉积上面所列举的单一金属或合金，并且通常对所述浴采用普通镀覆条件。
当金属结合材料被电镀沉积时，必需一起结合磨粒，并且同时通过金属结合材料结合在基底上。通过利用复合镀覆浴的复合镀覆方法可以实现上述过程，该复合镀履浴中分散着磨粒，用于与金属沉积和下述方法一起共沉积磨粒。
(i)将导电粘结剂施加到基底边缘的所选部分上，并且使用粘结剂将磨粒结合到基底边缘，然后镀覆的方法。
(ii)将导电粘结剂与磨粒的混合物施加到基底边缘的所选部分上，然后镀覆的方法。
(iii)用具有对应于磨料层的狭窄空间的夹具夹持基底，用磨粒填充该空间，并且在磨粒、夹具和基底之间产生摩擦力，从而保持住磨粒，然后镀覆的方法。
(iv)通过镀覆或溅射在磨粒上包覆磁性材料例如镍，并且通过磁性吸引将包覆的颗粒保持在基底边缘上，然后镀覆的方法。产生穿过基底的磁力的装置可以是由JP-A7-207254中所知的装置，或者用其中设置有永久磁体的夹具夹持基底。
(v)在磨粒上包覆延性金属例如镍或铜，任选地混合包覆颗粒与金属粉末，将包覆颗粒单独或将包覆颗粒与金属粉末的混合物置于基底边缘上，放入模具中，然后施加压力进行结合的方法。
需要注意的是，可以先通过无电镀铜或镀镍来涂覆(或包覆)磨粒，以便通过随后镀覆增加被结合的磨粒的结合强度。
在本发明的实践中，当金属结合材料通过电镀方法进行沉积时，沉积的金属优选应当具有-2×108Pa(压应力)到+2×108Pa(拉应力)之间的应力，更优选-1.8×108Pa到+1.8×108Pa。直接测量由电镀引入基底的应力是困难的。那么，在镀覆膜的应力测量之前，在与金属沉积到基底边缘的条件相同的镀覆条件下，将金属沉积到测试片(如，用于商购的带的电沉积应力测量仪的测试带或通过螺旋收缩仪(spiral contractometer)进行内应力测量中所用的测试片)上。将这些数据与实施例中的切割试验的结果进行比较，确定出镀覆膜中应力的适当范围。结果发现应力落在-2×108Pa到+2×108Pa之间的范围，负值表示镀覆膜中的压应力，正值表示镀覆膜中的拉应力。如果镀覆膜的应力超出这个范围，则刃部或硬质合金基底就可能因应力而发生变形，或者很容易因切割阻力而发生变形。这里所使用的术语镀覆膜中的“应力”指当在被镀物上的镀覆膜膨胀或收缩时，由于被镀物对镀覆膜的膨胀或收缩的抑制而残留的内应力。
镀覆膜中的应力可以通过合适的手段进行控制。例如，单一金属镀覆中，如镀铜或镀镍，典型的氨基磺酸镍镀覆，可以通过选择活性成分或氨基磺酸镍的浓度、镀覆时的电流密度、将镀覆浴的温度选择在合适的范围中，及添加有机添加剂，如o-苯磺酰亚胺(o-benzenesulfonimide)或p-甲苯磺酰胺，或例如Zn或S的元素来控制应力。此外，在合金镀覆中，如Ni-Fe合金、Ni-Mn合金、Ni-P合金、Ni-Co或Ni-Sn合金镀覆中，可以通过选择合金中的Fe、Mn、P、Co或Sn的含量、镀覆浴的温度，和将其它参数选择在合适范围来控制应力。在合金镀覆的情形中，当然，添加有机添加剂也可以有效控制应力。
下面给出了优选的镀覆浴的例子。
氨基磺酸镍镀覆浴
氨基磺酸镍        100-600g/L
硫酸镍            50-250g/L
氯化镍            5-70g/L
硼酸              30-40g/L
o-苯磺酰亚胺      适量
镍钴合金氨基磺酸盐镀覆浴
氨基磺酸镍        250-600g/L
氯化钴            2-10g/L
硼酸              30-40g/L
o-苯磺酰亚胺      适量
瓦茨(watts)镍铁合金镀覆浴
硫酸镍        50-200g/L
氯化镍        20-100g/L
硫酸铁        5-20g/L
硼酸          30-40g/L
抗坏血酸钠    适量
o-苯磺酰亚胺        适量
瓦茨镍磷合金镀覆浴
硫酸镍        50-200g/L
氯化镍        20-100g/L
正磷酸        10-80g/L
亚磷酸        1-30g/L
o-苯磺酰亚胺  适量
焦磷酸铜镀覆浴
焦磷酸铜        30-150g/L
焦磷酸钾        100-450g/L
氨水            1-20ml/L
硝酸钾          5-20g/L
在另一个实施方案中，通过将磨粒与金属结合材料钎焊到基底边缘处而形成刃部。这个过程可以这样实现：通过将钎料与磨粒预先混合，并且将预混物施用到基底边缘上，或通过将钎料(braze)与磨粒预先混合并将预混物与基底置于模具中，然后通过施加压力将磨粒结合到基底边缘。此外，金属结合材料可以通过电镀沉积在基底周缘上，形成能促进后续钎焊的底涂层，目的是提高在磨料层与基底之间的结合强度，并且可以充分地防止基底由于钎焊时伴随的应变发生弯曲或起伏。
本文使用的钎料必须对硬质合金具有良好的润湿性。优选熔点最高为1,300℃，特别是最高为1,100℃的钎料材料，因为可以将基底的变形和强度损失最小化。
上述任一实施方案都促进金刚石磨粒、CBN磨粒或金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物附着在基底的周缘上，并且同时提高薄基底的机械强度。基底的优选尺寸包括0.1-1mm的厚度和至多200mm的外径，因为基底坯料可以在高精度下被机加工成这样的尺寸，并且所得砂轮可以用于以稳定的方式长期以高精度切割稀土烧结磁体块。以高精度机加工厚度小于0.1mm的基底圆片很困难，因为这种极薄圆片具有不依赖外径的非常大的轴向曲率。而超过1mm的厚度会导致不可接受的切割成本，而无法实现本发明的目的。至多200mm的外径归因于当前硬质合金制造和机加工技术的局限。中心孔的直径的范围为30到80mm，这与安装切割砂轮的磨削机械的轴直径相对应。
使用本发明的外刃切割砂轮时，可以切割各种工件。典型的工件包括R-Co稀土烧结磁体和R-Fe-B稀土烧结磁体，其中R是包括Y的至少一种稀土元素。这些磁体是用下述方法制备的。
R-Co稀土烧结磁体包括RCo5和R2Co17体系。其中，R2Co17磁体具有以下的组成(重量％)：包括R：20-28％，Fe：5-30％，Cu：3-10％，Zr：1-5％，余量为Co。其通过如下方法制备：按这个比率称取原料，将其熔化，将熔体浇铸，并将该合金细粉碎成平均粒度为1-20μm，从而得到R2Co17磁体粉末。然后将该粉末在磁场中压实，并且在1,100-1,250℃下烧结0.5-5小时，然后在比烧结温度低0-50℃的温度下固溶处理0.5-5小时，且保持在700-950℃下进行一定时间的时效处理，然后冷却。
R-Fe-B稀土烧结磁体具有以下的组成(重量％)：包括R：5-40％，Fe：50-90％，B：0.2-8％。可以将一种或多种添加剂元素添加到其中以改善磁性和抗蚀性，添加剂元素选自C、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Zr、Nb、Mo、Ag、Sn、Hf、Ta、W等。添加剂元素的含量对Co为至多30重量％，对其它元素至多
8重量％。所述磁体通过如下方法制备：按照这样的比率称取原料，将其熔化，将熔体浇铸，并将该合金细粉碎成平均粒度为1-20μm，从而得到R-Fe-B磁体粉末。然后将这些粉末在磁场中压实，并且在1,000-1,200℃下烧结0.5-5小时，然后在400-1,000℃下进行一定时间的时效处理，然后冷却。
实施例
下面通过说明而非限制的方式给出本发明的实施例。
在实施例中，金属结合材料的杨氏模量、维氏硬度和镀覆应力通过下列方法测量。
杨氏模量
将金属结合材料在硬质合金基底上沉积到厚度约为2mm。从硬质合金基底上剥除所述结合材料沉积物并将其机加工成10×40×1mm(厚度)的样品。根据JIS R1605的弯曲共振方法测量样品的杨氏模量。
维氏硬度
根据JIS R1610的维氏硬度测式方法，通过显微维氏硬度测试仪测量出由上述方法制备的样品的维氏硬度。
镀覆应力
将金属结合材料沉积在测试带(用于带的电沉积应力测量仪上的)上约50μm的厚度，然后测量镀覆应力。
实施例1
将由90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。基底用胶带遮盖，使得仅暴露出从外周缘向内延伸1.5mm的各表面的圆周区域。在40℃下将基底浸入商购的碱水溶液10分钟以脱脂，用水清洗，然后在50℃下将基底浸入焦磷酸钠含量为30～80g/L的水溶液中，在2-8A/dm2的电流密度下进行电解。硬质合金基底在去离子水中进行超声清洗，然后由夹具夹持以进行镀覆。根据上述的方法(iv)，将平均粒度为130μm的覆镍金刚石磨粒设置为与基底外周缘部接触。在50℃下将基底浸入氨基磺酸镍镀覆浴中，以电流密度5-20A/dm2通入不同量的电流进行电镀。在水洗和从夹具中移出后，刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样就可以得到三种具有通过电镀结合有磨粒的外刃切割砂轮，这些外刃切割砂轮具有不同的内部残余应力。图2为显示具有图1D示出的横截面的刃部的外观的显微照片。图2中示出了硬质合金基底10、金属结合材料24的层(夹持结构)、金属结合材料24以及磨粒26的层(本体)。金属结合材料的杨氏模量为2.0×1011Pa，维氏硬度为Hv 318，密度为8.8g/cm3，内部残余应力为-1.4×108Pa，0.53×108Pa和2.0×108Pa。
实施例2
将由90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。基底用胶带遮盖，使得仅暴露出从外周缘向内延伸1.5mm的各表面的圆周区域。在40℃下将基底浸入商购的碱水溶液10分钟以脱脂，用水清洗，然后在50℃下将基底浸入焦磷酸钠含量为30-80g/L的水溶液中，在2-8A/dm2的电流密度下进行电解。在去离子水中对硬质合金基底进行超声清洗，然后由夹具夹持以进行镀覆。根据上述的方法(iv)，将平均粒度为130μm的覆镍CBN磨粒设置为与基底外周缘部接触。在50℃下将基底浸入氨基磺酸镍镀覆浴中，以电流密度5-20A/dm2通入电流进行电镀。在水洗和从夹具中移出后，刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样就可以得到具有通过电镀结合有磨粒的外刃切割砂轮。金属结合材料的杨氏模量为2.0×1011Pa，维氏硬度为Hv 318，密度为8.8g/cm3，内部残余应力为0.5×108Pa。
实施例3
将由90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。基底用胶带遮盖，使得仅暴露出从外周缘向内延伸1.5mm的各表面的圆周区域。在40℃下将基底浸入商购的碱水溶液10分钟以脱脂，用水清洗，然后在50℃下将基底浸入焦磷酸钠含量为30-80g/L的水溶液中，在2-8A/dm2的电流密度下进行电解。硬质合金基底在去离子水中进行超声清洗，然后由夹具夹持以进行镀覆。如同实施例1一样，将平均粒度为130μm的覆镍金刚石磨粒设置为与基底外周缘部接触。在50℃下将基底浸入镍钴合金氨基磺酸盐镀覆浴中，以电流密度5-20A/dm2通入电流进行电镀。在水洗和从夹具中移出后，刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样就可以得到具有通过电镀结合有磨粒的外刃切割砂轮。金属结合材料的杨氏模量为2.4×1011Pa，维氏硬度为Hv 480，密度为8.8g/cm3，内部残余应力为4.6×107Pa。
实施例4
将由90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。基底用胶带遮盖，使得仅暴露出从外周缘向内延伸1.5mm的各表面的圆周区域。在40℃下将基底浸入商购的碱水溶液10分钟以脱脂，用水清洗，然后在50℃下将基底浸入焦磷酸钠含量为30-80g/L的水溶液中，在2-8A/dm2的电流密度下进行电解。将硬质合金基底在去离子水中进行超声清洗，然后由夹具夹持进行镀覆。如同实施例1一样，将平均粒度为130μm的覆镍金刚石磨粒设置为与基底外周缘部接触。在60℃下将基底浸入瓦茨镍铁合金镀覆浴中，以电流密度5-20A/dm2通入不同量的电流进行电镀。在水洗和从夹具中移出后，刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样就可以得到二种具有通过电镀结合有磨粒的外刃切割砂轮，这些外刃切割砂轮具有不同的内部残余应力。金属结合材料的杨氏模量为1.4×1011Pa，维氏硬度为Hv 422，密度为8.7g/cm3，内部残余应力为-0.5×108Pa和1.5×108Pa。
实施例5
将由为90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。基底用胶带遮盖，使得仅暴露出从外周缘向内延伸1.5mm的各表面的圆周区域。在40℃下将基底浸入商购的碱水溶液10分钟以脱脂，用水清洗，然后在50℃下将基底浸入焦磷酸钠含量为30-80g/L的水溶液中，在2-8A/dm2的电流密度下进行电解。将硬质合金基底在去离子水中进行超声清洗，然后由夹具夹持进行镀覆。如同实施例1一样，将平均粒度为130μm的覆镍金刚石磨粒设置为与基底外周缘部接触。在60℃下将基底浸入不同组成的瓦茨镍磷合金镀覆浴中，以电流密度5-20A/dm2通入电流进行电镀。在水清洗和从夹具中移出后，刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样就可以得到二种具有通过电镀结合有磨粒的外刃切割砂轮，这些外刃切割砂轮具有不同的维氏硬度。金属结合材料的杨氏模量为2.1×1011Pa，维氏硬度为Hv 440和Hv 528，密度为8.8g/cm3，内部残余应力为0.9×107Pa。
实施例6
将由90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。基底用胶带遮盖，使得仅暴露出从外周缘向内延伸1.5mm的各表面的圆周区域。在40℃下将基底浸入商购的碱水溶液10分钟以脱脂，用水清洗，然后在50℃下将基底浸入焦磷酸钠含量为30-80g/L的水溶液中，在2-8A/dm2的电流密度进行电解。将硬质合金基底在去离子水中进行超声清洗，然后由夹具夹持进行镀覆。如同实施例1一样，将平均粒度为130μm的覆镍金刚石磨粒设置为与基底外周缘部接触。在50℃下将基底浸入焦磷酸铜镀覆浴中，以电流密度5-20A/dm2通入电流进行电镀。在水洗和从夹具中移出后，刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样就可以得到具有通过电镀结合有磨粒的外刃切割砂轮。金属结合材料的杨氏模量为1.1×1011Pa，维氏硬度为Hv 150，密度为8.8g/cm3，内部残余应力为0.5×107Pa。
实施例1到实施例6的所有切割砂轮都适用于切割稀土烧结磁体块。
对比例1
将由90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。将基底置于模具中，模具中充满了75体积％的用作树脂结合材料的粉末状酚醛树脂与25体积％的平均粒度为130μm的金刚石磨粒的混合物。该混合物在基底周围被加压成形，并且在模具中在180℃持续加热2小时以进行固化。在冷却且从模具中移出后，刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样可以获得树脂结合硬质合金外刃切割砂轮。结合材料的杨氏模量为3.0×109Pa，维氏硬度为Hv 50，密度为4.3g/cm3。
对比例2
将由90重量％WC和10重量％Co组成的硬质合金机加工成外径为125mm，内径为40mm，厚度为0.3mm的环形薄圆片，将其作为基底。将基底置于模具中，模具中充满了75体积％的用作结合材料的WC粉末/Co粉末掺合物与25体积％的平均粒度为130μm的金刚石磨粒的混合物。进行加压成形。将基底从模具中移出，之后进行厚度调整并在氩气氛中热处理。刃部由研磨机研磨至厚度为0.4mm。这样可以获得烧结的硬质合金基底外刃切割砂轮。结合材料的杨氏模量为5.1×1011Pa，维氏硬度为Hv 687，密度为13.1g/cm3。
进行切割试验。通过将实施例1至实施例6以及对比例1和对比例2中每一个的两片外刃切割砂轮以1.5mm的间隔设置来构造多砂轮装置。对装置进行研磨直到磨粒显露出来。通过该装置以5,000rpm的转速对多个工件连续切割，这些工件都是宽40mm×长100mm×高20mm的Nd-Fe-B稀土烧结磁体。
图3为切割精度对切割速度的曲线图。在从开始以10mm/min的切割速度切割50个磁体片后，将切割速度从10mm/min变到35mm/min对5个磁体片进行切割。对于每个片，通过千分尺测量5点(一个中心点和四个角点)处的厚度。每片上的这五点中最大值与最小值的差就是切割精度(μm)。计算5个片的切割精度的平均值并且描绘成曲线图。
图4、5和6是切割精度分别对弹性模量(杨氏模量)、维氏硬度和内应力的曲线图。对于以30mm/min的速度切割的5个磁体片中的每片，用千分尺测量5点(一个中心点和四个角点)处的厚度。每片上的这五点中最大值与最小值的差就是切割精度(μm)。计算5片的切割精度的平均值并且描绘成曲线图。
图3示出了实施例1到实施例6以及对比例1的切割精度对切割速度的曲线。在对比例1中，随着切割速度提高，切割精度也随之显著增加。在实施例中，尽管多少有些差别，所有样品的切割精度都小于60μm，表明即使在高速切割中尺寸的变化也是很小的。
图4示出了实施例1到实施例6以及对比例1和对比例2的切割精度对结合材料弹性模量(杨氏模量)的曲线。对比例1的切割精度高于150μm，对比例2的切割精度接近250μm，两者都超过了可接受的切割精度100μm。相反地，实施例1到实施例6具有小于100μm的令人满意的切割精度值。图中的虚线曲线是由这些数据计算的回归曲线，并且从该回归曲线中推测提供可接受切割精度的杨氏模量的范围为0.7×1011Pa到4.0×1011Pa之间。
图5示出了实施例1到实施例6以及对比例1和对比例2的切割精度对结合材料的维氏硬度的曲线。对比例1的切割精度高于150μm。相反地，实施例1到实施例6具有小于100μm的令人满意的切割精度值，显示出令人满意的尺寸变化。图中的虚线曲线是由这些数据计算的回归曲线，并且从该回归曲线中推测提供至多100μm的切割精度的维氏硬度的范围为Hv 100到Hv 550之间。
图6示出了实施例1到实施例6的切割精度对结合材料内应力的曲线图。从图中的回归曲线中推测提供至多100μm的切割精度的内应力的范围为-2.0×108Pa到2.0×108Pa之间。
根据本发明证实，刃部的机械强度得到提高，并且整个外刃切割砂轮的机械刚性或坚固性得到改善。因此，即使刃部的厚度减小，也可以使高速切割中的相应切割精度的降低最小化。

Claims (4)

1.外刃切割砂轮，包含： 
限定外周缘的外径为80-200mm，限定孔的内径为30-80mm，厚度为0.1-1.0mm的硬质合金环形薄圆片基底，和 
设置于所述基底外周缘上的刃部，其包含用金属结合材料结合的磨粒，所述磨粒包括金刚石磨粒、CBN磨粒或者金刚石磨粒与CBN磨粒的混合物，金属结合材料的杨氏模量为0.7×1011Pa-4.0×1011Pa，所述刃部的厚度比所述基底的厚度大至少0.01mm， 
其中所述金属结合材料由以下构成： 
由Fe和Co中的至少一种金属构成的金属或合金，或 
由Fe和Co中的至少一种金属与磷构成的合金，且通过电镀金属结合材料形成所述刃部，使得金属结合材料在将磨粒与其结合时沉积于所述基底的外周缘上； 
其中通过电镀沉积于所述基底上的金属结合材料的内部残余应力为-2×108Pa至2×108Pa。 
2.如权利要求1的外刃切割砂轮，其中所述金属结合材料的维氏硬度为100-550，密度为2.5-12g/cm3。 
3.用于制备外刃切割砂轮的方法，包括： 
提供硬质合金环形薄圆片的基底，其限制外周缘的外径为80-200mm，内径为30-80mm，且厚废为0.1-1.0mm，以及 
将金属结合材料与磨粒一起电镀以便在所述基底的外周缘上沉积电镀层，其中磨粒与金属结合材料相结合，所述磨粒包含金刚石磨粒、CBN磨粒或者金刚石磨粒和CBN磨粒的混合物，且包覆有通过镀覆或溅射形成的磁性材料或延性金属，金属结合材料的杨氏模量为0.7×1011Pa-4.0×1011Pa，所述电镀层的厚度比所述基底的厚度大至少0.01mm，并且将所述电镀层作为刃部， 
其中所述金属结合材料由以下构成： 
由Fe和Co中的至少一种金属构成的金属或合金，或 
由Fe和Co中的至少一种金属与磷构成的合金； 
其中通过电镀沉积在所述基底上的金属结合材料的内部残余应力为-2× 108Pa至2×108Pa。 
4.如权利要求3的方法，其中所述金属结合材料的维氏硬度为100-550，密度为2.5-12g/cm3。 
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