CN104440620B - 一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法 - Google Patents

一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，该方法制备厚金刚石切割砂轮毛坯采用定容式装料，简化了单片烧结时装料、刮平工序，提高了烧结效率；该方法采用电火花线切割切片，与现有的烧结制备方式相比，研磨余量减少了45％～65％，大幅缩短了研磨时间，提高了烧结型金刚石超薄切割砂轮的制备效率；该方法简化了单片烧结时的人工装料、烧结工序，便于实现金刚石超薄切割砂轮批量自动化生产。

Description

一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法
技术领域
本发明属于硬脆材料加工领域，具体涉及一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法。
背景技术
金刚石超薄切割砂轮由于其具有切割效率高，切口质量好，被切材料消耗少等优点，被广泛应用于对硅片、玻璃、陶瓷、蓝宝石等硬脆性材料进行下料、切断和开槽(侯长红.电子信息行业用超硬材料切割工具综述.金刚石与磨料磨具工程，2010(01)：60～62)。目前使用的烧结型金属结合剂金刚石超薄切割砂轮常规厚度约为0.2mm，具有结合强度高、成型性好、使用寿命长等显著优点，成为硅晶圆划片的重要加工砂轮(马岩，袁惠珠，张明明，等.划片机金刚石砂轮刀片性能研究.电子工业专用设备，2008，(10)：30～32)。金属烧结型超薄切割砂轮一般是先热压烧结，再采用平面研磨的方法制备金属结合剂超薄切割砂轮，由于热压烧结条件的限制，金刚石超薄切割砂轮并不能直接烧结到预期的尺寸，烧结厚度一般大于产品使用尺寸，同时很难保证粉末在模具中的平整性和均匀性，烧结后毛坯件的厚度尺寸不均匀，相对翘曲度较大(刘海峰.金属结合剂超薄切割砂轮制备工艺的研究：[硕士学位论文].厦门：华侨大学，2012)，因此对热压烧结成型的金刚石超薄切割砂轮毛坯进行研磨减薄成为该制备方法的关键。采用平面研磨的方法进行减薄，由于金刚石超薄切割砂轮毛坯硬度高、耐磨性好，研磨减薄效率较低，加之研磨余量较大，直接影响该方法制备金刚石超薄切割砂轮的效率(何亮.金属结合剂超薄切割砂轮电火花整形工艺研究：[硕士学位论文].厦门：华侨大学)。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，包括如下步骤：
(1)按比例将所需的金属粉末加入三维混料机中混合2～4小时，再加入经过酸洗的金刚石粉末，继续混合2～4小时，得混合料；
(2)将上述混合料填满冷压模具内，填置均匀、刮平，于10～25MPa的压力下进行冷压，得冷压毛坯；
(3)将上述冷压毛坯放入石墨模具中，进行真空烧结，得烧结毛坯，上述真空热压烧结的温度为550～950℃，压力为15～60KN，升温速度为20～90℃/min，保温时间为5～15min，冷却速度为20～90℃/min；
(4)将上述烧结毛坯去毛刺后，通过电火花成型工艺进行内孔修圆，通过外圆磨进行外圆修圆，再于平面磨床上进行两端面的磨削，得预加工毛坯；
(5)将上述预加工毛坯进行电火花线切割切片，形成0.2～0.3mm厚的砂轮毛坯，该电火花线切割切片的工艺参数为：脉冲宽度Ti＝4～40μs，脉冲间隔To＝20～220μs，峰值电流I＝5～35A，开路电压U＝65～110V，采用正极性加工；
(6)将上述砂轮毛坯放入石墨模具中，进行真空热压烧结较平，得较平坯，该真空热压烧结的温度为400～500℃，压力为15～30KN，升温速度为20～90℃/min，保温时间为15～25min，冷却速度为20～90℃/min；
(7)将上述较平坯进行平面研磨减薄至0.15～0.2mm，制得所述金刚石超薄切割砂轮，上述平面研磨减薄的工艺参数为：单面研磨时间5～20min，研磨盘转速50～200r/min，研磨压力0.5×104～2.5×104Pa，金刚石磨料粒度8～60μm，研磨液浓度0.5～10wt％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中的金刚石粉末的粒度为140～3000目。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)的冷压压力为10～20MPa。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)的真空热压烧结的温度为600～900℃，压力为15～50KN，升温速度为20～70℃/min，保温时间为5～10min，冷却速度为20～70℃/min。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(5)为：将上述预加工毛坯固定于旋转夹具上，由该旋转夹具带动该预加工毛坯以30～100r/min的速度旋转，进行电火花线切割切片，或直接将上述预加工毛坯固定于电火花线切割机床上，进行电火花线切割切片，形成0.2～0.3mm厚的砂轮毛坯。
进一步优选的，所述步骤(5)的电火花线切割切片的工艺参数为：脉冲宽度Ti＝8～32μs，脉冲间隔To＝40～200μs，峰值电流I＝15～30A，开路电压U＝70～100V，采用正极性加工。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(6)的真空热压烧结的温度为400～450℃，压力为15～20KN，升温速度为20～80℃/min，保温时间为15～20min，冷却速度为20～70℃/min。
在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(7)的平面研磨减薄的工艺参数为：单面研磨时间5～15min，研磨盘转速50～150r/min，研磨压力0.5×104～2×104Pa，金刚石磨料粒度10～50μm，研磨液浓度2～3wt％。
本发明的有益效果是：
1、本发明的方法制备厚金刚石切割砂轮毛坯采用定容式装料，简化了单片烧结时称料、刮平工序，提高了烧结效率；
2、本发明的方法采用电火花线切割切片时，选择合适的工艺参数，电火花线切割得到的超薄切割砂轮预加工毛坯的厚度与产品设计厚度更接近，与现有的烧结制备方式相比，研磨余量减少了45％～65％，大幅缩短了研磨时间，提高了烧结型金刚石超薄切割砂轮的制备效率；
3、本发明的方法简化了单片烧结时的人工装料、烧结工序，便于实现金刚石超薄切割砂轮批量自动化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)按比例将所需的金属粉末加入三维混料机中混合2～4小时，再加入经过酸洗的140～3000目金刚石粉末(优选W40)，继续混合2～4小时，得混合料；
(2)将上述混合料填满冷压模具内，填置均匀、刮平，于10～25MPa(优选10～20MPa)的压力下进行冷压，得冷压毛坯；
(3)将上述冷压毛坯放入石墨模具中，进行真空烧结，得烧结毛坯，上述真空热压烧结的温度为550～950℃，压力为15～60KN，升温速度为20～90℃/min，保温时间为5～15min，冷却速度为20～90℃/min；优选的，真空热压烧结的温度为600～900℃，压力为15～50KN，升温速度为20～70℃/min，保温时间为5～10min，冷却速度为20～70℃/min。
(4)将上述烧结毛坯去毛刺后，通过电火花成型工艺进行内孔修圆，通过外圆磨进行外圆修圆，再于平面磨床上进行两端面的磨削，得预加工毛坯；
(5)将上述预加工毛坯固定于旋转夹具上，由该旋转夹具带动该预加工毛坯以30～100r/min的速度旋转，进行电火花线切割切片，或直接将上述预加工毛坯固定于电火花线切割机床上，进行电火花线切割切片，形成0.2～0.3mm厚的砂轮毛坯，该电火花线切割切片的工艺参数为：脉冲宽度Ti＝4～40μs，脉冲间隔To＝20～220μs，峰值电流I＝5～35A，开路电压U＝65～110V，采用正极性加工；优选的，该电火花线切割切片的工艺参数为：脉冲宽度Ti＝8～32μs，脉冲间隔To＝40～200μs，峰值电流I＝15～30A，开路电压U＝70～100V，采用正极性加工。
(6)将上述砂轮毛坯放入石墨模具中，进行真空热压烧结较平，得较平坯，该真空热压烧结的温度为400～500℃，压力为15～30KN，升温速度为20～90℃/min，保温时间为15～25min，冷却速度为20～90℃/min；优选的，真空热压烧结的温度为400～450℃，压力为15～20KN，升温速度为20～80℃/min，保温时间为15～20min，冷却速度为20～70℃/min。
(7)将上述较平坯进行平面研磨减薄至0.15～0.2mm，制得所述金刚石超薄切割砂轮，上述平面研磨减薄的工艺参数为：单面研磨时间5～20min，研磨盘转速50～200r/min，研磨压力0.5×104～2.5×104Pa，金刚石磨料粒度8～60μm，研磨液浓度0.5～10wt％；优选的，平面研磨减薄的工艺参数为：单面研磨时间5～15min，研磨盘转速50～150r/min，研磨压力0.5×104～2×104pa，金刚石磨料粒度10～50μm，研磨液浓度2～3wt％。
实施例2
以厚度0.2mm、外径58mm、内径40mm的金刚石超薄切割砂轮为例，采用W40金刚石，金刚石颗粒粒径为40μm，制备该砂轮的方法包括如下步骤：
(1)按如下质量比将所需的金属粉末加入三维混料机中混合2小时，再加入经过酸洗的金刚石粉末，继续混合3小时，得混合料：
金刚石颗粒体积份数为12.5％；
(2)将上述混合料填满冷压模具内，填置均匀、刮平，置于冷压机操作台冷压压制得金属结合剂金刚石厚切割砂轮冷压毛坯，压力10～15MPa；冷压尺寸：内径40mm，外径58mm，厚度30mm；
(3)将上述冷压毛坯放入石墨模具中，进行真空烧结，得厚度15mm的烧结毛坯，真空热压烧结的温度为750～800℃，压力为15～50KN，升温速度为20～80℃/min，保温时间为5～10min，冷却速度为20～70℃/min；
(4)将上述烧结毛坯去毛刺后，通过电火花成型工艺进行内孔修圆，通过外圆磨进行外圆修圆，达到尺寸精度为：内径40±0.02mm，外径58±0.02mm，再于平面磨床上进行两端面的磨削，使平行度达到0.01mm，得预加工毛坯；
(5)将上述预加工毛坯进行电火花线切割切片，形成0.3mm厚的砂轮毛坯，厚度公差为±0.02mm，优选的，将上述预加工毛坯固定于旋转夹具上，由该旋转夹具带动该预加工毛坯以60r/min的速度旋转，进行电火花线切割切片，或直接将上述预加工毛坯固定于电火花线切割机床上，进行电火花线切割切片，形成0.3mm厚的砂轮毛坯，厚度公差为±0.02mm；该电火花线切割切片的工艺参数为：脉冲宽度Ti＝16μs，脉冲间隔To＝96μs，峰值电流I＝15A，开路电压U＝100V，采用正极性加工；
(6)将上述砂轮毛坯放入石墨模具中，进行真空热压烧结较平，得较平坯，该真空热压烧结的温度为400～450℃，压力为15～20KN，升温速度为20～80℃/min，保温时间为15～20min，冷却速度为20～70℃/min；
(7)将上述较平坯进行平面研磨减薄至0.2mm，厚度公差为±0.003mm，制得所述金刚石超薄切割砂轮，上述平面研磨减薄的工艺参数为：单面研磨时间5～15min，研磨盘转速50～150r/min，研磨压力0.5×104～2×104Pa，金刚石磨料粒度10～50μm，研磨液浓度2wt％；传统烧结制备方法由于研磨余量较大，研磨一片金刚石超薄切割砂轮的时间为4～6h，而本发明的制备方法由于研磨余量减小，研磨一片金刚石超薄切割砂轮的时间为2～2.5h，平均每片金刚石超薄切割砂轮制备时间缩短40％～60％，制备效率明显优于传统制备方法。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)按比例将所需的金属粉末加入三维混料机中混合2～4小时，再加入经过酸洗的金刚石粉末，继续混合2～4小时，得混合料；
(2)将上述混合料填满冷压模具内，填置均匀、刮平，于10～25MPa的压力下进行冷压，得冷压毛坯；
(3)将上述冷压毛坯放入石墨模具中，进行真空烧结，得烧结毛坯，上述真空热压烧结的温度为550～950℃，压力为15～60KN，升温速度为20～90℃/min，保温时间为5～15min，冷却速度为20～90℃/min；
(4)将上述烧结毛坯去毛刺后，通过电火花成型工艺进行内孔修圆，通过外圆磨进行外圆修圆，再于平面磨床上进行两端面的磨削，得预加工毛坯；
(5)将上述预加工毛坯进行电火花线切割切片，形成0.2～0.3mm厚的砂轮毛坯，该电火花线切割切片的工艺参数为：脉冲宽度Ti＝4～40μs，脉冲间隔To＝20～220μs，峰值电流I＝5～35A，开路电压U＝65～110V，采用正极性加工；
(6)将上述砂轮毛坯放入石墨模具中，进行真空热压烧结较平，得较平坯，该真空热压烧结的温度为400～500℃，压力为15～30KN，升温速度为20～90℃/min，保温时间为15～25min，冷却速度为20～90℃/min；
(7)将上述较平坯进行平面研磨减薄至0.15～0.2mm，制得所述金刚石超薄切割砂轮，上述平面研磨减薄的工艺参数为：单面研磨时间5～20min，研磨盘转速50～200r/min，研磨压力0.5×104～2.5×104Pa，金刚石磨料粒度8～60μm，研磨液浓度0.5～10wt％。
2.如权利要求1所述的一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的金刚石粉末的粒度为140～3000目。
3.如权利要求1所述的一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的冷压压力为10～20MPa。
4.如权利要求1所述的一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的真空热压烧结的温度为600～900℃，压力为15～50KN，升温速度为20～70℃/min，保温时间为5～10min，冷却速度为20～70℃/min。
5.如权利要求1所述的一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)为：将上述预加工毛坯固定于旋转夹具上，由该旋转夹具带动该预加工毛坯以30～100r/min的速度旋转，进行电火花线切割切片，或直接将上述预加工毛坯固定于电火花线切割机床上，进行电火花线切割切片，形成0.2～0.3mm厚的砂轮毛坯。
6.如权利要求1或5所述的一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)的电火花线切割切片的工艺参数为：脉冲宽度Ti＝8～32μs，脉冲间隔To＝40～200μs，峰值电流I＝15～30A，开路电压U＝70～100V，采用正极性加工。
7.如权利要求1所述的一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)的真空热压烧结的温度为400～450℃，压力为15～20KN，升温速度为20～80℃/min，保温时间为15～20min，冷却速度为20～70℃/min。
8.如权利要求1所述的一种金刚石超薄切割砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)的平面研磨减薄的工艺参数为：单面研磨时间5～15min，研磨盘转速50～150r/min，研磨压力0.5×104～2×104Pa，金刚石磨料粒度10～50μm，研磨液浓度2～3wt％。
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