CN105538173B - 一种无结合剂的超硬金刚石砂轮及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无结合剂的超硬金刚石砂轮及其制造方法。所述无结合剂的超硬金刚石砂轮包括金属基体和固定在金属基体上的磨料层；所述磨料层为无结合剂的多晶CVD金刚石片，该磨料层的工作面上加工有磨粒和容屑槽。由此，通过人为的加工出磨粒与容屑槽，制作成不含结合剂的超硬砂轮，提高了砂轮的强度。本发明砂轮的磨粒与容屑槽分布均匀、高度一致，磨削加工时，能够有效的减小磨削力，降低了磨削温度。

Description

一种无结合剂的超硬金刚石砂轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种无结合剂的超硬金刚石砂轮及其制造方法，属于机械制造领域的新型加工工具的设计与制造，主要是针对高硬度、高强度、难加工及新型复合材料而设计的。

背景技术

磨削是应用广泛的制造工艺技术之一，其特点在很大程度上取决于所用的工具——砂轮。通常，砂轮的磨料层由磨粒、结合剂及气孔组成，磨粒的硬度影响砂轮的硬度，但结合剂对磨粒的把持强度才是砂轮硬度的主要影响因素。

为了满足新型材料对其加工刀具强度的更高要求，金刚石和立方氮化硼超硬磨料得到了广泛的应用，与此同时，从树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂到钎焊砂轮，结合剂对磨粒的把持强度也在不断的加强，但其结构仍保持着由磨料、结合剂、气孔三部分组成，砂轮的整体强度依旧受到磨料与结合剂之间浸润性的限制。

发明内容

为了进一步提高砂轮的强度，本发明旨在提供一种无结合剂的超硬金刚石砂轮，该砂轮采用激光微加工的方式，在大尺寸的多晶CVD金刚石圆环片表面人为的加工出磨粒与容屑槽，制作成不含结合剂的超硬砂轮，同时提供了一套无结合剂的超硬砂轮从设计到制造的工艺流程，提高了砂轮的强度，为实现高硬度、高强度、难加工及新型复合材料的加工发展奠定了坚实的基础。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种无结合剂的超硬金刚石砂轮，其结构特点是，包括金属基体和固定在金属基体上的磨料层；所述磨料层为无结合剂的多晶CVD金刚石片，该磨料层的工作面上分布有磨粒和位于相邻两个磨粒之间的容屑槽。

由此，通过人为的加工出磨粒与容屑槽，制作成不含结合剂的超硬砂轮，提高了砂轮的强度。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述磨粒为凸起的锥形结构，凸起高度为5-20μm，凸起的底面宽度为20-60μm；所述容屑槽的槽深为5-20μm，相邻两个磨粒之间的距离为40μm-80μm。本发明的凸起类似于传统砂轮表面的磨粒，磨粒尺寸有多种，具体根据工件的加工精度要求而定，同样凸起高度也是根据工件精度要求和激光微加工的能力综合而定，容屑槽的具体尺寸可根据工件的加工精度的实际要求而定。

作为一种结构形式，所述金属基体与磨料层之间通过陶瓷衬底层相连；所述多晶CVD金刚石片生长在陶瓷衬底层的顶端面上。

优选地，所述磨粒和容屑槽采用激光加工技术加工而成。

作为一种具体的结构形式，所述金属基体呈杯状，所述多晶CVD金刚石片呈环状并固定在金属基体的顶端。

优选地，所述多晶CVD金刚石片胶接固定在金属基体（1）顶端，且在多晶CVD金刚石片与金属基体（1）之间设有焊接的硬质合金层。

优选地，所述金属基体包括铝基体；所述磨料层焊接在一硬质合金的顶端面上，硬质合金胶接在铝基体上；或所述磨料层直接生长在陶瓷衬底层的顶端面上，且陶瓷衬底层胶接在所述铝基体上。

优选地，所述磨料层的厚度为1.5mm—3mm。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种如上所述无结合剂的超硬金刚石砂轮的制造方法，其包括如下步骤：

S1、采用激光切割技术将人工生长出的多晶CVD金刚石片切割成所需的形状，或将生长在陶瓷衬底层的顶端面上的多晶CVD金刚石片切割成所需的形状，并对多晶CVD金刚石片的表面进行平坦化加工；

S2、将多晶CVD金刚石片固定在金属基体的顶端；

S3、采用激光微结构加工技术，在多晶CVD金刚石片的工作面上加工出磨粒与容屑槽。

根据本发明的实施例，步骤S2中，所述金属基体为杯状的铝基体和环状的硬质合金；所述铝基体或陶瓷衬底层胶接在所述铝基体上；所述多晶CVD金刚石片直接生长在陶瓷衬底层的顶端面上或切割成圆环状后焊接在硬质合金顶端面上。

本发明实质上包括了二部分的内容：第一部分是对无结合剂超硬砂轮的设计。由于CVD金刚石能够生长成直径为200mm，厚度为3mm的大尺寸金刚石片，因此可将超硬砂轮设计成杯型砂轮的形状，砂轮由金属基体和磨料层组成，其中，磨料层为多晶CVD金刚石圆环片，磨料层不含任何结合剂，磨粒和容屑槽是经人工设计并采用激光微加工而成。第二部分是无结合剂超硬砂轮的制造工艺流程。此部分有两种方案，方案一：首先，采用激光切割技术，将其切割成圆形（由目前多晶CVD金刚石片的生长技术限制，圆片的最大直径径可达150mm），其次，人工生长出的CVD多晶金刚石片，表面晶粒明显，极端粗糙，需对其进行平坦化加工，以保证其表面的粗糙度及平面度； 然后，再用激光切割成圆环形（内径的尺寸为外径尺寸减去磨料层宽度）；再然后，需将其真空焊接到硬质合金环上（由于金刚石与多数金属的浸润性较差），再通过胶接的方式固定在金属基体上；最后，采用激光微结构加工技术，在磨具表面人工的加工出磨粒与容屑槽。方案二：将CVD金刚石直接生长在陶瓷衬底上（CVD金刚石厚度1-3mm），然后通过激光切割成圆形，然后抛光，平坦化处理，再然后切成圆环形，在然后胶接在金属基体上，最后，采用激光微结构加工技术，在磨具表面人工的加工出磨粒与容屑槽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于对经激光微加工后磨具表面结构与传统砂轮结构的对比，得出该新型砂轮具有与传统砂轮相似的结构（起切削作用的磨粒与容屑槽），并且，由于该砂轮不含结合剂，其整体强度将大大提高，约为钎焊砂轮的3-4倍。此外，由于其表面磨粒为人工设计，分布均匀、高度一致，磨削加工时，能够有效的减小磨削力，降低了磨削温度。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明所述砂轮的结构示意图，其中a为纵剖面示意图，b为俯视图；

图2是本发明所述砂轮表面微结构示意图，其中a）为渐开线形磨粒和容屑槽，b）为方格形磨粒和容屑槽，c）为菱形磨粒和容屑槽，d）为三角形磨粒和容屑槽；

图3是本发明所述砂轮制造工艺流程图，a）为方案一的流程图，b）为方案二的流程图；

图4是本发明所述砂轮表面微结构地貌图；其中a）为50μm单位下的地貌图；b）为100μm单位下的地貌图；c）30μm单位下的地貌图；其中a）为超景深显微镜下所拍，其对照尺寸比较短，而b）、c）为扫描电镜下所拍的图片，其对照尺寸比较长，但都不影响物件的实际尺寸；

图5是树脂金刚石砂轮表面的地貌图；其中a）为500μm单位下的地貌图；b）为400μm单位下的地貌图；c）30μm单位下的地貌图。

在图中

1-金属基体； 2-磨料层； 3-金刚石膜层； 4-CVD金刚石层； 5-陶瓷衬底层； 11-铝基体； 12-硬质合金。

具体实施方式

一种无结合剂的超硬金刚石砂轮，如图1所示，本发明的砂轮结构与杯型砂轮结构基本相似，由基体和磨料层两部分组成。但是由于金刚石与金属基体的浸润性差，因此，需先是多晶CVD金刚石片真空钎焊到硬质合金换上，然后再胶接到铝基体上。图1中所示的磨料层的内外径分别为30mm、38mm，厚度为2mm。图2是砂轮表面微结构的示意图，图中给出了4种结构形式的磨料层工作面示意图，分别为渐开线形、方格形、菱形和三角形。

以下对比无结合剂超硬金刚石砂轮与传统砂轮的表面结构，解释说明该结构能够进行磨削加工。

本发明以表面微结构为方格形为例，结合图2所示，首先，经激光切割，将多晶CVD金刚石片切割成直径为38mm的圆片；其次，采用机械抛光的方式对其进行平整化，平整化后，多晶CVD金刚石片表面平面度可以达到0.01mm；然后，采用激光切割技术，将平坦化后的圆片切割成内圆直径为30mm，外圆直径为38mm的圆环片，再然后，将金刚石圆环片真空钎焊到硬质合金上，并与铝基体胶接；最后，采用激光微加工技术，在其表面加工出方格形的微型槽。无结合剂超硬金刚石砂轮表面的微结构如图4所示，凸处为方锥形，底部尺寸约为50×50μm，凸处的高度约为10μm，凸处与凸处之间为锥形的作为容屑槽的凹槽，相邻两个凸起之间的间距（容屑槽宽）约为60μm。磨削时，凸处的边缘起切削加工的作用，顶面有一定的抛光作用，凹槽能够容纳一定的切屑。对比D35的树脂金刚石砂轮地貌（如图5所示），砂轮表面磨粒随机分布，磨粒的凸出高度可通过砂轮修整控制，一般约为磨粒尺寸的三分之一。磨粒的间距是无法确定的，有些地方磨粒聚晶的较密集，有些地方磨粒聚集的叫稀松，磨粒的凸出高度不一致。

通过对以上结论，说明无结合剂超硬金刚石砂轮其表面磨粒分布均匀，磨粒凸出高度一致，能够有效的减小磨削加工时的磨削力，减少磨削热的产生，并且由于无结合剂，砂轮强度有金刚石材料决定，因此，较传统砂轮的硬度要高。

值得说明的是，针对砂轮的制作流程，CVD金刚石片先切割成圆形，再抛光然后再切割成圆环片，是因为生长出的CVD金刚石片内应力很大，如果两次切割成圆环形，然后再进行抛光很容易出现开裂的现象，由此有两种改进方案：第一种方案因为圆环的尺寸较大，在与硬质合金焊接的过程中，容易因内应力释放而破碎，制作成本高，但该种方法因其强度高，应用较广泛；另一种方案将CVD金刚石直接生长在陶瓷衬底上，省掉了焊接的工步，成本相应降低，但是其强度较方案一差些。

在刀具制作流程中，CVD金刚石与杯型状的基体为胶接，是因为方案一中CVD金刚石膜已与硬质合金层进行了一次焊接，如再与基体焊接会出现其内应力二次释放，易破碎，因而选择胶接，为了保证胶接的强度，硬质合金底部、基体顶端开有相互配合的花键槽。而方案二中，陶瓷衬底与金属基体焊接非常困难，因而同样采用胶接的方式。此外，CVD金刚石表面的开槽结构，表面槽宽、微结构尺寸可根据工件加工要求和激光微加工的能力综合决定，不局限于图例中给定的尺寸。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，包括金属基体（1）和固定在金属基体（1）上的磨料层（2）；所述磨料层为无结合剂的多晶CVD金刚石片，该磨料层的工作面上分布有磨粒和位于相邻两个磨粒之间的容屑槽。

2.根据权利要求1所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，所述磨粒为凸起的锥形结构，凸起高度为5-20μm，凸起的底面宽度为20-60μm；所述容屑槽的槽深为5-20μm，相邻两个磨粒之间的距离为40μm-80μm。

3.根据权利要求1所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，所述金属基体（1）与磨料层（2）之间通过陶瓷衬底层（5）相连；所述多晶CVD金刚石片生长在陶瓷衬底层（5）的顶端面上。

4.根据权利要求1所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，所述磨粒和容屑槽采用激光加工技术加工而成。

5.根据权利要求1-4之一所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，所述金属基体（1）呈杯状，所述多晶CVD金刚石片呈环状并固定在金属基体（1）的顶端。

6.根据权利要求5所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，所述多晶CVD金刚石片胶接固定在金属基体（1）顶端，且在多晶CVD金刚石片与金属基体（1）之间设有焊接的硬质合金层。

7.根据权利要求1-4之一所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，所述金属基体（1）包括铝基体（11）；所述磨料层（2）焊接在一硬质合金（12）的顶端面上，硬质合金（12）胶接在铝基体（11）上；或所述磨料层（2）直接生长在陶瓷衬底层（5）的顶端面上，且陶瓷衬底层（5）胶接在所述铝基体（11）上。

8.根据权利要求1-4之一所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮，其特征在于，所述磨料层（2）的厚度为1.5mm—3mm。

9.一种如权利要求1-8之一所述无结合剂的超硬金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用激光切割技术将人工生长出的多晶CVD金刚石片切割成所需的形状，或将生长在陶瓷衬底层（5）的顶端面上的多晶CVD金刚石片切割成所需的形状，并对多晶CVD金刚石片的表面进行平坦化加工；

S2、将多晶CVD金刚石片固定在金属基体（1）的顶端；

S3、采用激光微结构加工技术，在多晶CVD金刚石片的工作面上加工出磨粒与容屑槽。

10.根据权利要求9所述的无结合剂的超硬金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述金属基体（1）为杯状的铝基体（11）和环状的硬质合金（12）；所述铝基体（11）或陶瓷衬底层（5）胶接在所述铝基体（11）上；所述多晶CVD金刚石片直接生长在陶瓷衬底层（5）的顶端面上或切割成圆环状后焊接在硬质合金（12）顶端面上。