CN109648485B - 一种表面有序微型结构化的cvd金刚石砂轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮，其特征是在砂轮轮毂外圆周面沉积有一层金刚石膜，并在金刚石膜的整个外圆周面上加工有大量轴向宽度为0.2~0.5 mm，周向长度为0.3~0.6 mm，周向间距为0.6~1.2 mm，径向高度为0.4~1.0 mm的微型磨削单元，相邻两微型磨削单元之间是尺寸为亚毫米级的微槽；同时，磨削单元和微槽均呈交错有序排布；每个磨削单元顶面均为腰形，并且所有磨削单元与金刚石膜保持为一个整体。本发明所述砂轮能够显著提高磨削过程中砂轮的有效磨刃数，提高成屑效率和表面材料的去除率，增强切削性能，提高加工表面质量和切削效率；同时有效地增强了砂轮的排屑能力，使砂轮更不容易发生堵塞，降低了加工表面热损伤，进一步提高了加工表面质量。

Description

一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮

技术领域

本发明涉及一种金刚石砂轮，特别是一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮。

背景技术

磨削加工是机械加工的重要组成部分，具有加工精度高、表面质量好的特点，而金刚石砂轮作为一种以金刚石为磨料的固结磨具，在磨削加工中有着广泛应用。传统金刚石砂轮是通过结合剂将磨料随机固结在砂轮工作表面上，磨粒呈无规则排列，每颗金刚石磨粒的几何形状、尺寸大小均不一致，且砂轮与工件接触面积大，同时磨料出刃高度低、容屑空间小，排屑性能差，砂轮容易堵塞，加剧了热量的产生和聚集，从而产生局部高温的现象并使工件表面出现热损伤，降低加工表面质量，也会降低砂轮使用寿命。

为了提高加工表面精度，改善加工表面的完整性，公开号为CN105728961A的专利“一种基于脉冲激光加工的新型正前角金刚石磨具制造方法”，提出了一种激光加工金刚石磨粒正前角的方法。该发明通过在砂轮工作表面上有序排布形状为截角八面体的大颗粒单层金刚石磨粒，并保证磨粒顶面和磨粒所在位置的砂轮切面保持平行，再使用激光对其进行烧蚀处理，使得金刚石磨粒顶角小于90°，这样有序排布的金刚石磨粒增大了磨削过程中的动态有效磨削面积，提高了加工效率，也增大了容屑空间，可以减少加工表面微裂纹的产生，减轻加工表面的损伤，提高加工表面的完整性。但是，单个的大颗金刚石磨粒一旦受力过大或受力集中就难免会发生整颗脱落，从而影响加工效率，甚至降低加工表面质量以及砂轮的使用寿命，同时在制备过程中要保证每颗磨粒顶面与其所在位置的砂轮切面平行这一加工难度过大的问题也不容忽视。

公开号为CN105154958A的专利“一种磨料有序排列的电镀金刚石砂轮的制备方法”，先在砂轮的工作表面上开设大量有序排列的盲孔，预镀一层很薄的金属镀层，再通过滚压轮的滚压作用将随机撒落在砂轮工作表面的磨粒压入有序盲孔中，然后进行电镀加厚从而得到磨粒有序排列的电镀金刚石砂轮。通过此方法制备的砂轮能够增强砂轮对磨粒的把持力，提高砂轮的使用寿命和磨削效率，但是由于磨粒是被随机压入盲孔之中，则每颗磨粒的顶面形状是随机的，从而影响到加工表面的精度；同时磨粒被压入盲孔深度也不一致，从而磨刃的出刃高度存在较大差异，这使得磨削时砂轮的有效磨刃数会大大降低，降低加工效率。

发明内容

为解决上述砂轮和现有技术存在的问题，本发明提出一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮。采用该方法制备的金刚石砂轮，其特征是在砂轮轮毂的外圆周面上沉积有一层金刚石膜，在金刚石膜外圆周面加工有大量有序排布的微槽，相邻两微槽之间即为磨削单元，同时微槽和磨削单元均呈交错有序排布；所有磨削单元的顶面形状均呈腰形；微槽和磨削单元由金刚石膜连成为一个整体。本发明的表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮可以增大每个磨削单元在磨削过程中所能承受磨削力的大小，防止磨削单元因受力过大或受力集中而发生单个脱落，提高砂轮的使用寿命；又因为每个磨削单元的高度具有较好的一致性且顶面都呈腰形，可以增大磨削时砂轮的有效磨削刃数，提高磨削比，提高成屑效率和材料去除率，大大地提高了加工表面精度和磨削效率；同时磨削单元在砂轮工作表面的有序排布，使得在磨削过程中形成了有序的排屑路径，避免了砂轮堵塞和工件表面热损伤的问题，提高了磨削质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：采用机械加工方法制造出砂轮轮毂。通过化学气相沉积法即CVD技术在轮毂的外圆周面上沉积一层厚度为0.5~2.5 mm的金刚石膜，再用离子束研抛技术对金刚石膜外圆周面进行研抛处理，并使得金刚石膜的表面粗糙度达到0.1~0.15 μm；采用脉冲激光束对金刚石膜外圆周面进行烧蚀处理并形成单个微槽，微槽沿着砂轮厚度方向的宽度为0.2~ 0.5 mm；将砂轮分度，并使得金刚石膜外圆周转过一个磨削单元周向的长度，开展下一个微槽的加工，两个微槽之间即形成了磨削单元；重复以上步骤，直至金刚石膜整个外圆周面加工有第一圈微槽，同时形成了有序排布的第一圈磨削单元，并保证所得到的磨削单元的顶面形状为腰形。将砂轮轮毂沿轴向移动一个磨削单元轴向宽度的距离；重复第一圈微槽的加工过程，加工出第二圈微槽并形成第二圈磨削单元，并使得第一圈磨削单元与第二圈磨削单元呈交错排布；如此反复，直至整个金刚石膜外圆周面加工有大量微槽并形成交错且有序排布的磨削单元。将制得的砂轮进行酸洗处理，再置入去离子水中通过超声波清洗，形成一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮。

所述的轮毂材质为钛合金，直径为Φ80~200 mm，厚度为6~20 mm。

所述的每个磨削单元轴向宽度为0.2~0.5 mm，周向长度为0.3~0.6 mm，周向间距为0.6~1.2 mm，径向高度为0.4~1 mm。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果。

①有效地改善了磨削加工表面质量。砂轮的外圆周工作面上具有大量且有序排布的微型磨削单元，并且所有磨削单元的高度保持一致即具有良好的等高性，因此在磨削过程中，既能提高磨削时砂轮的有效磨刃数，又能增强磨削性能，提高了工件表面完整性，有效地改善了磨削加工表面质量。

②极大地提高了磨削效率。所有磨削单元的顶面都呈腰形，在磨削工件表面的过程中，

可以大大提高磨屑的成屑效率和加工表面材料的去除率，增大磨削比，从而极大地提高了磨削效率；同时也能减少加工表面的划痕以及微裂纹的产生，提高磨削精度。

③显著增大了冷却、排屑能力。磨削单元在砂轮工作表面呈交错有序排布，使得在磨削过程中形成了有序的排屑路径，大大提高了排屑能力，使砂轮更不容易发生堵塞，从而冷却液能够更有效地进入磨削区，改善冷却效果，减少热量聚集以及局部高温的产生，降低了表面热损伤，显著提高了磨削加工表面质量。

④显著地提高了砂轮的使用寿命。本申请发明所制备的砂轮外圆周金刚石膜是一个整体，每个磨削单元都是金刚石膜的一部分，因此能够增大每个磨削单元在磨削过程中所能承受的磨削力，大大提高了砂轮轮毂对磨削单元的把持力，防止了磨削单元因受力过大或受力集中而发生单个脱落，显著提高了砂轮的使用寿命。

⑤增强了磨削过程中砂轮的散热性能。磨削单元出刃度高，在磨削过程中能够有效降低工件与砂轮的接触面积，增大散热面积，从而增强了磨削过程中砂轮的散热性能。

⑥结构简单，加工成本低。磨削单元的尺寸和形状均具有良好的一致性，因此在制备过程中，能够大大降低制造工艺难度，显著降低了砂轮制造成本。

附图说明

图1是砂轮轮毂外圆周面沉积金刚石膜后的立体图。

图2是采用激光加工微槽的示意图。

图3是砂轮外圆周面加工有微槽的示意图及其局部放大图。

图4是砂轮磨削工件时的立体图。

图5是单个磨削单元切削工件表面时的示意图。

以上图1至图5中的标示为：1、轮毂，2、金刚石膜，3、磨削单元，4、微槽，5、脉冲激光束，6、脉冲激光头，7、第一圈微槽，8、第一圈磨削单元，9、第二圈微槽，10、第二圈磨削单元，11、工件，12、腰形，13、工件表面。

具体实施方式

下面结合附图对发明具体实施方式做进一步说明。

参见图1至图5，一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮，其特征在于：砂轮是由轮毂1、金刚石膜2、大量的微型磨削单元3和微槽4组成；在轮毂1外圆周面沉积有一层金刚石膜2；在金刚石膜外圆周面加工有大量微槽4，相邻两微槽4之间即为磨削单元3，同时微槽4和磨削单元3均呈交错有序排布；所有磨削单元3的顶面形状均为腰形12。当砂轮磨削工件11时，磨削单元3承担切削工件表面13的工作，微槽4主要起容屑、储液的作用；磨削单元3的有序排布使得磨削过程中形成了有序的排屑路径，提高了排屑能力，避免了砂轮堵塞和工件表面热损伤的问题，提高了加工表面质量。

一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮的制备方法，包括下列步骤。

步骤一：采用机械加工的方法制造出材质为钛合金、直径为Φ150 mm、厚度为12mm的轮毂1，然后通过微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）在钛合金轮毂1的外圆周面上沉积一层厚度为1.5 mm的金刚石膜2，再采用离子束研抛技术对金刚石膜2外圆周面进行研抛处理，并使得金刚石膜2的表面粗糙度达到0.15 μm。这样制备的金刚石膜2是一个整体，能够更好地与砂轮轮毂相结合，承受更大的磨削力，更不容易发生剥落，提高砂轮使用寿命。

步骤二：采用脉冲激光束5对金刚石膜2外圆周面进行烧蚀处理，脉冲激光头6发出脉冲激光束5垂直于金刚石膜2的外圆周面，通过改变激光的运动轨迹和运动速率，加工得到所需要的单个微槽4，加工完后，将砂轮分度，并使得金刚石膜2外圆周转过一个磨削单元3周向的长度，开展下一个微槽4的加工，两个微槽4之间即形成了磨削单元3，并使得加工所得到的磨削单元3的轴向宽度为0.3 mm，周向长度为0.4 mm，周向间距为0.8 mm，径向高度为0.8 mm，而且保证所得到的磨削单元3顶面形状为腰形12；这样的磨削单元3在切削工件表面13时可以提高成屑效率和工件表面材料的去除率，增大磨削比和磨削效率，同时也能减少加工表面的划痕以及微裂纹的产生；所采用的脉冲激光束为ND:YAG脉冲激光，激光波长为1064 nm，功率密度为7×10⁶ W/cm²，脉冲频率为50 kHz，焦斑直径为40 μm；重复上述过程，直至金刚石膜2整个外圆周面加工有第一圈微槽7，同时形成了有序排布的第一圈磨削单元8，并保证所有磨削单元3的尺寸均一致且顶面形状为腰形12；如此加工所得到的磨削单元3具有较好的等高性，因此在磨削时能够提高砂轮的有效磨削刃数，增强切削性能，提高加工表面的完整性，改善加工表面质量。

步骤三：将砂轮轮毂1沿轴向移动0.3 mm即一个磨削单元3轴向宽度的距离，重复步骤二，在金刚石膜2外圆周面上加工出第二圈微槽9并形成第二圈磨削单元10，并且保证第一圈磨削单元8与第二圈磨削单元10呈交错排布；如此反复，直至整个金刚石膜2外圆周面加工有大量微槽4并形成交错且有序排布的磨削单元3。磨削单元3在砂轮工作表面呈交错有序排布，使得在磨削过程中形成了有序的排屑路径，大大提高了排屑能力，使砂轮更不容易发生堵塞，从而冷却液能够更有效地进入磨削区，改善冷却效果，减少热量聚集以及局部高温的产生，降低了表面热损伤，显著的提高了加工表面质量。同时磨削单元3的形状尺寸都一致，大大降低了加工难度，降低了制造成本。

步骤四：将制得的砂轮进行酸洗处理，置入去离子水中通过超声波清洗15分钟，形成一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮。

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于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮，其特征在于：砂轮是由轮毂（1）、金刚石膜（2）、大量的微型磨削单元（3）和微槽（4）组成；轮毂（1）外圆周面沉积有厚度为0.5~2.5mm的金刚石膜（2）；金刚石膜（2）外圆周面加工有大量微槽（4），相邻两微槽（4）之间即为磨削单元（3），同时在砂轮厚度方向和圆周方向上微槽（4）和磨削单元（3）均呈交错有序排布；所有磨削单元（3）的顶面形状均为在切削方向上内凹的腰形（12）；当砂轮磨削工件（11）时，磨削单元（3）承担切削工件表面（13）的工作，微槽（4）主要起容屑、储液的作用，磨削单元（3）顶面在切削方向上内凹的腰形结构能够增大成屑效率和材料去除率。

2.根据权利要求1所述的一种表面有序微型结构化的CVD金刚石砂轮，所述的轮毂（1）材质为钛合金，直径为Φ80~200 mm，厚度为6~20 mm；所述的磨削单元（3）轴向宽度为0.2~0.5 mm，周向长度为0.3~0.6 mm，周向间距为0.6~1.2 mm，径向高度为0.4~1.0 mm。

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