一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法技术

一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法，涉及超精密加工技术领域。本发明专利技术可以解决现有金刚石砂轮磨粒限制磨削质量、降低磨削效率和金刚石砂轮容屑空间小等的问题。本发明专利技术利用化学气相沉积法制造金刚石磨料层，并金刚石磨料层表面制造微结构。本发明专利技术所述的一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法，能够主要应用于硬脆材料光学表面的超精密机械加工领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法
本专利技术属于超精密加工
，尤其涉及用于光学表面超精密磨削的金刚石砂轮。
技术介绍
超精密加工技术越来越受到重视，精密陶瓷、玻璃、光学晶体等硬脆材料被广泛应用于航空航天领域、机械电子等领域。为了在这些硬脆材料上获得纳米级的表面粗糙度、亚微米级的面形精度以及微米级的亚表面损伤，目前都采用磨粒粒度在10微米以下的树脂基或金属基烧结金刚石砂轮，用以实现其光学表面的超精密磨削加工。树脂基或金属基烧结金刚石砂轮是以树脂或青铜等金属作为结合剂，将金刚石磨料与结合剂充分混合，之后用烧结法将混合了磨料的结合剂成形固定于砂轮基体上，从而制备成砂轮。但是在砂轮烧结过程中，会不可避免地存在着收缩及变形，正是因为这种制造工艺决定了金刚石砂轮表面形貌随机，所以在金刚石砂轮投入使用之前，必须对砂轮进行精密整形。而由于金刚石砂轮各磨粒几何形状、分布位置及切削刃所处高度不一致，因此在磨削时只有少数较高切削刃能够切到工件，进而限制了磨削质量和磨削效率。此外，由于金刚石砂轮的磨粒尺寸较小，在磨削过程中，其容屑空间小，导致排屑困难，进而容易造成砂轮堵塞、影响工件表面质量的问题。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有金刚石砂轮磨粒的形状、分布位置及切削刃所处高度不一致，进而限制磨削质量、降低磨削效率的问题，和现有金刚石砂轮容屑空间小，容易造成砂轮堵塞、并影响工件表面质量的问题，现提供一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法，以解决现有硬脆材料光学表面的超精密磨削加工过程中的工具问题。一种带有微结构的金刚石砂轮，包括砂轮基体，砂轮基体的外圆周面上沉积有20μm～50μm厚的多晶金刚石涂层，多晶金刚石涂层外表面开设有多条排屑槽，排屑槽深度小于多晶金刚石涂层的厚度。上述多晶金刚石涂层的金刚石晶粒呈正多面体结构，该正多面体结构的边长为5μm～10μm。上述正多面体结构为正八面体或正六面体。上述排屑槽为相互平行设置的直线形槽、或锯齿波浪槽。上述排屑槽宽度为10μm～50μm，相邻两条排屑槽的距离为排屑槽宽度的3～8倍。上述带有微结构的金刚石砂轮的制备方法，利用化学气相沉积法在砂轮基体外圆周面生成20μm～50μm厚的多晶金刚石涂层；根据下式确定排屑槽的宽度L：其中，E、H和Kc分别为待加工硬脆材料的弹性模量、硬度和断裂强度，vs、vw和a分别为磨削加工时金刚石砂轮的转速、进给速度和磨削深度，ds为金刚石砂轮的直径；利用皮秒脉冲激光在多晶金刚石涂层表面加工多条宽度为L的排屑槽。上述化学气相沉积法为热丝化学气相沉积法，具体为：在砂轮基体的外圆周均匀布置6～8根钨丝、且所有钨丝均与砂轮基体的中轴相平行，钨丝与砂轮基体之间留有空隙；将砂轮基体和所有钨丝置于800℃的真空环境下，向该环境内充入碳源，实现多晶金刚石涂层的制备。上述碳源为甲烷和氢气。上述加工排屑槽的具体方法为：将砂轮基体安装在四轴精密位移平台上，利用激光位移传感器检测并调整砂轮基体的偏心位置，使得多晶金刚石涂层的圆跳动小于6μm；利用四轴精密位移平台将砂轮基体调整至皮秒脉冲激光聚焦透镜的正下方、并进行对焦；在扫描速度为0.15mm/s～0.5mm/s、聚焦光板偏移间距为7μm、扫描重复次数为5～7次的参数条件下，利用皮秒脉冲激光在多晶金刚石涂层的表面加工排屑槽，加工过程中，在加工区喷洒0.2兆帕的压缩惰性气体和去离子水构成的混合水雾。上述皮秒脉冲激光的功率为0.5W～1W，脉宽为500ps～800ps，重复频率为5kHz～10kHz。基于皮秒脉冲激光在多晶金刚石涂层表面进行微结构化处理，利用涂层表面的CVD金刚石晶粒尖峰和叠加的微结构来实现硬脆材料的超精密磨削加工。本专利技术的具体优点为：1)本专利技术所述的一种带有微结构的金刚石砂轮与传统金刚石砂轮相比，本专利技术不含结合剂，直接在SiC基体上生长厚度为40微米的多晶金刚石涂层，多晶金刚石涂层表面具有极高的磨粒密度和可控的磨粒尺寸(磨粒尺寸8微米)，磨粒分布均匀，各向异性随机，具有优越的磨削性能，且砂轮整体的制造精度较高；同时，多晶金刚石涂层镀层均匀，保证砂轮的面型精度，不需要进行预修整，可适用于任何硬脆材料的超精密磨削加工。通过实验表明，利用本专利技术所述的一种带有微结构的金刚石砂轮加工后的硬脆材料表面粗糙度可优于10nm，面形精度可优于3μm。2)本专利技术所述的一种带有微结构的金刚石砂轮的制备方法，通过皮秒脉冲激光加工，可以在多晶金刚石涂层本身制造高精度、均匀规律的微结构(排屑槽)阵列，能够方便的导入磨削液，排除磨屑，大大减小磨削过程的磨削力；同时，由于微结构阵列深度小于多晶金刚石涂层厚度，因此不会降低多晶金刚石涂层的强度，具有很好的耐磨性。通过实验表明，其使用寿命为传统砂轮的20-50倍。3)本专利技术所述的一种带有微结构的金刚石砂轮的晶粒细小、分布致密、切削刃方向随机、且表面具有精密三维几何结构阵列，通过金刚石砂轮的微结构阵列可以在不影响磨削加工精度的前提下，显著降低磨削力(降幅可达到70％)，且通过微结构阵列可以将磨削液有效导入磨削区，并排除磨屑，有效降低亚表层损伤，实验结果表明损伤层深度可减小50％。本专利技术所述的一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法，能够主要应用于硬脆材料光学表面的超精密机械加工领域中。附图说明图1为SiC(碳化硅)陶瓷砂轮基体的轴向剖视图；图2为金刚石砂轮外圆周面的示意图，其中(a)表示平行直线槽，(b)表示锯齿槽；图3为进行化学气相沉积时金刚石砂轮的主视图，其中1SiC(碳化硅)陶瓷砂轮基体，2多晶金刚石涂层，3钨丝；图4为加工金刚石砂轮表面沟槽时的状态示意图；图5为金刚石砂轮磨削机理模型示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式所述的一种带有微结构的金刚石砂轮，包括SiC陶瓷砂轮基体1，如图1所示，SiC陶瓷砂轮基体1为直径在50mm～80mm的碟片形结构，中心安装孔的直径为SiC陶瓷砂轮基体1直径的1/3～1/2，SiC陶瓷砂轮基体1边缘厚度为3mm～5mm，定位面高度为0.5mm～1mm，外圆周为平面或凸圆弧面(即SiC陶瓷砂轮基体1的轴向截面边缘为直线形或弧线形)，外圆周的圆度误差小于1μm，外圆轮廓的面形误差小于1μm，定位面平面度小于2μm，定位面与外圆面轴线的垂直度小于2μm。SiC陶瓷砂轮基体1的外圆周面上沉积有20μm～50μm厚的多晶金刚石涂层2，厚度偏差小于5μm。多晶金刚石涂层2的金刚石晶粒呈正八面体或正六面体结构，该正多面体结构的边长为5μm～10μm。如图2所示，多晶金刚石涂层2外表面开设有多条相互平行设置的直线形、或锯齿波浪形的排屑槽，即微结构，当排屑槽采用直线形时，排屑槽与SiC陶瓷砂轮基体1中轴夹角为30°～70°，排屑槽深度小于多晶金刚石涂层2的厚度，排屑槽宽度为10μm～50μm，相邻两条排屑槽的距离为排屑槽宽度的3～8倍。实际应用时，采用40μm厚的多晶金刚石涂层2，其上磨粒为边长为8μm的正多面体，采用直线形斜向、且相互平行设置的排屑槽，排屑槽与SiC陶瓷砂轮基体1中轴夹角为70°。上述一种带有微结构的金刚石砂轮直接在SiC基体上生长厚度为40微米的金刚石膜，磨料层不含结合剂，其表面具有极高的磨粒密度和可控的磨粒尺寸，磨粒分布均匀，各向异性随本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有微结构的金刚石砂轮，包括砂轮基体(1)，其特征在于，砂轮基体(1)的外圆周面上沉积有20μm～50μm厚的多晶金刚石涂层(2)，多晶金刚石涂层(2)外表面开设有多条排屑槽，排屑槽深度小于多晶金刚石涂层(2)的厚度。

【技术特征摘要】
1.一种带有微结构的金刚石砂轮，包括砂轮基体(1)，其特征在于，砂轮基体(1)的外圆周面上沉积有20μm～50μm厚的多晶金刚石涂层(2)，多晶金刚石涂层(2)外表面开设有多条排屑槽，排屑槽深度小于多晶金刚石涂层(2)的厚度。2.根据权利要求1所述的一种带有微结构的金刚石砂轮，其特征在于，多晶金刚石涂层(2)的金刚石晶粒呈正多面体结构，该正多面体结构的边长为5μm～10μm。3.根据权利要求2所述的一种带有微结构的金刚石砂轮，其特征在于，正多面体结构为正八面体或正六面体。4.根据权利要求1、2或3所述的一种带有微结构的金刚石砂轮，其特征在于，排屑槽为相互平行设置的直线形槽、或锯齿波浪槽。5.根据权利要求4所述的一种带有微结构的金刚石砂轮，其特征在于，排屑槽宽度为10μm～50μm，相邻两条排屑槽的距离为排屑槽宽度的3～8倍。6.权利要求1至5任一权利要求所述的一种带有微结构的金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，利用化学气相沉积法在砂轮基体(1)外圆周面生成20μm～50μm厚的多晶金刚石涂层(2)；根据下式确定排屑槽的宽度L：其中，E、H和Kc分别为待加工硬脆材料的弹性模量、硬度和断裂强度，vs、vw和a分别为磨削加工时金刚石砂轮的转速、进给速度和磨削深度，ds为金刚石砂轮的直径；利用皮秒脉冲激光在多晶金刚石涂层(2)表面加工多条宽度为L的排屑槽。7.根据权利要求6所述的一种带...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭兵，张俊，吴明涛，赵清亮，刘文超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23