CN109333385B - 一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，尤其涉及用于光学表面超精密磨削的金刚石砂轮。

背景技术

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。

发明内容

本发明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K_c分别为待加工硬脆材料的弹性模量、硬度和断裂强度，v_s、v_w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，d_s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。

本发明的具体优点为：

1)本发明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，本发明不含结合剂，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，利用本发明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)本发明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)本发明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％。

本发明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，各向异性随机，减少砂轮磨损，极大地提高砂轮磨削效率，具有优越的磨削性能。砂轮整体的制造精度较高，金刚石膜镀层均匀，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。实验结果表明加工后的硬脆材料(BK7光学玻璃、SiC陶瓷或单晶硅)表面粗糙度可优于10nm，面形精度可优于3μm。

具体实施方式二：本实施方式所述的一种带有微结构的金刚石砂轮的制备方法，具体步骤为：

步骤一：制备多晶金刚石涂层。

利用化学气相沉积法(化学气相沉积是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法)在砂轮基体1外圆周面生成20μm～50μm厚的多晶金刚石涂层2。

具体的，利用热丝化学气相沉积法制备多晶金刚石涂层2：

如图3所示，在砂轮基体1的外圆周均匀布置6～8根钨丝3、且所有钨丝3均与砂轮基体1的中轴相平行，钨丝3与砂轮基体1之间留有空隙；将砂轮基体1和所有钨丝3置于800℃的真空环境下，向该环境内充入碳源，即甲烷和氢气，实现多晶金刚石涂层2的制备。

步骤二：加工沟槽。

如图4所示，首先将砂轮基体1安装在四轴精密位移平台11上，利用激光位移传感器检测并调整砂轮基体1的偏心位置，使得多晶金刚石涂层2的圆跳动小于6μm；利用四轴精密位移平台11将砂轮基体1调整至皮秒脉冲激光聚焦透镜的正下方、并进行对焦。

在利用加工沟槽之前，首先对微结构的加工工艺进行研究，探索激光功率、激光扫描速度、激光偏移距离等因素对微结构深度、宽度、区域加工深度和表面材料去除效率的影响规律。通过大量的基础实验研究及采用正交法优化实验过程，最终获取一组可以快速有效去除砂轮表面材料，获得理想砂轮沟槽结构的实验参数，具体如下：

根据砂轮磨削机理，一个磨粒切下的磨削厚度小于材料的脆塑转变临界深度，所以在保证材料的塑性去除条件下，考虑到砂轮沟槽的深度d_c与加工工件表面最大切削厚度h_m(未变形切削厚度)应满足：

如图5所示，在砂轮平面磨削过程中，砂轮磨粒的切削刃走过工件材料表面时，考虑到相邻两次切削的移动距离O₁O₂，阴影部分为切削刃一次切削下来的工件材料。

由图5可知未变形切削厚度h_m满足公式：

通过对理想化磨削模型分析可知O₁A满足以下公式：

将(3)代入(2)可得以下表达式：

对于平面磨削和外圆磨削定义砂轮当量直径d_e满足：

对于平面磨削，当量直径与砂轮直径相等，考虑到砂轮便面金刚石镀层厚度较小，如果砂轮沟槽过深会导致金刚石镀层脱落，所以取未变形切削厚度不大于砂轮沟槽深度的1/2～1/3，舍去公式(5)中的小分量，通过分析砂轮磨削模型，用相邻两个磨削刃(沟槽宽度L)之间的距离与AA₁代入上述公式有表达式：

对砂轮沟槽深度d_c有表达式：

由公式(1)(6)(7)可得砂轮沟槽宽度L满足条件为：

在经过设计和制备后的金刚石砂轮表面利用激光加工平行斜槽时，飞秒或皮秒激光器虽然可以获得更高的加工精度，但加工效率较低，而普通纳秒脉冲或连续激光器加工精度较低，且具有严重的热效应，因此采用脉宽介于皮秒和纳秒之间的0.1ns-10ns脉冲激光器。所述皮秒脉冲激光的功率为0.5W-1W，脉宽为500-800ps，重复频率为5k-10kHz。实验研究发现，在扫面速度为0.15mm/s～0.5mm/s时，加工的沟槽边缘整齐，加工宽度较大；皮秒脉冲激光光斑直径在40μm左右，当聚焦光斑偏移间距小于光斑直径的1/5时，沟槽轮廓较为完整、沟槽的宽度增加；综合考虑到沟槽表面质量和加工时间、成本等因素，在扫描重复次数为5-7次时，扫描宽度增加明显且沟槽表面质量提高，效益最好。因此采用上述参数加工沟槽，即排屑槽。具体为：

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，利用功率为0.5W～1W，脉宽为500ps～800ps，重复频率为5kHz～10kHz的皮秒脉冲激光在多晶金刚石涂层2的表面加工宽度为L的排屑槽，并在加工过程中，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，获得排屑槽。

其中：

E、H和K_c分别为待加工硬脆材料的弹性模量、硬度和断裂强度，v_s、v_w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，d_s为金刚石砂轮的直径。

在制备获得一种带有微结构的金刚石砂轮之后，即可采用该金刚石砂轮对硬脆材料进行加工。采用在磨削区砂轮速度与工件进给速度方向相反的逆磨磨削方式获得纳米级工件表面精度，在对硬脆材料(玻璃、硬质合金、陶瓷或晶体)磨削过程中，要想获得纳米级精度的磨削表面，必须每一个磨粒切下的磨削厚度小于材料的脆塑转变临界深度，考虑到砂轮金刚石镀层厚度小、砂轮沟槽深度与磨削深度之间的关系，且该材料去除方法为塑性去除，每次材料去除不大于未变形切削厚度，由表达式(1)、(6)、(7)可知磨削深度a需满足：

由公式(9)可知，磨削深度不仅与工件材料有关，还与砂轮沟槽相关参数、金刚石砂轮镀层的厚度有关，最终可以获得纳米级的工件表面粗糙度。

其中操作具体如下：

选用气浮或液浮主轴的机床磨轴，利用激光位移传感器检测并调整金刚石砂轮的偏心，保证金刚石镀层2的圆跳动小于6um。然后调节动平衡，使不平衡量小于5nm。通过以上公式计算，最终选取磨削加工参数为：砂轮转速4000r/min～5000r/min，进给速度5mm/min～30mm/min，磨削深度1μm～20μm，磨削液为乳化液，以保证工件表面精度达到纳米级的表面粗糙度，表面粗糙度可小于10nm。金刚石砂轮表面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％(BK7光学玻璃，SiC陶瓷或单晶硅)。此外，这种微结构化新型金刚石砂轮工作表面完全由金刚石镀层覆盖，不含有结合剂，无须反复修整，因此具有很高的耐磨性和砂轮寿命(寿命为传统砂轮的20-50倍)，极大的提高加工效率和降低砂轮制备成本。

Claims (9)

1.一种带有微结构的金刚石砂轮的制备方法，所述一种带有微结构的金刚石砂轮，包括砂轮基体(1)，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；

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K_c分别为待加工硬脆材料的弹性模量、硬度和断裂强度，v_s、v_w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，d_s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。

2.根据权利要求1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，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(1)的外圆周均匀布置6～8根钨丝(3)、且所有钨丝(3)均与砂轮基体(1)的中轴相平行，钨丝(3)与砂轮基体(1)之间留有空隙；

将砂轮基体(1)和所有钨丝(3)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(2)的制备。

3.根据权利要求2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，碳源为甲烷和氢气。

4.根据权利要求1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，加工排屑槽的具体方法为：

将砂轮基体(1)安装在四轴精密位移平台(11)上，利用激光位移传感器检测并调整砂轮基体(1)的偏心位置，使得多晶金刚石涂层(2)的圆跳动小于6μm；

利用四轴精密位移平台(11)将砂轮基体(1)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(2)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。

5.根据权利要求1至4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，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。

6.根据权利要求1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，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。

7.根据权利要求6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，正多面体结构为正八面体或正六面体。

8.根据权利要求1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，排屑槽为相互平行设置的直线形槽、或锯齿波浪槽。

9.根据权利要求8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，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。

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