阅读说明：本技术 晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮 (Diamond grinding wheel with crystal directional grinding materials arranged in order ) 是由 胡永乐 张德嘉 毛聪 李长河 隆鹏 刘超 王佳丽 唐伟东 于 2020-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮,其特征是砂轮包含基体和磨料层,磨料层由大量蜂巢状的微型磨削单元和大量交叉型的微流道组成；微型磨削单元是由无定形碳、金刚石结合层和多颗晶体定向的金刚石磨粒构成；无定形碳使得磨粒晶体能够定向,每颗磨粒顶面均为平滑的{100}晶面,侧面均为高硬度的{111}晶面,增强了磨粒的切削性能和耐磨性能；金刚石结合层将多颗磨粒连成一体,可以防止单颗磨粒脱落,且磨粒的出刃高度可以提高至微型磨削单元高度的60%~70%,延长了砂轮的服役寿命；大量蜂巢状的微型磨削单元交错有序排布,其间隙组成大量交叉型的微流道,该砂轮结构提高了磨削液有效流量、排屑能力,显著增强了砂轮磨削性能。(The invention discloses a diamond grinding wheel with orderly arranged crystal directional grinding materials, which is characterized by comprising a base body and a grinding material layer, wherein the grinding material layer consists of a large number of honeycomb-shaped micro grinding units and a large number of crossed micro channels; the micro grinding unit is composed of amorphous carbon, a diamond bonding layer and a plurality of crystal-oriented diamond abrasive grains; the amorphous carbon enables the abrasive grain crystals to be oriented, the top surface of each abrasive grain is a smooth {100} crystal face, and the side surfaces of each abrasive grain are high-hardness {111} crystal faces, so that the cutting performance and the wear resistance of the abrasive grain are enhanced; the diamond bonding layer connects a plurality of abrasive particles into a whole, so that single abrasive particle can be prevented from falling off, the cutting height of the abrasive particles can be increased to 60-70% of the height of the micro grinding unit, and the service life of the grinding wheel is prolonged; a large number of honeycomb-shaped micro grinding units are arranged in a staggered and ordered mode, gaps among the honeycomb-shaped micro grinding units form a large number of cross micro channels, the grinding wheel structure improves the effective flow rate and chip removal capacity of grinding fluid, and the grinding performance of the grinding wheel is obviously enhanced.)

晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮

技术领域

本发明涉及一种金刚石砂轮，特别是一种晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮。

技术背景

磨削加工作为先进制造技术中的一种重要方法，广泛应用于航空航天、国防军工、机械电子等领域。尤其是在陶瓷、玻璃、光学晶体等硬脆材料的超精密磨削加工中，为了能够达到纳米级的表面粗糙度、亚微米级的面型精度以及微米级的亚表面损伤，对所采用的金刚石砂轮要求极高。而传统的金刚石砂轮是以树脂、陶瓷或金属作为结合剂，将金刚石磨料与结合剂充分混合后进行烧结，但在烧结过程中，会不可避免地发生收缩及变形，并且金刚石砂轮各个磨粒的几何形状、分布规律及出刃高度均是随机的，使得磨削时实际参与磨削的切削刃数量很少，导致砂轮的磨削质量和磨削效率低下。同时，传统金刚石砂轮的磨粒出刃高度较低，容屑空间小，冷却液难以进入磨削区，容易导致砂轮堵塞、工件磨削烧伤等问题，砂轮的服役寿命也大大下降。此外，由于磨粒粘接性能有限，从而当磨削力过大时容易导致单颗磨粒脱落。

为了提高金刚石砂轮的服役寿命，公开号为CN105196196B的专利“一种磨料有序排列的电镀金刚石砂轮”，该电镀金刚石砂轮的基体表面开设有大量有序排列的盲孔，将金属镀层沉积在基体表面和盲孔内，用于固结磨料，使得金刚石磨料的根部镶嵌在盲孔内，能够实现磨料在基体表面的有序排列，增加了镀层、基体对磨料的把持力，有效提高了砂轮服役寿命。但是该技术方案依然存在以下问题：由于金刚石磨粒是被随机压入盲孔之中，每颗磨粒的出刃角度和顶面形状是随机的，无法实现金刚石磨粒的晶体定向，从而对砂轮磨削性能的提升有限，亟待进一步的改善；同时磨粒被压入盲孔的深度也不一致，导致磨粒的出刃高度存在较大差异，从而使得磨削时砂轮的有效磨削刃数大大减少，降低了磨削效率。

公开号为CN104070467B的专利“微刃磨削制品及其制备方法和应用”，通过脉冲激光在金刚石磨粒的一个平面刻蚀出下凹的微缺陷，从而在该平面内形成大量用于磨削的微刃。使得参与磨削的金刚石磨粒不再是以单颗粒形式，而是有多个微刃同时参与磨削，提高了磨削效率。但是该技术方案依然存在以下问题：该发明主要应用于金刚石钎焊制品，而钎焊制成的金刚石磨削层出刃高度低、容屑空间小、使得砂轮排屑冷却能力差；另一方面，金刚石磨粒的工作表面存在有大量脉冲激光刻蚀出的微缺陷，虽然增加了磨削时砂轮的有效磨削刃数，但这些微缺陷同样对金刚石磨粒的强度、晶形造成了一定程度的破坏，缩短了金刚石砂轮的服役寿命。

发明内容

为了解决上述砂轮和现有技术存在的问题，本发明提出一种晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮，以提高金刚石砂轮的磨削效率、服役寿命及加工表面质量。该结构的主要特征为通过对单颗金刚石磨粒的晶体定向，使切削性能优良的{100}晶面作为金刚石磨粒的顶面即磨削工作面，金刚石磨粒的侧面为高硬度且呈一定倾角的{111}晶面，大大提高了砂轮的可磨削性能；多颗金刚石磨粒由金刚石结合层连成一体构成微型磨削单元，提高了砂轮的服役寿命；单颗金刚石磨粒的出刃高度可以达到其自身粒径的60%~70%，显著增大了单颗金刚石磨粒的最大切深和容屑空间；大量蜂巢状的微型磨削单元交错有序排布，微型磨削单元之间的间隙组成大量交叉型的微流道，有助于增大磨削区冷却液的有效流量，并形成有序的排屑路径。

为了实现上述目的，晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮，其特征在于：该砂轮包含基体和磨料层。所述的磨料层由大量蜂巢状的微型磨削单元和大量交叉型的微流道组成。微型磨削单元是由无定形碳、金刚石结合层和多颗晶体定向的金刚石磨粒构成。无定形碳厚度仅为数十纳米，金刚石结合层厚度为8~30 μm，微型磨削单元的高度为20~100 μm，金刚石磨粒的出刃高度为12~70 μm，即金刚石磨粒的出刃高度可以提高至微型磨削单元高度的60%~70%，显著增大了单颗金刚石磨粒的最大切深和容屑空间，大大提高了砂轮的服役寿命。每颗金刚石磨粒的顶面均为平整光滑且平行于基体外圆周面的{100}晶面，侧面均为高硬度且呈一定倾角的{111}晶面，显著增强了金刚石磨粒的切削性能和耐磨性能。大量蜂巢状的微型磨削单元在基体的外圆周面上交错有序排布，微型磨削单元之间的间隙组成大量交叉型的微流道，有助于增大磨削区冷却液的有效流量、提高排屑能力。无定形碳经充分扩散后用于使{100}晶面和{111}晶面分别定向为金刚石磨粒的顶面以及侧面，金刚石结合层将多颗金刚石磨粒连接为一个整体，有效防止了磨削过程中单颗金刚石磨粒脱落。

所述的基体材质为钛合金，直径为Φ 80~200 mm，厚度为6~20 mm。

所述的微型磨削单元的截面是边长为0.1~0.5 mm的正六边形，两相邻微型磨削单元的间距为0.08~0.4 mm。

所述的微流道的截面形状为矩形，深度为20~100 μm，宽度为0.08~0.4 mm。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果。

①有效改善了磨削加工表面质量。通过对砂轮工作面上的金刚石磨粒进行晶体定向，使得每颗金刚石磨粒的顶面均为平整光滑且平行于基体外圆周面的{100}晶面，在磨削过程中承担切削工件的作用。由于金刚石磨粒各个晶面上原子排列形式、原子密度以及晶面间距的差异，决定了金刚石磨粒晶体的各向异性，其中{100}晶面相对其他晶面更为平整光滑且无微孪晶缺陷，被认为是单晶金刚石磨粒切削性能最佳的晶面，与磨粒顶面形状及晶面随机分布的传统砂轮相比，该发明有助于提高金刚石磨粒的切削性能，有效改善了磨削加工表面质量。

②显著延长了砂轮的服役寿命。通过对金刚石磨粒进行晶体定向，使得每颗金刚石磨粒的侧面均为高硬度且呈一定倾角的{111}晶面，避免了{111}晶面受平行力作用易破碎解理的问题。由于金刚石磨粒晶体的各向异性，{111}晶面的密度、硬度和耐磨性为各个晶面中最高，对磨粒顶面的{100}晶面起到了拱卫保护的作用，从而维持了金刚石磨粒的高强度和优异晶形，显著提高了金刚石磨粒的耐磨性能。同时，金刚石结合层将多颗金刚石磨粒连接为一个整体，与无定形碳构成一个微型磨削单元，大大增强了基体对金刚石磨粒的把持力，防止单颗磨粒因受力过大或受力集中而发生脱落，显著延长了砂轮的服役寿命。

③有效提高了砂轮的散热、排屑能力。大量蜂巢状的微型磨削单元在砂轮的工作面交错有序排布，其间隙形成了热质输运特性优良的交叉型微流道。该砂轮结构有助于形成蜂巢状分形流场，在密铺相同面积时采用微型磨削单元截面的正六边形结构可以得到最小的网络周长，即蜂巢状分形下的交叉型微流道总长最短，从而其流阻小、换热率高，增大了磨削区冷却液的有效流量，并在砂轮磨削过程中能够形成有序的排屑路径，有效提高了砂轮的散热、排屑能力，避免了砂轮堵塞和工件表面磨削烧伤的问题。

④极大提高了砂轮的磨削效率。传统金刚石砂轮的磨粒出刃高度仅为其自身粒径的40%，而通过电子辅助化学气相沉积即EACVD技术，使得砂轮金刚石磨粒的出刃高度能够提高至其自身粒径的60%~70%，显著增大了单颗金刚石磨粒的最大切深和容屑空间，大大提高了砂轮的磨削效率。

附图说明

图1是晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮示意图及其局部放大图。

图2是微型磨削单元结构及晶体定向金刚石磨粒的示意图。

以上图1至图2中的标示为：1、基体，2、磨料层，3、微型磨削单元，3-1、无定形碳，3-2、金刚石结合层，3-3、金刚石磨粒，4、微流道，5、{100}晶面，6、{111}晶面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案做进一步说明。

一种晶体定向磨料有序排布的金刚石砂轮，其特征在于：该砂轮包含基体1和磨料层2。所述的基体1材质为钛合金，直径为Φ 100 mm，厚度为10 mm。所述的磨料层2由大量蜂巢状的微型磨削单元3和大量交叉型的微流道4组成。微型磨削单元3是由无定形碳3-1、金刚石结合层3-2和多颗晶体定向的金刚石磨粒3-3构成。

无定形碳3-1的厚度仅为数十纳米，其经过充分扩散后用于使{100}晶面5和{111}晶面6能够分别定向为金刚石磨粒3-3的顶面以及侧面。

金刚石结合层3-2的厚度为30 μm，并将多颗金刚石磨粒3-3连接为一个整体，与无定形碳3-1一同构成一个微型磨削单元3，且微型磨削单元3的高度为100 μm。

金刚石磨粒3-3的出刃高度为70 μm，即金刚石磨粒3-3的出刃高度可以提高至微型磨削单元3高度的70%。相比于传统金刚石砂轮的磨粒出刃高度仅为其自身粒径的40%，通过电子辅助化学气相沉积即EACVD技术，使得砂轮金刚石磨粒3-3的出刃高度能够提高至其自身粒径的70%，显著增大了单颗金刚石磨粒3-3的最大切深和容屑空间，极大提高了砂轮的磨削效率。

每颗金刚石磨粒3-3的顶面均为平整光滑且平行于基体1外圆周面的{100}晶面5，充分发挥了由于磨粒各个晶面上原子排列形式、原子密度以及晶面间距差异导致的磨粒晶体各向异性，其中{100}晶面5相对其他晶面更为平整光滑且无微孪晶缺陷，被认为是单晶金刚石磨粒3-3切削性能最佳的晶面，与磨粒顶面形状及晶面随机分布的传统砂轮相比，该发明有助于提高磨粒的切削性能，有效改善了磨削加工表面质量。每颗金刚石磨粒3-3的侧面均为高硬度且呈一定倾角的{111}晶面6，避免了{111}晶面6受平行力作用易破碎解理的问题，同样由于磨粒晶体的各向异性，{111}晶面6的密度、硬度和耐磨性为各个晶面中最高，对磨粒顶面的{100}晶面5起到了拱卫保护的作用，从而维持了金刚石磨粒3-3的高强度和优异晶形，显著提高了磨粒的耐磨性能。

微型磨削单元3的截面是边长为0.5 mm的正六边形，两相邻微型磨削单元3的间距为0.4 mm。由于单个微型磨削单元3是由金刚石结合层3-2将多颗金刚石磨粒3-3连接为一个整体，并与无定形碳3-1一同构成。能够大大增强基体1对金刚石磨粒3-3的把持力，有效防止单颗金刚石磨粒3-3因受力过大或受力集中而发生脱落，显著延长了砂轮的服役寿命。

大量蜂巢状的微型磨削单元3在基体1的外圆周面上交错有序排布，微型磨削单元3之间的间隙组成了大量热质输运特性优良的交叉型微流道4，其截面形状为矩形，深度为100 μm，宽度为0.4 mm。该砂轮结构有助于形成蜂巢状分形流场，由于正六边形可在密铺相同面积时得到最小的网络周长，即蜂巢状分形下的交叉型微流道4总长最短，从而其流阻小、换热率高，增大了磨削区冷却液的有效流量，并在砂轮磨削过程中能够形成有序的排屑路径，有效提高了砂轮的散热、排屑能力，避免了砂轮堵塞和工件表面磨削烧伤的问题。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡是在本发明的公开范围之内所做的任何等同替换、修改等，均包含在本发明的保护范围之内。