[发明专利]一种带有微结构的金刚石砂轮及其制备方法

说明书

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。

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。