专利名称：研磨工具的制作方法
本申请是1998年3月提交的US 09／049，623的部分继续申请。本发明涉及适于对硬脆性材料(如陶瓷和包括陶瓷的复合材料)进行精确磨削的、以及适于对陶瓷晶片进行表面磨削的研磨工具，其外周轮的速度可达160米／秒。该研磨工具包括一轮芯或轮毂，该轮芯通过一能在磨削过程中保持热稳定的粘接剂而粘附于一金属的、粘接的超级研磨轮圈。这些研磨工具能以高磨削率(例如19-380厘米3／分／厘米)对陶瓷进行磨削，与传统的磨削工具相比，这种磨削工具的磨损较小，并且对工件的损伤也比较小。
授予Li的US-A-5，607，489揭示了一种适于磨削蓝宝石和其它陶瓷材料的研磨工具。这种研磨工具含有包覆金属的金刚石，这些金刚石粘接在包含2-20％(体积百分比)的固体润滑剂和至少10％(体积百分比)空隙的玻璃化基体中。
授予Keat的US-A-3，925，035揭示了一种研磨工具，这种研磨工具含有粘接在一金属基体内的金刚石，基体内带有选定的15-50％(体积百分比)的填料，如石墨。这种工具可用来磨削硬质合金。
授予Van der Pyl的US-A-2，238，351揭示了一种借助由金属粘接的金刚石研磨颗粒制成的切割轮。用于粘接的材料包括铜、铁、锡、以及可选用的镍，被粘接的研磨颗粒可有选择地借助一钎焊步骤而烧结到一钢芯上，以确保具有足够的粘接牢度。最佳的粘接料的洛氏硬度RB为70。
美国专利US-Re-21，165揭示了一种含有细金刚石颗粒(金刚石粉)的研磨工具，所述细金刚石颗粒粘接在一个具有相对较低熔化温度的金属粘接料(如青铜)中。这种低熔化温度的粘接料可避免细金刚石颗粒发生氧化。研磨轮圈是构造成为单个的、环形的研磨段，随后再附连于一个铝制或其它材料的中心圆盘。
业已证明，这些材料在对陶瓷元件进行精细研磨时都不能完全让人满意。当以一种符合市场化要求的可行磨削速率工作时，这些工具不能满足对零部件的形状、尺寸和表面质量的严格规定。很多被推荐用于此类作业的常用研磨工具都是树脂或玻璃体粘接的超级研磨轮，这些研磨轮是设计成以相对较低的磨削速率来工作，以避免对陶瓷元件的表面和表面下造成损坏。由于陶瓷工件趋向于阻塞磨轮表面，因而会进一步降低磨削效率，这样就需要频繁地为磨轮敷料和修整，以维持其具有精确的形式。
随着市场上对诸如发动机、耐火设备和电子装置(例如晶片、磁头和显示窗)等产品中的精密陶瓷元件的需求日益增长，迫切需要可对陶瓷进行精密磨削的改进的研磨工具。
在对用于电子元件的高性能陶瓷材料，如碳化钛铝(AlTiC)进行光整时，表面磨削或“背磨(backgrinding)”作业要求以小的力、相对较低速度的磨削作业来获得高质量的光滑表面。对这些材料进行背磨时，磨削效率在很大程度上取决于工件的表面质量以及对所施加力(即，由于高材料磨除率和磨轮磨损阻力而施加的力)的控制。
本发明涉及一种表面磨削用研磨工具，包括一轮芯、一圆形外周部分以及一由多个研磨段限定的研磨边沿，所述轮芯的最小比强度参数为2．4MPa-cm3／g，密度为0．5-8．0g／cm3；设各研磨段总体积为100体积％，其中包括有0．05-10体积％的超级研磨颗粒，10-35体积％的脆性填料，55-89．95体积％的金属粘接料基体，该基体的断裂韧度为1．0-3．0MPa M1／2。其中比强度参数是定义为材料的屈服强度或断裂韧度除以材料的密度。脆性填料选自于由石墨、六角氮化硼、空心陶瓷球、长石、霞石正长岩、浮石、煅烧粘土和玻璃球，以及它们的组合所构成的组。在一较佳实施例中，金属粘接料基体包括最大为5体积％的孔隙率。
图1示出了一个由粘结于一金属轮芯外周的若干个研磨段组成的连续轮圈，该轮圈形成一个1A1型研磨轮。
图2示出了一个由粘结于一金属轮芯外周的若干个研磨段组成的不连续轮圈，该轮圈形成一个杯形研磨轮。
图3示出了在借助实例5的研磨轮对一碳化钛铝进行磨削的过程中，坯料的磨除数量与所施加之法向力之间的关系。
本发明的研磨工具是研磨轮，该研磨轮包括一具有一用于将研磨轮安装到磨床上的中心孔的轮芯，该轮芯是设计成可以沿着研磨轮的外周来支承一金属粘接的超级研磨轮圈。研磨轮的这两个部分是借助一在磨削条件下保持热稳定的粘接剂而保持相互结合状态，研磨轮及其构件是设计成能承受当轮子外周速度达到至少80米／秒最好是达到160米／秒时产生的应力。较为理想的工具是1A研磨轮和杯形研磨轮，如2型或6型研磨轮或11V9型钟状杯形研磨轮。
轮芯基本上是圆的。轮芯可以由任何最小比强度为2．4MPa-cm3／g，最好是40-185MPa-cm3／g的材料制成。轮芯材料的密度为0．5-8．0g／cm3，最好是2．0-8．0g／cm3。合适材料的例子是钢、铝、钛和青铜，以及它们的复合物、合金和组合。可以采用具有规定的最小比强度的加强塑料来制作轮芯。复合物和加强的轮芯材料通常具有金属的或塑料基体的连续相，它们经常是粉末形式的，可添加较硬的、更具弹性的和／或密度较小的材料来作为一不连续的相。适于用作本发明工具之轮芯的加强材料是玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、陶瓷纤维、陶瓷颗粒、以及中空的填充材料，如玻璃、高铝红柱石、刚玉和Zeolite球粒。
可采用钢或其它密度为0．5-8．0g／cm3的材料来制作用于本发明工具的轮芯。在制作用于高速磨削(例如至少80米／秒)的轮芯时，粉末状的轻金属(如密度约为1．8-4．5g／Gm3)，如铝、镁和钛以及它们的合金和混合物是较为理想的材料。铝和铝合金特别理想。如果采用共烧结装配工艺来制作研磨工具，则可选用烧结温度在400至900℃，最好是570至650℃之间的金属。可以添加低密度填料来减轻轮芯的重量。多孔和／或中空陶瓷或玻璃填料，如玻璃球粒和高铝红柱石球粒是适用于此目的的较为合适的材料。还可以采用无机的或非金属的纤维材料。当工艺条件指定时，可以在压制和烧结之前，对金属粉末添加在金属粘接和超级研磨技术领域众所周知的、有效数量的润滑剂或其它工艺助剂。
研磨工具应该是牢固、耐用和具有尺寸稳定性的，以便承受由于高速作业而产生的潜在的破坏力。轮芯必须具有某一最小的比强度，以使轮芯以实现80-160米／秒的切向接触所必须的非常高的角速度来运转。本发明轮芯材料所需的最小比强度参数是2．4MPa-cm3／g。
比强度参数是定义为轮芯材料的屈服(或断裂)强度除以轮芯材料的密度。在断裂强度低于屈服强度的脆性材料的情况下，比强度参数取决于较小的数值，即断裂强度。材料的屈服强度是当施加于材料时能使其变形量持续增大而力不必增大的最小的力。例如，被硬化至大约240(布氏硬度)以上的ANSI 4140钢具有大于700MPa的抗拉强度。这种钢材的密度是大约7．8g／cm3。因此，其比强度参数是大约90MPa-cm3／g。类似地，被热处理成布氏硬度达100以上的特定铝合金，例如Al 2024、Al 7075和Al 7178的抗拉强度超过300MPa。这些铝合金的密度低至大约2．7g／cm3，因而其比强度大于110MPa-cm3／g。被制造成密度低于8．0g／cm3的钛合金以及青铜复合物和合金也是适用的。
轮芯材料应该是坚韧的、在磨削区域达到例如50-200℃时仍保持热稳定的、能耐受与在磨削过程中使用的冷却剂和润滑剂的化学反应、以及能耐受由于磨削碎屑在研磨区域的运动而造成的侵蚀所形成的磨损。虽然某些刚玉和其它陶瓷材料具有可接收的失效值(如超过60MPa-cm3／g)，它们通常还是太脆，会在高速磨削时断裂而造成结构失效。因此，陶瓷并不适于用作工具的轮芯。金属、特别是硬化的工具钢是比较理想的。
可用于本发明之研磨轮的研磨部分是安装在一轮芯上的分段的或连续的轮圈。图1示出了一个分段的研磨轮圈。轮芯2具有一中心孔3，用于将研磨轮安装到一动力驱动装置(未图示)的轮轴上。研磨轮的轮圈包括嵌设(最好是均匀地分布)在一金属基体粘接料6中的超级研磨颗粒4。多个研磨段8组成了图1所示的研磨轮圈。虽然图中所示的实施例示出了十个研磨段，但研磨段的数量并非关键因素。如图1所示的研磨段均具有截头的矩形环形状(弧形)，其长度为1，宽度为w，厚度为d。
可以将如图1所示研磨轮的实施例看成是可根据本发明成功操作的研磨轮的代表，但不应将其看成是一种限制。分段研磨轮的各种几何形状的变化包括如图2所示的、具有穿过轮芯的孔以及形成在各连续段之间的间隙的杯形研磨轮，以及研磨段的宽度不同于轮芯的研磨轮。孔或间隙有时可用来提供将冷却剂传导至磨削区域以及将磨屑引离磨削区域的通道。有时，可采用一宽度大于轮芯的研磨段，以在研磨轮径向地经过工件时，保护轮芯结构不与碎屑接触而免受侵蚀。
研磨轮可以这样来制造，即，先形成尺寸预先选定的各个研磨段，再借助适当的粘合剂将这些预成形的研磨段粘附于轮芯的外周9。另一种较佳的制造方法包括形成由研磨颗粒和粘接料的粉末混合物组成的研磨段前体单元，围绕轮芯的外周来模制这些组份，在原处通过加热和加压来产生和附连所述研磨段(即，使所述轮芯和轮圈共同烧结)。共烧结工艺是用来制作背磨晶片和硬陶瓷芯片(如AlTiC)的磨面杯形研磨轮的较为理想的工艺。
本发明之研磨工具的研磨轮圈部分可以是分别如图1和2所示的连续的轮圈和不连续的轮圈。连续的轮圈可以包括一个研磨段或至少两个研磨段，这些研磨段在各自的模具中单独烧结，然后再借助一热稳定的粘接料(即，在磨削过程中，在研磨段的离开研磨表面的部分上遇到的温度下(通约为50-350℃)能保持稳定的粘接剂)分别安装到轮芯上。如图2所示，不连续的轮圈是由至少两个这样的研磨段制成的，这些研磨段通过轮圈上的狭槽或间隙分开，不像连续的轮圈那样沿着长度1的方向头尾相连地布置。这些附图示出了本发明的较佳实施例，但并不意味着一定要将本发明限制成这样的形式，例如，可以将不连续轮圈用于1A研磨轮，也可以将连续的轮圈用于杯形研磨轮。
对高速磨削而言，特别是对圆柱形工件的磨削而言，采用1A型的研磨轮是比较理想的。与模制成单件环形的单个连续研磨轮相比，分段的连续研磨轮圈是比较理想的，因为在研磨工具的制造过程中，由多个研磨段更容易达成一真实的圆形的、平面的形状。
对低速磨削而言，特别是对扁平工件的表面磨削和光整而言，不连续的研磨轮圈(如图2所示的杯形轮圈)是较为理想的。由于在低速表面光整的作业过程中，表面质量是非常重要的因素，因而可以在各研磨段之间形成狭槽或者省略轮圈上的某些研磨段，以帮助去除可能刮伤工件表面的废料。
研磨轮圈部分包含结合在一金属基体粘接料中的超级研磨颗粒，这通常是通过将金属粘接料粉末和研磨颗粒在一模具中烧结而形成的，所述模具是设计成能获得所需尺寸和形状的轮圈或轮圈的研磨段。
用于研磨轮圈的超级研磨颗粒可以选自天然和人造的金刚石、CBN、以及这些磨料的组合。颗粒的尺寸和类型可根据工件的特性以及研磨工艺的类型来选择。例如，在进行蓝宝石或AlTiC的磨削和抛光时，采用尺寸为2至300微米的超级研磨颗粒是比较理想的。对刚玉磨削而言，超级研磨颗粒的尺寸为大约125至300微米(60至120粒度诺顿公司的粒度尺寸)大致是比较理想的。对氮化硅磨削而言，颗粒尺寸为大约45至80微米(200至400粒度)大致是比较理想的。对表面磨削而言，细颗粒度较好，而对圆柱体、构形或内径磨削等需要除去大量材料的磨削作业而言，最好是采用比较粗的颗粒度。
按研磨轮圈的体积百分比，研磨工具包括0．05至10％(体积百分比)的超级研磨颗粒，最好是包括0．5-5％(体积百分比)。可以添加少量的硬度小于金属粘接料基体的脆性填充材料来作为粘接料填料，以提高粘接料的磨损速率。按轮圈部分的体积百分比，可以采用10-35％(体积百分比)，最好是15至35％(体积百分比)的填料。合适的脆性填料必须具有适当的耐热和耐机械冲击的特性，以便在制造研磨段和装配研磨轮的烧结温度和压力条件下得以保持。有用的脆性填料的例子包括石墨、六角形氮化硼、空心陶瓷球粒、长石、霞石正长岩、浮石、煅烧粘土和玻璃球，以及它们的组合。
在此，可采用适于粘接超级磨料并具有1．0至6．0MPa·m1／2(最好是2．0至4．0MPa·m1／2)的断裂韧度的金属粘接料。断裂韧度就是会在材料中产生裂纹并使裂纹传播而导致材料断裂的张力强度系数。断裂韧度可以用K1c=(σf)(π1／2)(c1／2)来表示，其中K1c表示断裂韧度，σf表示施加于裂纹的张力，而c表示裂纹长度的一半。有几种方法可以用来确定断裂韧度，每一种方法都是先在测试材料中产生一尺寸已知的裂纹，随后再施加一张力载荷，直到材料断裂。可以将在断裂处或裂纹处的张力代入上述等式而计算出断裂韧度(例如，钢的断裂韧度是大约30-60MPa·m1／2，铝的断裂韧度是大约2-3MPa·m1／2，氮化硅的断裂韧度是大约4-5MPa·m1／2，氧化锆的断裂韧度是大约7-9MPa·m1／2)。
为了使研磨轮的寿命和磨削性能最优化，在磨削过程中，粘接料的磨损率应该等于或略高于磨料颗粒的磨损率。可以在金属粘接料中添加如上所述的填料来减小研磨轮的磨损率。若要在磨削过程中获得较高的材料磨除率，趋向于形成相对较为致密的粘接结构(即孔隙率小于5％(体积百分比))的金属粉末是比较理想的。
可用作轮圈金属粘接料的材料包括但不限于青铜、铜锌合金(黄铜)、钴和铁、以及它们的合金及混合物。这些金属可以有选择地与钛或钛的氢化物、或者是能在超级研磨颗粒的表面子选定的烧结条件下形成碳或氮的化学键的其它超级研磨反应材料(即活性粘接料成分)一起使用，以便加强磨粒／粘接料的联系。比较强的磨粒／粘接料的相互反应可限制磨粒的过早损失和工件的损坏，以及因为过早的磨粒损失而造成的工具寿命的缩短。
在研磨轮圈的一个较佳实施例中，金属基体构成了轮圈的55-89．95％(体积百分比)，最好是60-84．5％(体积百分比)。易碎或脆性填料构成了研磨轮圈的10-35％(体积百分比)，最好是15-35％(体积百分比)。在研磨段的制造过程中，金属基体粘接料的孔隙率应该保持为至多5％(体积百分比)。金属粘接料的硬度最好是努氏2-3GPa。
在1A型研磨轮的较佳实施例中，轮芯是铝制的，轮圈包含由铜和锡粉末(80／20wt．％)制成的青铜粘接料，可选择的是，可采用添加了0．1-3．0wt％(最好是0．1-1．0wt％)的磷的磷／铜粉末。在各研磨段的制造过程中，将该成分的金属粉末与100-400粒度(160至45微米)的金刚石研磨颗粒相混合，将它们模制成研磨轮圈的各个段，并在400-550℃的温度下和在20-33MPa的压力下烧结和压制，以获得一致密的研磨轮圈，最好是具有至少为95％理论密度(即包括不超过大约5％(体积百分数)的孔隙)的致密度。
在普通的共烧结研磨轮制造过程中，是将轮芯的金属粉末注入到一钢模中，并在80至200 kN(大约10-50MPa的压力)下冷压而形成一个半成品，其尺寸约为轮芯最终所需厚度的1．2至1．6倍。将半成品轮芯放到一石墨模具中，向位于轮芯和石墨模具外边沿之间的模腔内加入研磨颗粒(2至300微米的粒度)和金属粘接料粉末的混合物。可采用一设定环将磨粒和金属粘接料粉末压实成具有与预成形的轮芯相同的厚度。随后，在370-410℃的温度下以及在20至48 MPa的压力下对石墨模具中的成分压制6到10分钟。与本技术领域众所周知的一样，温度可以呈斜坡上升(例如，用6分钟时间从25升至410℃；在410℃保持15分钟)，或者是在对模制物施加压力之前逐渐升高。
在热压之后，将成形件与石墨模具分开，使之冷却，并借助传统的技术进行精加工而获得一具有所需尺寸和精度的研磨轮圈。例如，可以用磨床上的玻璃体研磨轮或车床上的碳化物车刀来对成形件进行精加工。
当把轮芯与轮圈共同烧结时，必须除去少量的材料以使成形件达到其最终形状。在于研磨轮圈和轮芯之间形成热稳定粘接的其它方法中，在凝结、交联和扩散步骤之前，可能需要对轮芯和轮圈这两者进行机加工，以确保成形件具有足以用于接配和粘接的表面。
当利用分段研磨轮圈在轮圈和轮芯之间形成一热稳定的粘接时，可以采用任何强度足以承受160米／秒之轮周速度的热稳定粘合剂。热稳定粘合剂对于在离开磨削面的各研磨段的部分处遇到的磨削加工温度而言是稳定的。这样的温度通常是大约50-350℃。
粘合剂的粘接从机械上说应该是非常牢固的，以便承受在研磨轮的旋转过程中以及在磨削的过程中存在的破坏力。两组份环氧树脂胶合剂是比较理想的。较佳的环氧树脂胶合剂，TechnodyneHT-18环氧树脂(购自日本的Taoka化学公司)及其改型的氨基硬化剂可以以一种100份树脂对19份硬化剂的比例相互混合。可以在每100份树脂中加3．5份的比例添加填料(如细硅粉末)以增强胶合剂的粘性。可以借助胶合剂将各研磨段围绕研磨轮轮芯的整个外周来安装，或者围绕轮芯外周的一部分来安装。可以对金属轮芯的外周进行喷砂处理，以便在附连各研磨段之间获得一定的粗糙度。将加厚的环氧树脂胶合剂涂敷于各研磨段的两端和底部，这些研磨段基本上如图1所示的那样定位，并且在固化过程中机械地保持。环氧树脂胶合剂允许固化(例如在室温下24个小时，继之以在60℃下48个小时)。通过在固化过程中添加足够的填料而令环氧树脂胶合剂的粘性最优化，可以使胶合剂在研磨段的固化和移动过程中的排出量最小。
与测试研磨轮爆裂的情况一样，可以以45转／分钟的转速来测试粘合强度。研磨轮需要至少等同于271米／秒切向接触速度的已证实爆裂额定值，以便在目前美国规定的160米／秒的切向接触速度安全标准下进行作业。
本发明的研磨工具特别是为了精密研磨和脆性材料(如高级陶瓷材料、玻璃、以及含有陶瓷材料和陶瓷复合材料的元件)的光整而设计的。本发明的工具对陶瓷材料的研磨是比较理想的，陶瓷材料包括但不限于硅、单晶或多晶氧化物、碳化物、硼化物和硅化物；多晶金刚石；玻璃；以及非陶瓷基体的陶瓷复合物；以及它们的组合。典型的工件材料包括但不限于AlTiC、氮化硅、氧氮化硅、稳定的氧化锆、氧化铝(例如蓝宝石)、碳化硼、氮化硼、二硼化钛、氮化铝、和这些陶瓷的复合物，以及特定的金属基体复合物如凝结的碳化物，和硬脆性的多孔材料如矿化玻璃。无论是单晶陶瓷还是多晶陶瓷都可以用本发明的改进的研磨材料来加以研磨。对每一种类型的陶瓷而言，陶瓷元件的质量和磨削作业的效率随着研磨轮外周速度的增加而提高，直到速度达80-160米／秒。
可利用本发明的研磨工具获得改善的陶瓷元件包括陶瓷的发动机阀门和阀杆、泵密封件、球轴承和管接头、切割刀具的镶嵌件、耐磨部件、用于金属成形的拉模、耐火元件、显示窗、用于挡风罩的平板玻璃、门和窗、绝缘件和电子元器件、以及陶瓷电子元器件包括但不限于硅晶片、AlTiC芯片、读写磁头和基片。
除非另有所指，以下各实例中的所有份数和百分比都是按重量计算的。这些实例仅用于描述本发明，并不对本发明有任何的限制。
实例1利用下述的原料和方法将本发明的研磨轮制备成为1A1金属粘接金刚石研磨轮。
制备由43．74wt％的铜粉末(枝晶的FS等级，颗粒度为+200／-325目，从纽约州Ghent的Sintertech国际市场公司购得)6．24wt％的磷／铜粉末(等级1501，颗粒度+100／-325，从宾夕法尼亚州Palmerton的新泽西锌公司购得)；以及50．02wt％的锡粉末(等级MD115，颗粒度+325目，从新泽西州Elizabeth的Alcan金属粉末有限公司)组成的混合物。对该金属粉末混合物添加金刚石研磨颗粒(320粒度尺寸的人造金刚石，可从俄亥俄州Worthington的通用电气公司购得)，并使它们均匀地混合。将该混合物放到一石墨模具中，并在3000psi(2073N／cm2)的压力下以及在407℃的温度下热压15分钟，直到形成一个具有高于95％的理论值的目标致密度的基体(例如，对实例2中的#6研磨轮而言，＞98．5％的理论致密度)。#6研磨轮的各研磨段的洛氏B硬度RB为108。研磨段中包含18．75％(体积百分比)的研磨颗粒。将这些研磨段磨削成所需的精确几何形状，以便与一机加工的铝制轮芯(可从马萨诸塞州Tewksbury的Yarde金属公司购得的7075 T6铝材)的外周相匹配，从而获得一个外径为大约393mm，研磨段为0．62cm厚的研磨轮。
借助一填充有环氧树脂胶合剂(可从日本的Taoka化学公司购得的Technodyne HT-18粘合剂)的二氧化硅将研磨段与铝制轮芯装配起来，借以获得包括由多个研磨段组成的连续轮圈的研磨轮。轮芯与各研磨段的接触面需经过去油脂和喷砂处理，以确保具有足够的粘合力。
为了获得这种新型研磨轮的最大工作速度，按照诺顿公司的最大工作速度测试办法，使尺寸齐全的各种研磨轮旋转至其破坏，以确定其爆裂强度和额定的最大工作速度。下表概括了直径为393mm的实验金属粘接研磨轮的典型例子的爆裂测试数据。
试验的金属粘接研磨轮的爆裂强度数据
按照这些数据，这种设计的试验研磨轮的最大工作速度可达90m／s(17，717表面英尺／分)。借助于制造工艺方面和研磨轮设计方面的改进，还能进一步地实现高达160m／s的工作速度。
实例2研磨性能的评估按照实例1的方法制作三个直径为393mm、厚度为15mm、中心孔为127mm(15．5英寸×0．59英寸×5英寸)的试验金属粘接分段研磨轮(理论致密度为95．6％的#4研磨轮、理论致密度为97．9％的#5研磨轮、以及理论致密度为98．5％的#6研磨轮)，对它们的研磨性能进行测试。先以32和80m／s的速度对研磨轮进行测试，虽然所有的试验研磨轮都是合格的，但其中#6研磨轮的研磨性能最佳。对#6研磨轮的测试是以三种测试速度进行的，即32m／s(6252sfpm)、56m／s(11，000sfpm)、以及80m／s(15，750sfpm)。用两个可以从市场上买到的已有技术的研磨轮对高级的陶瓷材料进行研磨以充当对照物，将它们与本发明的研磨轮一起进行测试。其中一个是玻璃体粘接的金刚石研磨轮(可从马萨诸塞州Worcester的诺顿公司购得的SD320-N6V10研磨轮)，另一个是树脂粘接的金刚石研磨轮(可从马萨诸塞州Worcester的诺顿公司购得的SD320-R4BX619C研磨轮)。对树脂研磨轮是以全部三个速度进行测试。出于对容许速度的考虑，对玻璃体研磨轮仅以32m／s(6252sfpm)的速度进行测试。
在碳化硅工件上进行超过1000次的切入磨削，磨削的宽度为6．35mm(0．25英寸)，厚度为6．35mm(0．25英寸)。磨削的测试条件是磨削测试条件机床S40 CNC型Studer磨床研磨轮规格SD320-R4BX619C，SD320N6V10，尺寸直径393mm，厚度15mm，孔径127mm。
研磨轮速度32、56和80m／s(6252、11000、以及15750sfpm)冷却剂Inversol 22 @60％的油和40％的水冷却剂压力270psi(19kg／cm2)材料磨除速率变化的，开始时为3．2mm3／s／mm(0．3in3／分钟／英寸)工件材料Si3N4(NT551氮化硅棒料，从马萨诸塞州Northboro的诺顿高级陶瓷公司购得)，直径×长度为25．4mm(1英寸)×88．9mm(3．5英寸)工件速度0．21m／s(42sfpm)，保持恒定工件初始直径25．4mm(1英寸)工件最终直径6．35mm(0．25英寸)对需要修整和敷料的工作而言，适合于本发明之金属粘接研磨轮的条件是修整工作研磨轮5SG46IVS(购自诺顿公司)研磨轮尺寸直径152mm(6英寸)研磨轮速度3000rpm；相对于研磨轮在+0．8的比率导程0．015英寸(0．38mm)补偿量0．0002英寸敷料工作修整棒37C22OH-KV(SiC)方式手持修整棒敷料测试是对碳化硅棒料以一种圆柱外周切入进给的方式进行研磨的。为了使工件材料在磨削过程中保持有最佳的硬度，将88．9mm长的试样夹持在一卡盘中，暴露出大约31mm(1-1／4英寸)以供磨削。每一组切入磨削测试都是从棒料的远端开始的。首先，研磨轮形成一个宽度为6．35mm(1／4英寸)、径向深度为3．18mm(1／8英寸)的切入磨痕而完成一次测试。随后，重新调整工件的转速，以补偿由于工件直径缩小而减小的工件转速。在同样的位置上再形成两个类似的切入磨痕，使工件的直径从25．4mm(1英寸)缩小至6．35mm(1／4英寸)。随后，使研磨轮向卡盘方向横向地移动6．35mm(1／4英寸)，以进行下面的三次切入磨削。需向着试样的同一侧横向移动四次，以在一试样的一端完成12次切入磨削。随后，将试样反过来，暴露出另一端来进行另外12次切入磨削。对每个试样需进行总共24次切入磨削。
将本发明的金属粘接研磨轮与树脂和玻璃体粘接研磨轮的最初的比较测试是以32m／s的外周速度、并以从大约3．2mm3／s／mm(0．3英寸3／分钟／英寸)至10．8mm3／s／mm(1．0英寸3／分钟／英寸)的三个材料磨除速率来进行的。表1示出了在进行了12次切入磨削之后，三种不同类型的研磨轮的性能差别，这些性能上的差别是用G-比率来表示的。G-比率是磨除材料的体积与磨轮损耗体积之比。测试数据显示在材料磨除率较高的情况下，N等级的玻璃体研磨轮的G比率优于R等级的树脂研磨轮，这表明在磨削陶瓷工件时，较软的研磨轮具有较佳的性能。然而，在各种材料磨除率的情况下，较硬的试验用金属粘接研磨轮(#6)的性能远好于树脂研磨轮和玻璃体研磨轮。
表1示出了在各种材料磨除率的情况下，树脂磨轮与新的金属粘接研磨轮(#6)的估计的G比率。由于对金属粘接研磨轮而言，在每个材料磨除率情况下的12次磨削之后测不到研磨轮磨损量，所以为每次磨削赋予一个象征性的磨轮径向磨损数值0．01mil(0．25μm)。这样就能获得一个估算的G-比率6051。
虽然本发明的金属粘接研磨轮包含75的金刚石浓度(在研磨段中有大约18．75％(体积百分比)的磨粒)，树脂和玻璃体研磨轮分别为100浓度和150浓度(体积百分比分别是25％和37．5％)，但本发明的研磨轮还是显现出优良的研磨性能。
表1示出了从利用上述三种研磨轮以低速磨削的试样上测得的表面光洁度(Ra)和波度(Wt)。波度值Wt是波形上最大波峰与波谷的比值。所有表面光洁度的数值都是在无火花的圆柱切入磨削所产生的表面上测得的。这些表面通常比横向磨削所产生的表面更加粗糙。
表1示出了所有三种类型的研磨轮在各种材料磨除率的情况下的磨削能量消耗的差别。与其它两种研磨轮相比，树脂研磨轮所消耗的能量较少；然而，试验用的金属粘接研磨轮和玻璃体研磨轮的能量消耗也是可堪媲美的。试验用研磨轮的能量消耗对陶瓷磨削而言是可接受的，特别是由于本发明的研磨轮具有较理想的G比率和表面光洁度。总的来说，业已证明，本发明的研磨轮所消耗的能量与材料磨除率成正比。
表1试样材 料 研 磨 切 向 单 位 比 能 G - 比 表 面 波 度磨 除 轮 速 力消 耗 量率 光 洁 Wtμm率度N／mm 功率 W·s／ 度mm3／s m/s W／mm mm3Raμm／mm树脂研磨轮9733．2320．4840 12．8585．90．520．8610406．3320．9884 13．3 36．60．884．019808．9321．67 139 9．5 7．00．994．5010163．2560．4941 13．1586．30．391．2210526．3560．9881 12．9 0．551．52293．29223．2800．5345 14．2586．30．421．2410646．3800．8974 11．8293．20．621．8010049．0801．32 110 12．2586．30．431．75玻璃体研磨轮6543．2321．8860 19．2 67．30．7 2．506669．0324．77 153 17．1 86．51．6 5．8678 11．2324．77 153 13．6 38．71．711．8金属试验用研磨轮4073．2322．0967 2．1 6051 0．6 0．94196．3324．03 130 20．6 6051 0．6 0．94319．0325．52 177 19．7 6051 0．6 0．84433．2561．4180 25．4 6051 0．6 0．74556．3562．65 1250 23．9 6051 0．5 0．74679．0563．70 209 2303 6051 0．5 0．64793．2801．0485 2609 6051 0．5 1．24916．3801．89 153 24．3 6051 0．6 0．85039．0802．59 210 23．4 6051 0．6 0．8当在相同的条件下以80m／s(15，750sfpm)的速度进行另外一个附加的磨削测试而测量磨削性能时，在材料磨除率(MRR)为9．0mm3／s／mm(0．8英寸3／分钟／英寸)的情况下，树脂研磨轮与试验用金属研磨轮的能耗是可媲美的。如表2所示，在MRR变大的情况下，试验用研磨轮可以正常地工作而不损失性能或可接受的功率负载。金属粘接的研磨轮的功率大致与MRR成正比。在本研究报告中所能实现的最高MRR是47．3mm3／s／mm(28．4cm3／分钟／cm)。
表2中的数据是12次磨削的平均值。对试验用研磨轮而言，这12次磨削中每一次的功率读数都保持一致。操作人员可以观察到，随着磨削多次连续的进行，功率逐渐加大，研磨轮中的研磨颗粒开始变钝，或者说研磨轮的表面加载了工件材料。随着MRR的增大，经常可以观察到这种情况。然而，预料不到的是，在12次磨削过程中的每一种MRR情况下观察到的稳定的能耗水平表明在各种MRR的情况下，在整个测试过程中，试验用研磨轮总是可以保持其锋利的磨削点。
另外，在整个测试过程中，当材料磨除率为9．0mm3／s／mm(0．8英寸3／分钟／英寸)至47．3mm3／s／mm(4．4英寸3／分钟／英寸)时，不必对试验用研磨轮进行修整或敷料。
全部累积的碳化硅材料磨削量等于271cm3／cm(研磨轮宽度)(42英寸3／英寸)，其中没有证据表明研磨轮有磨损。作为对比，浓度为100的树脂研磨轮在8．6mm3／s／mm(0．8英寸3／分钟／英寸)的材料磨除率的情况下，经过12次切入磨削之后的G比率是大约583。而本发明的试验用研磨轮则在14中种不同的材料磨除率情况下经过168次切入磨削之后仍没有可以测量出来的研磨轮磨损量。
表2表明利用试验用金属金属粘接研磨轮以全部14种材料磨除率来磨削试样，可以保持有0．4μm(16μ英寸)至0．5μm(20μ英寸)之间的表面光洁度，并具有1．0μm(38μ英寸)至1．7μm(67μ英寸)之间的波度。没有在高材料磨除率的情况下对树脂研磨轮进行测试。然而，在大约8．6mm3／s／mm(0．8英寸3／分钟／英寸)的材料磨除率的情况下，由树脂研磨轮磨削的陶瓷棒料的表面光洁度稍好(0．43比0．5μm)，但波度稍差(1．73比1．18μm)。
让人惊讶的是，当借助新的金属粘接研磨轮来磨削陶瓷棒料时，随着材料磨除率的增大，对表面光洁度没有明显的影响。这与标准研磨轮(如文中所述的对照研磨轮)在磨削速率增大时影响表面光洁度的情况大不相同。
总的结果表明与通常标准的树脂粘接研磨轮相比，本发明的试验用研磨轮能在MRR超过其5倍的情况下有效地进行磨削。与低MRR情况下的树脂研磨轮相比，该试验用研磨轮的G比率大10倍以上。
表2在80m／s的研磨轮速度下的14种MRR的测试试样 材料磨 切向力 单位消 比能量 G-比 表面光 波度除率 N／mm 耗功率 W·s／m 率 洁度 Wtμmmm3／s／ W／mm m3 Raμmmm树脂型1004 9．01．32110 12．2586．3 0．431．75本发明的金属型805 9．01．21 98 11．060510．511．19817 18．02．001629．060510．410．97829 22．52．622139．560510．441．14841 24．72．812289．260510．471．04853 27．03．062489．260510．481．09865 29．23．242629．060510．471．37877 31．43．642959．460510．471．42889 33．74．013259．660510．441．45901 35．94．173389．460510．471．70913 38．24．593729．760510．471．55925 40．44．98404 10．060510．461．55937 42．75．054099．660510．441．57949 44．95．274279．560510．471．65961 47．25．70 4619．860510．461．42当研磨轮速度为32m／s(6252sfpm)和56m／s(11，000sfpm)时(表1)，在各种材料磨除率情况下，金属粘接研磨轮的能耗均高于树脂研磨轮。然而，在80m／s(15，750sfpm)(表1和2)高速运转的情况下，金属粘接研磨轮的能耗变得可媲美于或者说仅略小于树脂研磨轮的能耗。对树脂研磨轮和试验用金属粘接研磨轮而言，总的趋势是当以相同的材料磨除速率来进行磨削时，能耗随着研磨轮速度的提高而增长。与磨削金属材料的情况相比，在磨削陶瓷材料的情况下，在磨削过程中有很大一部分转变成传递给工件之热量的能耗变得不是非常重要，这是因为陶瓷材料具有较高的热稳定性。如借助本发明的研磨轮进行磨削而获得的陶瓷试样的表面质量所证实的那样能耗不会损害抛光工件，并处于一可接受的水平。
对所有各种材料磨除率和轮速而言，试验用金属粘接研磨轮的G比率基本上都恒定为6051。在恒定轮速下，树脂研磨轮的G比率随材料磨除率的增大而减小。
表2示出了在较高轮速的情况下，被研磨试样的表面光洁度和波度的改善。此外，在所有各种轮速和材料磨除率的情况下，借助这种新的金属粘接研磨轮来磨削的试样具有最低的波度。
在这些测试的情况下，与对照用研磨轮相比，本发明的金属粘接研磨轮具有优异的研磨轮使用寿命。与目前市场上可以买到的对照用研磨轮相反，在延长进行的磨削测试中，不必对这种试验用研磨轮进行修整和敷料。该试验用研磨轮可以在轮速达90m／s的情况下正常地工作。
实例3在与前一个实例相同的工作条件下，以80m／s的速度对试验用研磨轮(#6)进行下一次磨削测试，可实现380cm3／min／cm的磨除率的同时，可获得仅为0．5μm(12μin)的表面光洁度(Ra)，并且所借助的能量也处于可接受的水平。借助本发明的工具而在陶瓷工件上所获得的无表面损伤的高材料磨除率的效果，借助目前市场上的各种粘接类型的研磨轮来磨削陶瓷材料都不能实现。
实例4制备一个杯形研磨轮，并在一个立轴的“布兰彻德(blanchard)型”机床上进行蓝宝石磨削测试。
采用与实例1的研磨轮#6相同成分的研磨段来制作一个杯形研磨轮(直径=250mm)，其中(1)金刚石的粒度为45微米(美国标准270／325目)，在研磨段中的比例为12．5vol．％(50浓度)；(2)研磨段的尺寸为弦长133．1mm，宽度4．76mm，厚度5．84mm。这些研磨段是沿着一个具有中心轴孔的杯形钢制轮芯的侧面的外周粘接的。在轮芯的这个侧面上具有沿其外周形成的槽，这些槽形成了离散的、浅的、宽度和长度等同于研磨段的凹部。在这些凹部中添加环氧树脂胶合剂(购自于日本Taoka的Technodyne HT-18胶合剂)，并将各研磨段放入凹部，使粘合剂固化。最终形成的研磨轮如图2所示。
利用该杯形研磨轮来磨削一工件材料(直径为100mm的蓝宝石实心圆柱体)的表面，可在G比率、MRR和能耗等磨削条件都较为理想的情况下获得可接受的表面光洁度。
实例5利用下表3所示的研磨段来制备2A2型杯形研磨轮(直径为280mm)，该研磨轮适于磨削或背磨AlTiC或二氧化硅芯片。除非在下文中另外指出，否则研磨段的尺寸是周向长度139．3mm，宽度为3．23mm，厚度为5．84mm。利用能通过美国网目140／170之筛网的称量后的、搅拌均匀的组份，以表3中所列的比例来制备含有粘接料的金刚石磨料，以便在充分混合后在每个研磨轮上制备16个研磨段。对每个研磨段所需的粉末加以称量，并将其引入一石墨模具，调平并压实。将用于研磨段的石墨模具在3000psi(2073N／cm2)的压力下并在405℃的温度下加热15分钟。在冷却之后，将研磨段从模具中取出。
如实例1中所述的那样，将各研磨段粘接到一个机加工的7075 T6铝芯上而形成一个研磨轮。对研磨段进行去脂、喷砂和涂敷粘合剂，并将其放入被加工成符合研磨轮外周形状的模腔内。在粘合剂固化之后，将研磨轮加工至所需尺寸，并进行平衡和速度测试。
表3粘接料成分重量％ 体积％试样 Cu Sn P 石墨Cu SnP 石墨对照物 49．47 50．010．52 0．00 43．71 54．03 2．26 0．00(Ex．1)(1) 46．50 47．010．49 6．00 35．70 44．14 1．86 18．307．5／2040(2) 46．50 47．010．49 6．00 35．70 44．14 1．86 18．307．5／2040(3) 45．76 46．260．48 7．50 34．02 42．07 1．75 22．167．5／2051(4) 46．50 47．010．49 6．00 35．70 44．14 1．86 18．305／2040(5) 43．53 44．010．46 12．00 29．55 36．54 1．53 32．3725／2052表4研磨段成分Vol％试样粘接料石墨金刚石a孔隙率b对照物 ＞80 0．00 18．75 ＜5(Ex．1) (75浓度)(1) ＞80 17．93 1．88 ＜57．5／2040(7．5浓度)(2) ＞80 17．93 1．88 ＜57．5／2040(7．5浓度)(3)＞75 21．72 1．88 ＜57．5／2051(7．5浓度)(4)＞80 18．07 1．25 ＜55／2040 (5浓度)(5)＞63 30．35 6．25 ＜525／2052 (25浓度)a．各研磨段中所采用的所有金刚石颗粒的颗粒度都是325目(49微米)，只是其中试样(1)的颗粒度为270目(57微米)。金刚石浓度被给定为低于金刚石的体积百分比。
b．孔隙率是通过对各研磨段的微观结构的观察而估计出来的。由于形成了金属间化合的合金，因而被测试样的致密度经常高于研磨段中所采用材料的理论致密度。
实例6磨削性能的评估对根据实例5制备的低金刚石浓度、石墨充填的试样研磨轮的试样(直径280mm，厚度29．3mm，中心孔为228．6mm，即11英寸×1．155英寸×9英寸)进行磨削性能的测试。将这些试样的性能与实例5中的对照用背磨轮作比较，后者是根据实例1(研磨轮#6)的高浓度(75浓度)并且没有石墨填料的金属研磨段成分来制作的。
在尺寸为4．5英寸(114．3mm)或6．0英寸(152．4mm)平方的AlTiC工件(可从明尼苏达州的3M公司购得的210级AlTiC)上进行70次以上的磨削，每次磨削为114．3mm(4．5英寸)宽，1．42mm(0．056英寸)深，记下磨除的坯料微米数和正常的磨削力。磨削的条件是磨削测试条件机床Strasbaugh磨床，型号7AF磨削方式立轴切入磨削研磨轮规格直径280mm，厚度29．3mm，孔径229mm。
轮速1，200rpm工件速度19rpm冷却剂去离子水材料磨除率变化的，从1．0微米／秒至5．0微米／秒利用可以从马萨诸塞州Worcester的诺顿公司买到的规格为38A240-HVS的6英寸(152．4mm)敷料垫来进行修整和敷料。在初始作业之后，当进给塑料改变时，可根据需要周期性地进行修整和敷料。
以下的表5和图3中列出了对实例5中的试样2、4和1进行磨削测试的结果(法向力-切除的坯料量)。
表5法向磨削力-坯料磨除量研磨轮 对照物 对照物对照物2a 2a2b4试样(Ex．1) (Ex．1) (Ex．1)MRR1 3 5 12 22(μ／秒)总的坯 法向磨削力1bs(Kg)料磨除量(μ)25 6 (2．7) 8(3．6) 11(5．0) 11(5．0)5016(7．3) 20(9．1) 23(10．4) 6 (2．7) 7(3．2) 19(8．6) 20(9．1)75 12(5．4) 7(3．2) 23(10．4) 22(10．0)10024(10．9) 34(15．4) 40(18．2) 17(7．7) 7(3．2) 27(12．3) 28(12．7)15027(12．3) 45(20．4) 50(22．7) 22(10．0) 7(3．2) 31(14．1) 32(14．5)20033(15．0) 50(22．7) 59(26．8) 28(12．7) 21(9．5) 34(15．4) 36(16．3)25037(16．8) 53(24．1) 60(27．2) 31(14．1) 30(13．6) 38(17．3) 38(17．3)30040(18．7) 57(25．9) 63(28．6) 33(15．0) 35(15．9) 40(18．2) 36(16．3)350 36(16．3) 39(17．7) 42(19．1) 38(17．3)400 39(17．7) 41(18．6) 40(18．2) 33(15．0)450 42(19．1) 42(19．1) 40(18．2) 34(15．4)500 42(19．1) 45(20．4) 41(18．6) 34(15．9)550 43(19．5) 46(20．9) 43(19．5) 35(15．9)600 46(20．9) 46(20．9) 39(17．7) 31(14．1)a．2a是表3中的试样2，其研磨段的边沿宽度为3．13mm。
b．2b是表3中的试样2，其研磨段的边沿宽度为2．03mm。
这些结果表明当借助没有石墨填料并且金刚石磨料浓度为75的对照研磨轮来进行表面磨削时，在较高MRR(从1-3至5微米／秒的MRR)的情况下，需要将法向力提高很多来除去较多数量的坯料。而本发明的低金刚石浓度、填充石墨的、根据实例3的研磨轮(试样2a、2b和4)在磨削过程中所需的法向力要小得多。本发明的研磨轮在2微米／秒的MRR情况下磨除等量坯料所需的力等于对照用研磨轮试样在1微米／秒的MRR情况下所需的力。
此外，研磨轮样品2a在1微米／秒或2微米／秒的MRR情况下所需的法向力几乎是相等的。随着坯料的磨削从200至600微米，如实例5的本发明的研磨轮2a、2b和4还显示出相对稳定的力的需求。这种磨削性能在背磨AlTiC时是非常有利的，这是因为这些较小的力、稳定的工况可以使对工件的热和机械的损伤变得最小。
对照用研磨轮(Ex．1)不能以更高的坯料磨除率(例如大约300微米)来进行测试，这是因为利用这些研磨轮进行磨削所需的力超过了磨床的所能施加的法向力，因而磨床会自动地停机，不能再记录在更高坯料磨除率情况下的数据。
虽然不希望被某一各特定的理论所束缚，但可以相信，根据本发明的这种低金刚石浓度、石墨充填的研磨轮具有优异的磨削性能，即，在磨削过程的任何一个时间点上，研磨段在单位面积上的与工件表面接触的磨粒数量比较少。虽然熟悉本技术领域的人员可以预料在金刚石浓度较低的情况下采取较低的MRR，但本发明的在磨削力方面的改进(无需考虑对MRR的折衷)是不能预料的。与研磨段宽度为3．13mm的研磨轮2a相比，研磨段宽度为2．03mm的研磨轮2b在相同速率和坯料磨除率的情况下所需的力比较小。与研磨轮试样2a相比，研磨轮试样2b在研磨过程中的任何一个时间点上与工件表面接触的表面积都比较小，即磨削的点比较少。
权利要求
1．一种表面磨削用研磨工具，包括一轮芯、一圆形外周部分以及一由多个研磨段限定的研磨边沿，所述轮芯的最小比强度参数为2．4MPa-cm3／g，密度为0．5-8．0g／cm3；设各研磨段总体积为100体积％，其中包括有0．05-10体积％的超级研磨颗粒，10-35体积％的脆性填料，55-89．95体积％的金属粘接料基体，该基体的断裂韧度为1．0-3．0MPa M1／2。
2．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述轮芯包括金属材料，该金属材料选自由铝、钢、钛和青铜、它们的复合物、合金及组合所构成的组。
3．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨段包括60-84．5体积％的金属粘接料基体、0．5-5体积％的研磨颗粒、以及15-35体积％的脆性填料，所述金属粘接料基体包括最大为5体积％的孔隙率。
4．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述脆性填料选自于由石墨、六角氮化硼、空心陶瓷球、长石、霞石正长岩、浮石、煅烧粘土和玻璃球，以及它们的组合所构成的组。
5．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨颗粒选自于由金刚石、立方氮化硼以及它们的组合所构成的组。
6．如权利要求5所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨颗粒是颗粒度为2-300微米的金刚石。
7．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述金属粘接料包括35-84重量％的铜和16-65重量％的锡。
8．如权利要求7所述的研磨工具，其特征在于，所述金属粘接料还包括0．2-1．0重量％的磷。
9．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨工具包括至少两个研磨段，各研磨段具有细长、弧形的形状和与所述轮芯的圆形外周相配的内曲率，每个研磨段均具有两个设计成与相邻研磨段相配的端部，因而各研磨段粘结于所述轮芯时，所述研磨边沿是连续的，基本上没有间隙。
10．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述工具选自于由1A1犁研磨轮和杯形研磨轮所构成的组。
11．如权利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述热稳定的粘接料选自于由基本上为环氧树脂的粘合剂、冶金粘接料、机械粘接料和弥散粘接料、以及它们的组合所构成的组。
全文摘要
本发明提供了一种适于在160米/秒的速度下对硬脆性材料(如陶瓷和包括陶瓷复合材料)进行精密磨削的研磨工具。该研磨工具包括一轮芯(2),由若干个致密的、金属粘接的超级研磨段(8)组成的边沿借助于一热稳定的粘接料(6)附连于轮芯。一用于背磨陶瓷晶片的较佳工具包含石墨填料和浓度相对较低的研磨颗粒(4)。
文档编号B24D3/00GK1294543SQ99804385
公开日2001年5月9日 申请日期1999年2月4日 优先权日1998年3月27日
发明者S·拉马纳坦, W·H·威利斯顿, S-T·布利简 申请人:诺顿公司