一种砂轮及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于机械加工的超硬材料及制品技术领域，具体涉及一种砂轮，同时还涉 及该砂轮的制备方法。
【背景技术】
[0002] 蓝宝石具有耐高温、耐磨损、导热性好、电绝缘性能优良、化学性能稳定、高硬度和 高强度以及宽的透光频带等诸多优良特性，被广泛应用于多个技术领域，如在航天工业作 红外透光材料，用作半导体GaN的衬底材料，半导体硅的外延基片，绝缘衬底的集成芯片，激 光器的窗口和反射镜等。随着电子行业的发展，特别是电子通讯、LED、精密仪器仪表的发 展，蓝宝石材料作为窗口片、耐磨轴承、精密异形机械工件，发展迅速。由于蓝宝石的硬度高 且脆性大，机械加工比较困难。蓝宝石材料的加工应用日渐广泛，其中蓝宝石晶棒的磨削和 切削加工较为普遍，技术难度高，所用切割、磨削工具种类繁多。
[0003] 1英寸以下的蓝宝石工件多用于电子仪器仪表中的轴承、盖板、轴套以及精密机床 中的小型丝杠等。蓝宝石轴承是指用蓝宝石材料制成的轴承，主要用于精密仪器仪表中。精 密仪器仪表轴承承载载荷很小，但要求旋转精度高、灵敏度好、使用寿命长。蓝宝石所具有 的摩擦系数小、硬度高、耐腐蚀、热膨胀系数小、抗压强度高等性能，使其满足精密仪器仪表 轴承的使用要求。精密蓝宝石轴承要求极高的加工精度和表面质量，特别是对1英寸以下直 径的蓝宝石晶棒的槽磨，加工工艺较为复杂，对所用砂轮的形状保持性、尺寸精度、硬度及 锋利度有较高的要求。蓝宝石莫氏硬度为9,属于硬脆材料，特别是对于1英寸以下的晶棒进 行开槽加工时，易出现崩边、裂纹、划痕和麻点，废品率高，严重影响蓝宝石工件的质量，同 时造成资源的浪费，提高了生产成本。
[0004] 因此，如何提供一种适用于蓝宝石工件加工的砂轮，尤其是槽磨砂轮，通过相应的 高精度、高自动化的磨削设备，与加工材料匹配的先进切削工艺，来达到对于蓝宝石工件内 槽的较高加工要求，是目前许多砂轮及蓝宝石工件加工厂家急需解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种砂轮，解决现有蓝宝石工件开槽或槽磨加工时，易出现 崩边、裂纹、划痕和麻点，废品率高的问题。
[0006] 本发明的第二个目的是提供一种砂轮的制备方法。
[0007] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
[0008] -种砂轮，包括基体和磨料层，所述基体的表面开设有规则排列的凹槽，所述磨料 层嵌在所述凹槽中；所述磨料层由以下体积百分含量的原料制成:金刚石磨料16%~22%、 碳化硼磨料18%~22%、聚酰亚胺树脂28%~32%、石墨19%~22%、氧化锌7%~10%。
[0009] 本发明的砂轮中，磨料层由主要磨料、辅助磨料和结合剂组成;金刚石磨料作为主 要磨料，起主要磨削作用；碳化硼(B4C)磨料作为辅助磨料，其导热性好、抗热冲击力好，切 削锋利稳定，且具有润滑作用，能够进行良好的切削而不会在切削表面和背面产生崩扣、裂 纹;结合剂由聚酰亚胺树脂、石墨和氧化锌组成。基体表面开设有规则排列的凹槽;所述凹 槽为多个，在基体表面规则排列并均布;将主要磨料、辅助磨料和结合剂混合后，经热压压 制成型填入基体表面的凹槽中，后固化形成嵌在凹槽中的磨料层；磨料层的上表面可与所 述凹槽的槽口齐平。
[0010]所述金刚石磨料为镀镍金刚石磨料。在金刚石表面镀覆一层金属镍，可提高其与 基体的界面结合能力、把持力及强度，减缓热冲击，保护金刚石免受氧化、石墨化的影响，减 轻热损伤程度，延长磨料及制品的使用寿命。所述镀镍金刚石磨料中，镀镍层的重量百分比 为 50%。
[0011]所述镀镍金刚石磨料的粒度为70/80~325/400;所述碳化硼(B4C)磨料的粒度为 150#~320#。根据待加工工件（如蓝宝石工件)尺寸的不同和磨削效率的不同要求，选择主 要磨料和辅助磨料的粒度。优选的，粗磨选取主要磨料的粒度70/80，80/100，100/120;半精 密磨削选取主要磨料的粒度140/170，170/200，200/230;精密磨削（如对于槽的光洁度要求 RaO. 4以下），选取主要磨料的粒度230/270，270/325，325/400。根据主要磨料的粒度选择辅 助磨料的粒度。优选的，粗磨粒度的主要磨料配合粒度150#碳化硼(B 4C)磨料，半精密磨削 粒度的主要磨料配合粒度240#碳化硼（B4C)磨料，精磨粒度的主要磨料配合320#碳化硼 (B 4C)磨料。碳化硼(B4C)磨料热稳定好，有一定的润滑性和抗冲击性，在对蓝宝石磨削过程 中能够去除由于主要磨料留下的崩边、裂纹以及划痕。
[0012] 本发明砂轮的磨料层中，结合剂树脂采用聚酰亚胺树脂。由于砂轮在5000~ SOOOrpm的转速下对蓝宝石工件进行磨削，瞬间磨削温度会达到700~1200°C，所以要求砂 轮的磨料层在该温度下具有很好的形状保持性和磨削力，要求结合剂对磨料的粘接性高； 聚酰亚胺树脂能够耐受瞬间温度1300°C，在此温度下能够很好的把持磨料，来满足磨料对 于蓝宝石工件的磨削。
[0013] 所述石墨为粒径为30~80μπι的球形石墨。球形石墨在结合剂中主要起到散热、润 滑和对于蓝宝石槽位置进行抛光的作用，保证磨削温度不至于过高，润滑减小磨削阻力，抛 光由于主要磨料和辅助磨料切削后留下的较小纹路和裂纹以及划痕麻点，使开槽位置表面 光洁度和尺寸精度更佳。
[0014] 本发明砂轮的磨料层中，氧化锌为分析纯氧化锌。氧化锌在结合剂中主要起增强 结合剂和磨料的结合作用，使主要磨料和辅助磨料在磨削过程中能够锋利的进行切割。
[0015] 本发明的砂轮中，基体应选取与砂轮磨耗比相适应的钢基体。所述基体为软钢基 体;优选的，所述基体为高锰钢基体。高锰钢具有高的强度和抗压抗冲击抗磨损性能;经过 试验，其具有良好的耐磨损性，作为切割蓝宝石砂轮用基体，能够和上述选取的金刚石磨 料、碳化硼(B 4C)磨料很好的匹配。
[0016] 所述基体的厚度为2~10mm;事先在基体表面开设相应的凹槽。所述凹槽位于切削 面上；一般的，所述基体为圆盘形或圆环形（圆环柱形），所述凹槽开设在基体的外圆周面 上。所述凹槽采用切割或冲压的方式开设。
[0017] 所述凹槽为斜槽，所述斜槽的槽深方向与基体表面的夹角为锐角。当基体为圆盘 形或圆环形(圆环柱形），所述凹槽的长度方向与基体轴线方向一致。
[0018] 所述凹槽的宽度为0.4mm，深度为1~5謹，相邻槽口间距为0.20~1.60謹。在同一 个基体上，所有凹槽的宽度、深度及倾斜角度保持一致。所述凹槽的深度不超过基体沿凹槽 深度方向厚度的一半。优选的，当基体为圆盘形或圆环形（圆环柱形），所述凹槽的深度不超 过基体半径或圆环宽度的一半；当凹槽为斜槽时，斜槽深度在基体半径上的投射线不超过 基体半径或圆环宽度的一半。
[0019 ] -种上述的砂轮的制备方法，包括下列步骤：
[0020] 1)取配方量的金刚石磨料、碳化硼磨料、聚酰亚胺树脂粉、石墨粉和氧化锌混合制 成混合料；
[0021] 2)将步骤1)所得混合料置于表面开设有凹槽的基体的表面，在温度为150°C、压力 为2.5~4.OMPa条件热压成型，混合料被压制填入基体表面的凹槽内，得成型品；
[0022] 3)将步骤2)所得成型品进行固化处理，即得所述砂轮。
[0023]步骤1)中，所述混合是指将各原料在滚筒式球磨机内混合2h，后过100#筛网三次。 混合后得到均一的混合料。
[0024] 步骤2)中，所述热压成型的保压时间为3~5min。根据砂轮直径的不同，可设置不 同的压力和保压时间;优选的，不同砂轮直径砂轮所需的成型压力和保压时间如表1所示。 [0025]表1不同直径砂轮所需成型压力和保压时间 Γλλοα?
zf涨ζ;τ，^?术稍没，恐压风坐/yr迎tw压彳'儿的工γιε刀恨twTfj没安水 在0.05mm以内。
[0028]步骤3)中，所述固化处理包括将成型品依次在120°C条件下保温60min、在150°C条 件下保温60min、在180°C条件下保温60min、在210°C条件下保温60min。
[0029] 本发明的砂轮，是一种精密蓝