一种分体式CVD金刚石磨削工具及其制造方法

一种分体式cvd金刚石磨削工具及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种分体式cvd金刚石磨削工具及其制造方法。


背景技术：

2.目前，cvd金刚石磨削工具具有众多优异的特点，如磨粒分布密度高、硬度大、无结合剂和耐磨性好等，这使其在磨削加工领域中拥有广泛的应用前景。然而，受涂层厚度以及涂层与基体之间的结合力的限制，传统粘结剂磨削工具所采用的机械修整方式并不适用于cvd金刚石磨削工具，因为这种方式可能会造成cvd金刚石磨削工具的严重磨损以及涂层的脱落，进而丧失加工能力，而且，目前的化学气相沉积技术难以在圆周表面上一次性制造出厚度均匀的金刚石涂层，而通过小角度分批次沉积的方式也存在着问题，由于沉积范围的精度难以保证，相邻两次沉积会因重叠现象而出现涂层厚度异常的部分，金刚石涂层厚度不均匀代表着磨削工具的圆跳动较大，这会对后期的磨削工具使用产生很大的影响，从而严重限制了其实际应用。
3.因此，基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种分体式cvd金刚石磨削工具及其制造方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种在不影响磨削工具磨削加工的同时，更好地保证了cvd金刚石涂层的厚度均匀性从而解决磨削工具圆周表面cvd金刚石涂层厚度不均匀而造成的圆跳动过大问题的分体式cvd金刚石磨削工具及其制造方法。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明的一种分体式cvd金刚石磨削工具，该磨削工具包括：
7.基体，其被配置为圆盘结构；
8.沿所述基体的周向间隔分布的多个磨块，所述基体沿其周向加工有多个插槽，所述磨块嵌入所述插槽内；以及
9.位于所述基体上部的盖板；
10.所述磨块位于所述基体外周面一端为工作面，所述工作面具有cvd金刚石涂层；
11.所述磨块位于所述基体内侧的一端为紧固端，所述磨块定位固定。
12.进一步的，所述基体与磨削工具装配；
13.所述基体中心具有与磨削工具的磨轴装配的中心通孔；
14.所述基体的直径φ1为磨削工具直径ds的90％～99％，且磨削工具直径ds范围为30mm～200mm；
15.所述基体的厚度t为5～20mm；
16.所述中心通孔的直径φ
11
为基体1的直径ds的10％～30％。
17.进一步的，所述插槽沿所述基体的外周面间隔分布，且所述插槽的数量为2～36
个；
18.所述插槽沿所述基体的轴向的深度为3～15mm；
19.所述插槽沿所述基体的径向的延伸长度为10～50mm；
20.所述插槽形成有插槽底面和两侧的插槽侧面；
21.所述插槽被配置为由所述基体外周面一端至靠近所述基体中心一端槽宽逐渐减小的结构；
22.两个所述插槽侧面所形成的夹角θ的为范围5
°
～40
°
；
23.所述插槽的插槽底面和插槽侧面的表面粗糙度为ra1.6。
24.进一步的，所述插槽底面与所述插槽侧面的连接处具有清根槽。
25.进一步的，所述磨块包括：
26.基于所述插槽匹配的磨块基体，所述磨块基体位于所述基体的外周面一端为所述工作面；以及
27.形成于所述磨块基体靠近所述基体中心一端的所述紧固端；
28.所述紧固端被配置为沿垂直于所述磨块基体方向凸出的结构，所述紧固端开设有磨块紧固孔；
29.所述工作面的cvd金刚石涂层的涂层厚度t2≥15μm，该cvd金刚石涂层的金刚石晶粒尺寸为5～30μm；
30.所述紧固端的凸起高度为5～15mm。
31.进一步的，所述基体靠近其外周面一侧具有环形沉槽；
32.所述环形沉槽的公称直径φ
12
为基体直径的φ1的70％～80％；
33.所述环形沉槽的槽宽w1为5～20mm；
34.所述环形沉槽沿所述基体的轴向的下沉深度为2～14mm；
35.所述环形沉槽的槽内的表面粗糙度为ra1.6；
36.所述环形沉槽内开设有沿所述基体轴向延伸的第一通孔，且该第一通孔位于相邻两个所述插槽的轴线的角平分线处；
37.所述第一通孔的数量等于所述插槽的数量、或所述第一通孔的数量为所述插槽数量的1/2。
38.进一步的，所述盖板嵌入所述环形沉槽，所述盖板的厚度为5～10mm；
39.所述盖板外圆周面均布有多个自锁螺纹孔，所述自锁螺纹孔处加工有锪平面；
40.所述盖板上表面沿其周向均布有多个位置与所述第一通孔匹配的第二通孔；
41.所述盖板嵌入所述环形沉槽时，所述盖板通过螺栓与所述基体装配固定于所述第一通孔和所述第二通孔处；
42.所述磨块通过紧定螺钉与所述盖板紧固连接于所述自锁螺纹孔和所述磨块紧固孔。
43.本发明公开了一种cvd金刚石磨削工具的制造方法，主要包括以下步骤：
44.s101、将分体式cvd金刚石磨削工具各部分装配在一起；
45.s102、将未涂层的分体式磨削工具通过夹具安装在磨削工具的磨轴上，利用金刚石滚轮与分体式磨削工具对滚以实现修整后的分体式磨削工具工作表面的圆跳动≤2μm；
46.s103、拆分经过修整的未涂层的分体式磨削工具，依次卸下紧定螺钉、螺母、螺栓
以及盖板，将全部磨块取出；
47.s104、将磨块放置于热丝化学气相沉积炉中处理；
48.s105、金刚石涂层沉积，加热磨块温度至850℃，通入流量为500sccm的h2和ch4混合气体，其中ch4占比范围为0.5～1.8％，沉积时间≥8h，在磨块的圆周表面沉积出厚度均匀的cvd金刚石涂层，涂层厚度偏差为
±
2μm；
49.s106、按组装顺序重新装配磨削工具，最终获得分体式cvd金刚石磨削工具。
50.进一步的，所述步骤s104中，所述磨块放置于热丝化学气相沉积炉时，所述磨块的工作面朝上，且磨块基体端面平行于布置的金属灯丝；
51.相邻两个金属灯丝之间居中放置一列磨块，且所述金属灯丝距离磨块的工作面15mm。
52.在上述技术方案中，本发明提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具及其制造方法，具有以下有益效果：
53.本发明的磨削工具解决了cvd金刚石涂层在磨削工具圆周表面难以一次成型、分次涂层厚度不均匀的问题，采用分体设计的方法将磨削工具工作表面分成若干份，降低了cvd金刚石涂层的工艺难度，使其制造工艺更容易控制。
54.本发明的磨削工具由于采用分体式结构，可以根据磨损情况更换特定的磨块，如某一磨块发生严重的磨损、涂层脱落或者涂层质量不合格等现象，不至于造成整个磨削工具被列为废品，可以只更换磨损的磨块，提高了磨削工具的利用率，降低了使用成本。
55.本发明的磨削工具的分体式的结构使相邻的磨块沿周向之间存在间隙，有利于磨削液的进入，可以更好地抑制磨削热，减少磨削工具的磨损，延长其使用寿命。
附图说明
56.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
57.图1为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具的结构示意图；
58.图2为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具的结构爆炸图；
59.图3为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具的基体的结构示意图；
60.图4为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具的磨块的结构示意图；
61.图5为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具的盖板的结构示意图；
62.图6为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具的加工原理图；
63.图7为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具的磨块外圆表面示意图；
64.图8为本发明实施例提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具制造时化学气相沉积磨块放置示意图。
65.附图标记说明：
66.1、基体；2、磨块；3、盖板；4、紧定螺钉；5、螺栓；6、螺母；7、金属灯丝；
67.101、中心通孔；102、插槽；103、清根槽；104、环形沉槽；105、第一通孔；
68.10201、插槽底面；10202、插槽侧面；
69.201、磨块基体；202、工作面；203、紧固端；204、cvd金刚石涂层；205、磨块紧固孔；
70.301、自锁螺纹孔；302、第二通孔；303、锪平面。
具体实施方式
71.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
72.参见图1至图5所示；
73.实施例一，本实施例一公开了一种分体式磨削工具，具体为：
74.本实施例的一种分体式cvd金刚石磨削工具，该磨削工具包括：
75.基体1，其被配置为圆盘结构；
76.沿基体1的周向间隔分布的多个磨块2，基体1沿其周向加工有多个插槽102，磨块2嵌入插槽102内；以及
77.位于基体1上部的盖板3；
78.磨块2位于基体1外周面一端为工作面202，工作面202具有cvd金刚石涂层204；
79.磨块2位于基体1内侧的一端为紧固端203，磨块2定位固定。
80.实施例公开的一种分体式cvd金刚石磨削工具集成有多个cvd金刚石磨块组成；其中，每个磨块2的工作面都是磨削工具圆周面的一部分，本实施例一的工具对磨块2的基体材料进行预修整，以保证其初始面形轮廓符合要求，当磨削工具被细分的数量足够多时，即每块磨块占据的角度足够小、磨块2的工作面202的圆弧高度差在可接受范围之内，其沉积涂层均匀性是更容易保证的，最后再通过组装磨块2，获得整体涂层厚度满足要求的cvd金刚石磨削工具。
81.具体的，本实施例一的磨削工具主要包括基体1、沿基体1周向分布的多个磨块2、以及压装于基体1上部的盖板3。其中，磨块2的工作面位于外侧面，而磨块2的内侧一端为紧固连接的紧固端203。
82.优选地，本实施例一的基体1与磨削工具装配；
83.基体1中心具有与磨削工具的磨轴装配的中心通孔101；
84.基体1的直径φ1为磨削工具直径ds的90％～99％，且磨削工具直径ds范围为30mm～200mm；
85.基体1的厚度t为5～20mm；
86.中心通孔101的直径φ
11
为基体1的直径ds的10％～30％。
87.其中，上述的插槽102沿基体1的外周面间隔分布，且插槽102的数量为2～36个；
88.插槽102沿基体1的轴向的深度为3～15mm；
89.插槽102沿基体1的径向的延伸长度为10～50mm；
90.插槽102形成有插槽底面10201和两侧的插槽侧面10202；
91.插槽102被配置为由基体1外周面一端至靠近基体1中心一端槽宽逐渐减小的结构；
92.两个插槽侧面10202所形成的夹角θ的为范围5
°
～40
°
；
93.插槽102的插槽底面10201和插槽侧面10202的表面粗糙度为ra1.6。
94.另外，为了避免磨块2安装时的过定位现象的发生，本实施例一的插槽底面10201
与插槽侧面10202的连接处具有清根槽103。
95.基于上述基体1的结构、具体是基于基体1的插槽102的结构，本实施例一进一步地限定了磨块2的结构，该磨块2包括：
96.基于插槽102匹配的磨块基体201，磨块基体201位于基体1的外周面一端为工作面202；以及
97.形成于磨块基体201靠近基体1中心一端的紧固端203；
98.紧固端203被配置为沿垂直于磨块基体201方向凸出的结构，紧固端203开设有磨块紧固孔204；
99.工作面202的cvd金刚石涂层204的涂层厚度t2≥15μm，该cvd金刚石涂层204的金刚石晶粒尺寸为5～30μm；
100.紧固端203的凸起高度为5～15mm。
101.因为在磨削过程中，当前磨块2的最后一颗有效磨粒与下一磨块的第一颗有效磨粒之间的间距最大，所以磨削工具不连续的工作面202会造成工件面202出现周期性的残留高度，为保证分体式磨削工具加工获得的工件表面质量良好，需要计算在相邻两块磨块2之间间隙的夹角β确定的前提下，确定速度参数；
102.参见图6所示，图6示出了分体式磨削工具的加工原理图；其中，o为磨削工具中心，磨削工具直径为ds，旋转速度为vs，工件进给速度为vw，切削深度为a
p
，相邻两磨块2之间的间隙形成的残留高度为hr，在相邻两磨块2之间间隙的无磨粒区域处，磨削工具相对于工件运动的距离为l，则有以下几何关系：
[0103][0104]
相邻两磨块2之间的间隙弧长λ为：
[0105][0106]
l＝vw×
t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0107]
其中t0为转过一个间隙的角度需要的时间。
[0108]
将式(2)和(3)代入式(1)中，可得：
[0109][0110]
又因为残余高度远小于磨削工具半径：
[0111][0112]
所以可以得到残余高度hr与磨削工具直径ds、相邻两磨块的夹角β、工件进给速度vw以及磨削工具旋转速度vs的关系：
[0113][0114]
为保证残余高度hr不影响加工的表面质量，应该保证hr足够小，因此当磨削工具直
径、间隙夹角确定后，可以确定速度参数关系的取值范围：
[0115][0116]
由于相邻两磨块2之间间隙的存在，任一磨块2的第一颗有效磨粒的未变形切屑厚度会比其他磨粒大，根据未变形切屑厚度hm计算公式(8)与(9):
[0117][0118]
δj＝a
j-a
j-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0119]
其中：
[0120]
λj：相邻两有效磨粒的间距；
[0121]vw
——工件进给速度；
[0122]vs
——砂轮旋转速度；
[0123]aj-1
——上一磨粒的切削深度；
[0124]ds
——砂轮直径；
[0125]
δj——当前磨粒与上一磨粒的高度差，如果当前磨粒比前一磨粒突出高度小，δj为正值，反之为负值；
[0126]
假设磨块2中的所有磨粒突出高度一致，均为a1，即δj＝0，则公式(8)可以简化为如下公式(10)：
[0127][0128]
当磨削工具的上一磨块2切换到当前磨块2时，会形成最大的未变形切屑厚度，其计算公式为：
[0129][0130]
可以根据算得的最大未变形切屑厚度来评估磨削工具的设计参数以及选择的工艺参数是否合理。
[0131]
以上为磨块2之间间隙以及最大未变形切屑厚度的分析，而对于磨块2的涂层工艺要求，可以计算出磨块自身的角度。如图7所示，磨块2的外圆表面为其工作表面，外圆半径为r，两侧面夹角为θ，磨块2的圆弧高度差h可以通过以下公式(12)计算：
[0132]
h＝r(1-cos(θ/2))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0133]
根据热丝化学气相沉积涂层工艺的要求，圆弧高度差最好在1.5mm以下，因为过大的高度差会导致金刚石沉积厚度不均匀，进而影响后续的使用，为避免这种情况发生，在磨削工具直径确定的前提下，夹角θ应满足以下条件：
[0134]
θ≤2arccos(1-1.5/r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0135]
由公式(13)可知，磨削工具半径越大，磨块2两侧面允许形成的夹角越小。例如，当磨削工具直径为r＝200mm时，磨块2的两侧面夹角最大仅可以为19.9
°
。
[0136]
优选地，为了能够装配上部的盖板3，本实施例一的基体1靠近其外周面一侧具有
环形沉槽104；
[0137]
环形沉槽104的公称直径φ
12
为基体直径的φ1的70％～80％；
[0138]
环形沉槽104的槽宽w1为5～20mm；另外，该环形沉槽104的公称直径等于基体1中的环形沉槽104公称直径φ
12
，盖板3的宽度等于基体1中的环形沉槽104的宽度w1；
[0139]
环形沉槽104沿基体1的轴向的下沉深度为2～14mm；
[0140]
环形沉槽104的槽内的表面粗糙度为ra1.6；
[0141]
环形沉槽104内开设有沿基体1轴向延伸的第一通孔105，且该第一通孔105位于相邻两个插槽102的轴线的角平分线处；
[0142]
第一通孔105的数量等于插槽102的数量、或第一通孔105的数量为插槽102数量的1/2。
[0143]
其中，上述的盖板3嵌入环形沉槽104，盖板3的厚度为5～10mm；
[0144]
盖板3外圆周面均布有多个自锁螺纹孔301，自锁螺纹孔301处加工有锪平面303；
[0145]
盖板3上表面沿其周向均布有多个位置与第一通孔105匹配的第二通孔302；
[0146]
盖板3嵌入环形沉槽104时，盖板3通过螺栓5与基体1装配固定于第一通孔105和第二通孔302处；
[0147]
磨块2通过紧定螺钉4与盖板3紧固连接于自锁螺纹孔301和磨块紧固孔205。
[0148]
该处详细限定了盖板3的结构，盖板3主要嵌入上述的环形沉槽104内并对磨块2进行固定，通过第一通孔105和第二通孔302实现盖板3和基体1的装配固定，而在径向上，盖板3的自锁螺纹孔301和磨块2的模块紧固孔205对应以通过上述的紧定螺钉4装配固定。其中，用以盖板3和基体1装配用的螺栓5和螺母6为标准件，盖板3固定在基体1后，磨块2夹持在两者之间，上述的紧定螺钉4为带有自锁螺纹的螺钉。通过力矩扳手将紧定螺钉4旋入盖板3的自锁螺纹孔301中，记录所使用的力矩大小m，顶紧磨块2的紧固端203，从而配合基体1的插槽102的侧面实现磨块2的径向夹紧。
[0149]
本发明公开了一种cvd金刚石磨削工具的制造方法，主要包括以下步骤：
[0150]
s101、将分体式cvd金刚石磨削工具各部分装配在一起；
[0151]
s102、将未涂层的分体式磨削工具通过夹具安装在磨削工具的磨轴上，利用金刚石滚轮与分体式磨削工具对滚以实现修整后的分体式磨削工具工作表面的圆跳动≤2μm；
[0152]
s103、拆分经过修整的未涂层的分体式磨削工具，依次卸下紧定螺钉4、螺母6、螺栓5以及盖板3，将全部磨块2取出；
[0153]
s104、将磨块2放置于热丝化学气相沉积炉中处理；
[0154]
s105、金刚石涂层沉积，加热磨块2温度至850℃，通入流量为500sccm的h2和ch4混合气体，其中ch4占比范围为0.5～1.8％，沉积时间≥8h，在磨块2的圆周表面沉积出厚度均匀的cvd金刚石涂层，涂层厚度偏差为
±
2μm；
[0155]
s106、按组装顺序重新装配磨削工具，最终获得分体式cvd金刚石磨削工具。
[0156]
进一步的，步骤s104中，所述磨块2放置于热丝化学气相沉积炉时，磨块2的工作面朝上，且磨块基体201端面平行于布置的金属灯丝7；
[0157]
参见图8所示，相邻两个金属灯丝7之间居中放置一列磨块2，且金属灯丝7距离磨块2的工作面20215mm。
[0158]
在上述技术方案中，本发明提供的一种分体式cvd金刚石磨削工具及其制造方法，
具有以下有益效果：
[0159]
本发明的磨削工具解决了cvd金刚石涂层204在磨削工具圆周表面难以一次成型、分次涂层厚度不均匀的问题，采用分体设计的方法将磨削工具工作表面分成若干份，降低了cvd金刚石涂层204的工艺难度，使其制造工艺更容易控制。
[0160]
本发明的磨削工具由于采用分体式结构，可以根据磨损情况更换特定的磨块，如某一磨块2发生严重的磨损、涂层脱落或者涂层质量不合格等现象，不至于造成整个磨削工具被列为废品，可以只更换磨损的磨块，提高了磨削工具的利用率，降低了使用成本。
[0161]
本发明的磨削工具的分体式的结构使相邻的磨块2沿周向之间存在间隙，有利于磨削液的进入，可以更好地抑制磨削热，减少磨削工具的磨损，延长其使用寿命。
[0162]
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。