一种超硬材料砂轮及其制备方法与流程

1.本发明属于磨具磨削技术领域，具体涉及一种超硬材料砂轮，尤其是一种led陶瓷基板材料切割用的超硬树脂砂轮及其制备方法，主要用于led陶瓷基板材料的切割，改善切割品质的同时，砂轮的使用寿命得以大幅提高。


背景技术：

2.基板是led的重要构件，主要起布线、结构支撑和散热作用。目前市场上常见的led基板有金属基板和陶瓷基板两大类。金属基板主要是铜和铝两种金属材料，技术成熟，成本低，目前主要用于常规led。而陶瓷基板主要是氧化铝（al2o3)和氮化铝（aln）材料，主要用于高功率led。和金属基板相比，陶瓷基板具有以下优点：1）耐湿性好，不易产生微裂现象；2）热冲击实验和温度循环实验后不产生损伤，机械强度高；3）热膨胀系数小，热导率高；4）气密性好，芯片和电路不受周围环境影响；因而它特别适用于高功率led。目前，国内外led行业领先企业都已经在高功率led产品上采用陶瓷基板。led陶瓷基板材料的切割技术已经成为了先进制造技术领域的重要研究方向。
3.虽然陶瓷基板具有金属基板无法比拟的优越性和巨大的市场应用前景，但是，led陶瓷基板材料硬度高、脆性大，切割容易崩瓷，且砂轮有效使用寿命很低，属于材料加工领域极难加工的一类材料，这在一定程度上限制了陶瓷基板led产品的性能，以及陶瓷基板在led行业的应用。为了更好的实现陶瓷基板led产品的优异性能，满足led市场对陶瓷基板的需求，就必须解决切割过程中出现的各种问题。因此，研究led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮，解决切割过程中出现的问题具有重大的应用价值和现实意义。
4.国内很少见到led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮的报道，目前国内主要使用进口的超硬树脂砂轮。由于led陶瓷基板材料的硬脆特性，切割过程中高速旋转的砂轮外圆周磨料先以撞击和挤压的方式将接触面的材料敲碎，再利用刃口将碎屑移除。磨料撞击和挤压接触面时，工件断面处易产生裂纹，裂纹扩展后形成崩瓷，且在切割较厚的陶瓷基板产品时，切割阻力大，砂轮容易出现偏摆，导致切割产品垂直度较差，进口砂轮切割崩瓷尺寸一般在30μm左右，切割工件垂直度一般在90
±2°
，切割品质不佳，且进口砂轮切割寿命较低，一般只有100m左右，超过100m则会出现崩瓷尺寸变大、工件侧垂度进一步变差、侧面划伤等一系列问题。本发明超硬树脂砂轮可以实现对led陶瓷基板材料的切割，在改善切割品质、降低崩瓷尺寸的同时，大幅提高砂轮的使用寿命。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种超硬材料砂轮，该超硬材料砂轮可以解决现有led陶瓷基板材料切割加工过程中存在的问题，满足切割加工需求，改善切割品
质，减小砂轮切割过程中的偏摆，产品切割垂直度可达到90
±1°
，降低崩瓷尺寸（最大崩瓷尺寸≤20μm），大幅提高砂轮的使用寿命，使用寿命可达到200m以上。
6.本发明还提供了上述超硬材料砂轮的制备方法。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超硬材料砂轮，其包括下述体积份数的原料：自锐性金刚石30-50份，聚酰亚胺树脂粉20-40份，硼酸铝晶须10-40份。
8.具体的，所述自锐性金刚石的粒度270/325。
9.进一步的，所述硼酸铝晶须的直径为0.5-1um，长径比为10-30。
10.本发明的关键点在于超硬材料砂轮的配方和制备方法。本发明所述超硬材料砂轮配方中，自锐性金刚石主要起到去除工件的作用，切割过程中自锐能力强，可以不断产生新的切削刃，有效的改善切割品质，降低崩瓷尺寸。聚酰亚胺树脂粉作为基体材料，主要起粘接成型的作用。硼酸铝晶须主要起补强和提高砂轮刚性的作用，一方面可以减弱聚酰亚胺树脂的微观破碎失效，增加金刚石的出刃高度，提高砂轮锋利度的同时减小了结合剂对工件的挤压作用，使得砂轮的切割品质和使用寿命同步提高；另一方面可以提高砂轮的刚性，减小砂轮切割过程中的偏摆，提高产品切割垂直度。
11.本发明提供了上述超硬材料砂轮的制备方法，其包括以下步骤：1）按比例取各原料并进行球磨混合，获得混合料；2）将混合料加入到混炼机中进行混炼，混炼机的辊温为80-120℃，薄通数次，待混合料颜色均匀一致后，取出，冷却，备用；3）将步骤2）混炼后的混合料用硬物敲碎，再次装入球磨罐进行球磨混合，获得成型料；4）将成型料按成型所需重量准确称重，装入成型模具，压机压实，置于200-250℃条件下保温1-3小时，冷却，脱模，获得砂轮半成品；砂轮半成品再按照图纸要求进行加工，即得成品led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮。
12.具体的，所述步骤1）中，球磨在球磨罐中进行，球料比2-3:1，在80-120转/分钟下球磨混合10-14h。
13.具体的，所述步骤3）球磨时，球料比2-3:1，在180-250转/分钟下球磨混合20-28h。
14.本发明所述超硬材料砂轮的制备方法中，混合料采用混炼机进行混炼，可以使聚酰亚胺树脂在熔融状态下和金刚石、硼酸铝晶须进行充分混合，一方面使金刚石分散更加均匀，另一方面通过不断的混炼剪切作用，使团聚的亚微米级硼酸铝晶须均匀分散，形成均匀一致的混合料，保证砂轮切割过程中品质的稳定性（如果采用现有的干粉状态下混合技术，硼酸铝晶须将无法分散均匀，影响砂轮的使用性能）。混炼后的混合料进行球磨，可以得到平均粒径在100um左右的具有较好流动性的粉末状成型料，便于后续成型过程中投摊料工序的进行。
15.和现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明制备的超硬材料砂轮，采用自锐性金刚石使得砂轮自锐能力强，切割锋利度高。加入的硼酸铝晶须主要起增强和提高砂轮刚性的作用，一方面可以减弱聚酰亚胺树脂破碎失效，增加金刚石的出刃高度，提高砂轮锋利度的同时减小了结合剂对工件的挤压作用，使得砂轮的切割品质和使用寿命同步提高，可以有效降低切割崩瓷尺寸，最大崩瓷尺
寸≤20μm，使用寿命可达到200m以上；另一方面可以提高砂轮的刚性，减小砂轮切割过程中的偏摆，提高产品切割垂直度，产品切割垂直度可达到90
±1°
。
附图说明
16.图1为本发明制备的led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮的微观组织结构图；图2为本发明切割后的led产品崩瓷尺寸测量图；图3为进口砂轮切割后的led产品崩瓷尺寸测量图。
具体实施方式
17.以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
18.下述实施例中，如无特殊说明，所用原料均为可以直接购买的普通市售产品或按照本领域常规技术可以制备获得。所用自锐性金刚石的粒度270/325。所用硼酸铝晶须的直径为0.5-1um，长径比为10-30。
19.实施例1一种led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮，其由下述体积份数的原料组成：自锐性金刚石30份，聚酰亚胺树脂粉40份，硼酸铝晶须30份。
20.上述led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮的制备方法，其包括以下步骤：1）按配方份数称取所需原材料自锐性金刚石、聚酰亚胺树脂粉和硼酸铝晶须，装入球磨罐，球料比2:1，100转/分钟下球磨混合12h，获得混合料，取出，备用；2）将步骤1）得到的混合料加入到混炼机中混炼，混炼机的辊温100℃，薄通数次，待混合料颜色均匀一致后，取出，冷却，备用；3）将步骤2）所得混炼后的混合料用硬物敲碎，再次装入球磨罐进行球磨混合，球料比2:1，200转/分钟下球磨混合24h，获得成型料，取出，备用；4）步骤3）得到的成型料按成型所需重量准确称重，待成型模具按图纸要求组装后均匀投料，压机压实，置于230℃条件下保温2小时，冷却，脱模，获得砂轮半成品，备用；5）步骤4）得到的砂轮半成品按照图纸要求进行加工，即得成品led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮。
21.本实施例1制备所得超硬树脂砂轮的微观组织结构如图1所示，图1中可以看出：硼酸铝晶须在砂轮中处于完全分散状态，无团聚现象，砂轮组织结构均匀一致。
22.实施例2一种led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮的制备方法，由下述体积份数的原料组成：自锐性金刚石50份，聚酰亚胺树脂粉30份，硼酸铝晶须10份。
23.上述led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮的制备方法，其包括以下步骤：1）按配方份数称取所需原材料自锐性金刚石、聚酰亚胺树脂粉和硼酸铝晶须，装入球磨罐，球料比2:1，110转/分钟下球磨混合10h，获得混合料，取出，备用；2）将步骤1）得到的混合料加入到混炼机中混炼，混炼机的辊温90℃，薄通数次，待混合料颜色均匀一致后，取出，冷却，备用；3）将步骤2）所得混炼后的混合料用硬物敲碎，再次装入球磨罐进行球磨混合，球
料比2:1，190转/分钟下球磨混合26h，获得成型料，取出，备用；4）步骤3）得到的成型料按成型所需重量准确称重，待成型模具按图纸要求组装后均匀投料，压机压实，置于250℃条件下保温1小时，冷却，脱模，获得砂轮半成品，备用；5）步骤4）得到的砂轮半成品按照图纸要求进行加工，即得成品led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮。
24.实施例3一种led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮，由下述体积份数的原料组成：自锐性金刚石40份，聚酰亚胺树脂粉20份，硼酸铝晶须40份。
25.上述led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮的制备方法，其包括以下步骤：1）按配方份数称取所需原材料自锐性金刚石、聚酰亚胺树脂粉和硼酸铝晶须，装入球磨罐，球料比2:1，90转/分钟下球磨混合14h，获得混合料，取出，备用；2）将步骤1）得到的混合料加入到混炼机中混炼，混炼机的辊温110℃，薄通数次，待混合料颜色均匀一致后，取出，冷却，备用；3）将步骤2）所得混炼后的混合料用硬物敲碎，再次装入球磨罐进行球磨混合，球料比2:1，230转/分钟下球磨混合22h，获得成型料，取出，备用；4）步骤3）得到的成型料按成型所需重量准确称重，待成型模具按图纸要求组装后均匀投料，压机压实，置于210℃条件下保温2小时，冷却，脱模，获得砂轮半成品，备用；5）步骤4）得到的砂轮半成品按照图纸要求进行加工，即得成品led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮。
26.对比例1一种超硬树脂砂轮的制备方法，由下述体积份数的原料组成：自锐性金刚石30份，聚酰亚胺树脂粉40份，碳纤维粉30份（碳纤维直径6μm，长径比20:1)。
27.上述超硬树脂砂轮的制备方法，其包括以下步骤：1）按配方份数称取所需原材料自锐性金刚石、聚酰亚胺树脂粉和碳纤维粉，装入球磨罐，球料比2:1，100转/分钟下球磨混合12h，获得混合料，取出，备用；2）将步骤1）得到的混合料加入到混炼机中混炼，混炼机的辊温100℃，薄通数次，待混合料颜色均匀一致后，取出，冷却，备用；3）将步骤2）所得混炼后的混合料用硬物敲碎，再次装入球磨罐进行球磨混合，球料比2:1，200转/分钟下球磨混合24h，获得成型料，取出，备用；4）步骤3）得到的成型料按成型所需重量准确称重，待成型模具按图纸要求组装后均匀投料，压机压实，置于230℃条件下保温2小时，冷却，脱模，获得砂轮半成品，备用；5）步骤4）得到的砂轮半成品按照图纸要求进行加工，即得成品led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮。
28.对比例2一种超硬树脂砂轮的制备方法，由下述体积份数的原料组成：自锐性金刚石20份，聚酰亚胺树脂粉30份，硼酸铝晶须50份。
29.上述超硬树脂砂轮的制备方法，其包括以下步骤：1）按配方份数称取所需原材料自锐性金刚石、聚酰亚胺树脂粉和硼酸铝晶须，装入球磨罐，球料比2:1，110转/分钟下球磨混合10h，获得混合料，取出，备用；
2）将步骤1）得到的混合料加入到混炼机中混炼，混炼机的辊温90℃，薄通数次，待混合料颜色均匀一致后，取出，冷却，备用；3）将步骤2）所得混炼后的混合料用硬物敲碎，再次装入球磨罐进行球磨混合，球料比2:1，190转/分钟下球磨混合26h，获得成型料，取出，备用；4）步骤3）得到的成型料按成型所需重量准确称重，待成型模具按图纸要求组装后均匀投料，压机压实，置于250℃条件下保温1小时，冷却，脱模，获得砂轮半成品，备用；5）步骤4）得到的砂轮半成品按照图纸要求进行加工，即得成品led陶瓷基板材料切割用超硬树脂砂轮。
30.切割试验对上述实施例1制备所得的超硬树脂砂轮进行led陶瓷基板材料切割性能的测试，具体为：将制备的超硬树脂砂轮试样（同时以进口砂轮作为对照，进口砂轮生产厂家为以色列adt公司，牌号00777-h053-007-c07），采用型号为dad 3350划片机，在转速30000rpm、进给速度4mm/s条件下，切割厚4mm的高功率led产品（基板材料为氧化铝96瓷），然后在显微镜下测量崩瓷尺寸和工件垂直度。
31.切割后工件断面处的崩瓷尺寸如图2和图3所示。
32.图2和图3分别给出了采用本发明超硬树脂砂轮、进口砂轮切割后的led产品的崩瓷尺寸测量图。图中可以看出：本发明砂轮切割最大崩瓷尺寸为19.86μm，进口砂轮切割最大崩瓷尺寸为27.58μm，本发明砂轮具有更好的切割品质。
33.表1给出了本发明制备所得超硬树脂砂轮和进口砂轮的使用性能对比。由表1可知：本发明超硬树脂砂轮在改善切割品质的同时（最大崩瓷尺寸19.86μm，优于进口砂轮的27.58μm；工件垂直度90.57
°
，优于进口砂轮的91.62
°
），砂轮的使用寿命也得到了较大提高（本发明超硬树脂砂轮使用寿命为240m，远远优于进口砂轮的100m）。
34.表1 为本发明砂轮和进口砂轮使用性能对比结果同时，在相同切割实验条件下，采用本发明实施例2、3制备所得超硬树脂砂轮对led陶瓷基板材料进行切割实验，试验结果发现：采用本发明超硬树脂砂轮切割陶瓷基板材料，其最大崩瓷尺寸≤20μm，工件垂直度90
±1°
，使用寿命＞200m。
35.同时，在相同切割实验条件下，采用对比例1、2制备所得超硬树脂砂轮对led陶瓷基板材料进行切割实验，试验结果发现：对比例1中将硼酸铝晶须更换为碳纤维粉，其最大崩瓷尺寸为35.15μm，工件垂直度90
±1°
，使用寿命120m；对比例2中自锐性金刚石和硼酸铝晶须用量超出本发明所述体积范围后，切割产品最大崩瓷尺寸为24.92μm，工件垂直度90
±2°
，使用寿命68m。由此说明，脱离本发明砂轮配方的其他体系，切割时容易导致崩瓷尺寸过
大，使用寿命显著降低，工件垂直度较差等缺陷，无法达到和满足相应的切割效果。
36.综上说明，本发明超硬树脂砂轮可以解决现有led陶瓷基板材料切割加工过程中存在的问题，满足切割加工需求，改善切割品质，减小砂轮切割过程中的偏摆，产品切割垂直度可达到90
±1°
，降低崩瓷尺寸（最大崩瓷尺寸≤20μm），大幅提高砂轮的使用寿命，使用寿命可达到200m以上。本发明超硬树脂砂轮及其制造方法可为典型难加工硬脆材料的切割加工做出贡献。