專利名稱：研磨工具的制作方法
本申請是1998年3月提交的US 09／049，623的部分繼續(xù)申請。本發(fā)明涉及適于對硬脆性材料(如陶瓷和包括陶瓷的復(fù)合材料)進行精確磨削的、以及適于對陶瓷晶片進行表面磨削的研磨工具，其外周輪的速度可達160米／秒。該研磨工具包括一輪芯或輪轂，該輪芯通過一能在磨削過程中保持熱穩(wěn)定的粘接劑而粘附于一金屬的、粘接的超級研磨輪圈。這些研磨工具能以高磨削率(例如19-380厘米3／分／厘米)對陶瓷進行磨削，與傳統(tǒng)的磨削工具相比，這種磨削工具的磨損較小，并且對工件的損傷也比較小。
授予Li的US-A-5，607，489揭示了一種適于磨削藍寶石和其它陶瓷材料的研磨工具。這種研磨工具含有包覆金屬的金剛石，這些金剛石粘接在包含2-20％(體積百分比)的固體潤滑劑和至少10％(體積百分比)空隙的玻璃化基體中。
授予Keat的US-A-3，925，035揭示了一種研磨工具，這種研磨工具含有粘接在一金屬基體內(nèi)的金剛石，基體內(nèi)帶有選定的15-50％(體積百分比)的填料，如石墨。這種工具可用來磨削硬質(zhì)合金。
授予Van der Pyl的US-A-2，238，351揭示了一種借助由金屬粘接的金剛石研磨顆粒制成的切割輪。用于粘接的材料包括銅、鐵、錫、以及可選用的鎳，被粘接的研磨顆?？捎羞x擇地借助一釬焊步驟而燒結(jié)到一鋼芯上，以確保具有足夠的粘接牢度。最佳的粘接料的洛氏硬度RB為70。
美國專利US-Re-21，165揭示了一種含有細金剛石顆粒(金剛石粉)的研磨工具，所述細金剛石顆粒粘接在一個具有相對較低熔化溫度的金屬粘接料(如青銅)中。這種低熔化溫度的粘接料可避免細金剛石顆粒發(fā)生氧化。研磨輪圈是構(gòu)造成為單個的、環(huán)形的研磨段，隨后再附連于一個鋁制或其它材料的中心圓盤。
業(yè)已證明，這些材料在對陶瓷元件進行精細研磨時都不能完全讓人滿意。當(dāng)以一種符合市場化要求的可行磨削速率工作時，這些工具不能滿足對零部件的形狀、尺寸和表面質(zhì)量的嚴(yán)格規(guī)定。很多被推薦用于此類作業(yè)的常用研磨工具都是樹脂或玻璃體粘接的超級研磨輪，這些研磨輪是設(shè)計成以相對較低的磨削速率來工作，以避免對陶瓷元件的表面和表面下造成損壞。由于陶瓷工件趨向于阻塞磨輪表面，因而會進一步降低磨削效率，這樣就需要頻繁地為磨輪敷料和修整，以維持其具有精確的形式。
隨著市場上對諸如發(fā)動機、耐火設(shè)備和電子裝置(例如晶片、磁頭和顯示窗)等產(chǎn)品中的精密陶瓷元件的需求日益增長，迫切需要可對陶瓷進行精密磨削的改進的研磨工具。
在對用于電子元件的高性能陶瓷材料，如碳化鈦鋁(AlTiC)進行光整時，表面磨削或“背磨(backgrinding)”作業(yè)要求以小的力、相對較低速度的磨削作業(yè)來獲得高質(zhì)量的光滑表面。對這些材料進行背磨時，磨削效率在很大程度上取決于工件的表面質(zhì)量以及對所施加力(即，由于高材料磨除率和磨輪磨損阻力而施加的力)的控制。
本發(fā)明涉及一種表面磨削用研磨工具，包括一輪芯、一圓形外周部分以及一由多個研磨段限定的研磨邊沿，所述輪芯的最小比強度參數(shù)為2．4MPa-cm3／g，密度為0．5-8．0g／cm3；設(shè)各研磨段總體積為100體積％，其中包括有0．05-10體積％的超級研磨顆粒，10-35體積％的脆性填料，55-89．95體積％的金屬粘接料基體，該基體的斷裂韌度為1．0-3．0MPa M1／2。其中比強度參數(shù)是定義為材料的屈服強度或斷裂韌度除以材料的密度。脆性填料選自于由石墨、六角氮化硼、空心陶瓷球、長石、霞石正長巖、浮石、煅燒粘土和玻璃球，以及它們的組合所構(gòu)成的組。在一較佳實施例中，金屬粘接料基體包括最大為5體積％的孔隙率。


圖1示出了一個由粘結(jié)于一金屬輪芯外周的若干個研磨段組成的連續(xù)輪圈，該輪圈形成一個1A1型研磨輪。
圖2示出了一個由粘結(jié)于一金屬輪芯外周的若干個研磨段組成的不連續(xù)輪圈，該輪圈形成一個杯形研磨輪。
圖3示出了在借助實例5的研磨輪對一碳化鈦鋁進行磨削的過程中，坯料的磨除數(shù)量與所施加之法向力之間的關(guān)系。
本發(fā)明的研磨工具是研磨輪，該研磨輪包括一具有一用于將研磨輪安裝到磨床上的中心孔的輪芯，該輪芯是設(shè)計成可以沿著研磨輪的外周來支承一金屬粘接的超級研磨輪圈。研磨輪的這兩個部分是借助一在磨削條件下保持熱穩(wěn)定的粘接劑而保持相互結(jié)合狀態(tài)，研磨輪及其構(gòu)件是設(shè)計成能承受當(dāng)輪子外周速度達到至少80米／秒最好是達到160米／秒時產(chǎn)生的應(yīng)力。較為理想的工具是1A研磨輪和杯形研磨輪，如2型或6型研磨輪或11V9型鐘狀杯形研磨輪。
輪芯基本上是圓的。輪芯可以由任何最小比強度為2．4MPa-cm3／g，最好是40-185MPa-cm3／g的材料制成。輪芯材料的密度為0．5-8．0g／cm3，最好是2．0-8．0g／cm3。合適材料的例子是鋼、鋁、鈦和青銅，以及它們的復(fù)合物、合金和組合?？梢圆捎镁哂幸?guī)定的最小比強度的加強塑料來制作輪芯。復(fù)合物和加強的輪芯材料通常具有金屬的或塑料基體的連續(xù)相，它們經(jīng)常是粉末形式的，可添加較硬的、更具彈性的和／或密度較小的材料來作為一不連續(xù)的相。適于用作本發(fā)明工具之輪芯的加強材料是玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、陶瓷纖維、陶瓷顆粒、以及中空的填充材料，如玻璃、高鋁紅柱石、剛玉和Zeolite球粒。
可采用鋼或其它密度為0．5-8．0g／cm3的材料來制作用于本發(fā)明工具的輪芯。在制作用于高速磨削(例如至少80米／秒)的輪芯時，粉末狀的輕金屬(如密度約為1．8-4．5g／Gm3)，如鋁、鎂和鈦以及它們的合金和混合物是較為理想的材料。鋁和鋁合金特別理想。如果采用共燒結(jié)裝配工藝來制作研磨工具，則可選用燒結(jié)溫度在400至900℃，最好是570至650℃之間的金屬?？梢蕴砑拥兔芏忍盍蟻頊p輕輪芯的重量。多孔和／或中空陶瓷或玻璃填料，如玻璃球粒和高鋁紅柱石球粒是適用于此目的的較為合適的材料。還可以采用無機的或非金屬的纖維材料。當(dāng)工藝條件指定時，可以在壓制和燒結(jié)之前，對金屬粉末添加在金屬粘接和超級研磨技術(shù)領(lǐng)域眾所周知的、有效數(shù)量的潤滑劑或其它工藝助劑。
研磨工具應(yīng)該是牢固、耐用和具有尺寸穩(wěn)定性的，以便承受由于高速作業(yè)而產(chǎn)生的潛在的破壞力。輪芯必須具有某一最小的比強度，以使輪芯以實現(xiàn)80-160米／秒的切向接觸所必須的非常高的角速度來運轉(zhuǎn)。本發(fā)明輪芯材料所需的最小比強度參數(shù)是2．4MPa-cm3／g。
比強度參數(shù)是定義為輪芯材料的屈服(或斷裂)強度除以輪芯材料的密度。在斷裂強度低于屈服強度的脆性材料的情況下，比強度參數(shù)取決于較小的數(shù)值，即斷裂強度。材料的屈服強度是當(dāng)施加于材料時能使其變形量持續(xù)增大而力不必增大的最小的力。例如，被硬化至大約240(布氏硬度)以上的ANSI 4140鋼具有大于700MPa的抗拉強度。這種鋼材的密度是大約7．8g／cm3。因此，其比強度參數(shù)是大約90MPa-cm3／g。類似地，被熱處理成布氏硬度達100以上的特定鋁合金，例如Al 2024、Al 7075和Al 7178的抗拉強度超過300MPa。這些鋁合金的密度低至大約2．7g／cm3，因而其比強度大于110MPa-cm3／g。被制造成密度低于8．0g／cm3的鈦合金以及青銅復(fù)合物和合金也是適用的。
輪芯材料應(yīng)該是堅韌的、在磨削區(qū)域達到例如50-200℃時仍保持熱穩(wěn)定的、能耐受與在磨削過程中使用的冷卻劑和潤滑劑的化學(xué)反應(yīng)、以及能耐受由于磨削碎屑在研磨區(qū)域的運動而造成的侵蝕所形成的磨損。雖然某些剛玉和其它陶瓷材料具有可接收的失效值(如超過60MPa-cm3／g)，它們通常還是太脆，會在高速磨削時斷裂而造成結(jié)構(gòu)失效。因此，陶瓷并不適于用作工具的輪芯。金屬、特別是硬化的工具鋼是比較理想的。
可用于本發(fā)明之研磨輪的研磨部分是安裝在一輪芯上的分段的或連續(xù)的輪圈。圖1示出了一個分段的研磨輪圈。輪芯2具有一中心孔3，用于將研磨輪安裝到一動力驅(qū)動裝置(未圖示)的輪軸上。研磨輪的輪圈包括嵌設(shè)(最好是均勻地分布)在一金屬基體粘接料6中的超級研磨顆粒4。多個研磨段8組成了圖1所示的研磨輪圈。雖然圖中所示的實施例示出了十個研磨段，但研磨段的數(shù)量并非關(guān)鍵因素。如圖1所示的研磨段均具有截頭的矩形環(huán)形狀(弧形)，其長度為1，寬度為w，厚度為d。
可以將如圖1所示研磨輪的實施例看成是可根據(jù)本發(fā)明成功操作的研磨輪的代表，但不應(yīng)將其看成是一種限制。分段研磨輪的各種幾何形狀的變化包括如圖2所示的、具有穿過輪芯的孔以及形成在各連續(xù)段之間的間隙的杯形研磨輪，以及研磨段的寬度不同于輪芯的研磨輪?？谆蜷g隙有時可用來提供將冷卻劑傳導(dǎo)至磨削區(qū)域以及將磨屑引離磨削區(qū)域的通道。有時，可采用一寬度大于輪芯的研磨段，以在研磨輪徑向地經(jīng)過工件時，保護輪芯結(jié)構(gòu)不與碎屑接觸而免受侵蝕。
研磨輪可以這樣來制造，即，先形成尺寸預(yù)先選定的各個研磨段，再借助適當(dāng)?shù)恼澈蟿⑦@些預(yù)成形的研磨段粘附于輪芯的外周9。另一種較佳的制造方法包括形成由研磨顆粒和粘接料的粉末混合物組成的研磨段前體單元，圍繞輪芯的外周來模制這些組份，在原處通過加熱和加壓來產(chǎn)生和附連所述研磨段(即，使所述輪芯和輪圈共同燒結(jié))。共燒結(jié)工藝是用來制作背磨晶片和硬陶瓷芯片(如AlTiC)的磨面杯形研磨輪的較為理想的工藝。
本發(fā)明之研磨工具的研磨輪圈部分可以是分別如圖1和2所示的連續(xù)的輪圈和不連續(xù)的輪圈。連續(xù)的輪圈可以包括一個研磨段或至少兩個研磨段，這些研磨段在各自的模具中單獨燒結(jié)，然后再借助一熱穩(wěn)定的粘接料(即，在磨削過程中，在研磨段的離開研磨表面的部分上遇到的溫度下(通約為50-350℃)能保持穩(wěn)定的粘接劑)分別安裝到輪芯上。如圖2所示，不連續(xù)的輪圈是由至少兩個這樣的研磨段制成的，這些研磨段通過輪圈上的狹槽或間隙分開，不像連續(xù)的輪圈那樣沿著長度1的方向頭尾相連地布置。這些附圖示出了本發(fā)明的較佳實施例，但并不意味著一定要將本發(fā)明限制成這樣的形式，例如，可以將不連續(xù)輪圈用于1A研磨輪，也可以將連續(xù)的輪圈用于杯形研磨輪。
對高速磨削而言，特別是對圓柱形工件的磨削而言，采用1A型的研磨輪是比較理想的。與模制成單件環(huán)形的單個連續(xù)研磨輪相比，分段的連續(xù)研磨輪圈是比較理想的，因為在研磨工具的制造過程中，由多個研磨段更容易達成一真實的圓形的、平面的形狀。
對低速磨削而言，特別是對扁平工件的表面磨削和光整而言，不連續(xù)的研磨輪圈(如圖2所示的杯形輪圈)是較為理想的。由于在低速表面光整的作業(yè)過程中，表面質(zhì)量是非常重要的因素，因而可以在各研磨段之間形成狹槽或者省略輪圈上的某些研磨段，以幫助去除可能刮傷工件表面的廢料。
研磨輪圈部分包含結(jié)合在一金屬基體粘接料中的超級研磨顆粒，這通常是通過將金屬粘接料粉末和研磨顆粒在一模具中燒結(jié)而形成的，所述模具是設(shè)計成能獲得所需尺寸和形狀的輪圈或輪圈的研磨段。
用于研磨輪圈的超級研磨顆?？梢赃x自天然和人造的金剛石、CBN、以及這些磨料的組合。顆粒的尺寸和類型可根據(jù)工件的特性以及研磨工藝的類型來選擇。例如，在進行藍寶石或AlTiC的磨削和拋光時，采用尺寸為2至300微米的超級研磨顆粒是比較理想的。對剛玉磨削而言，超級研磨顆粒的尺寸為大約125至300微米(60至120粒度諾頓公司的粒度尺寸)大致是比較理想的。對氮化硅磨削而言，顆粒尺寸為大約45至80微米(200至400粒度)大致是比較理想的。對表面磨削而言，細顆粒度較好，而對圓柱體、構(gòu)形或內(nèi)徑磨削等需要除去大量材料的磨削作業(yè)而言，最好是采用比較粗的顆粒度。
按研磨輪圈的體積百分比，研磨工具包括0．05至10％(體積百分比)的超級研磨顆粒，最好是包括0．5-5％(體積百分比)?？梢蕴砑由倭康挠捕刃∮诮饘僬辰恿匣w的脆性填充材料來作為粘接料填料，以提高粘接料的磨損速率。按輪圈部分的體積百分比，可以采用10-35％(體積百分比)，最好是15至35％(體積百分比)的填料。合適的脆性填料必須具有適當(dāng)?shù)哪蜔岷湍蜋C械沖擊的特性，以便在制造研磨段和裝配研磨輪的燒結(jié)溫度和壓力條件下得以保持。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、長石、霞石正長巖、浮石、煅燒粘土和玻璃球，以及它們的組合。
在此，可采用適于粘接超級磨料并具有1．0至6．0MPa·m1／2(最好是2．0至4．0MPa·m1／2)的斷裂韌度的金屬粘接料。斷裂韌度就是會在材料中產(chǎn)生裂紋并使裂紋傳播而導(dǎo)致材料斷裂的張力強度系數(shù)。斷裂韌度可以用K1c=(σf)(π1／2)(c1／2)來表示，其中K1c表示斷裂韌度，σf表示施加于裂紋的張力，而c表示裂紋長度的一半。有幾種方法可以用來確定斷裂韌度，每一種方法都是先在測試材料中產(chǎn)生一尺寸已知的裂紋，隨后再施加一張力載荷，直到材料斷裂?？梢詫⒃跀嗔烟幓蛄鸭y處的張力代入上述等式而計算出斷裂韌度(例如，鋼的斷裂韌度是大約30-60MPa·m1／2，鋁的斷裂韌度是大約2-3MPa·m1／2，氮化硅的斷裂韌度是大約4-5MPa·m1／2，氧化鋯的斷裂韌度是大約7-9MPa·m1／2)。
為了使研磨輪的壽命和磨削性能最優(yōu)化，在磨削過程中，粘接料的磨損率應(yīng)該等于或略高于磨料顆粒的磨損率?？梢栽诮饘僬辰恿现刑砑尤缟纤龅奶盍蟻頊p小研磨輪的磨損率。若要在磨削過程中獲得較高的材料磨除率，趨向于形成相對較為致密的粘接結(jié)構(gòu)(即孔隙率小于5％(體積百分比))的金屬粉末是比較理想的。
可用作輪圈金屬粘接料的材料包括但不限于青銅、銅鋅合金(黃銅)、鈷和鐵、以及它們的合金及混合物。這些金屬可以有選擇地與鈦或鈦的氫化物、或者是能在超級研磨顆粒的表面子選定的燒結(jié)條件下形成碳或氮的化學(xué)鍵的其它超級研磨反應(yīng)材料(即活性粘接料成分)一起使用，以便加強磨粒／粘接料的聯(lián)系。比較強的磨粒／粘接料的相互反應(yīng)可限制磨粒的過早損失和工件的損壞，以及因為過早的磨粒損失而造成的工具壽命的縮短。
在研磨輪圈的一個較佳實施例中，金屬基體構(gòu)成了輪圈的55-89．95％(體積百分比)，最好是60-84．5％(體積百分比)。易碎或脆性填料構(gòu)成了研磨輪圈的10-35％(體積百分比)，最好是15-35％(體積百分比)。在研磨段的制造過程中，金屬基體粘接料的孔隙率應(yīng)該保持為至多5％(體積百分比)。金屬粘接料的硬度最好是努氏2-3GPa。
在1A型研磨輪的較佳實施例中，輪芯是鋁制的，輪圈包含由銅和錫粉末(80／20wt．％)制成的青銅粘接料，可選擇的是，可采用添加了0．1-3．0wt％(最好是0．1-1．0wt％)的磷的磷／銅粉末。在各研磨段的制造過程中，將該成分的金屬粉末與100-400粒度(160至45微米)的金剛石研磨顆粒相混合，將它們模制成研磨輪圈的各個段，并在400-550℃的溫度下和在20-33MPa的壓力下燒結(jié)和壓制，以獲得一致密的研磨輪圈，最好是具有至少為95％理論密度(即包括不超過大約5％(體積百分?jǐn)?shù))的孔隙)的致密度。
在普通的共燒結(jié)研磨輪制造過程中，是將輪芯的金屬粉末注入到一鋼模中，并在80至200 kN(大約10-50MPa的壓力)下冷壓而形成一個半成品，其尺寸約為輪芯最終所需厚度的1．2至1．6倍。將半成品輪芯放到一石墨模具中，向位于輪芯和石墨模具外邊沿之間的模腔內(nèi)加入研磨顆粒(2至300微米的粒度)和金屬粘接料粉末的混合物?？刹捎靡辉O(shè)定環(huán)將磨粒和金屬粘接料粉末壓實成具有與預(yù)成形的輪芯相同的厚度。隨后，在370-410℃的溫度下以及在20至48 MPa的壓力下對石墨模具中的成分壓制6到10分鐘。與本技術(shù)領(lǐng)域眾所周知的一樣，溫度可以呈斜坡上升(例如，用6分鐘時間從25升至410℃；在410℃保持15分鐘)，或者是在對模制物施加壓力之前逐漸升高。
在熱壓之后，將成形件與石墨模具分開，使之冷卻，并借助傳統(tǒng)的技術(shù)進行精加工而獲得一具有所需尺寸和精度的研磨輪圈。例如，可以用磨床上的玻璃體研磨輪或車床上的碳化物車刀來對成形件進行精加工。
當(dāng)把輪芯與輪圈共同燒結(jié)時，必須除去少量的材料以使成形件達到其最終形狀。在于研磨輪圈和輪芯之間形成熱穩(wěn)定粘接的其它方法中，在凝結(jié)、交聯(lián)和擴散步驟之前，可能需要對輪芯和輪圈這兩者進行機加工，以確保成形件具有足以用于接配和粘接的表面。
當(dāng)利用分段研磨輪圈在輪圈和輪芯之間形成一熱穩(wěn)定的粘接時，可以采用任何強度足以承受160米／秒之輪周速度的熱穩(wěn)定粘合劑。熱穩(wěn)定粘合劑對于在離開磨削面的各研磨段的部分處遇到的磨削加工溫度而言是穩(wěn)定的。這樣的溫度通常是大約50-350℃。
粘合劑的粘接從機械上說應(yīng)該是非常牢固的，以便承受在研磨輪的旋轉(zhuǎn)過程中以及在磨削的過程中存在的破壞力。兩組份環(huán)氧樹脂膠合劑是比較理想的。較佳的環(huán)氧樹脂膠合劑，TechnodyneHT-18環(huán)氧樹脂(購自日本的Taoka化學(xué)公司)及其改型的氨基硬化劑可以以一種100份樹脂對19份硬化劑的比例相互混合。可以在每100份樹脂中加3．5份的比例添加填料(如細硅粉末)以增強膠合劑的粘性?？梢越柚z合劑將各研磨段圍繞研磨輪輪芯的整個外周來安裝，或者圍繞輪芯外周的一部分來安裝?？梢詫饘佥喰镜耐庵苓M行噴砂處理，以便在附連各研磨段之間獲得一定的粗糙度。將加厚的環(huán)氧樹脂膠合劑涂敷于各研磨段的兩端和底部，這些研磨段基本上如圖1所示的那樣定位，并且在固化過程中機械地保持。環(huán)氧樹脂膠合劑允許固化(例如在室溫下24個小時，繼之以在60℃下48個小時)。通過在固化過程中添加足夠的填料而令環(huán)氧樹脂膠合劑的粘性最優(yōu)化，可以使膠合劑在研磨段的固化和移動過程中的排出量最小。
與測試研磨輪爆裂的情況一樣，可以以45轉(zhuǎn)／分鐘的轉(zhuǎn)速來測試粘合強度。研磨輪需要至少等同于271米／秒切向接觸速度的已證實爆裂額定值，以便在目前美國規(guī)定的160米／秒的切向接觸速度安全標(biāo)準(zhǔn)下進行作業(yè)。
本發(fā)明的研磨工具特別是為了精密研磨和脆性材料(如高級陶瓷材料、玻璃、以及含有陶瓷材料和陶瓷復(fù)合材料的元件)的光整而設(shè)計的。本發(fā)明的工具對陶瓷材料的研磨是比較理想的，陶瓷材料包括但不限于硅、單晶或多晶氧化物、碳化物、硼化物和硅化物；多晶金剛石；玻璃；以及非陶瓷基體的陶瓷復(fù)合物；以及它們的組合。典型的工件材料包括但不限于AlTiC、氮化硅、氧氮化硅、穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鋁(例如藍寶石)、碳化硼、氮化硼、二硼化鈦、氮化鋁、和這些陶瓷的復(fù)合物，以及特定的金屬基體復(fù)合物如凝結(jié)的碳化物，和硬脆性的多孔材料如礦化玻璃。無論是單晶陶瓷還是多晶陶瓷都可以用本發(fā)明的改進的研磨材料來加以研磨。對每一種類型的陶瓷而言，陶瓷元件的質(zhì)量和磨削作業(yè)的效率隨著研磨輪外周速度的增加而提高，直到速度達80-160米／秒。
可利用本發(fā)明的研磨工具獲得改善的陶瓷元件包括陶瓷的發(fā)動機閥門和閥桿、泵密封件、球軸承和管接頭、切割刀具的鑲嵌件、耐磨部件、用于金屬成形的拉模、耐火元件、顯示窗、用于擋風(fēng)罩的平板玻璃、門和窗、絕緣件和電子元器件、以及陶瓷電子元器件包括但不限于硅晶片、AlTiC芯片、讀寫磁頭和基片。
除非另有所指，以下各實例中的所有份數(shù)和百分比都是按重量計算的。這些實例僅用于描述本發(fā)明，并不對本發(fā)明有任何的限制。
實例1利用下述的原料和方法將本發(fā)明的研磨輪制備成為1A1金屬粘接金剛石研磨輪。
制備由43．74wt％的銅粉末(枝晶的FS等級，顆粒度為+200／-325目，從紐約州Ghent的Sintertech國際市場公司購得)6．24wt％的磷／銅粉末(等級1501，顆粒度+100／-325，從賓夕法尼亞州Palmerton的新澤西鋅公司購得)；以及50．02wt％的錫粉末(等級MD115，顆粒度+325目，從新澤西州Elizabeth的Alcan金屬粉末有限公司)組成的混合物。對該金屬粉末混合物添加金剛石研磨顆粒(320粒度尺寸的人造金剛石，可從俄亥俄州Worthington的通用電氣公司購得)，并使它們均勻地混合。將該混合物放到一石墨模具中，并在3000psi(2073N／cm2)的壓力下以及在407℃的溫度下熱壓15分鐘，直到形成一個具有高于95％的理論值的目標(biāo)致密度的基體(例如，對實例2中的#6研磨輪而言，＞98．5％的理論致密度)。#6研磨輪的各研磨段的洛氏B硬度RB為108。研磨段中包含18．75％(體積百分比)的研磨顆粒。將這些研磨段磨削成所需的精確幾何形狀，以便與一機加工的鋁制輪芯(可從馬薩諸塞州Tewksbury的Yarde金屬公司購得的7075 T6鋁材)的外周相匹配，從而獲得一個外徑為大約393mm，研磨段為0．62cm厚的研磨輪。
借助一填充有環(huán)氧樹脂膠合劑(可從日本的Taoka化學(xué)公司購得的Technodyne HT-18粘合劑)的二氧化硅將研磨段與鋁制輪芯裝配起來，借以獲得包括由多個研磨段組成的連續(xù)輪圈的研磨輪。輪芯與各研磨段的接觸面需經(jīng)過去油脂和噴砂處理，以確保具有足夠的粘合力。
為了獲得這種新型研磨輪的最大工作速度，按照諾頓公司的最大工作速度測試辦法，使尺寸齊全的各種研磨輪旋轉(zhuǎn)至其破壞，以確定其爆裂強度和額定的最大工作速度。下表概括了直徑為393mm的實驗金屬粘接研磨輪的典型例子的爆裂測試數(shù)據(jù)。
試驗的金屬粘接研磨輪的爆裂強度數(shù)據(jù)

按照這些數(shù)據(jù)，這種設(shè)計的試驗研磨輪的最大工作速度可達90m／s(17，717表面英尺／分)。借助于制造工藝方面和研磨輪設(shè)計方面的改進，還能進一步地實現(xiàn)高達160m／s的工作速度。
實例2研磨性能的評估按照實例1的方法制作三個直徑為393mm、厚度為15mm、中心孔為127mm(15．5英寸×0．59英寸×5英寸)的試驗金屬粘接分段研磨輪(理論致密度為95．6％的#4研磨輪、理論致密度為97．9％的#5研磨輪、以及理論致密度為98．5％的#6研磨輪)，對它們的研磨性能進行測試。先以32和80m／s的速度對研磨輪進行測試，雖然所有的試驗研磨輪都是合格的，但其中#6研磨輪的研磨性能最佳。對#6研磨輪的測試是以三種測試速度進行的，即32m／s(6252sfpm)、56m／s(11，000sfpm)、以及80m／s(15，750sfpm)。用兩個可以從市場上買到的已有技術(shù)的研磨輪對高級的陶瓷材料進行研磨以充當(dāng)對照物，將它們與本發(fā)明的研磨輪一起進行測試。其中一個是玻璃體粘接的金剛石研磨輪(可從馬薩諸塞州Worcester的諾頓公司購得的SD320-N6V10研磨輪)，另一個是樹脂粘接的金剛石研磨輪(可從馬薩諸塞州Worcester的諾頓公司購得的SD320-R4BX619C研磨輪)。對樹脂研磨輪是以全部三個速度進行測試。出于對容許速度的考慮，對玻璃體研磨輪僅以32m／s(6252sfpm)的速度進行測試。
在碳化硅工件上進行超過1000次的切入磨削，磨削的寬度為6．35mm(0．25英寸)，厚度為6．35mm(0．25英寸)。磨削的測試條件是磨削測試條件機床S40 CNC型Studer磨床研磨輪規(guī)格SD320-R4BX619C，SD320N6V10，尺寸直徑393mm，厚度15mm，孔徑127mm。
研磨輪速度32、56和80m／s(6252、11000、以及15750sfpm)冷卻劑Inversol 22 @60％的油和40％的水冷卻劑壓力270psi(19kg／cm2)材料磨除速率變化的，開始時為3．2mm3／s／mm(0．3in3／分鐘／英寸)工件材料Si3N4(NT551氮化硅棒料，從馬薩諸塞州Northboro的諾頓高級陶瓷公司購得)，直徑×長度為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徑25．4mm(1英寸)工件最終直徑6．35mm(0．25英寸)對需要修整和敷料的工作而言，適合于本發(fā)明之金屬粘接研磨輪的條件是修整工作研磨輪5SG46IVS(購自諾頓公司)研磨輪尺寸直徑152mm(6英寸)研磨輪速度3000rpm；相對于研磨輪在+0．8的比率導(dǎo)程0．015英寸(0．38mm)補償量0．0002英寸敷料工作修整棒37C22OH-KV(SiC)方式手持修整棒敷料測試是對碳化硅棒料以一種圓柱外周切入進給的方式進行研磨的。為了使工件材料在磨削過程中保持有最佳的硬度，將88．9mm長的試樣夾持在一卡盤中，暴露出大約31mm(1-1／4英寸)以供磨削。每一組切入磨削測試都是從棒料的遠端開始的。首先，研磨輪形成一個寬度為6．35mm(1／4英寸)、徑向深度為3．18mm(1／8英寸)的切入磨痕而完成一次測試。隨后，重新調(diào)整工件的轉(zhuǎn)速，以補償由于工件直徑縮小而減小的工件轉(zhuǎn)速。在同樣的位置上再形成兩個類似的切入磨痕，使工件的直徑從25．4mm(1英寸)縮小至6．35mm(1／4英寸)。隨后，使研磨輪向卡盤方向橫向地移動6．35mm(1／4英寸)，以進行下面的三次切入磨削。需向著試樣的同一側(cè)橫向移動四次，以在一試樣的一端完成12次切入磨削。隨后，將試樣反過來，暴露出另一端來進行另外12次切入磨削。對每個試樣需進行總共24次切入磨削。
將本發(fā)明的金屬粘接研磨輪與樹脂和玻璃體粘接研磨輪的最初的比較測試是以32m／s的外周速度、并以從大約3．2mm3／s／mm(0．3英寸3／分鐘／英寸)至10．8mm3／s／mm(1．0英寸3／分鐘／英寸)的三個材料磨除速率來進行的。表1示出了在進行了12次切入磨削之后，三種不同類型的研磨輪的性能差別，這些性能上的差別是用G-比率來表示的。G-比率是磨除材料的體積與磨輪損耗體積之比。測試數(shù)據(jù)顯示在材料磨除率較高的情況下，N等級的玻璃體研磨輪的G比率優(yōu)于R等級的樹脂研磨輪，這表明在磨削陶瓷工件時，較軟的研磨輪具有較佳的性能。然而，在各種材料磨除率的情況下，較硬的試驗用金屬粘接研磨輪(#6)的性能遠好于樹脂研磨輪和玻璃體研磨輪。
表1示出了在各種材料磨除率的情況下，樹脂磨輪與新的金屬粘接研磨輪(#6)的估計的G比率。由于對金屬粘接研磨輪而言，在每個材料磨除率情況下的12次磨削之后測不到研磨輪磨損量，所以為每次磨削賦予一個象征性的磨輪徑向磨損數(shù)值0．01mil(0．25μm)。這樣就能獲得一個估算的G-比率6051。
雖然本發(fā)明的金屬粘接研磨輪包含75的金剛石濃度(在研磨段中有大約18．75％(體積百分比)的磨粒)，樹脂和玻璃體研磨輪分別為100濃度和150濃度(體積百分比分別是25％和37．5％)，但本發(fā)明的研磨輪還是顯現(xiàn)出優(yōu)良的研磨性能。
表1示出了從利用上述三種研磨輪以低速磨削的試樣上測得的表面光潔度(Ra)和波度(Wt)。波度值Wt是波形上最大波峰與波谷的比值。所有表面光潔度的數(shù)值都是在無火花的圓柱切入磨削所產(chǎn)生的表面上測得的。這些表面通常比橫向磨削所產(chǎn)生的表面更加粗糙。
表1示出了所有三種類型的研磨輪在各種材料磨除率的情況下的磨削能量消耗的差別。與其它兩種研磨輪相比，樹脂研磨輪所消耗的能量較少；然而，試驗用的金屬粘接研磨輪和玻璃體研磨輪的能量消耗也是可堪媲美的。試驗用研磨輪的能量消耗對陶瓷磨削而言是可接受的，特別是由于本發(fā)明的研磨輪具有較理想的G比率和表面光潔度?？偟膩碚f，業(yè)已證明，本發(fā)明的研磨輪所消耗的能量與材料磨除率成正比。
表1試樣材 料 研 磨 切 向 單 位 比 能 G - 比 表 面 波 度磨 除 輪 速 力消 耗 量率 光 潔 Wtμm率度N／mm 功率 W·s／ 度mm3／s m/s W／mm mm3Raμm／mm樹脂研磨輪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玻璃體研磨輪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金屬試驗用研磨輪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當(dāng)在相同的條件下以80m／s(15，750sfpm)的速度進行另外一個附加的磨削測試而測量磨削性能時，在材料磨除率(MRR)為9．0mm3／s／mm(0．8英寸3／分鐘／英寸)的情況下，樹脂研磨輪與試驗用金屬研磨輪的能耗是可媲美的。如表2所示，在MRR變大的情況下，試驗用研磨輪可以正常地工作而不損失性能或可接受的功率負(fù)載。金屬粘接的研磨輪的功率大致與MRR成正比。在本研究報告中所能實現(xiàn)的最高MRR是47．3mm3／s／mm(28．4cm3／分鐘／cm)。
表2中的數(shù)據(jù)是12次磨削的平均值。對試驗用研磨輪而言，這12次磨削中每一次的功率讀數(shù)都保持一致。操作人員可以觀察到，隨著磨削多次連續(xù)的進行，功率逐漸加大，研磨輪中的研磨顆粒開始變鈍，或者說研磨輪的表面加載了工件材料。隨著MRR的增大，經(jīng)常可以觀察到這種情況。然而，預(yù)料不到的是，在12次磨削過程中的每一種MRR情況下觀察到的穩(wěn)定的能耗水平表明在各種MRR的情況下，在整個測試過程中，試驗用研磨輪總是可以保持其鋒利的磨削點。
另外，在整個測試過程中，當(dāng)材料磨除率為9．0mm3／s／mm(0．8英寸3／分鐘／英寸)至47．3mm3／s／mm(4．4英寸3／分鐘／英寸)時，不必對試驗用研磨輪進行修整或敷料。
全部累積的碳化硅材料磨削量等于271cm3／cm(研磨輪寬度)(42英寸3／英寸)，其中沒有證據(jù)表明研磨輪有磨損。作為對比，濃度為100的樹脂研磨輪在8．6mm3／s／mm(0．8英寸3／分鐘／英寸)的材料磨除率的情況下，經(jīng)過12次切入磨削之后的G比率是大約583。而本發(fā)明的試驗用研磨輪則在14中種不同的材料磨除率情況下經(jīng)過168次切入磨削之后仍沒有可以測量出來的研磨輪磨損量。
表2表明利用試驗用金屬金屬粘接研磨輪以全部14種材料磨除率來磨削試樣，可以保持有0．4μm(16μ英寸)至0．5μm(20μ英寸)之間的表面光潔度，并具有1．0μm(38μ英寸)至1．7μm(67μ英寸)之間的波度。沒有在高材料磨除率的情況下對樹脂研磨輪進行測試。然而，在大約8．6mm3／s／mm(0．8英寸3／分鐘／英寸)的材料磨除率的情況下，由樹脂研磨輪磨削的陶瓷棒料的表面光潔度稍好(0．43比0．5μm)，但波度稍差(1．73比1．18μm)。
讓人驚訝的是，當(dāng)借助新的金屬粘接研磨輪來磨削陶瓷棒料時，隨著材料磨除率的增大，對表面光潔度沒有明顯的影響。這與標(biāo)準(zhǔn)研磨輪(如文中所述的對照研磨輪)在磨削速率增大時影響表面光潔度的情況大不相同。
總的結(jié)果表明與通常標(biāo)準(zhǔn)的樹脂粘接研磨輪相比，本發(fā)明的試驗用研磨輪能在MRR超過其5倍的情況下有效地進行磨削。與低MRR情況下的樹脂研磨輪相比，該試驗用研磨輪的G比率大10倍以上。
表2在80m／s的研磨輪速度下的14種MRR的測試試樣 材料磨 切向力 單位消 比能量 G-比 表面光 波度除率 N／mm 耗功率 W·s／m 率 潔度 Wtμmmm3／s／ W／mm m3 Raμmmm樹脂型1004 9．01．32110 12．2586．3 0．431．75本發(fā)明的金屬型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當(dāng)研磨輪速度為32m／s(6252sfpm)和56m／s(11，000sfpm)時(表1)，在各種材料磨除率情況下，金屬粘接研磨輪的能耗均高于樹脂研磨輪。然而，在80m／s(15，750sfpm)(表1和2)高速運轉(zhuǎn)的情況下，金屬粘接研磨輪的能耗變得可媲美于或者說僅略小于樹脂研磨輪的能耗。對樹脂研磨輪和試驗用金屬粘接研磨輪而言，總的趨勢是當(dāng)以相同的材料磨除速率來進行磨削時，能耗隨著研磨輪速度的提高而增長。與磨削金屬材料的情況相比，在磨削陶瓷材料的情況下，在磨削過程中有很大一部分轉(zhuǎn)變成傳遞給工件之熱量的能耗變得不是非常重要，這是因為陶瓷材料具有較高的熱穩(wěn)定性。如借助本發(fā)明的研磨輪進行磨削而獲得的陶瓷試樣的表面質(zhì)量所證實的那樣能耗不會損害拋光工件，并處于一可接受的水平。
對所有各種材料磨除率和輪速而言，試驗用金屬粘接研磨輪的G比率基本上都恒定為6051。在恒定輪速下，樹脂研磨輪的G比率隨材料磨除率的增大而減小。
表2示出了在較高輪速的情況下，被研磨試樣的表面光潔度和波度的改善。此外，在所有各種輪速和材料磨除率的情況下，借助這種新的金屬粘接研磨輪來磨削的試樣具有最低的波度。
在這些測試的情況下，與對照用研磨輪相比，本發(fā)明的金屬粘接研磨輪具有優(yōu)異的研磨輪使用壽命。與目前市場上可以買到的對照用研磨輪相反，在延長進行的磨削測試中，不必對這種試驗用研磨輪進行修整和敷料。該試驗用研磨輪可以在輪速達90m／s的情況下正常地工作。
實例3在與前一個實例相同的工作條件下，以80m／s的速度對試驗用研磨輪(#6)進行下一次磨削測試，可實現(xiàn)380cm3／min／cm的磨除率的同時，可獲得僅為0．5μm(12μin)的表面光潔度(Ra)，并且所借助的能量也處于可接受的水平。借助本發(fā)明的工具而在陶瓷工件上所獲得的無表面損傷的高材料磨除率的效果，借助目前市場上的各種粘接類型的研磨輪來磨削陶瓷材料都不能實現(xiàn)。
實例4制備一個杯形研磨輪，并在一個立軸的“布蘭徹德(blanchard)型”機床上進行藍寶石磨削測試。
采用與實例1的研磨輪#6相同成分的研磨段來制作一個杯形研磨輪(直徑=250mm)，其中(1)金剛石的粒度為45微米(美國標(biāo)準(zhǔn)270／325目)，在研磨段中的比例為12．5vol．％(50濃度)；(2)研磨段的尺寸為弦長133．1mm，寬度4．76mm，厚度5．84mm。這些研磨段是沿著一個具有中心軸孔的杯形鋼制輪芯的側(cè)面的外周粘接的。在輪芯的這個側(cè)面上具有沿其外周形成的槽，這些槽形成了離散的、淺的、寬度和長度等同于研磨段的凹部。在這些凹部中添加環(huán)氧樹脂膠合劑(購自于日本Taoka的Technodyne HT-18膠合劑)，并將各研磨段放入凹部，使粘合劑固化。最終形成的研磨輪如圖2所示。
利用該杯形研磨輪來磨削一工件材料(直徑為100mm的藍寶石實心圓柱體)的表面，可在G比率、MRR和能耗等磨削條件都較為理想的情況下獲得可接受的表面光潔度。
實例5利用下表3所示的研磨段來制備2A2型杯形研磨輪(直徑為280mm)，該研磨輪適于磨削或背磨AlTiC或二氧化硅芯片。除非在下文中另外指出，否則研磨段的尺寸是周向長度139．3mm，寬度為3．23mm，厚度為5．84mm。利用能通過美國網(wǎng)目140／170之篩網(wǎng)的稱量后的、攪拌均勻的組份，以表3中所列的比例來制備含有粘接料的金剛石磨料，以便在充分混合后在每個研磨輪上制備16個研磨段。對每個研磨段所需的粉末加以稱量，并將其引入一石墨模具，調(diào)平并壓實。將用于研磨段的石墨模具在3000psi(2073N／cm2)的壓力下并在405℃的溫度下加熱15分鐘。在冷卻之后，將研磨段從模具中取出。
如實例1中所述的那樣，將各研磨段粘接到一個機加工的7075 T6鋁芯上而形成一個研磨輪。對研磨段進行去脂、噴砂和涂敷粘合劑，并將其放入被加工成符合研磨輪外周形狀的模腔內(nèi)。在粘合劑固化之后，將研磨輪加工至所需尺寸，并進行平衡和速度測試。
表3粘接料成分重量％ 體積％試樣 Cu Sn P 石墨Cu SnP 石墨對照物 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％試樣粘接料石墨金剛石a孔隙率b對照物 ＞80 0．00 18．75 ＜5(Ex．1) (75濃度)(1) ＞80 17．93 1．88 ＜57．5／2040(7．5濃度)(2) ＞80 17．93 1．88 ＜57．5／2040(7．5濃度)(3)＞75 21．72 1．88 ＜57．5／2051(7．5濃度)(4)＞80 18．07 1．25 ＜55／2040 (5濃度)(5)＞63 30．35 6．25 ＜525／2052 (25濃度)a．各研磨段中所采用的所有金剛石顆粒的顆粒度都是325目(49微米)，只是其中試樣(1)的顆粒度為270目(57微米)。金剛石濃度被給定為低于金剛石的體積百分比。
b．孔隙率是通過對各研磨段的微觀結(jié)構(gòu)的觀察而估計出來的。由于形成了金屬間化合的合金，因而被測試樣的致密度經(jīng)常高于研磨段中所采用材料的理論致密度。
實例6磨削性能的評估對根據(jù)實例5制備的低金剛石濃度、石墨充填的試樣研磨輪的試樣(直徑280mm，厚度29．3mm，中心孔為228．6mm，即11英寸×1．155英寸×9英寸)進行磨削性能的測試。將這些試樣的性能與實例5中的對照用背磨輪作比較，后者是根據(jù)實例1(研磨輪#6)的高濃度(75濃度)并且沒有石墨填料的金屬研磨段成分來制作的。
在尺寸為4．5英寸(114．3mm)或6．0英寸(152．4mm)平方的AlTiC工件(可從明尼蘇達州的3M公司購得的210級AlTiC)上進行70次以上的磨削，每次磨削為114．3mm(4．5英寸)寬，1．42mm(0．056英寸)深，記下磨除的坯料微米數(shù)和正常的磨削力。磨削的條件是磨削測試條件機床Strasbaugh磨床，型號7AF磨削方式立軸切入磨削研磨輪規(guī)格直徑280mm，厚度29．3mm，孔徑229mm。
輪速1，200rpm工件速度19rpm冷卻劑去離子水材料磨除率變化的，從1．0微米／秒至5．0微米／秒利用可以從馬薩諸塞州Worcester的諾頓公司買到的規(guī)格為38A240-HVS的6英寸(152．4mm)敷料墊來進行修整和敷料。在初始作業(yè)之后，當(dāng)進給塑料改變時，可根據(jù)需要周期性地進行修整和敷料。
以下的表5和圖3中列出了對實例5中的試樣2、4和1進行磨削測試的結(jié)果(法向力-切除的坯料量)。
表5法向磨削力-坯料磨除量研磨輪 對照物 對照物對照物2a 2a2b4試樣(Ex．1) (Ex．1) (Ex．1)MRR1 3 5 12 22(μ／秒)總的坯 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中的試樣2，其研磨段的邊沿寬度為3．13mm。
b．2b是表3中的試樣2，其研磨段的邊沿寬度為2．03mm。
這些結(jié)果表明當(dāng)借助沒有石墨填料并且金剛石磨料濃度為75的對照研磨輪來進行表面磨削時，在較高MRR(從1-3至5微米／秒的MRR)的情況下，需要將法向力提高很多來除去較多數(shù)量的坯料。而本發(fā)明的低金剛石濃度、填充石墨的、根據(jù)實例3的研磨輪(試樣2a、2b和4)在磨削過程中所需的法向力要小得多。本發(fā)明的研磨輪在2微米／秒的MRR情況下磨除等量坯料所需的力等于對照用研磨輪試樣在1微米／秒的MRR情況下所需的力。
此外，研磨輪樣品2a在1微米／秒或2微米／秒的MRR情況下所需的法向力幾乎是相等的。隨著坯料的磨削從200至600微米，如實例5的本發(fā)明的研磨輪2a、2b和4還顯示出相對穩(wěn)定的力的需求。這種磨削性能在背磨AlTiC時是非常有利的，這是因為這些較小的力、穩(wěn)定的工況可以使對工件的熱和機械的損傷變得最小。
對照用研磨輪(Ex．1)不能以更高的坯料磨除率(例如大約300微米)來進行測試，這是因為利用這些研磨輪進行磨削所需的力超過了磨床的所能施加的法向力，因而磨床會自動地停機，不能再記錄在更高坯料磨除率情況下的數(shù)據(jù)。
雖然不希望被某一各特定的理論所束縛，但可以相信，根據(jù)本發(fā)明的這種低金剛石濃度、石墨充填的研磨輪具有優(yōu)異的磨削性能，即，在磨削過程的任何一個時間點上，研磨段在單位面積上的與工件表面接觸的磨粒數(shù)量比較少。雖然熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以預(yù)料在金剛石濃度較低的情況下采取較低的MRR，但本發(fā)明的在磨削力方面的改進(無需考慮對MRR的折衷)是不能預(yù)料的。與研磨段寬度為3．13mm的研磨輪2a相比，研磨段寬度為2．03mm的研磨輪2b在相同速率和坯料磨除率的情況下所需的力比較小。與研磨輪試樣2a相比，研磨輪試樣2b在研磨過程中的任何一個時間點上與工件表面接觸的表面積都比較小，即磨削的點比較少。
權(quán)利要求
1．一種表面磨削用研磨工具，包括一輪芯、一圓形外周部分以及一由多個研磨段限定的研磨邊沿，所述輪芯的最小比強度參數(shù)為2．4MPa-cm3／g，密度為0．5-8．0g／cm3；設(shè)各研磨段總體積為100體積％，其中包括有0．05-10體積％的超級研磨顆粒，10-35體積％的脆性填料，55-89．95體積％的金屬粘接料基體，該基體的斷裂韌度為1．0-3．0MPa M1／2。
2．如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述輪芯包括金屬材料，該金屬材料選自由鋁、鋼、鈦和青銅、它們的復(fù)合物、合金及組合所構(gòu)成的組。
3．如權(quán)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體積％的金屬粘接料基體、0．5-5體積％的研磨顆粒、以及15-35體積％的脆性填料，所述金屬粘接料基體包括最大為5體積％的孔隙率。
4．如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述脆性填料選自于由石墨、六角氮化硼、空心陶瓷球、長石、霞石正長巖、浮石、煅燒粘土和玻璃球，以及它們的組合所構(gòu)成的組。
5．如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨顆粒選自于由金剛石、立方氮化硼以及它們的組合所構(gòu)成的組。
6．如權(quán)利要求5所述的研磨工具，其特征在于，所述研磨顆粒是顆粒度為2-300微米的金剛石。
7．如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述金屬粘接料包括35-84重量％的銅和16-65重量％的錫。
8．如權(quán)利要求7所述的研磨工具，其特征在于，所述金屬粘接料還包括0．2-1．0重量％的磷。
9．如權(quán)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兩個研磨段，各研磨段具有細長、弧形的形狀和與所述輪芯的圓形外周相配的內(nèi)曲率，每個研磨段均具有兩個設(shè)計成與相鄰研磨段相配的端部，因而各研磨段粘結(jié)于所述輪芯時，所述研磨邊沿是連續(xù)的，基本上沒有間隙。
10．如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述工具選自于由1A1犁研磨輪和杯形研磨輪所構(gòu)成的組。
11．如權(quán)利要求1所述的研磨工具，其特征在于，所述熱穩(wěn)定的粘接料選自于由基本上為環(huán)氧樹脂的粘合劑、冶金粘接料、機械粘接料和彌散粘接料、以及它們的組合所構(gòu)成的組。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適于在160米/秒的速度下對硬脆性材料(如陶瓷和包括陶瓷復(fù)合材料)進行精密磨削的研磨工具。該研磨工具包括一輪芯(2),由若干個致密的、金屬粘接的超級研磨段(8)組成的邊沿借助于一熱穩(wěn)定的粘接料(6)附連于輪芯。一用于背磨陶瓷晶片的較佳工具包含石墨填料和濃度相對較低的研磨顆粒(4)。
文檔編號B24D3/00GK1294543SQ99804385
公開日2001年5月9日 申請日期1999年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月27日
發(fā)明者S·拉馬納坦, W·H·威利斯頓, S-T·布利簡 申請人:諾頓公司