磨粒形状规则且排布有序砂轮及微结构阵列的制备方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202410127164.4 | 申请日 | 2024-01-30 |
| 公开(公告)号 | CN118106898A | 公开(公告)日 | 2024-05-31 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 万珍平; 闵蔷; 卜颖滨; 成雨; 杨舒; | 第一发明人 | 万珍平 |
| 权利人 | 华南理工大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 华南理工大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：广东省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：广东省广州市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：广东省广州市天河区五山路381号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：510640 |
| 主IPC国际分类 | B24D18/00 | 所有IPC国际分类 | B24D18/00 ; C25D5/02 ; C25D5/12 ; C23C16/27 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 广州市华学知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 李秋武; |
| 摘要 | 本 发明 涉及磨粒形状规则且排布有序 砂轮 及微结构阵列的制备方法，砂轮的制备方法包括以下步骤，根据预设的磨粒排布规则以及磨粒的形状及尺寸，在排布模板上加工出与规则磨粒相适应的通孔；将排布模板固定于砂轮基体的圆周面，然后使排布模板上的通孔处形成用于金刚石磨粒生长的衬底，电 镀 完成后去除砂轮基体表面的排布模板；在衬底上设置金刚石籽晶，然后在砂轮基体上通过 化学气相沉积 ，使金刚石籽晶生长为所需的金刚石规则磨粒。在有序排布砂轮制造时使用模板在砂轮基底上生长出有序规则的衬底，让磨粒直接在砂轮基体上生长，在磨粒排布有序的同时实现尺寸和形状的规则化，能够更为便捷地使用砂轮磨削的方式在待加工表面制备 精度 较高的微结构。 | ||
| 权利要求 | 1.磨粒形状规则且排布有序砂轮的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，根据预设的磨粒排布规则以及磨粒的形状及尺寸，在排布模板上加工出与规则磨粒相适应的通孔； |
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| 说明书全文 | 磨粒形状规则且排布有序砂轮及微结构阵列的制备方法技术领域[0001] 本发明涉及超硬磨具加工技术领域，具体为磨粒形状规则且排布有序砂轮及微结构阵列的制备方法。 背景技术[0002] 表面微结构加工在机械电子、航空航天、生命科学等新兴学科或领域中应用广泛。在工件表面制造功能性微结构可以使表面根据具体需求有特定的性能提升，例如更好的疏水性、摩擦性能或散热性能等。光学玻璃可以通过在其表面加工特定的表面微结构获得更高的光透过率以及特定的折射衍射性能。目前，表面微结构加工的常见方法有化学刻蚀、高能粒子束加工、特种加工、微细切削加工等。其中，由于化学刻蚀、激光加工等特种加工方法在加工时会使用或者产生环境有害的气体和加工原料且成本较高，机械加工仍然是目前主要的表面微结构加工方法之一。但机械加工在表面微结构的加工中依旧存在加工质量较差、加工效率较低等问题。 [0003] 公开号为CN109834553A的专利“微沟槽结构表面的精密磨削加工方法”设计一种带有表面结构的砂轮并通过实时修整的方式，根据建立的轨迹模型控制砂轮的修整和待加工表面微结构的加工。公开号为CN102501152A的专利“一种微结构阵列表面的微细、精密和镜面一体化磨削方法”将金刚石砂轮固定在机床砂轮轴上，砂轮轴与待加工表面平行，磨削完成后将砂轮轴水平转动再次磨削，通过金刚石刀具的V型尖角在待加工表面加工出相应的槽型阵列。公开号为CN108747822A的专利“一种新型金刚石砂轮的制备方法及微结构阵列的高效超精密加工方法”在砂轮表面设计一种微结构阵列，将修整砂轮、磨削砂轮和工件在空间内按照设计排列，采用修整砂轮预修整金刚石砂轮，激光在砂轮表面烧蚀砂轮表面轮廓形状，砂轮对待加工工件表面磨削的方式实现工件表面微结构的加工。 [0004] 上述现有技术虽然能够在工件表面制造相应的表面微结构或微结构阵列，但存在工艺繁琐、使用设备复杂、生产效率较低等缺陷。采用V型砂轮通过控制砂轮主轴的方式加工微结构对砂轮主轴的精度要求较高，且加工时一次只能完成一道凹槽的加工，加工效率较低。公开号CN109834553A和CN108747822A的专利在砂轮表面预先加工出需要的结构并通过实时修整的方式完成在待加工表面的微结构加工，能够实现较高精度的表面微结构加工，但使用设备较为复杂，且由于是通过实时修整‑加工的方式，无法完成形状或排布较为复杂的微结构阵列的加工。 发明内容[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供磨粒形状规则且排布有序砂轮及微结构阵列的制备方法，能够更为便捷地使用砂轮磨削的方式在待加工表面制备精度较高的微结构。 [0006] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案： [0007] 磨粒形状规则且排布有序砂轮的制备方法，包括以下步骤， [0008] 根据预设的磨粒排布规则以及磨粒的形状及尺寸，在排布模板上加工出与规则磨粒相适应的通孔； [0011] 进一步，砂轮基体电镀形成用于金刚石磨粒生长的衬底中，所用电镀溶液为钼盐溶液，衬底为高度0.5‑1.0mm的金属钼凸台。 [0012] 进一步，将形成有金属钼凸台的砂轮基体浸入KOH溶液中超声振荡，去除砂轮基体表面的残余电镀液以及杂质，然后取出用去离子水清洗表面溶液。 [0014] 进一步，将砂轮基体取出后再次放入新配置的KOH溶液中超声振荡，去除在H2O2溶液生成的氧化物，增强砂轮机基体表面钼凸台的表面活性。 [0015] 进一步，在衬底上设置金刚石籽晶的方式为，将去除钼凸台表面氧化物的砂轮基体用去离子水洗去表面KOH溶液后放置在金刚石粉丙酮悬浮液中震荡，表面活性增强后的钼凸台上留下细小的金刚石颗粒，增加金刚石在钼凸台上的形核率。 [0016] 进一步，化学气相沉积的方式为，将表面处理完成的砂轮基体风干后放入HFCVD装置，控制砂轮基体的温度在金刚石生长合适温度区间，通入CH4和H2的混合汽，在高温下裂解成各种基团，基团与砂轮发生反应生成金刚石。 [0017] 进一步，制备得到金刚石磨粒后，将砂轮基体放置在镍盐溶液中电镀，使新生长出的金刚石磨粒突起高度的50％‑60％由电镀镍层包裹。 [0018] 磨粒形状规则且排布有序砂轮，采用磨粒形状规则且排布有序砂轮的制备方法制得。 [0019] 微结构阵列的制备方法，将磨粒形状规则且排布有序砂轮安装于磨削机床的砂轮轴上面，控制相关参数，对待加工表面微结构阵列进行加工。 [0020] 总的说来，本发明具有如下优点： [0021] 本发明在有序排布砂轮制造时使用模板在砂轮基底上生长出有序规则的衬底，让磨粒直接在砂轮基体上生长，在磨粒排布有序的同时实现尺寸和形状的规则化，能够更为便捷地使用砂轮磨削的方式在待加工表面制备精度较高的微结构。附图说明 [0022] 图1为磨粒形状规则且排布有序砂轮的制备方法流程示意图； [0023] 图2为本实施例的排布模板形式一； [0024] 图3为本实施例的排布模板形式二； [0025] 图4为本实施例的排布模板形式三； [0026] 图5为本实施例的磨粒形状规则且排布有序砂轮； [0027] 图6为本实施例的HFCVD装置示意图； [0028] 图7为电热丝呈环状安置在砂轮圆周的示意图； [0029] 图8为本实施例的微结构阵列示意图一； [0030] 图9为本实施例的微结构阵列示意图二； [0031] 图中： [0032] 1‑砂轮基体； [0033] 2‑排布模板、21‑通孔； [0034] 3‑规则磨粒； [0036] 5‑微结构阵列。 具体实施方式[0037] 下面来对本发明做进一步详细的说明。 [0038] 如图1、图5所示，磨粒形状规则且排布有序砂轮的制备方法，包括以下步骤，[0039] 根据砂轮上预设的磨粒排布规则以及规则磨粒3的形状及尺寸，在排布模板2上加工出与规则磨粒3相适应的通孔21,其中排布规则和规则磨粒3的形状及尺寸可以根据需求更改；具体地，通过在绝缘胶带上依据排布规则烧蚀出与规则磨粒3相适应的通孔21，获得所需的排布模板2，如图2‑图4为三个示例，排布模板2可以为根据需要的任意形式； [0040] 将排布模板2固定于砂轮基体1的圆周面，将固定完成的砂轮基体1放置在酒精溶液中震荡清洗3分钟，用以去除表面油污以及其他杂质。 [0041] 然后将砂轮基体1放置在电镀槽中电镀，电镀溶液为钼盐溶液。控制电镀时间使得砂轮基体1上绝缘胶带烧蚀通孔21处电镀高度突起约为0.5‑1.0mm的金属钼凸台44，钼凸台44即为金刚石规则磨粒3生长的衬底。电镀完成后去除基体表面的绝缘胶带。 [0042] 将电镀完成的砂轮基体1浸入浓度为1mol/L的KOH溶液中超声振荡2分钟，去除基体表面的残余电镀液以及其他杂质等，取出用去离子水清洗表面溶液。将清洗后的基体放置在质量分数约为30％的H2O2溶液中静置3分钟，H2O2溶液可以腐蚀基体表面的钼凸台44在其表面生成的氧化物。将砂轮基体1取出后再次放入新配置的1mol/L的KOH溶液中超声振荡5分钟，去除在H2O2溶液生成的氧化物，增强砂轮机基体表面钼凸台44的表面活性。 [0043] 将去除钼凸台44表面氧化物的砂轮基体1用去离子水洗去表面KOH溶液后放置在金刚石粉丙酮悬浮液中震荡30分钟，表面活性增强后的钼凸台44基体上留下细小的金刚石颗粒，达到“种植籽晶”的目的，从而增加金刚石在钼基体上的形核率。 [0044] 将砂轮基体1取出，放置在酒精溶液中超声震荡清洗1分钟，去除基体表面残留溶液以及钼凸台44表面较大的金刚石颗粒。 [0045] 如图6所示，将表面处理完成的砂轮基体1风干后放入HFCVD装置。HFCVD法生长金刚石操作简单，装置易制备。常规HFCVD装置将衬底基体放置在平板工作台上，利用加热夹具48夹持，平板工作台与加热电源42和冷却水管路相连，通过控制加热电源42工作功率以及冷却水循环控制衬底温度在特定区间内。反应气体410通过控制阀经由钟罩41进入真空室411中，经过衬底基体上方的电热丝43加热与衬底发生反应，真空室411中的气压通过气压表45监测并通过真空泵49调整。由于本发明需要在砂轮圆周的衬底上生长金刚石，设计电热丝43呈环状安置在砂轮圆周外侧。砂轮基体1倒置固定在砂轮夹具上，热电偶以及冷却水装置安置在加热夹具48中，通过砂轮基体1上方放置的热传感器47监测基体以及衬底的温度并通过调整加热夹具48中热电偶和加热电源42功率，以及通过冷却表46控制冷却水循环控制温度在在金刚石生长合适温度区间(600‑850℃)。砂轮夹持方式以及电热丝43放置方式的三维模型示意如图7所示。 [0046] 使用CH4作为反应的气源，通入CH4和H2混合比为1：3的混合汽。气源在进入腔体后，在高温下裂解成各种基团，基团与砂轮发生反应生成金刚石。根据所需规则磨粒3高度控制反应时间4h、8h、12h。 [0047] 反应结束后静置冷却，待装置冷却至室温后将CVD沉积完成的砂轮基体1取出。 [0048] 将砂轮基体1在酒精溶液中震荡清洗2分钟，去除表面的杂质及油污，得到所需的磨粒形状规则且排布有序砂轮。 [0049] 进一步地，将砂轮基体1放置在电镀装置中，电镀溶液为镍盐溶液。控制电镀参数以及电镀时间，使得新生长出的金刚石规则磨粒3突起高度的50％‑60％由电镀镍层包裹，对规则磨粒3进行加固，有效的防止规则磨粒3脱落。 [0050] 电镀完成后取出砂轮基体1。在酒精溶液中震荡清洗去除表面残留溶液。 [0051] 微结构阵列5的制备方法，将磨粒形状规则且排布有序砂轮安装于磨削机床的砂轮轴上面，控制相关参数，对待加工表面微结构阵列5进行加工。 [0052] 本发明在有序排布砂轮制造时使用模板在砂轮基底上生长出有序规则的衬底，让磨粒直接在砂轮基体1上生长，在磨粒排布有序的同时实现尺寸和形状的规则化，以此实现在待加工表面加工不同形状尺寸沟槽的表面微结构阵列5。相较于化学刻蚀、激光加工等特种加工方案，本设计的机械加工方案效率更高，方案实施更为简单。与现有的机械加工方案相比，通过使用在砂轮表面有序排布形状尺寸规则的磨粒的方式实现金刚石表面的微结构，不仅可以使砂轮具备更高的强度和耐磨性，还可以实现不同沟槽形状和尺寸表面微结构阵列5的加工。 [0053] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
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