本發(fā)明涉及一種機(jī)械加工方法，尤其是一種碳化硅、藍(lán)寶石等莫氏硬度超過(guò)于9的超硬脆工件的機(jī)械加工方法，具體地說(shuō)是一種超硬脆工件的研磨拋光新方法。
背景技術(shù)：
碳化硅、藍(lán)寶石等脆性材料，其莫氏硬度超過(guò)9，是一類超硬脆材料。具有良好的機(jī)械性能，穩(wěn)定的物理化學(xué)性能和優(yōu)異的光學(xué)性能，在機(jī)械、光學(xué)、信息、航空航天和武器裝備等軍用和民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。但是，由于碳化硅、藍(lán)寶石等超硬材料具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，常規(guī)的研磨拋光加工效率極低，難以進(jìn)行大批量的高效生產(chǎn)。因此，如何提高碳化硅、藍(lán)寶石等超硬脆材料的研磨拋光效率成為現(xiàn)代超精密加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
從二十世紀(jì)中期開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外研究者已開(kāi)始對(duì)碳化硅、藍(lán)寶石等材料的研磨拋光技術(shù)進(jìn)行研究。目前形成了已形成了幾種加工工藝：采用游離磨料、金剛石丸片和樹(shù)脂基固結(jié)磨料墊進(jìn)行研磨拋光。采用游離磨料研磨拋光時(shí)，其材料的去除機(jī)理為三體磨損去除，研磨拋光效率低、亞表面損傷層大、磨料的利用率低，成本高等缺點(diǎn)；采用金剛石丸片研磨拋光時(shí)，磨料自銳性差、容屑空間小、工件易劃傷；采用樹(shù)脂基固結(jié)磨料墊進(jìn)行研磨拋光時(shí)也存在著磨料的自銳性能差、研拋后期墊子表面易釉化、研磨拋光效率穩(wěn)定性差。
南京航空航天大學(xué)等機(jī)構(gòu)開(kāi)展了固結(jié)磨料研磨拋光藍(lán)寶石、碳化硅等工件的研究工作，認(rèn)為：加工過(guò)程中，由于工件的超硬脆特點(diǎn)，導(dǎo)致磨粒切入工件深度小、磨粒容易鈍化、鈍化磨粒不易脫落，及磨屑細(xì)小，導(dǎo)致粘結(jié)劑磨損過(guò)慢和自修正能力不足等原因，是現(xiàn)有固結(jié)磨料墊研磨拋光效率低、加工效率不穩(wěn)定，特別是后期效率下降較快的關(guān)鍵原因，如何提高磨粒的穩(wěn)定切入深度和自銳能力是解決其高效穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。因此，開(kāi)發(fā)一種工藝簡(jiǎn)單、加工效率高效穩(wěn)定、磨料自銳性強(qiáng)、適用于碳化硅、藍(lán)寶石超硬脆材料的研磨拋光新技術(shù)迫在眉睫。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有的超硬脆材料研磨拋光過(guò)程中存在的加工效率不高的問(wèn)題，發(fā)明一種磨料自銳性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單、成本低、加工效率穩(wěn)定高效、適用于碳化硅、藍(lán)寶石等超硬材料的研磨拋光新方法，它通過(guò)燒結(jié)小顆粒磨料得到自銳性能優(yōu)良的聚集體磨料，然后將該燒結(jié)聚集體固化于基體中制成研磨拋光墊，并在研磨拋光液中添加酸堿調(diào)節(jié)劑和化學(xué)活性成分以改善超硬脆材料表面的研磨拋光性能，同時(shí)在研磨拋光液中添加小顆粒輔助磨料，以確保研磨拋光墊磨損均勻，保證穩(wěn)定的材料去除速率。該方法針對(duì)莫氏硬度超過(guò)9的超硬脆單晶體、多晶體、各種陶瓷材料以及復(fù)合材料進(jìn)行研磨拋光，主要包括碳化硅、藍(lán)寶石等材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種適用于碳化硅、藍(lán)寶石等超硬材料的研磨拋光新方法，包括如下步驟：
(1) 把預(yù)燒結(jié)的磨料及燒結(jié)輔料按照質(zhì)量百分比混合均勻；然后經(jīng)過(guò)干燥、膠粘、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到燒結(jié)的聚集體磨料；其中燒結(jié)的磨料原料為金剛石單晶或其破碎料；預(yù)燒結(jié)的磨料及燒結(jié)輔料的重量比為60-70：40-30。
(2)將制備好的聚集體磨料與粘接劑按一定比例混合在倒入模具中進(jìn)行固化，或者將制備好的磨料聚集體與粘結(jié)劑一定比例混合倒入模具經(jīng)壓力機(jī)或硫化機(jī)進(jìn)行熱壓成型，或者將制備好的磨料聚集體一定比例與金屬粉末或陶瓷粘結(jié)劑混合一起倒入制備好模具中進(jìn)行燒結(jié)成型。固化的方式可以為光引發(fā)固化、熱引發(fā)固化；燒結(jié)或固化制備而成的研磨盤拋光墊或盤上突起的形狀可以為圓柱體、棱柱體、圓錐臺(tái)等中的一種或多種組合；突起表面可以分布孔洞或可溶性添加物等容屑空間；突起的排布圖案可以是圓環(huán)形、螺旋形、擺線形、射線形、點(diǎn)陣形等。
(3)將制備好的研磨拋光墊粘貼在研磨拋光機(jī)上，然后根據(jù)工件，配制研磨拋光液對(duì)工件進(jìn)行研磨拋光。研磨拋光液中添加的化學(xué)活性成分，可以是酸堿調(diào)節(jié)劑，也可以是一些活性離子；研磨液中添加適量的小顆粒輔助磨料，使研磨拋光墊均勻磨損，保證穩(wěn)定的材料去除速率；
（4）研磨拋光工藝含一道研磨工序和一道拋光工序。
所述超硬脆材料為莫氏硬度超過(guò)9的單晶體、多晶體、各種陶瓷材料以及復(fù)合材料，包括但不限于碳化硅、藍(lán)寶石。
所述研磨拋光墊由金剛石聚集體磨料以固化、燒結(jié)、焊接成型方式固化于基體中制備而成；基體為樹(shù)脂基、陶瓷基或金屬基；采用樹(shù)脂基時(shí)固化方式采用熱引發(fā)固化、光固化方式；采用陶瓷或金屬基時(shí)，需先制坯，再進(jìn)行燒結(jié)和粘結(jié)。
所述的樹(shù)脂是：聚乙烯醇縮醛、聚碳酸醋、聚丙烯酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙二醇中的一種或多種組合，其含量為總質(zhì)量的30~80%。
所述的陶瓷基為：二氧化硅、氧化鈉、氧化鋁、氧化鉛、氧化鋅、氧化鈣、氧化鉀、氧化鑭、氧化硼中的一種或多種組合，尤其是其預(yù)燒結(jié)體，為了促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程，還添加有少量銅粉、鋁粉、鐵粉粉末，兩者的總含量約為總質(zhì)量的30~80%。
所述的金屬基為：銅粉及其合金粉、鐵粉及其合金粉、鎳粉及其合金粉一種或多種的組合，其含量約為磨料顆粒質(zhì)量的25~80%。
研磨拋光液中添加的化學(xué)活性成分可以是酸堿調(diào)節(jié)劑，包括但不限于乙酸，檸檬酸，草酸、苯甲酸、山犁酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、乙二胺，二羥乙基乙二胺、三乙醇胺、乙二醇中的一種或多種的組合；也可以是一些活性離子，包括但不限于F-、Cl-、SO42-、NO3-、SO32-、NH4+、Fe3+、Al3+中的一種或多種的組合；通過(guò)活性原子、離子在工件表面的擴(kuò)散與反應(yīng)，改變超硬脆材料的表面理化特性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亞表面損傷小的特點(diǎn)。
所述的研磨拋光液中添加的輔助磨料，能促進(jìn)研磨墊的均勻磨損，保證穩(wěn)定的材料去除速率和面型精度；輔助磨料為碳化硅、氧化鋁、碳化硼小顆粒，粒徑分布在0.5μm-10μm之間，濃度在1~5%wt之間。
在研磨拋光過(guò)程中，大顆粒金剛石聚集體上磨鈍的小顆粒金剛石及時(shí)從聚集體上脫落，保證了研磨拋光墊的自銳性和研拋效率的穩(wěn)定性，加工效率得到較大程度的提高。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明適用于碳化硅、藍(lán)寶石等超硬脆工件的研磨拋光新方法，采用金剛石聚集體磨料制備成的研磨拋光墊，其磨料濃度高，組成聚集體的小磨粒之間的結(jié)合力適當(dāng)，在研磨拋光過(guò)程中，聚集體上磨鈍的小顆粒金剛石及時(shí)從聚集體上脫落，可以有效防止研磨拋光墊的鈍化，保證了研磨拋光墊的自銳性和研拋效率的高效穩(wěn)定性，加工效率得到較大程度的提高。通過(guò)在研磨液中添加化學(xué)活性成分，通過(guò)活性原子(離子)在工件表面的擴(kuò)散，改變超硬脆材料的表面理化特性，降低工件的硬度，改善材料表面的脆性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亞表面損傷小的特點(diǎn)。同時(shí)，研磨拋光液中的輔助磨料有助于提高研磨拋光墊的磨損均勻性，有利于提高工件的面型精度。本發(fā)明適用于碳化硅、藍(lán)寶石等超硬脆工件的研磨拋光，具有制備簡(jiǎn)單，成本低、出產(chǎn)高、加工性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。
本發(fā)明方法制備而成的研磨拋光墊含有聚集體大顆粒，其磨料濃度高，在研磨拋光過(guò)程中，聚集體大顆粒不是整顆失效破壞，而是由組成聚集體的內(nèi)部原料小顆粒之間的結(jié)合劑疲勞破壞、失效繼而導(dǎo)致破碎，致使小顆粒逐步從聚集體上脫落、自銳性能好，有利于提高對(duì)碳化硅、藍(lán)寶石等超硬材料的研磨拋光的效率和加工穩(wěn)定性。研磨液中添加的化學(xué)活性成分可改變超硬脆材料的表面理化特性，降低工件的硬度，改善材料表面的脆性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亞表面損傷小的特點(diǎn)。同時(shí)，研磨拋光液中的輔助磨料有助于提高研磨拋光墊的磨損均勻性，提高工件的面型精度。本發(fā)明提供的方法具有制備簡(jiǎn)單、工藝路線短、成品率高、成本低、加工性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1。
一種適用于碳化硅、藍(lán)寶石研磨方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，采用重量比為70:12:8的10-15μm粒徑的金剛石破碎料、預(yù)燒結(jié)體陶瓷結(jié)合劑和銅粉制備金剛石聚集體，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過(guò)混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為2~20μm的聚集體磨料。
將上述制備好的聚集體磨料和樹(shù)脂粘結(jié)劑按照重量比35:65的比例（具體實(shí)施時(shí)，聚集體磨料和樹(shù)脂粘結(jié)劑重量比例還可70：30，50：50以及20：80等）進(jìn)行混合，然后倒入制備好的模具中，采用熱引發(fā)固化，脫模得到突起形狀為四棱柱、突起排布為擺線型的研磨拋光墊，再進(jìn)行2小時(shí)的后固化。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機(jī)上以：研拋壓力0.03MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為80rpm，研磨液為去離子水添加2%三乙醇胺和2%質(zhì)量濃度的W5碳化硅顆粒、研拋液流速60 ml/min的參數(shù)對(duì)碳化硅晶片研磨40min后，經(jīng)檢驗(yàn)碳化硅的材料去除率為100~130nm/min，表面粗糙度Ra為110~130nm，且沒(méi)有明顯粗大劃痕。
實(shí)施例2。
一種適用于碳化硅、藍(lán)寶石的研磨方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，采用重量比為65:35的金剛石、預(yù)燒結(jié)體低溫陶瓷結(jié)合劑制備金剛石聚集體，金剛石的原始粒度為8-12μm粒徑，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過(guò)混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為50~60μm的金剛石聚集體磨粒。
將上述制備好的聚集體大顆粒和銅粉按重量比為44:60的比例（具體實(shí)施時(shí)，聚集體大顆粒和銅粉的比例還可為75：25，50：50或20：80）進(jìn)行混合，然后放入預(yù)選用準(zhǔn)備好的石墨模具中，進(jìn)行熱壓燒結(jié)15分鐘后，脫模得到突起形狀為五棱柱的丸片，將其粘接成突起排布為射線型的研磨墊。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機(jī)上以：研拋壓力0.025MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為100rpm，研磨液為去離子水添加1%乙二胺、研拋液流速40 ml/min的參數(shù)對(duì) 藍(lán)寶石晶片研磨50min后，經(jīng)檢驗(yàn)藍(lán)寶石的材料去除率為420~500nm/min，表面粗糙度Ra為120~140nm，且沒(méi)有明顯粗大劃痕。
實(shí)施例3。
一種適用于碳化硅、藍(lán)寶石拋光方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，它首先采用重量比為62:30:8的3-5μm粒徑的金剛石、低溫陶瓷預(yù)燒結(jié)體和銅粉制備出金剛石聚集體磨粒，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過(guò)混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為40~50μm 的金剛石聚集體磨料。
將上述制備好的聚集體大顆粒和樹(shù)脂按50:50的比例（具體實(shí)施時(shí)，聚集體磨料和樹(shù)脂粘結(jié)劑重量比例還可70：30，60：40以及20：80等）進(jìn)行混合，然后倒入制備好的模具中，在硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型，脫模得到突起形狀為六棱柱、突起排布為正方點(diǎn)陣（點(diǎn)陣間距為2cm）的研磨拋光墊。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機(jī)上以：研拋壓力0.02MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為70rpm，研磨液為去離子水添加0.5%乙二醇、研拋液流速50 ml/min的參數(shù)對(duì)劃為藍(lán)寶石C向晶片拋光60min后，經(jīng)檢驗(yàn)藍(lán)寶石晶片的材料去除率為100~120nm/min ，表面粗糙度Ra為5~10nm，且沒(méi)有可見(jiàn)劃痕。
實(shí)施例4。
一種適用于碳化硅、藍(lán)寶石拋光方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，采用重量比為60:32:8的0.1-2μm粒徑的金剛石、低溫陶瓷預(yù)燒結(jié)體和銅粉制備出金剛石聚集體，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過(guò)：混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為40~50μm的金剛石聚集體。
將上述制備好的聚集體大顆粒和樹(shù)脂按55:45的比例（具體實(shí)施時(shí)，聚集體磨料和樹(shù)脂粘結(jié)劑重量比例還可70：30，50：50以及20：80等）進(jìn)行混合，然后倒入制備好的模具中，在硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型后，脫模得到突起形狀為三棱柱、突起排布為螺旋型的研磨拋光墊。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機(jī)上以：研拋壓力0.05MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為100rpm，研磨液為去離子水添加1.5%雙氧水和1%（具體實(shí)施時(shí)可在1-5%之間選擇）質(zhì)量濃度的W1碳化硅顆粒（還可為氧化鋁、碳化硼等小顆粒，粒徑在0.5-10微米之間），研拋液流速70 ml/min的參數(shù)對(duì)碳化硅晶片拋光60min后，經(jīng)檢驗(yàn)藍(lán)寶石的材料去除率為50~60nm/min，表面粗糙度Ra為6~8nm，且沒(méi)有明顯劃痕。
綜上所述，本發(fā)明的加工方法主要包括（1）金剛石磨料聚集體制備；（2）壓制成形；（3）配制研磨拋光液對(duì)工件進(jìn)行研磨拋光；研磨拋光液中添加的化學(xué)活性成分為酸堿調(diào)節(jié)劑或活性離子；研磨液中添加適量的小顆粒輔助磨料，使研磨拋光墊均勻磨損，保證穩(wěn)定的材料去除速率。
實(shí)施例1至4中制備金剛石磨料聚集體時(shí)所指的：
混料是指：將金剛石磨料顆粒和粘結(jié)劑（即燒結(jié)輔料）按質(zhì)量百分比計(jì)量，混合均勻制成混合物；
膠粘是指：將混合物加入膠黏劑潤(rùn)濕攪勻，膠黏劑的加入量為混合物重量的0.1-35%；膠黏劑是聚乙酸乙烯酯、過(guò)氯乙烯、聚異丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇縮醛和環(huán)氧樹(shù)脂中的一種或多種混合物。
干燥是指：將加有膠黏劑的混合物在80℃~150℃范圍內(nèi)烘干；
制粒是指：將烘干后的多晶體金剛石粉碎過(guò)篩得到所需粒度的顆粒；
除膠是指：除去顆粒中的膠黏劑，除膠溫度在400~550℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，時(shí)間為30分鐘至2小時(shí)
燒結(jié)成型是指：將除膠后的顆粒經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成可進(jìn)行固化或壓制成形的金剛石聚集體，燒結(jié)溫度600-900℃，時(shí)間為30分鐘至2小時(shí)。
本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。