蓝宝石研磨加工工艺研究

蓝宝石研磨加工工艺研究

单晶蓝莓是一种广泛使用的晶界材料。它具有良好的物理性、光学性和化学性能，硬度高，抗疲劳动性强，性质稳定，耐学性好。蓝宝石的主要成分是氧化铝(Al蓝宝石材料的主要加工工序是晶体切割、研磨和抛光等处理。其中切割工序给蓝宝石材料带来的表面损伤和尺寸误差最大,研磨加工的作用是快速去除由切割带来的表面不平整,提高蓝宝石表面的平面度。因此,对蓝宝石研磨加工的效果和效率有着更严要求,若是研磨工艺或参数选择不当,不但会使加工效率偏低,且加工后的蓝宝石表面由于划痕和裂纹较多达不到使用要求,需要进行二次研磨和抛光,造成蓝宝石基片太薄无法使用而报废,增加蓝宝石的加工成本1材料去除机理研磨加工是一种使用普遍、操作方便的精密加工方式,其是利用附着或镶嵌在磨盘上的磨料,通过持续运动的磨盘与工件的相互接触来实现材料去除的过程。该技术选用粒径只有几微米的磨粒对工件进行加工,能够获得近纳米级的加工效果,是一种快速获得低表面粗糙度、高表面质量的加工方法在蓝宝石的研磨加工过程中,磨料在研磨力的作用下通过滚轧和微切削对蓝宝石进行材料去除,磨料对蓝宝石表面的作用机理,如图1所示。不同形状的磨粒在研磨盘压力的作用下,通过研磨盘的转动,在研磨盘和工件之间发生滚动,在研磨过程中,一些磨粒被镶嵌到研磨盘中,外露的磨粒尖端在研磨盘中的转动对蓝宝石加工面进行刻划,达到微切削的作用;另外一些未镶嵌的磨粒则继续在研磨盘与蓝宝石之间滚动,使蓝宝石加工表面出现一些微裂纹,裂纹在研磨加工过程中慢慢扩展,蓝宝石的加工表面会发生脆性崩碎,从而形成切屑,由此达到材料去除的效果。随着裂纹增多,在裂纹相互交叉的地方会破碎产生小碎块蓝宝石的研磨加工通常通过逐步改变磨粒粒径的大小,控制好其他的加工参数,来获得较高的表面质量蓝宝石在研磨过程中,材料的去除方式不但包括机械去除,还伴随着表面的熔融、塑性流动以及磨料与蓝宝石表面产生的化学作用。Wasmer等蓝宝石的研磨加工效果和加工效率不仅由研磨转速、压力、研磨盘材质、磨粒种类、磨粒粒径、pH值、研磨温度等因素决定,还与蓝宝石材料本身的向异性有关2蓝蓝色研磨工艺2.1影响表面研磨质量的因素游离磨料研磨加工是一种传统的蓝宝石研磨加工方式,同时也是目前使用最多的研磨加工方法。其主要特点是添加磨粒在研磨液中,将研磨液通过喷雾方式或胶管直接滴在研磨盘上,研磨盘的转动将磨粒带入蓝宝石与研磨盘之间,通过磨粒与蓝宝石加工面的接触达到对蓝宝石的加工。图2为游离磨料研磨的加工原理。首先将待加工的蓝宝石基片安装在夹持头下面,通过研磨盘和夹持头的转动,研磨液中的磨料在研磨盘与蓝宝石基片之间发生滚动和划擦,对蓝宝石表面材料进行去除游离磨料加工蓝宝石的基本步骤是:先用铸铁材质的研磨盘和粒径较大的磨粒,对蓝宝石基片进行粗研磨,去除由于切割造成的不平整表面。然后使用粒径较小的金刚石磨粒,用较软的铜研磨盘对蓝宝石进行精细研磨,实现较小的材料去除量,获得符合加工要求的高质量加工表面研磨压力的影响:使用游离磨料加工蓝宝石,在一定范围内,研磨压力的适当增加,有利于提高蓝宝石表面质量和提高研磨效率。当研磨压力较小时,有效磨粒数量较少,且只有粒径稍大的磨粒起到材料去除的作用。研磨压力增大时,粒径大的磨粒被镶嵌到研磨盘中,通过露出的尖端对蓝宝石材料进行划擦,同时粒径小的磨粒直接参与微切削作用,有效磨粒的数量增多,对加工表面起到了修整作用。李冰等研磨转速的影响:蓝宝石加工表面的材料去除率开始随研磨转速的提高而增加,当继续增大转速时,去除率会有略微下降,这是因为材料去除率与磨粒和蓝宝石工件之间的相对微切削次数有关。蓝宝石表面的粗糙度会随着研磨盘转速的逐步增加而增大,随后慢慢减小。当转速过低时,磨料与蓝宝石加工面的接触机会较少,对蓝宝石的材料去除不多,磨粒在加工面上分布不均,容易造成加工表面的划伤。当转速提高后,磨粒的均匀性变好,直接参与研磨的磨粒数量变多,蓝宝石获得微切削的次数变多,粒径较小的磨粒对待加工表面起到了光滑作用。当研磨盘的转速过大时,研磨液受到的离心力太大,产生飞溅,有效磨粒数量降低,研磨均匀性变差,对蓝宝石产生的微切削作用减少,因此表面加工质量变差,去除率降低。王志强等研磨盘材质的影响:研磨盘材质在加工过程中对材料去除率也有一定的影响。一般而言,使用硬度高的研磨盘加工蓝宝石表面,能够获得高的材料去除率和高的表面粗糙度;研磨盘材质越软,加工后蓝宝石表面获得的粗糙度越低。Prochnow等磨粒粒径大小的影响:磨粒粒径的大小是对研磨质量影响最大的因素,一般而言,磨粒粒径越小,加工后工件表面粗糙度越低。然而材料去除率跟粒径的关系则是随着磨粒的增大先降低再升高。周兆忠等除此之外,影响因素还包括磨粒的种类、加工条件、研磨液pH值、催化剂的种类等。Xu等游离磨料研磨加工蓝宝石具有操作简单、实验参数便于控制等优点,能够将切割时产生的表面损伤去除,但也存在明显的不足:加工过程中磨粒分布不均匀,研磨效果差,加工后表面均匀性和平整性差;磨粒粒径的不同直接造成部分磨粒无法参与研磨作用,研磨效率偏低;研磨效率依赖研磨盘的转速,当转速过高时,研磨液在离心力的作用下产生飞溅,不但浪费还不便于回收,造成环境污染2.2影响研磨盘材质的因素固结磨料研磨技术成功克服游离磨料的缺陷,是一种将磨料通过结合剂做成研磨盘的加工方法。磨粒直接存在于研磨盘中,改善了磨粒分布不均、研磨转速不能过高的缺点。固结磨料研磨原理,如图3所示。由于磨料固结于磨具中,加工过程中不存在磨料飞溅的问题,可通过提高磨具转速来提高加工效率,降低加工成本。目前,固结磨料研磨技术通过外露的磨粒尖端可以对蓝宝石实现表面材料的微量去除,成为高效、高质量的蓝宝石加工方法固结磨料研磨的磨粒通过结合剂的作用直接固定在研磨盘中,由于磨粒露出研磨盘表面的尖端尺寸几乎一致,在研磨压力的作用下,未参与研磨作用的磨粒数量变少,各个磨粒受力均匀,减少了大颗粒磨粒对加工表面的划伤,加工损伤低;固结磨料使磨盘中磨粒的利用率大大提高,从而降低加工成本,能够避免游离磨料加工中磨料对工件表面的滚扎和划擦,获得更好的表面加工效果研磨盘材质的影响:固结磨料研磨技术中研磨盘的材质是影响研磨加工的重要因素,研磨盘一般分为磨料层、弹性层和刚性层。磨料层主要由磨粒和结合剂组成,直接与待加工的蓝宝石表面接触,用于实现材料的去除。研磨盘的分层主要是为提高研磨的加工效率,减少磨粒的浪费,同时可以对研磨盘的弹性性能进行控制。使用不同结合剂制作成的研磨盘对蓝宝石加工有不同的研磨效果。林智富等磨粒种类与粒径大小的影响:蓝宝石晶体硬度高,所以用于研磨蓝宝石晶体的磨料必须有更高的硬度,目前使用较多的磨料有金刚石、CBN、SiC和刚玉等;磨料粒径的大小对蓝宝石表面加工效果影响最大,使用粒径较大的磨粒加工材料去除率高而表面粗糙度大,磨粒粒径小的材料去除率低而表面粗糙度小。Hu等磨粒浓度的影响:研磨盘中单位体积内所含磨粒的数量是磨粒的浓度,磨粒浓度对研磨加工效率具有一定影响。浓度过低时,加工效率低,裸露的磨粒数量少,单颗磨粒受到的研磨力大,容易造成磨粒的脱落,加速研磨盘的损耗。磨粒浓度增大,研磨加工效率变高,研磨盘使用寿命变长,加工效果好。当浓度过大时,由于磨粒数量过多,研磨盘对单个磨粒的束缚能力减少,磨粒快速脱落造成研磨盘的损耗过快,脱落的磨粒在研磨盘的转动中对蓝宝石表面造成划擦和滚扎,容易留下划痕和损伤,从而增大了表面粗糙度。除研磨盘材质、磨粒粒径和浓度外,对蓝宝石的研磨效果还有其他一些影响因素,包括蓝宝石本身的向异性和研磨液种类等固结磨料研磨作为一种较新的蓝宝石研磨加工方式,目前正在逐步取代传统的游离磨料研磨,在游离磨料的基础上提高了磨粒的利用率和研磨加工的效率,改善磨粒分布不均,能够获得更好的加工效果。但是加工方式决定其不便于随时更换研磨盘。因此,无法随时对磨粒种类、磨粒大小、磨粒浓度等因素进行控制,不便于对加工参数进行调整,更适用于同一种工件的批量加工。2.3超精密研磨法目前使用的蓝宝石产品对前后两个表面都有较高的加工要求。传统的加工方式对蓝宝石进行研磨后,需要将加工的蓝宝石基片取下,再对另一表面进行加工。单面研磨加工一次只能完成对一个表面的研磨,增加了加工工序,延长了整体加工周期。且在二次装夹时容易增加加工误差,加工表面受到研磨力的作用,未加工表面处于夹具的约束状态,加工后由于应力的回复引起表面翘曲,加工质量和效果得不到保障。当蓝宝石用于光学领域,由于加工误差带来的细小精度误差和损伤而带来严重的影响,加工的产品达不到使用要求将会报废双面研磨设备有上下两个研磨盘,可同时对蓝宝石的两个表面进行加工,研磨效率比单面研磨提高许多,目前成为蓝宝石材料超精密加工的主要方法。蓝宝石双面研磨加工的主要优点有对于双面研磨,国内外学者也进行了一定的研究。Kim等2.4损伤研磨的机理固结软磨料研磨加工是将材质较软、但化学性质活跃的磨粒作为磨料制作成研磨盘对蓝宝石进行加工。这种材质较软的磨粒在与蓝宝石材料接触时除了起到一部分研磨作用,还会发生固相化学反应,反应生成物的硬度低于蓝宝石的硬度,通过研磨盘的转动,将生成物去除,可以减少磨屑对蓝宝石表面的磨损,实现低损伤研磨在使用固结软磨料研磨过程中,突出的磨粒与加工面实现点对面的接触,在研磨压力和研磨盘转动的作用下,会出现一个高温高压的环境,为磨料与蓝宝石发生固相反应创造良好的条件。随着研磨的进行,化学反应生成一层反应物,在研磨盘的转动下经研磨液的作用进行去除,实现对蓝宝石表面的加工。由于反应物的去除,研磨盘表面经过了修锐,新的磨粒继续与蓝宝石表面接触反应,反应后生成物的硬度不但低于加工表面材料的硬度,还低于磨粒的硬度,因此在未参与化学反应的磨粒作用下极易去除,不会破坏研磨盘的完整性。由于磨粒的硬度低于蓝宝石的硬度,部分磨粒的脱落不会对蓝宝石表面造成划痕和损伤,同时可以避免研磨盘使用时间长产生的钝化现象。固结软磨料的磨粒通常选用Fe固结软磨料研磨时将磨粒固着在研磨盘中,研磨盘可以实现高转速,具有好的加工效率,磨粒的利用率增大,有效降低加工成本;同时研磨液和加工后生成的反应物便于收集,后期处理简单,降低了污染,是蓝宝石研磨加工发展的新方向。3需进一步加大的研究方向目前,蓝宝石研磨加工正朝着降低加工成本、提高加工质量、提升加工效率的方向发展。采用超精密机械设备提高研磨加工效率和研磨质量,降低废品率。通过对磨粒尺寸、磨粒浓度、研磨盘材质等进行优化,能够达到更高的材料去除率和更低的表面损伤。未来对蓝宝石产品的需求将继续增大,对加工要求也会提高。为进一步降低加工成本,提高蓝宝石研磨加工的成品率,有以下问题值得进一步深入研究:1)研磨加工离不开研磨液的作用,且研磨液通常为一次性使用,浪费严重,污染环境。通过研发低成本环境友好型研磨液,开发研磨液高效回收过滤技术,可降低成本,实现低碳绿色制造。2)目前可用于制作固结磨料研磨盘的磨粒类型较少,加工效率普遍偏低。研发新型磨料与研磨盘材料,有助于获得更好的研磨效果,降低研磨成本,提高研磨效率。3)双面研磨加工对蓝宝石基片平整度要求较高,对有平整度误差的蓝宝石基片加工效率低。需研究实时误差补偿技术,扩大双面研磨技术应用范围,提