高效低损伤研磨蓝宝石基片高效低磨损新工艺

高效低损伤研磨蓝宝石基片高效低磨损新工艺

1固结磨料研磨单晶蓝是军电设备的理想窗口材料，采用其优良的光学性能成为军电设备的理想窗口材料。它被广泛应用于紫外波和曝光后的军电设备光学传感器。同时，由于其良好的机械工程、介电性能和化学稳定性，单晶兰是最优质的材料和替代品。它是制备高温透射膜、红外光学材料和微检测器的最佳基质和缓冲材料。固结磨料研磨(Fixed-abrasivelapping)技术是将磨粒镶嵌在研磨垫或研磨盘中,通过磨粒的微切削作用去除工件表面的材料,近年来由于其加工效率高、磨料利用率高、加工精度和表面质量可控性强等优点得到国内外学者的关注,然而,目前已公开发表的文献主要还是针对于光学玻璃、单晶硅等硬度相对较低的硬脆材料的固结磨料研磨加工,关于硬度较高的蓝宝石基片固结磨料研磨加工的文献较少。美国3M公司2实验2.1固结金刚石研磨盘的制备蓝宝石基片研磨试验在UNIPOL-1260型精密研磨机(科晶,中国)上进行,如图1所示。试验采用的研磨盘为陶瓷结合剂、树脂结合剂和陶瓷树脂复合结合剂制备的固结金刚石研磨盘,研磨盘直径为320mm,研磨盘的金刚石磨料浓度均为100%,如图2所示。加工试件为ue78825.4mm×3mm的(1000)蓝宝石基片。研磨试验参数为:工件转速60r/min,研磨盘转速120r/min,研磨压力0.2MPa,研磨液为去离子水。2.2材料去除率和形貌磨削前后的蓝宝石基片材料去除厚度采用PrismoNavigator型三坐标测量机(Zeiss,德国)测量,然后计算其材料去除率。采用Newview5022型白光干涉三维表面轮廓仪(Zygo,美国)检测蓝宝石基片的表面粗糙度和微观形貌,采用VHX-2000型超景深显微镜(Keyence,日本)观测研磨盘表面的微观形貌,采用SUPRA55型扫描电镜(Zeiss,德国)观测蓝宝石基片磨削表面的微观损伤。磨削蓝宝石基片的亚表面损伤深度检测采用截面显微观测法3结果与讨论3.1陶瓷树脂复合结合剂与陶瓷树脂复合剂研磨盘研磨盘表面粗糙度ra不同结合剂金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率和表面粗糙度如图4所示,其中研磨盘的磨料粒度均为W20。从图中可以看出,虽然陶瓷结合剂金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的加工效率最高,材料去除率达到123.4μm/min,但表面质量较差,表面粗糙度Ra仅为458nm;树脂结合剂金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的表面质量最好,表面粗糙度Ra达到272nm,但加工效率最低,材料去除率仅为10.4μm/min;陶瓷树脂复合结合剂金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率和表面粗糙度Ra分别为93.8μm/min和344nm,与陶瓷结合剂和树脂结合剂金刚石研磨盘相比,陶瓷树脂复合结合剂金刚石研磨盘同时兼顾了加工效率和和表面质量。三种结合剂金刚石研磨盘表面的磨粒分布及其气孔情况如图5所示,仔细观测不同结合剂金刚石研磨盘表面的气孔可知,陶瓷结合剂和陶瓷树脂复合结合剂研磨盘表面的气孔均非常多,但陶瓷结合剂研磨盘的气孔较小,而陶瓷树脂复合结合剂研磨盘的气孔非常大,树脂结合剂研磨盘的气孔最少,几乎观测不到。气孔可以使研磨盘在磨削蓝宝石基片过程中具有更好的散热、容屑和排屑能力,同时气孔还能够减弱结合剂对磨料的把持强度,使磨粒在加工过程中更容易脱落,提高研磨盘的自锐能力。因此,综合分析不同结合剂金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率、表面粗糙度和磨盘的组织结构可知,陶瓷结合剂金刚石研磨盘的磨削性能的最佳,同时兼顾了加工效率、表面质量以及自锐性能。3.2亚表面微裂纹的变化不同粒度金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率和表面粗糙度以及表面微观形貌如图6所示,其中研磨盘的结合剂均为陶瓷树脂复合结合剂。由图6可以明显看出,随着磨料粒度的减小,蓝宝石基片的材料去除率和表面粗糙度也随之减小。进一步观测图7所示的蓝宝石基片磨削表面的微观形貌可知,W40和W20金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的表面存在大量的凹坑、破碎和深划痕等损伤,尤其是W40金刚石研磨盘磨削表面,呈现典型的脆性断裂去除形成的表面形貌,表明W40和W20金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片是以脆性断裂方式去除为主。而W7和W2.5金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的表面微观形貌明显得到改善,表面光滑平整,仅能观测到较浅的微划痕,尤其是W2.5金刚石研磨盘磨削表面,明显是以塑性流动去除为主。综合分析蓝宝石基片的表面粗糙度及表面微观形貌可知,随着磨料粒径的减小,金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的表面材料以塑性变形方式去除的比例相应地增加,而以脆性断裂方式去除的比例相应地减少,进而使磨削蓝宝石基片的表面质量越来越好,其中,W40和W20金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片时表面材料以脆性断裂方式去除,W7金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片时表面材料主要以塑性变形方式去除,但仍存在少量的脆性断裂方式去除,W2.5金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片时表面材料以塑性流动方式去除,实现了蓝宝石基片的塑性域磨削。这是由于金刚石研磨盘表面的磨粒是随机分布的,在磨粒浓度相同的情况下,磨料粒径越大,研磨盘表面磨粒之间的等高性越差,参与实际磨削的有效磨粒越少;反之,磨料粒径越小,参与实际切削的有效磨粒越多,在加工压力相同的情况下,采用粗粒度金刚石研磨盘(如W40和W20金刚石研磨盘)磨削蓝宝石基片时,磨料粒径越大,单颗磨粒作用在工件表面上的局部加工压力越大,越容易超过单晶蓝宝石的断裂强度,进而使蓝宝石基片的表面材料以脆性断裂的方式被去除,在工件表面形成大量较深的凹坑、破碎和深划痕等缺陷,如图7(a)(b)所示;而采用细粒度金刚石研磨盘(如W7和W2.5金刚石研磨盘)磨削蓝宝石基片时,磨料粒度越小,单颗磨粒作用在工件表面上的局部加工压力越小,蓝宝石基片的表面材料越容易被磨粒以微切削、滑擦、耕犁为主的塑性流动方式去除掉,虽然加工效率较低,但能够获得较好的表面质量,实现蓝宝石基片的低损伤加工。图8为不同粒度金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的亚表面损伤深度。由图8可以明显看出,蓝宝石基片的亚表面损伤深度随着金刚石研磨盘磨料粒径的减小而减小,尤其是W2.5金刚石研磨盘磨削的蓝宝石基片,其亚表面损伤采用截面显微观测法几乎看不到。此外,从图8还可以看出,W40、W20和W7金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的亚表面微裂纹主要是平行于加工表面的横向裂纹,横向裂纹在外力的作用下比较容易扩展到工件表面,使工件表面产生较大凹坑缺陷,进而形成较差的表面质量,而W2.5金刚石研磨盘产生的亚表面微裂纹主要是垂直于加工表面的中位裂纹,相对于横向裂纹更容易获得较好的表面质量。根据上述不同粒度金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率、表面粗糙度和表面/亚表面损伤的研究可知,对于W40、W20、W7和W2.5金刚石研磨盘,W40金刚石研磨盘的材料去除率最高,但磨削工件的表面/亚表面质量最差,适合用于蓝宝石基片的粗磨加工,去除大部分加工余量;W7金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率较高、表面/亚表面质量较好,适合用于蓝宝石基片的半精磨加工,去除粗磨加工产生的损伤层,获得较小的蓝宝石基片的表面/亚表面损伤;W2.5金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率最小,但表面质量最好,适合用于蓝宝石基片的精磨加工,提高蓝宝石基片的表面/亚表面质量,为后续的损伤去除工艺加工提供低损伤磨削表面。4高效低损伤磨削加工表面质量本文通过对比蓝宝石基片的材料去除率、表面粗糙度、表面微观形貌和亚表面损伤深度,研究了结合剂种类和磨料粒度对金刚石研磨盘磨削性能的影响,确定了综合磨削性能最佳的金刚石研磨盘结合剂,揭示了蓝宝石基片脆性域磨削和塑性域磨削的表面/亚表面损伤特征,提出了蓝宝石基片高效低损伤磨削的工艺方案,结论如下:(1)陶瓷树脂复合结合剂金刚石研磨盘加工蓝宝石基片的综合磨削性能优于陶瓷结合剂和树脂结合剂金刚石研磨盘,同时兼顾较高的加工效率和较好的表面质量;(2)随着磨料粒径的减小,金刚石研磨盘磨削表面的材料去