藍寶石研磨加工工藝研究

藍寶石研磨加工工藝研究

單晶藍莓是一種廣泛使用的晶界材料。它具有良好的物理性、光學性和化學性能，硬度高，抗疲勞動性強，性質穩(wěn)定，耐學性好。藍寶石的主要成分是氧化鋁(Al藍寶石材料的主要加工工序是晶體切割、研磨和拋光等處理。其中切割工序給藍寶石材料帶來的表面損傷和尺寸誤差最大,研磨加工的作用是快速去除由切割帶來的表面不平整,提高藍寶石表面的平面度。因此,對藍寶石研磨加工的效果和效率有著更嚴要求,若是研磨工藝或參數(shù)選擇不當,不但會使加工效率偏低,且加工后的藍寶石表面由于劃痕和裂紋較多達不到使用要求,需要進行二次研磨和拋光,造成藍寶石基片太薄無法使用而報廢,增加藍寶石的加工成本1材料去除機理研磨加工是一種使用普遍、操作方便的精密加工方式,其是利用附著或鑲嵌在磨盤上的磨料,通過持續(xù)運動的磨盤與工件的相互接觸來實現(xiàn)材料去除的過程。該技術選用粒徑只有幾微米的磨粒對工件進行加工,能夠獲得近納米級的加工效果,是一種快速獲得低表面粗糙度、高表面質量的加工方法在藍寶石的研磨加工過程中,磨料在研磨力的作用下通過滾軋和微切削對藍寶石進行材料去除,磨料對藍寶石表面的作用機理,如圖1所示。不同形狀的磨粒在研磨盤壓力的作用下,通過研磨盤的轉動,在研磨盤和工件之間發(fā)生滾動,在研磨過程中,一些磨粒被鑲嵌到研磨盤中,外露的磨粒尖端在研磨盤中的轉動對藍寶石加工面進行刻劃,達到微切削的作用;另外一些未鑲嵌的磨粒則繼續(xù)在研磨盤與藍寶石之間滾動,使藍寶石加工表面出現(xiàn)一些微裂紋,裂紋在研磨加工過程中慢慢擴展,藍寶石的加工表面會發(fā)生脆性崩碎,從而形成切屑,由此達到材料去除的效果。隨著裂紋增多,在裂紋相互交叉的地方會破碎產生小碎塊藍寶石的研磨加工通常通過逐步改變磨粒粒徑的大小,控制好其他的加工參數(shù),來獲得較高的表面質量藍寶石在研磨過程中,材料的去除方式不但包括機械去除,還伴隨著表面的熔融、塑性流動以及磨料與藍寶石表面產生的化學作用。Wasmer等藍寶石的研磨加工效果和加工效率不僅由研磨轉速、壓力、研磨盤材質、磨粒種類、磨粒粒徑、pH值、研磨溫度等因素決定,還與藍寶石材料本身的向異性有關2藍藍色研磨工藝2.1影響表面研磨質量的因素游離磨料研磨加工是一種傳統(tǒng)的藍寶石研磨加工方式,同時也是目前使用最多的研磨加工方法。其主要特點是添加磨粒在研磨液中,將研磨液通過噴霧方式或膠管直接滴在研磨盤上,研磨盤的轉動將磨粒帶入藍寶石與研磨盤之間,通過磨粒與藍寶石加工面的接觸達到對藍寶石的加工。圖2為游離磨料研磨的加工原理。首先將待加工的藍寶石基片安裝在夾持頭下面,通過研磨盤和夾持頭的轉動,研磨液中的磨料在研磨盤與藍寶石基片之間發(fā)生滾動和劃擦,對藍寶石表面材料進行去除游離磨料加工藍寶石的基本步驟是:先用鑄鐵材質的研磨盤和粒徑較大的磨粒,對藍寶石基片進行粗研磨,去除由于切割造成的不平整表面。然后使用粒徑較小的金剛石磨粒,用較軟的銅研磨盤對藍寶石進行精細研磨,實現(xiàn)較小的材料去除量,獲得符合加工要求的高質量加工表面研磨壓力的影響:使用游離磨料加工藍寶石,在一定范圍內,研磨壓力的適當增加,有利于提高藍寶石表面質量和提高研磨效率。當研磨壓力較小時,有效磨粒數(shù)量較少,且只有粒徑稍大的磨粒起到材料去除的作用。研磨壓力增大時,粒徑大的磨粒被鑲嵌到研磨盤中,通過露出的尖端對藍寶石材料進行劃擦,同時粒徑小的磨粒直接參與微切削作用,有效磨粒的數(shù)量增多,對加工表面起到了修整作用。李冰等研磨轉速的影響:藍寶石加工表面的材料去除率開始隨研磨轉速的提高而增加,當繼續(xù)增大轉速時,去除率會有略微下降,這是因為材料去除率與磨粒和藍寶石工件之間的相對微切削次數(shù)有關。藍寶石表面的粗糙度會隨著研磨盤轉速的逐步增加而增大,隨后慢慢減小。當轉速過低時,磨料與藍寶石加工面的接觸機會較少,對藍寶石的材料去除不多,磨粒在加工面上分布不均,容易造成加工表面的劃傷。當轉速提高后,磨粒的均勻性變好,直接參與研磨的磨粒數(shù)量變多,藍寶石獲得微切削的次數(shù)變多,粒徑較小的磨粒對待加工表面起到了光滑作用。當研磨盤的轉速過大時,研磨液受到的離心力太大,產生飛濺,有效磨粒數(shù)量降低,研磨均勻性變差,對藍寶石產生的微切削作用減少,因此表面加工質量變差,去除率降低。王志強等研磨盤材質的影響:研磨盤材質在加工過程中對材料去除率也有一定的影響。一般而言,使用硬度高的研磨盤加工藍寶石表面,能夠獲得高的材料去除率和高的表面粗糙度;研磨盤材質越軟,加工后藍寶石表面獲得的粗糙度越低。Prochnow等磨粒粒徑大小的影響:磨粒粒徑的大小是對研磨質量影響最大的因素,一般而言,磨粒粒徑越小,加工后工件表面粗糙度越低。然而材料去除率跟粒徑的關系則是隨著磨粒的增大先降低再升高。周兆忠等除此之外,影響因素還包括磨粒的種類、加工條件、研磨液pH值、催化劑的種類等。Xu等游離磨料研磨加工藍寶石具有操作簡單、實驗參數(shù)便于控制等優(yōu)點,能夠將切割時產生的表面損傷去除,但也存在明顯的不足:加工過程中磨粒分布不均勻,研磨效果差,加工后表面均勻性和平整性差;磨粒粒徑的不同直接造成部分磨粒無法參與研磨作用,研磨效率偏低;研磨效率依賴研磨盤的轉速,當轉速過高時,研磨液在離心力的作用下產生飛濺,不但浪費還不便于回收,造成環(huán)境污染2.2影響研磨盤材質的因素固結磨料研磨技術成功克服游離磨料的缺陷,是一種將磨料通過結合劑做成研磨盤的加工方法。磨粒直接存在于研磨盤中,改善了磨粒分布不均、研磨轉速不能過高的缺點。固結磨料研磨原理,如圖3所示。由于磨料固結于磨具中,加工過程中不存在磨料飛濺的問題,可通過提高磨具轉速來提高加工效率,降低加工成本。目前,固結磨料研磨技術通過外露的磨粒尖端可以對藍寶石實現(xiàn)表面材料的微量去除,成為高效、高質量的藍寶石加工方法固結磨料研磨的磨粒通過結合劑的作用直接固定在研磨盤中,由于磨粒露出研磨盤表面的尖端尺寸幾乎一致,在研磨壓力的作用下,未參與研磨作用的磨粒數(shù)量變少,各個磨粒受力均勻,減少了大顆粒磨粒對加工表面的劃傷,加工損傷低;固結磨料使磨盤中磨粒的利用率大大提高,從而降低加工成本,能夠避免游離磨料加工中磨料對工件表面的滾扎和劃擦,獲得更好的表面加工效果研磨盤材質的影響:固結磨料研磨技術中研磨盤的材質是影響研磨加工的重要因素,研磨盤一般分為磨料層、彈性層和剛性層。磨料層主要由磨粒和結合劑組成,直接與待加工的藍寶石表面接觸,用于實現(xiàn)材料的去除。研磨盤的分層主要是為提高研磨的加工效率,減少磨粒的浪費,同時可以對研磨盤的彈性性能進行控制。使用不同結合劑制作成的研磨盤對藍寶石加工有不同的研磨效果。林智富等磨粒種類與粒徑大小的影響:藍寶石晶體硬度高,所以用于研磨藍寶石晶體的磨料必須有更高的硬度,目前使用較多的磨料有金剛石、CBN、SiC和剛玉等;磨料粒徑的大小對藍寶石表面加工效果影響最大,使用粒徑較大的磨粒加工材料去除率高而表面粗糙度大,磨粒粒徑小的材料去除率低而表面粗糙度小。Hu等磨粒濃度的影響:研磨盤中單位體積內所含磨粒的數(shù)量是磨粒的濃度,磨粒濃度對研磨加工效率具有一定影響。濃度過低時,加工效率低,裸露的磨粒數(shù)量少,單顆磨粒受到的研磨力大,容易造成磨粒的脫落,加速研磨盤的損耗。磨粒濃度增大,研磨加工效率變高,研磨盤使用壽命變長,加工效果好。當濃度過大時,由于磨粒數(shù)量過多,研磨盤對單個磨粒的束縛能力減少,磨?？焖倜撀湓斐裳心ケP的損耗過快,脫落的磨粒在研磨盤的轉動中對藍寶石表面造成劃擦和滾扎,容易留下劃痕和損傷,從而增大了表面粗糙度。除研磨盤材質、磨粒粒徑和濃度外,對藍寶石的研磨效果還有其他一些影響因素,包括藍寶石本身的向異性和研磨液種類等固結磨料研磨作為一種較新的藍寶石研磨加工方式,目前正在逐步取代傳統(tǒng)的游離磨料研磨,在游離磨料的基礎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,能夠獲得更好的加工效果。但是加工方式?jīng)Q定其不便于隨時更換研磨盤。因此,無法隨時對磨粒種類、磨粒大小、磨粒濃度等因素進行控制,不便于對加工參數(shù)進行調整,更適用于同一種工件的批量加工。2.3超精密研磨法目前使用的藍寶石產品對前后兩個表面都有較高的加工要求。傳統(tǒng)的加工方式對藍寶石進行研磨后,需要將加工的藍寶石基片取下,再對另一表面進行加工。單面研磨加工一次只能完成對一個表面的研磨,增加了加工工序,延長了整體加工周期。且在二次裝夾時容易增加加工誤差,加工表面受到研磨力的作用,未加工表面處于夾具的約束狀態(tài),加工后由于應力的回復引起表面翹曲,加工質量和效果得不到保障。當藍寶石用于光學領域,由于加工誤差帶來的細小精度誤差和損傷而帶來嚴重的影響,加工的產品達不到使用要求將會報廢雙面研磨設備有上下兩個研磨盤,可同時對藍寶石的兩個表面進行加工,研磨效率比單面研磨提高許多,目前成為藍寶石材料超精密加工的主要方法。藍寶石雙面研磨加工的主要優(yōu)點有對于雙面研磨,國內外學者也進行了一定的研究。Kim等2.4損傷研磨的機理固結軟磨料研磨加工是將材質較軟、但化學性質活躍的磨粒作為磨料制作成研磨盤對藍寶石進行加工。這種材質較軟的磨粒在與藍寶石材料接觸時除了起到一部分研磨作用,還會發(fā)生固相化學反應,反應生成物的硬度低于藍寶石的硬度,通過研磨盤的轉動,將生成物去除,可以減少磨屑對藍寶石表面的磨損,實現(xiàn)低損傷研磨在使用固結軟磨料研磨過程中,突出的磨粒與加工面實現(xiàn)點對面的接觸,在研磨壓力和研磨盤轉動的作用下,會出現(xiàn)一個高溫高壓的環(huán)境,為磨料與藍寶石發(fā)生固相反應創(chuàng)造良好的條件。隨著研磨的進行,化學反應生成一層反應物,在研磨盤的轉動下經(jīng)研磨液的作用進行去除,實現(xiàn)對藍寶石表面的加工。由于反應物的去除,研磨盤表面經(jīng)過了修銳,新的磨粒繼續(xù)與藍寶石表面接觸反應,反應后生成物的硬度不但低于加工表面材料的硬度,還低于磨粒的硬度,因此在未參與化學反應的磨粒作用下極易去除,不會破壞研磨盤的完整性。由于磨粒的硬度低于藍寶石的硬度,部分磨粒的脫落不會對藍寶石表面造成劃痕和損傷,同時可以避免研磨盤使用時間長產生的鈍化現(xiàn)象。固結軟磨料的磨粒通常選用Fe固結軟磨料研磨時將磨粒固著在研磨盤中,研磨盤可以實現(xiàn)高轉速,具有好的加工效率,磨粒的利用率增大,有效降低加工成本;同時研磨液和加工后生成的反應物便于收集,后期處理簡單,降低了污染,是藍寶石研磨加工發(fā)展的新方向。3需進一步加大的研究方向目前,藍寶石研磨加工正朝著降低加工成本、提高加工質量、提升加工效率的方向發(fā)展。采用超精密機械設備提高研磨加工效率和研磨質量,降低廢品率。通過對磨粒尺寸、磨粒濃度、研磨盤材質等進行優(yōu)化,能夠達到更高的材料去除率和更低的表面損傷。未來對藍寶石產品的需求將繼續(xù)增大,對加工要求也會提高。為進一步降低加工成本,提高藍寶石研磨加工的成品率,有以下問題值得進一步深入研究:1)研磨加工離不開研磨液的作用,且研磨液通常為一次性使用,浪費嚴重,污染環(huán)境。通過研發(fā)低成本環(huán)境友好型研磨液,開發(fā)研磨液高效回收過濾技術,可降低成本,實現(xiàn)低碳綠色制造。2)目前可用于制作固結磨料研磨盤的磨粒類型較少,加工效率普遍偏低。研發(fā)新型磨料與研磨盤材料,有助于獲得更好的研磨效果,降低研磨成本,提高研磨效率。3)雙面研磨加工對藍寶石基片平整度要求較高,對有平整度誤差的藍寶石基片加工效率低。需研究實時誤差補償技術,擴大雙面研磨技術應用范圍,提