藍(lán)寶石研磨加工工藝研究

藍(lán)寶石研磨加工工藝研究

單晶藍(lán)莓是一種廣泛使用的晶界材料。它具有良好的物理性、光學(xué)性和化學(xué)性能，硬度高，抗疲勞動(dòng)性強(qiáng)，性質(zhì)穩(wěn)定，耐學(xué)性好。藍(lán)寶石的主要成分是氧化鋁(Al藍(lán)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(lán)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(lán)寶石表面的平面度。因此,對(duì)藍(lán)寶石研磨加工的效果和效率有著更嚴(yán)要求,若是研磨工藝或參數(shù)選擇不當(dāng),不但會(huì)使加工效率偏低,且加工后的藍(lán)寶石表面由于劃痕和裂紋較多達(dá)不到使用要求,需要進(jìn)行二次研磨和拋光,造成藍(lán)寶石基片太薄無法使用而報(bào)廢,增加藍(lán)寶石的加工成本1材料去除機(jī)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(yùn)動(dòng)的磨盤與工件的相互接觸來實(shí)現(xiàn)材料去除的過程。該技術(shù)選用粒徑只有幾微米的磨粒對(duì)工件進(jìn)行加工,能夠獲得近納米級(jí)的加工效果,是一種快速獲得低表面粗糙度、高表面質(zhì)量的加工方法在藍(lán)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(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行材料去除,磨料對(duì)藍(lán)寶石表面的作用機(jī)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(zhuǎn)動(dòng),在研磨盤和工件之間發(fā)生滾動(dòng),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(zhuǎn)動(dòng)對(duì)藍(lán)寶石加工面進(jìn)行刻劃,達(dá)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(lán)寶石之間滾動(dòng),使藍(lán)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(kuò)展,藍(lán)寶石的加工表面會(huì)發(fā)生脆性崩碎,從而形成切屑,由此達(dá)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(huì)破碎產(chǎn)生小碎塊藍(lán)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(zhì)量藍(lán)寶石在研磨過程中,材料的去除方式不但包括機(jī)械去除,還伴隨著表面的熔融、塑性流動(dòng)以及磨料與藍(lán)寶石表面產(chǎn)生的化學(xué)作用。Wasmer等藍(lán)寶石的研磨加工效果和加工效率不僅由研磨轉(zhuǎn)速、壓力、研磨盤材質(zhì)、磨粒種類、磨粒粒徑、pH值、研磨溫度等因素決定,還與藍(lán)寶石材料本身的向異性有關(guān)2藍(lán)藍(lán)色研磨工藝2.1影響表面研磨質(zhì)量的因素游離磨料研磨加工是一種傳統(tǒng)的藍(lán)寶石研磨加工方式,同時(shí)也是目前使用最多的研磨加工方法。其主要特點(diǎn)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(zhuǎn)動(dòng)將磨粒帶入藍(lán)寶石與研磨盤之間,通過磨粒與藍(lán)寶石加工面的接觸達(dá)到對(duì)藍(lán)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(lán)寶石基片安裝在夾持頭下面,通過研磨盤和夾持頭的轉(zhuǎn)動(dòng),研磨液中的磨料在研磨盤與藍(lán)寶石基片之間發(fā)生滾動(dòng)和劃擦,對(duì)藍(lán)寶石表面材料進(jìn)行去除游離磨料加工藍(lán)寶石的基本步驟是:先用鑄鐵材質(zhì)的研磨盤和粒徑較大的磨粒,對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)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(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行精細(xì)研磨,實(shí)現(xiàn)較小的材料去除量,獲得符合加工要求的高質(zhì)量加工表面研磨壓力的影響:使用游離磨料加工藍(lán)寶石,在一定范圍內(nèi),研磨壓力的適當(dāng)增加,有利于提高藍(lán)寶石表面質(zhì)量和提高研磨效率。當(dāng)研磨壓力較小時(shí),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(shí),粒徑大的磨粒被鑲嵌到研磨盤中,通過露出的尖端對(duì)藍(lán)寶石材料進(jìn)行劃擦,同時(shí)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(duì)加工表面起到了修整作用。李冰等研磨轉(zhuǎn)速的影響:藍(lán)寶石加工表面的材料去除率開始隨研磨轉(zhuǎn)速的提高而增加,當(dāng)繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速時(shí),去除率會(huì)有略微下降,這是因?yàn)椴牧先コ逝c磨粒和藍(lán)寶石工件之間的相對(duì)微切削次數(shù)有關(guān)。藍(lán)寶石表面的粗糙度會(huì)隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的逐步增加而增大,隨后慢慢減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時(shí),磨料與藍(lán)寶石加工面的接觸機(jī)會(huì)較少,對(duì)藍(lán)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(dāng)轉(zhuǎn)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(lán)寶石獲得微切削的次數(shù)變多,粒徑較小的磨粒對(duì)待加工表面起到了光滑作用。當(dāng)研磨盤的轉(zhuǎn)速過大時(shí),研磨液受到的離心力太大,產(chǎn)生飛濺,有效磨粒數(shù)量降低,研磨均勻性變差,對(duì)藍(lán)寶石產(chǎn)生的微切削作用減少,因此表面加工質(zhì)量變差,去除率降低。王志強(qiáng)等研磨盤材質(zhì)的影響:研磨盤材質(zhì)在加工過程中對(duì)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(lán)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(zhì)越軟,加工后藍(lán)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(duì)研磨質(zhì)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(guān)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(lán)寶石具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)參數(shù)便于控制等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)⑶懈顣r(shí)產(chǎn)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(zhuǎn)速,當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí),研磨液在離心力的作用下產(chǎn)生飛濺,不但浪費(fèi)還不便于回收,造成環(huán)境污染2.2影響研磨盤材質(zhì)的因素固結(jié)磨料研磨技術(shù)成功克服游離磨料的缺陷,是一種將磨料通過結(jié)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(zhuǎn)速不能過高的缺點(diǎn)。固結(jié)磨料研磨原理,如圖3所示。由于磨料固結(jié)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(zhuǎn)速來提高加工效率,降低加工成本。目前,固結(jié)磨料研磨技術(shù)通過外露的磨粒尖端可以對(duì)藍(lán)寶石實(shí)現(xiàn)表面材料的微量去除,成為高效、高質(zhì)量的藍(lán)寶石加工方法固結(jié)磨料研磨的磨粒通過結(jié)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(gè)磨粒受力均勻,減少了大顆粒磨粒對(duì)加工表面的劃傷,加工損傷低;固結(jié)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(duì)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(zhì)的影響:固結(jié)磨料研磨技術(shù)中研磨盤的材質(zhì)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(jié)合劑組成,直接與待加工的藍(lán)寶石表面接觸,用于實(shí)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(fèi),同時(shí)可以對(duì)研磨盤的彈性性能進(jìn)行控制。使用不同結(jié)合劑制作成的研磨盤對(duì)藍(lán)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(lán)寶石晶體硬度高,所以用于研磨藍(lán)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(duì)藍(lán)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(nèi)所含磨粒的數(shù)量是磨粒的濃度,磨粒濃度對(duì)研磨加工效率具有一定影響。濃度過低時(shí),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(zhǎng),加工效果好。當(dāng)濃度過大時(shí),由于磨粒數(shù)量過多,研磨盤對(duì)單個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)中對(duì)藍(lán)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(zhì)、磨粒粒徑和濃度外,對(duì)藍(lán)寶石的研磨效果還有其他一些影響因素,包括藍(lán)寶石本身的向異性和研磨液種類等固結(jié)磨料研磨作為一種較新的藍(lán)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(chǔ)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(shí)更換研磨盤。因此,無法隨時(shí)對(duì)磨粒種類、磨粒大小、磨粒濃度等因素進(jìn)行控制,不便于對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)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(lán)寶石產(chǎn)品對(duì)前后兩個(gè)表面都有較高的加工要求。傳統(tǒng)的加工方式對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行研磨后,需要將加工的藍(lán)寶石基片取下,再對(duì)另一表面進(jìn)行加工。單面研磨加工一次只能完成對(duì)一個(gè)表面的研磨,增加了加工工序,延長(zhǎng)了整體加工周期。且在二次裝夾時(shí)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(yīng)力的回復(fù)引起表面翹曲,加工質(zhì)量和效果得不到保障。當(dāng)藍(lán)寶石用于光學(xué)領(lǐng)域,由于加工誤差帶來的細(xì)小精度誤差和損傷而帶來嚴(yán)重的影響,加工的產(chǎn)品達(dá)不到使用要求將會(huì)報(bào)廢雙面研磨設(shè)備有上下兩個(gè)研磨盤,可同時(shí)對(duì)藍(lán)寶石的兩個(gè)表面進(jìn)行加工,研磨效率比單面研磨提高許多,目前成為藍(lán)寶石材料超精密加工的主要方法。藍(lán)寶石雙面研磨加工的主要優(yōu)點(diǎn)有對(duì)于雙面研磨,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一定的研究。Kim等2.4損傷研磨的機(jī)理固結(jié)軟磨料研磨加工是將材質(zhì)較軟、但化學(xué)性質(zhì)活躍的磨粒作為磨料制作成研磨盤對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行加工。這種材質(zhì)較軟的磨粒在與藍(lán)寶石材料接觸時(shí)除了起到一部分研磨作用,還會(huì)發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)生成物的硬度低于藍(lán)寶石的硬度,通過研磨盤的轉(zhuǎn)動(dòng),將生成物去除,可以減少磨屑對(duì)藍(lán)寶石表面的磨損,實(shí)現(xiàn)低損傷研磨在使用固結(jié)軟磨料研磨過程中,突出的磨粒與加工面實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)面的接觸,在研磨壓力和研磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高溫高壓的環(huán)境,為磨料與藍(lán)寶石發(fā)生固相反應(yīng)創(chuàng)造良好的條件。隨著研磨的進(jìn)行,化學(xué)反應(yīng)生成一層反應(yīng)物,在研磨盤的轉(zhuǎn)動(dòng)下經(jīng)研磨液的作用進(jìn)行去除,實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)寶石表面的加工。由于反應(yīng)物的去除,研磨盤表面經(jīng)過了修銳,新的磨粒繼續(xù)與藍(lán)寶石表面接觸反應(yīng),反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的磨粒作用下極易去除,不會(huì)破壞研磨盤的完整性。由于磨粒的硬度低于藍(lán)寶石的硬度,部分磨粒的脫落不會(huì)對(duì)藍(lán)寶石表面造成劃痕和損傷,同時(shí)可以避免研磨盤使用時(shí)間長(zhǎng)產(chǎn)生的鈍化現(xiàn)象。固結(jié)軟磨料的磨粒通常選用Fe固結(jié)軟磨料研磨時(shí)將磨粒固著在研磨盤中,研磨盤可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)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(shí)研磨液和加工后生成的反應(yīng)物便于收集,后期處理簡(jiǎn)單,降低了污染,是藍(lán)寶石研磨加工發(fā)展的新方向。3需進(jìn)一步加大的研究方向目前,藍(lán)寶石研磨加工正朝著降低加工成本、提高加工質(zhì)量、提升加工效率的方向發(fā)展。采用超精密機(jī)械設(shè)備提高研磨加工效率和研磨質(zhì)量,降低廢品率。通過對(duì)磨粒尺寸、磨粒濃度、研磨盤材質(zhì)等進(jìn)行優(yōu)化,能夠達(dá)到更高的材料去除率和更低的表面損傷。未來對(duì)藍(lán)寶石產(chǎn)品的需求將繼續(xù)增大,對(duì)加工要求也會(huì)提高。為進(jìn)一步降低加工成本,提高藍(lán)寶石研磨加工的成品率,有以下問題值得進(jìn)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(fèi)嚴(yán)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(shù),可降低成本,實(shí)現(xiàn)低碳綠色制造。2)目前可用于制作固結(jié)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(duì)藍(lán)寶石基片平整度要求較高,對(duì)有平整度誤差的藍(lán)寶石基片加工效率低。需研究實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償技術(shù),擴(kuò)大雙面研磨技術(shù)應(yīng)用范圍,提