研磨盘A研磨加工A蓝宝石研磨加工原理

 研磨盘A研磨加工A蓝宝石研磨加工原理
 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,外露的磨粒刃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[4]。小碎块的掉落使蓝宝石表面实现较多的材料去除,但同时伴随着裂纹的出现,裂纹的深度和数量直接影响蓝宝石的加工效果。在研磨加工过程中,掉落的蓝宝石碎片边缘锋利,由于蓝宝石本身硬度大,且在研磨压力下与磨粒混合在一起,继续在待加工表面产生划擦。不均匀的磨粒大小与碎块直接作用于加工表面,使之产生不同深度的裂纹。裂纹和表面划痕是其主要的表面加工损伤。
  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[5-6]。传统的超精密研磨加工方法主要分为固结磨料研磨加工和游离磨料研磨加工两大类[7],两者的主要区别在于磨料的加入方法不同。游离磨料加工是将磨料加入研磨液中,在研磨过程中磨料在加工面分布不均匀,并且很大一部分磨料并未直接参与研磨作用。固结磨料研磨加工是将磨料通过结合剂加入到研磨盘中,制成含有磨料的固结研磨盘。该方法解决了磨料分布不均、造成浪费的问题,提高磨料的利用率,使研磨成本降低,能够获得更好的表面加工效果[8-9]。
  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[10]建立蓝宝石研磨的力学模型,研究单晶蓝宝石的研磨过程,分析各试验条件之间的影响关系,对模型进行优化,获得较优加工参数,并通过了试验验证。Wang等[11]分别使用了三维表面分形维数方法和二维表面分形维数方法,评价研磨之后蓝宝石的表面质量。该方法能够准确地分析出蓝宝石表面的材料去除方式,并从微观的角度改变加工条件,实现更好的加工。Zhou等[12]使用不同粒径的二氧化硅对蓝宝石晶片进行试验,通常情况下,磨粒粒径越大,材料去除率越大,而粒径为 10 nm 和100 nm的二氧化硅磨粒的去除率却一致。研究证明,在蓝宝石研磨加工过程中不仅机械作用,还伴随有蓝宝石与磨粒间的化学作用。蓝宝石材料的去除方式可能是多种作用共同造成的,其中机械磨蚀占主导[13]。Wang等[14]为模拟研磨状态下蓝宝石的材料去除方式,使用单颗磨粒对蓝宝石进行划痕试验,用于测试不同划痕深度下蓝宝石微观去除方式。试验表明,划痕深度为(0.24~0.76)μm,材料的去除方式是塑性去除,随着深度的增加,慢慢转变为脆性去除方式。
  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[15]。
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