一种超硬脆工件的研磨抛光方法技术

一种超硬脆工件研磨抛光新方法，其特征是它主要包括（1）金刚石磨料聚集体制备；（2）压制成形；（3）配制研磨抛光液对工件进行研磨抛光；研磨抛光液中添加的化学活性成分为酸碱调节剂或活性离子；研磨液中添加适量的小颗粒辅助磨料，使研磨抛光垫均匀磨损，保证稳定的材料去除速率。本发明专利技术提供的方法具有制备简单、工艺路线短、成品率高、成本低、加工性能稳定等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机械加工方法，尤其是一种碳化硅、蓝宝石等莫氏硬度超过于9的超硬脆工件的机械加工方法，具体地说是一种超硬脆工件的研磨抛光新方法。
技术介绍
碳化硅、蓝宝石等脆性材料，其莫氏硬度超过9，是一类超硬脆材料。具有良好的机械性能，稳定的物理化学性能和优异的光学性能，在机械、光学、信息、航空航天和武器装备等军用和民用领域具有广泛应用。但是，由于碳化硅、蓝宝石等超硬材料具有硬度高、脆性大的特点，常规的研磨抛光加工效率极低，难以进行大批量的高效生产。因此，如何提高碳化硅、蓝宝石等超硬脆材料的研磨抛光效率成为现代超精密加工技术的研究热点之一。从二十世纪中期开始，国内外研究者已开始对碳化硅、蓝宝石等材料的研磨抛光技术进行研究。目前形成了已形成了几种加工工艺：采用游离磨料、金刚石丸片和树脂基固结磨料垫进行研磨抛光。采用游离磨料研磨抛光时，其材料的去除机理为三体磨损去除，研磨抛光效率低、亚表面损伤层大、磨料的利用率低，成本高等缺点；采用金刚石丸片研磨抛光时，磨料自锐性差、容屑空间小、工件易划伤；采用树脂基固结磨料垫进行研磨抛光时也存在着磨料的自锐性能差、研抛后期垫子表面易釉化、研磨抛光效率稳定性差。南京航空航天大学等机构开展了固结磨料研磨抛光蓝宝石、碳化硅等工件的研究工作，认为：加工过程中，由于工件的超硬脆特点，导致磨粒切入工件深度小、磨粒容易钝化、钝化磨粒不易脱落，及磨屑细小，导致粘结剂磨损过慢和自修正能力不足等原因，是现有固结磨料垫研磨抛光效率低、加工效率不稳定，特别是后期效率下降较快的关键原因，如何提高磨粒的稳定切入深度和自锐能力是解决其高效稳定生产的关键所在。因此，开发一种工艺简单、加工效率高效稳定、磨料自锐性强、适用于碳化硅、蓝宝石超硬脆材料的研磨抛光新技术迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有的超硬脆材料研磨抛光过程中存在的加工效率不高的问题，专利技术一种磨料自锐性强、工艺简单、成本低、加工效率稳定高效、适用于碳化硅、蓝宝石等超硬材料的研磨抛光新方法，它通过烧结小颗粒磨料得到自锐性能优良的聚集体磨料，然后将该烧结聚集体固化于基体中制成研磨抛光垫，并在研磨抛光液中添加酸碱调节剂和化学活性成分以改善超硬脆材料表面的研磨抛光性能，同时在研磨抛光液中添加小颗粒辅助磨料，以确保研磨抛光垫磨损均匀，保证稳定的材料去除速率。该方法针对莫氏硬度超过9的超硬脆单晶体、多晶体、各种陶瓷材料以及复合材料进行研磨抛光，主要包括碳化硅、蓝宝石等材料。本专利技术的技术方案是：一种适用于碳化硅、蓝宝石等超硬材料的研磨抛光新方法，包括如下步骤：(1)把预烧结的磨料及烧结辅料按照质量百分比混合均匀；然后经过干燥、胶粘、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选等步骤，得到烧结的聚集体磨料；其中烧结的磨料原料为金刚石单晶或其破碎料；预烧结的磨料及烧结辅料的重量比为60-70：40-30。(2)将制备好的聚集体磨料与粘接剂按一定比例混合在倒入模具中进行固化，或者将制备好的磨料聚集体与粘结剂一定比例混合倒入模具经压力机或硫化机进行热压成型，或者将制备好的磨料聚集体一定比例与金属粉末或陶瓷粘结剂混合一起倒入制备好模具中进行烧结成型。固化的方式可以为光引发固化、热引发固化；烧结或固化制备而成的研磨盘抛光垫或盘上突起的形状可以为圆柱体、棱柱体、圆锥台等中的一种或多种组合；突起表面可以分布孔洞或可溶性添加物等容屑空间；突起的排布图案可以是圆环形、螺旋形、摆线形、射线形、点阵形等。(3)将制备好的研磨抛光垫粘贴在研磨抛光机上，然后根据工件，配制研磨抛光液对工件进行研磨抛光。研磨抛光液中添加的化学活性成分，可以是酸碱调节剂，也可以是一些活性离子；研磨液中添加适量的小颗粒辅助磨料，使研磨抛光垫均匀磨损，保证稳定的材料去除速率；（4）研磨抛光工艺含一道研磨工序和一道抛光工序。所述超硬脆材料为莫氏硬度超过9的单晶体、多晶体、各种陶瓷材料以及复合材料，包括但不限于碳化硅、蓝宝石。所述研磨抛光垫由金刚石聚集体磨料以固化、烧结、焊接成型方式固化于基体中制备而成；基体为树脂基、陶瓷基或金属基；采用树脂基时固化方式采用热引发固化、光固化方式；采用陶瓷或金属基时，需先制坯，再进行烧结和粘结。所述的树脂是：聚乙烯醇缩醛、聚碳酸醋、聚丙烯酸酯、环氧树脂、聚乙二醇中的一种或多种组合，其含量为总质量的30~80%。所述的陶瓷基为：二氧化硅、氧化钠、氧化铝、氧化铅、氧化锌、氧化钙、氧化钾、氧化镧、氧化硼中的一种或多种组合，尤其是其预烧结体，为了促进烧结过程，还添加有少量铜粉、铝粉、铁粉粉末，两者的总含量约为总质量的30~80%。所述的金属基为：铜粉及其合金粉、铁粉及其合金粉、镍粉及其合金粉一种或多种的组合，其含量约为磨料颗粒质量的25~80%。研磨抛光液中添加的化学活性成分可以是酸碱调节剂，包括但不限于乙酸，柠檬酸，草酸、苯甲酸、山犁酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙二胺，二羟乙基乙二胺、三乙醇胺、乙二醇中的一种或多种的组合；也可以是一些活性离子，包括但不限于F-、Cl-、SO42-、NO3-、SO32-、NH4+、Fe3+、Al3+中的一种或多种的组合；通过活性原子、离子在工件表面的扩散与反应，改变超硬脆材料的表面理化特性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亚表面损伤小的特点。所述的研磨抛光液中添加的辅助磨料，能促进研磨垫的均匀磨损，保证稳定的材料去除速率和面型精度；辅助磨料为碳化硅、氧化铝、碳化硼小颗粒，粒径分布在0.5μm-10μm之间，浓度在1~5%wt之间。在研磨抛光过程中，大颗粒金刚石聚集体上磨钝的小颗粒金刚石及时从聚集体上脱落，保证了研磨抛光垫的自锐性和研抛效率的稳定性，加工效率得到较大程度的提高。本专利技术的有益效果是：本专利技术适用于碳化硅、蓝宝石等超硬脆工件的研磨抛光新方法，采用金刚石聚集体磨料制备成的研磨抛光垫，其磨料浓度高，组成聚集体的小磨粒之间的结合力适当，在研磨抛光过程中，聚集体上磨钝的小颗粒金刚石及时从聚集体上脱落，可以有效防止研磨抛光垫的钝化，保证了研磨抛光垫的自锐性和研抛效率的高效稳定性，加工效率得到较大程度的提高。通过在研磨液中添加化学活性成分，通过活性原子(离子)在工件表面的扩散，改变超硬脆材料的表面理化特性，降低工件的硬度，改善材料表面的脆性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亚表面损伤小的特点。同时，研磨抛光液中的辅助磨料有助于提高研磨抛光垫的磨损均匀性，有利于提高工件的面型精度。本专利技术适用于碳化硅、蓝宝石等超硬脆工件的研磨抛光，具有制备简单，成本低、出产高、加工性能稳定等特点。本专利技术方法制备而成的研磨抛光垫含有聚集体大颗粒，其磨料浓度高，在研磨抛光过程中，聚集体大颗粒不是整颗失效破坏，而是由组成聚集体的内部原料小颗粒之间的结合剂疲劳破坏、失效继而导致破碎，致使小颗粒逐步从聚集体上脱落、自锐性能好，有利于提高对碳化硅、蓝宝石等超硬材料的研磨抛光的效率和加工稳定性。研磨液中添加的化学活性成分可改变超硬脆材料的表面理化特性，降低工件的硬度，改善材料表面的脆性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亚表面损伤小的特点。同时，研磨抛光液中的辅助磨料有助于提高研磨抛光垫的磨损均匀性，提高工件的面型精度。本专利技术提供的方法具有制备简单、工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超硬脆工件的研磨抛光新方法，其特征在于它包括步骤：(1) 把预烧结的磨料及烧结辅料按照质量百分比混合均匀；然后经过干燥、胶粘、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选，得到尺寸在2μm~60μm之间的烧结的聚集体磨料；其中预烧结的磨料原料为金刚石单晶或其破碎料，原始磨粒粒径为0.1μm~15μm之间；(2)将制备好的聚集体磨料与粘接剂按比例混合倒入模具中进行固化，或者将制备好的磨料聚集体与粘结剂按比例混合倒入模具经压力机或硫化机进行热压成型，或者将制备好的磨料聚集体按比例与金属粉末或陶瓷粘结剂混合后倒入模具中进行烧结成型，得到研磨抛光垫；所述的固化为光引发固化、热引发固化；烧结或固化制备而成的研磨盘抛光垫或盘上具有突起的形状，突起的形状为圆柱体、棱柱体、圆锥台中的一种或多种组合；突起表面分布孔洞或可溶性添加物容屑空间；突起的排布图案为圆环形、螺旋形、摆线形、射线形或点阵形；(3)将制备好的研磨抛光垫粘贴在研磨抛光机上，然后根据超硬脆工件的类别，配制研磨抛光液对工件进行研磨抛光；研磨抛光液中添加的化学活性成分为酸碱调节剂或活性离子；研磨液中添加适量的小颗粒辅助磨料，使研磨抛光垫均匀磨损，保证稳定的材料去除速率；（4）研磨抛光工艺含一道研磨工序和一道抛光工序。...

【技术特征摘要】
1.一种超硬脆工件的研磨抛光新方法，其特征在于它包括步骤：(1)把预烧结的磨料及烧结辅料按照质量百分比混合均匀；然后经过干燥、胶粘、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选，得到尺寸在2μm~60μm之间的烧结的聚集体磨料；其中预烧结的磨料原料为金刚石单晶或其破碎料，原始磨粒粒径为0.1μm~15μm之间；(2)将制备好的聚集体磨料与粘接剂按比例混合倒入模具中进行固化，或者将制备好的磨料聚集体与粘结剂按比例混合倒入模具经压力机或硫化机进行热压成型，或者将制备好的磨料聚集体按比例与金属粉末或陶瓷粘结剂混合后倒入模具中进行烧结成型，得到研磨抛光垫；所述的固化为光引发固化、热引发固化；烧结或固化制备而成的研磨盘抛光垫或盘上具有突起的形状，突起的形状为圆柱体、棱柱体、圆锥台中的一种或多种组合；突起表面分布孔洞或可溶性添加物容屑空间；突起的排布图案为圆环形、螺旋形、摆线形、射线形或点阵形；(3)将制备好的研磨抛光垫粘贴在研磨抛光机上，然后根据超硬脆工件的类别，配制研磨抛光液对工件进行研磨抛光；研磨抛光液中添加的化学活性成分为酸碱调节剂或活性离子；研磨液中添加适量的小颗粒辅助磨料，使研磨抛光垫均匀磨损，保证稳定的材料去除速率；（4）研磨抛光工艺含一道研磨工序和一道抛光工序。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超硬脆材料为莫氏硬度超过9的单晶体、多晶体、各种陶瓷材料以及复合材料，包括但不限于碳化硅、蓝宝石。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述研磨抛光垫由金刚石聚集体磨料以固化、烧结、焊接成型方式固化于基体中制备而成；基体为树脂基、陶瓷基或金属基；采用树脂基时固化方式采用热引发固化、光固化方式；采用陶瓷或金属基时，需先制坯，再进行烧结和粘结。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱永伟，王占奎，朱楠楠，沈琦，王子琨，郑方志，陈佳鹏，李军，左敦稳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32