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金刚石青铜砂轮应用蓝宝石加工工艺的研究

更新时间:2016-08-16 15:42:42点击次数:720次 字号:T|T
通过对蓝宝石磨削、研磨、抛光工艺中的设备、工具、辅料、清洗、环境等方面的改进,使蓝宝石成品的缺角不良品率由6%降至015%,表面质量明显提高,降低了加工成本、提高了生产效率。

引言

人工生长的蓝宝石是单晶α—Al2O3,透明,与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能,对红外线透过率高,有很好的耐磨性,硬度仅次于金刚石达莫氏9级,在高温下仍具有较好的稳定性,熔点为2030℃,所以它已越来越多地用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料,同时还被制成永不磨损表镜及各种精美华贵的饰品。

1 、蓝宝石加工工艺及存在问题

由于蓝宝石硬度高且脆性大,对其进行机械加工非常困难,镜面加工技术更加复杂,是当今重点研究课题之一。

目前我国蓝宝石镜面加工工艺在批量生产中有如下不足之处。

a、加工过程中宝石片缺角比例较高,占总数的5%~8%。

b、研磨及抛光后,宝石片表面划痕较重,有20%左右的宝石片表面有粗深痕迹,需要重新研磨抛光,这样就有部分宝石片厚度偏薄致废,且影响生产节奏。

c、因返工及报废,宝石片加工成本很高,平均每片加工成本315元,在国际市场上缺乏竞争力。

2 、工艺改进

针对存在的问题,对现有工艺进行了认真分析,并反复试验,从设备、工具、辅料、环境等方面作了如下改进。

a、下料。采用定向切片,沿着一定的晶向切割,可明显减少宝石片外周磨削时大缺角的发生率。

b、外周磨削。如图1所示,改用砂轮轴线固定不动,通过改变配重7的前后位置(L) ,来调节施加在宝石片4上的进给力F的大小,这样磨削时进给力均匀,明显减少成品的细小缺角比例。同时,通过更换靠模2可精确加工各种非圆形宝石片。

  图1  外周磨削成型加工原理图

图1  外周磨削成型加工原理图

1、支承圆盘 2、靠模 3、配重杆 4、宝石片 5、金刚石青铜砂轮 6、成型电镀金刚石砂轮 7、配重

c、周边倒角。用成型电镀金刚石砂轮,并列放置于外周磨削砂轮边上(如图1 所示) ,也靠配重调整宝石片磨削进给力,既减少宝石片缺角,又提高生产效率。

d、斜面研磨。对圆形宝石片,用球面研磨头,配以研磨膏来研磨,研磨原理如图2 所示。

  图2  研磨斜面原理图

图2  研磨斜面原理图

球面研磨头旋向Ⅰ与宝石片的旋向Ⅱ相反,同时研磨头作水平摆动Ⅲ,这样磨出的才是斜面,而不是球面。

研磨头内的球面半径(R)与宝石片斜面倾角(θ)的关系大致为:

 

研磨头用灰铸铁制成,利用材料自身的细微孔洞来包容研磨膏中的金刚石微粉进行研磨,同时本身也有一定的耐磨性。在研磨一定数量宝石片后,研磨头球面有变形,需要在数控车床上车出新的R球面再进行研磨。

研磨膏由W3的金刚石微粉、油脂、色拉油等按一定比例调配而成。

用此法研磨出的宝石片斜面尺寸均匀稳定,表面粗糙度小,而且效率是手工研磨的10~15倍。

e、平面研磨。在图3所示的平面研磨机上,把研磨盘上面车成螺纹(螺纹的形状及参数经试验确定)。目的是利用螺纹槽贮存新的研磨液,通过研磨盘的旋转Ⅰ把研磨液甩到盘面与工件加工盘之间参与研磨,同时使用过的研磨液通过螺旋槽排出。

  图3  平面研磨原理图

图3  平面研磨原理图

为了除去上道工序(平面磨削)的加工痕迹,本工序的研磨量应达到8~10μm ,故采用纯铜作为研磨盘材料,研磨液由色拉油、煤油、W1的球状聚晶金刚石微粉等调制而成。用球状金刚石微粉的目的是使研磨痕迹深度均匀。

在研磨临近结束时,在研磨盘上添加色拉油(即不含金刚石微粉的研磨液),以达到光整表面的作用。

在研磨过程中,加工盘是随研磨盘的转动Ⅰ而转动Ⅱ,而且加工盘的外边线速度大,故外边研磨量也大,所以需要在上道工序中,把加工盘上宝石片磨成外边高内边低,才能使研磨后的盘面趋于平坦,不至于外塌,否则会影响下道镜面研磨工序的表面研磨质量。

因研磨中温度较高,故底盘内通冷却水来冷却研磨盘。研磨机也应放在恒温环境中。

f、镜面抛光。在图4 所示的双面抛光机上进行机械化学抛光。

为了使抛光中工件运动轨迹复杂化(尽量不重复),宝石片放在支承架内,支承架作为由中心齿轮(外齿轮)和中心齿轮(内齿轮)所构成的差动轮系中的行星齿轮。只要改变轴的运动(Ⅰ和Ⅱ) ,即可获得不同支承架的运动轨迹。

为了提高机械抛光效果,给宝石片上下面施加一定的压力F;为了提高化学抛光效果,需调整抛光液(P)的pH值,同时使抛光液循环流动。

g、清洗。由于研磨过程中宝石片是粘在加工盘上的,会形成凹槽,手工清洗时刷子很难将凹槽中的微粉洗净,造成死角,容易把上道工序中使用的较粗金刚石微粉带到下道工序中,造成研磨、抛光时出现异常的粗深痕迹,导致返工,影响加工质量。现将每道清洗改用超声波清洗+超声波漂洗,明显改善了清洗效果,有效地防止了上道工序中微粉带入下道工序。

  图4  双面抛光原理图

图4  双面抛光原理图

h、环境。因在研磨过程中有恒温要求,故对整个加工环境安装空调。为防止金刚石微粉(或蓝宝石微粒) 在空气中飘动对研磨造成不利影响,故需合理布置空调出风口与进风口位置,使风从精加工工序向粗加工工序方向吹去,同时使循环空气经水过滤去除尘埃。

3、改进工艺后宝石片的加工效果

a、宝石片的缺角不良品率、尺寸不良品率由原来的6%降至015%以下;宝石片表面质量明显提高,A级品(表面粗糙度的要求为Ra<0101μm ,在100W白炽灯黑背景下,用7倍放大镜观察不到加工痕迹) 率由原来的60%提高到95%以上。

b、生产能力从原来每班400片增加到1200片。

c、宝石片平均加工成本从原来的315元降至218元,提高了产品市场竞争能力。

在对蓝宝石镜面加工工艺的试验研究中取得的一些经验参数,对其它超硬材料(精密陶瓷、水晶、MgAl2O4晶体等)的镜面加工也有一定的参考价值。

4 、结论

铁塔计算机放样是铁塔放样的发展方向,开发一个实用的铁塔计算机放样系统是非常有意义的。本系统的研究开发正是在这方面开展工作。本系统的鲜明特色在于:a、整体三维构造,宏观控制,逐步细化,突破了传统的放样方法;b、灵活有效的数据输入方法,大大减化和减少了用户的数据输入量;c、强有力的交互式编辑修改能力,使用户更容易控制放样过程;d、充分利用了AutoCAD的图元扩展数据管理能力,把用户的所有数据都放在图元的扩展数据中,从而使用户在放样每一个塔时,只需要管理一个1DWG图形文件就行了。这些有利于简化用户数据的管理。

 

(编辑:etalin)
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