本發(fā)明涉及一種機械加工方法，尤其是一種碳化硅、藍寶石等莫氏硬度超過于9的超硬脆工件的機械加工方法，具體地說是一種超硬脆工件的研磨拋光新方法。
背景技術：
碳化硅、藍寶石等脆性材料，其莫氏硬度超過9，是一類超硬脆材料。具有良好的機械性能，穩(wěn)定的物理化學性能和優(yōu)異的光學性能，在機械、光學、信息、航空航天和武器裝備等軍用和民用領域具有廣泛應用。但是，由于碳化硅、藍寶石等超硬材料具有硬度高、脆性大的特點，常規(guī)的研磨拋光加工效率極低，難以進行大批量的高效生產(chǎn)。因此，如何提高碳化硅、藍寶石等超硬脆材料的研磨拋光效率成為現(xiàn)代超精密加工技術的研究熱點之一。
從二十世紀中期開始，國內(nèi)外研究者已開始對碳化硅、藍寶石等材料的研磨拋光技術進行研究。目前形成了已形成了幾種加工工藝：采用游離磨料、金剛石丸片和樹脂基固結(jié)磨料墊進行研磨拋光。采用游離磨料研磨拋光時，其材料的去除機理為三體磨損去除，研磨拋光效率低、亞表面損傷層大、磨料的利用率低，成本高等缺點；采用金剛石丸片研磨拋光時，磨料自銳性差、容屑空間小、工件易劃傷；采用樹脂基固結(jié)磨料墊進行研磨拋光時也存在著磨料的自銳性能差、研拋后期墊子表面易釉化、研磨拋光效率穩(wěn)定性差。
南京航空航天大學等機構(gòu)開展了固結(jié)磨料研磨拋光藍寶石、碳化硅等工件的研究工作，認為：加工過程中，由于工件的超硬脆特點，導致磨粒切入工件深度小、磨粒容易鈍化、鈍化磨粒不易脫落，及磨屑細小，導致粘結(jié)劑磨損過慢和自修正能力不足等原因，是現(xiàn)有固結(jié)磨料墊研磨拋光效率低、加工效率不穩(wěn)定，特別是后期效率下降較快的關鍵原因，如何提高磨粒的穩(wěn)定切入深度和自銳能力是解決其高效穩(wěn)定生產(chǎn)的關鍵所在。因此，開發(fā)一種工藝簡單、加工效率高效穩(wěn)定、磨料自銳性強、適用于碳化硅、藍寶石超硬脆材料的研磨拋光新技術迫在眉睫。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有的超硬脆材料研磨拋光過程中存在的加工效率不高的問題，發(fā)明一種磨料自銳性強、工藝簡單、成本低、加工效率穩(wěn)定高效、適用于碳化硅、藍寶石等超硬材料的研磨拋光新方法，它通過燒結(jié)小顆粒磨料得到自銳性能優(yōu)良的聚集體磨料，然后將該燒結(jié)聚集體固化于基體中制成研磨拋光墊，并在研磨拋光液中添加酸堿調(diào)節(jié)劑和化學活性成分以改善超硬脆材料表面的研磨拋光性能，同時在研磨拋光液中添加小顆粒輔助磨料，以確保研磨拋光墊磨損均勻，保證穩(wěn)定的材料去除速率。該方法針對莫氏硬度超過9的超硬脆單晶體、多晶體、各種陶瓷材料以及復合材料進行研磨拋光，主要包括碳化硅、藍寶石等材料。
本發(fā)明的技術方案是：
一種適用于碳化硅、藍寶石等超硬材料的研磨拋光新方法，包括如下步驟：
(1) 把預燒結(jié)的磨料及燒結(jié)輔料按照質(zhì)量百分比混合均勻；然后經(jīng)過干燥、膠粘、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到燒結(jié)的聚集體磨料；其中燒結(jié)的磨料原料為金剛石單晶或其破碎料；預燒結(jié)的磨料及燒結(jié)輔料的重量比為60-70：40-30。
(2)將制備好的聚集體磨料與粘接劑按一定比例混合在倒入模具中進行固化，或者將制備好的磨料聚集體與粘結(jié)劑一定比例混合倒入模具經(jīng)壓力機或硫化機進行熱壓成型，或者將制備好的磨料聚集體一定比例與金屬粉末或陶瓷粘結(jié)劑混合一起倒入制備好模具中進行燒結(jié)成型。固化的方式可以為光引發(fā)固化、熱引發(fā)固化；燒結(jié)或固化制備而成的研磨盤拋光墊或盤上突起的形狀可以為圓柱體、棱柱體、圓錐臺等中的一種或多種組合；突起表面可以分布孔洞或可溶性添加物等容屑空間；突起的排布圖案可以是圓環(huán)形、螺旋形、擺線形、射線形、點陣形等。
(3)將制備好的研磨拋光墊粘貼在研磨拋光機上，然后根據(jù)工件，配制研磨拋光液對工件進行研磨拋光。研磨拋光液中添加的化學活性成分，可以是酸堿調(diào)節(jié)劑，也可以是一些活性離子；研磨液中添加適量的小顆粒輔助磨料，使研磨拋光墊均勻磨損，保證穩(wěn)定的材料去除速率；
（4）研磨拋光工藝含一道研磨工序和一道拋光工序。
所述超硬脆材料為莫氏硬度超過9的單晶體、多晶體、各種陶瓷材料以及復合材料，包括但不限于碳化硅、藍寶石。
所述研磨拋光墊由金剛石聚集體磨料以固化、燒結(jié)、焊接成型方式固化于基體中制備而成；基體為樹脂基、陶瓷基或金屬基；采用樹脂基時固化方式采用熱引發(fā)固化、光固化方式；采用陶瓷或金屬基時，需先制坯，再進行燒結(jié)和粘結(jié)。
所述的樹脂是：聚乙烯醇縮醛、聚碳酸醋、聚丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂、聚乙二醇中的一種或多種組合，其含量為總質(zhì)量的30~80%。
所述的陶瓷基為：二氧化硅、氧化鈉、氧化鋁、氧化鉛、氧化鋅、氧化鈣、氧化鉀、氧化鑭、氧化硼中的一種或多種組合，尤其是其預燒結(jié)體，為了促進燒結(jié)過程，還添加有少量銅粉、鋁粉、鐵粉粉末，兩者的總含量約為總質(zhì)量的30~80%。
所述的金屬基為：銅粉及其合金粉、鐵粉及其合金粉、鎳粉及其合金粉一種或多種的組合，其含量約為磨料顆粒質(zhì)量的25~80%。
研磨拋光液中添加的化學活性成分可以是酸堿調(diào)節(jié)劑，包括但不限于乙酸，檸檬酸，草酸、苯甲酸、山犁酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、乙二胺，二羥乙基乙二胺、三乙醇胺、乙二醇中的一種或多種的組合；也可以是一些活性離子，包括但不限于F-、Cl-、SO42-、NO3-、SO32-、NH4+、Fe3+、Al3+中的一種或多種的組合；通過活性原子、離子在工件表面的擴散與反應，改變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，并具有亞表面損傷小的特點。
所述的研磨拋光液中添加的輔助磨料，能促進研磨墊的均勻磨損，保證穩(wěn)定的材料去除速率和面型精度；輔助磨料為碳化硅、氧化鋁、碳化硼小顆粒，粒徑分布在0.5μm-10μm之間，濃度在1~5%wt之間。
在研磨拋光過程中，大顆粒金剛石聚集體上磨鈍的小顆粒金剛石及時從聚集體上脫落，保證了研磨拋光墊的自銳性和研拋效率的穩(wěn)定性，加工效率得到較大程度的提高。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明適用于碳化硅、藍寶石等超硬脆工件的研磨拋光新方法，采用金剛石聚集體磨料制備成的研磨拋光墊，其磨料濃度高，組成聚集體的小磨粒之間的結(jié)合力適當，在研磨拋光過程中，聚集體上磨鈍的小顆粒金剛石及時從聚集體上脫落，可以有效防止研磨拋光墊的鈍化，保證了研磨拋光墊的自銳性和研拋效率的高效穩(wěn)定性，加工效率得到較大程度的提高。通過在研磨液中添加化學活性成分，通過活性原子(離子)在工件表面的擴散，改變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，并具有亞表面損傷小的特點。同時，研磨拋光液中的輔助磨料有助于提高研磨拋光墊的磨損均勻性，有利于提高工件的面型精度。本發(fā)明適用于碳化硅、藍寶石等超硬脆工件的研磨拋光，具有制備簡單，成本低、出產(chǎn)高、加工性能穩(wěn)定等特點。
本發(fā)明方法制備而成的研磨拋光墊含有聚集體大顆粒，其磨料濃度高，在研磨拋光過程中，聚集體大顆粒不是整顆失效破壞，而是由組成聚集體的內(nèi)部原料小顆粒之間的結(jié)合劑疲勞破壞、失效繼而導致破碎，致使小顆粒逐步從聚集體上脫落、自銳性能好，有利于提高對碳化硅、藍寶石等超硬材料的研磨拋光的效率和加工穩(wěn)定性。研磨液中添加的化學活性成分可改變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，并具有亞表面損傷小的特點。同時，研磨拋光液中的輔助磨料有助于提高研磨拋光墊的磨損均勻性，提高工件的面型精度。本發(fā)明提供的方法具有制備簡單、工藝路線短、成品率高、成本低、加工性能穩(wěn)定等優(yōu)點。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例1。
一種適用于碳化硅、藍寶石研磨方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，采用重量比為70:12:8的10-15μm粒徑的金剛石破碎料、預燒結(jié)體陶瓷結(jié)合劑和銅粉制備金剛石聚集體，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為2~20μm的聚集體磨料。
將上述制備好的聚集體磨料和樹脂粘結(jié)劑按照重量比35:65的比例（具體實施時，聚集體磨料和樹脂粘結(jié)劑重量比例還可70：30，50：50以及20：80等）進行混合，然后倒入制備好的模具中，采用熱引發(fā)固化，脫模得到突起形狀為四棱柱、突起排布為擺線型的研磨拋光墊，再進行2小時的后固化。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機上以：研拋壓力0.03MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為80rpm，研磨液為去離子水添加2%三乙醇胺和2%質(zhì)量濃度的W5碳化硅顆粒、研拋液流速60 ml/min的參數(shù)對碳化硅晶片研磨40min后，經(jīng)檢驗碳化硅的材料去除率為100~130nm/min，表面粗糙度Ra為110~130nm，且沒有明顯粗大劃痕。
實施例2。
一種適用于碳化硅、藍寶石的研磨方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，采用重量比為65:35的金剛石、預燒結(jié)體低溫陶瓷結(jié)合劑制備金剛石聚集體，金剛石的原始粒度為8-12μm粒徑，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為50~60μm的金剛石聚集體磨粒。
將上述制備好的聚集體大顆粒和銅粉按重量比為44:60的比例（具體實施時，聚集體大顆粒和銅粉的比例還可為75：25，50：50或20：80）進行混合，然后放入預選用準備好的石墨模具中，進行熱壓燒結(jié)15分鐘后，脫模得到突起形狀為五棱柱的丸片，將其粘接成突起排布為射線型的研磨墊。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機上以：研拋壓力0.025MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為100rpm，研磨液為去離子水添加1%乙二胺、研拋液流速40 ml/min的參數(shù)對 藍寶石晶片研磨50min后，經(jīng)檢驗藍寶石的材料去除率為420~500nm/min，表面粗糙度Ra為120~140nm，且沒有明顯粗大劃痕。
實施例3。
一種適用于碳化硅、藍寶石拋光方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，它首先采用重量比為62:30:8的3-5μm粒徑的金剛石、低溫陶瓷預燒結(jié)體和銅粉制備出金剛石聚集體磨粒，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為40~50μm 的金剛石聚集體磨料。
將上述制備好的聚集體大顆粒和樹脂按50:50的比例（具體實施時，聚集體磨料和樹脂粘結(jié)劑重量比例還可70：30，60：40以及20：80等）進行混合，然后倒入制備好的模具中，在硫化機上進行熱壓成型，脫模得到突起形狀為六棱柱、突起排布為正方點陣（點陣間距為2cm）的研磨拋光墊。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機上以：研拋壓力0.02MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為70rpm，研磨液為去離子水添加0.5%乙二醇、研拋液流速50 ml/min的參數(shù)對劃為藍寶石C向晶片拋光60min后，經(jīng)檢驗藍寶石晶片的材料去除率為100~120nm/min ，表面粗糙度Ra為5~10nm，且沒有可見劃痕。
實施例4。
一種適用于碳化硅、藍寶石拋光方法。它首先制備金剛石磨料聚集體，采用重量比為60:32:8的0.1-2μm粒徑的金剛石、低溫陶瓷預燒結(jié)體和銅粉制備出金剛石聚集體，其制備方法為：將上述材料經(jīng)過：混料、膠粘、干燥、制粒、除膠、燒結(jié)成型、再次篩選等步驟，得到粒度為40~50μm的金剛石聚集體。
將上述制備好的聚集體大顆粒和樹脂按55:45的比例（具體實施時，聚集體磨料和樹脂粘結(jié)劑重量比例還可70：30，50：50以及20：80等）進行混合，然后倒入制備好的模具中，在硫化機上進行熱壓成型后，脫模得到突起形狀為三棱柱、突起排布為螺旋型的研磨拋光墊。
將上述制備好的研磨拋光墊采用雙面膠粘接在研磨盤上，在Nanopoli-100型的研磨拋光機上以：研拋壓力0.05MPa，研拋盤的轉(zhuǎn)速為100rpm，研磨液為去離子水添加1.5%雙氧水和1%（具體實施時可在1-5%之間選擇）質(zhì)量濃度的W1碳化硅顆粒（還可為氧化鋁、碳化硼等小顆粒，粒徑在0.5-10微米之間），研拋液流速70 ml/min的參數(shù)對碳化硅晶片拋光60min后，經(jīng)檢驗藍寶石的材料去除率為50~60nm/min，表面粗糙度Ra為6~8nm，且沒有明顯劃痕。
綜上所述，本發(fā)明的加工方法主要包括（1）金剛石磨料聚集體制備；（2）壓制成形；（3）配制研磨拋光液對工件進行研磨拋光；研磨拋光液中添加的化學活性成分為酸堿調(diào)節(jié)劑或活性離子；研磨液中添加適量的小顆粒輔助磨料，使研磨拋光墊均勻磨損，保證穩(wěn)定的材料去除速率。
實施例1至4中制備金剛石磨料聚集體時所指的：
混料是指：將金剛石磨料顆粒和粘結(jié)劑（即燒結(jié)輔料）按質(zhì)量百分比計量，混合均勻制成混合物；
膠粘是指：將混合物加入膠黏劑潤濕攪勻，膠黏劑的加入量為混合物重量的0.1-35%；膠黏劑是聚乙酸乙烯酯、過氯乙烯、聚異丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇縮醛和環(huán)氧樹脂中的一種或多種混合物。
干燥是指：將加有膠黏劑的混合物在80℃~150℃范圍內(nèi)烘干；
制粒是指：將烘干后的多晶體金剛石粉碎過篩得到所需粒度的顆粒；
除膠是指：除去顆粒中的膠黏劑，除膠溫度在400~550℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，時間為30分鐘至2小時
燒結(jié)成型是指：將除膠后的顆粒經(jīng)高溫燒結(jié)形成可進行固化或壓制成形的金剛石聚集體，燒結(jié)溫度600-900℃，時間為30分鐘至2小時。
本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。