CN104589224A

CN104589224A - 一种软脆材料加工磨具及其制造方法及对软脆材料加工的方法

Info

Publication number: CN104589224A
Application number: CN201510038115.4A
Authority: CN
Inventors: 金滩; 曲美娜; 谢桂芝; 李平
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104589224B

Abstract

本发明公开了一种软脆材料加工磨具及其制造方法及对软脆材料加工的方法。所述加工磨具包括基体，所述基体的加工面上固定有多个金刚石片；所述金刚石片的加工面为弧面，该金刚石片的弧面上开设有图纹槽，所述金刚石片相对基体的突出高度为1mm—2mm。所述对软脆材料加工的方法为：采用所述软脆材料加工磨具对软脆材料进行磨削，直到检测软脆材料表面的表面粗糙度为0.01μm—0.1μm。本发明利用所述加工磨具对软脆材料加工，提高了材料的加工质量，解决了软脆材料的超精密加工问题。

Description

一种软脆材料加工磨具及其制造方法及对软脆材料加工的方法

技术领域

本发明涉及一种软脆材料加工磨具及其制造方法及对软脆材料加工的方法，主要用于对软脆材料的加工，尤其是针对如KDP(磷酸二氢钾)、CZT(碲锌镉)、GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)等软脆型材料的精密低损伤加工。

背景技术

软脆材料是指质地松软且脆的一类材料，其相对于硬脆材料而言，其硬度低，脆性大，加工时极易破碎，如GaAs的莫氏硬度为4.5、InP的莫氏硬度为3，与硅的硬度相比(Si的莫氏硬度为7)相差甚远，并且在相反外力作用下，易发生微小变形。

目前，常见的软脆材料有CZT(碲锌镉)、GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)、KDP(磷酸二氢钾)等。其中GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)是具有代表性的新型软脆电子材料，可作为光纤通讯材料，它们的传输损耗小、色散小、对锗探测器具有最大敏感区域，也可作为光电池，具有光电转换效率高、结构简单、抗辐射性能好、可实现薄膜化及高温特性、变化小等许多优点；KDP晶体是一种具有优良的非线性光学性质的光学晶体，可作为频率转换材料应用于全固态可调谐激光光源。这些软脆材料虽然具有优异的物理性能，但因为它们既脆又软，很难加工出没有表面损伤层的高质量表面。如KDP(磷酸二氢钾)是惯性约束聚变(ICF)中的首选晶体材料，ICF激光装置对KDP的制造要求(口径＞30cm、厚度＜15mm、面形精度＜透射波前λ/6PV、激光损伤阀值≧15J/㎝²、表面粗糙度rms﹤5nm)几乎接近制造极限，其常用的机械加工方法有精密车削、抛光、精密磨削等，但是，采用精密车削加工KDP时，晶体表面会不可避免产生小尺度波纹，影响晶体的激光损伤阀值；采用抛光加工KDP晶体，很容易造成塌边效应；采用磨削加工KDP晶体，虽然能够获得表面粗糙度小、形状误差小，且无小尺度波纹的晶体表面，但是由于KDP质地松软，从砂轮上脱落的磨粒，很容易嵌入到晶体当中，嵌入的磨粒难以通过后续加工去除。

发明内容

本发明旨在提供一种软脆材料加工磨具及其制造方法及对软脆材料加工的方法，利用所述加工磨具对软脆材料加工，可以提高材料的加工质量，解决软脆材料的超精密加工问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种软脆材料加工磨具，包括基体，其结构特点是，所述基体的加工面上固定有多个金刚石片；所述金刚石片的加工面为弧面，该金刚石片的弧面上开设有图纹槽，所述金刚石片相对基体的突出高度为1mm—2mm。

由此，金刚石片的弧面上的图纹槽在对软脆材料加工时可以减小软脆材料表面的形状误差，同时其弧面具有很好的自适应性，可以有效地保证软脆材料表面的均匀性。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

优选地，所述图纹槽的槽深为4μm—15μm，槽宽为10μm—45μm。更进一步地，槽深优选为4μm—10μm，槽宽优选为10μm—30μm。

优选地，所述图纹槽为条纹性槽、回纹形槽、波浪形槽或平行四边体形槽。

作为具体的排布方式，多个金刚石片呈行列排布或交错排布在所述基体的加工面上。

优选地，所述金刚石片的弧面上开设有多条图纹槽，相邻两条图纹槽之间的距离为10μm—50μm。更进一步地，两条图纹槽之间的距离优选为10μm—30μm。

进一步地，优选所述金刚石为CVD金刚石。

本发明提供的一种如上述软脆材料加工磨具的加工方法包括如下步骤：

1)、通过抛光盘对金刚石片进行弧面抛光，夹持头通过高度调整块夹持金刚石片并使金刚石片相对工作台的工作表面倾斜角度φ＝arctan a/b，其中a为高度调节块的高度、b为高度调节块的内边缘到夹持头内边缘的距离；

2)、对金刚石片的弧面进行刻蚀出图纹槽；

3)、将多个金刚石片固定在磨具基体的加工面上形成软脆材料加工磨具。

所述高度调节块的内边缘是指高度调节块靠近夹持头中心的那一端上沿，即图1中高度调节块的右上端，所述夹持头内边缘是指夹持头与抛光盘工作面距离最近的一段，即图1中夹持头的右下端，因此，b即为图1中高度调节块的右上端与夹持头的右下端之间的距离。

进一步地，优选所述φ＝5°-10°。

本发明提供的一种利用如上述软脆材料加工磨具对软脆材料加工的方法，采用所述软脆材料加工磨具对软脆材料进行磨削，直到检测软脆材料表面的表面粗糙度为0.01μm—0.1μm。

由此，通过软脆材料加工磨具对软脆材料进行磨削，避免了磨粒脱落嵌入晶体的问题。

进一步地，对软脆材料进行磨削包括如下步骤：

1)、粗加工，磨削砂轮转速为5000r/min—7000r/min，单次切深0.4μm—0.6μm；

2)、精加工，磨削砂轮转速为5000r/min—7000r/min，单次切深0.1μm—0.3μm。

优选地，所述软脆材料为KDP(磷酸二氢钾)、CZT(碲锌镉)、GaAs(砷化镓)或InP(磷化铟)。

以下结合实施例对本发明做进一步的说明：

本发明包括三部分的内容：第一部分是对金刚石片微刃磨具其表面微结构的设计。首先选取一定尺寸、形状的CVD金刚石片，然后，将其一端面抛光成弧面，最后，通过控制激光加工参数在CVD金刚石片的弧面刻划出具有一定结构的图纹(如条纹形、波浪形、回纹形，平行四边体形等等)，图纹的宽度、图纹的间距是影响工件表面粗糙的主要因素，图纹的宽度、图纹的间距越大，加工工件的表面粗糙度越大，反之相反，根据加工工件表面粗糙度的加工要求及现有的激光加工技术，图纹的结构尺寸控制在10—30微米之间。第二部分是对具有结构化金刚石片微刃磨具的设计，将多片具有结构化的金刚石片，以一定的排布方式(如多颗金刚石片竖直排列、交错排列等等)钎焊到磨具的工作面上，构成多片复合形式的刀具；第三部分是采用具有结构化金刚石片微刃磨具对软脆材料的加工，并检测软脆材料的表面粗糙度、表面形貌。本发明的基础在于CVD金刚石合成的大尺寸平片化、激光对金刚石颗粒的结构化和软脆材料的精密加工。比如，首先，选择直径为6mm的圆形CVD金刚石片，将其一端面抛光成圆弧面，并采用激光在该面加工出具有条形槽的结构(槽宽度、间距控制在10—30微米之间，槽的深度为槽间距的三分之一，即控制在4—10微米之间)，然后，将多片相同尺寸、相同结构的金刚石颗粒以一定的排布方式钎焊到磨具上，并采用该刀具加工KDP晶体，最后，检测KDP晶体的表面粗糙度、表面形貌，验证具有条形槽结构的CVD金刚石对KDP晶体加工的可行性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用具有结构化金刚石片微刃磨具加工软脆材料。由于磨具为刚性连接，能够保证晶体表面的形状误差小；由于金刚石片表面为圆弧形，其自适应性好，能够保证晶体表面的均匀性；区别于传统砂轮由磨粒和结合剂组成，金刚石片为一整体，其表面微刃的固体结合力要远远大于结合剂对磨粒的把持力度，因此，避免了磨粒脱落嵌入晶体的问题。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一种实施例的CVD金刚石弧面抛光示意图；

图2是本发明所述金刚石结构化的四种图纹示意图，其中a为条纹性，b为波浪形，c为回纹形，d为平行四边体形；

图3是金刚石片排布示意图，其中a为行列排列，b为交错排列；

图4是本发明所述软脆材料磨削加工示意图；

图5是本发明所述KDP晶体加工示意图；

图6是本发明一种具有条形槽微结构的CVD金刚石外形图；

图7是本发明所述的晶体表面形貌图。

在图中

1-工作台；2-抛光盘；3-高度调节块；4-夹持头；5-砂轮；6-软脆材料；10-基体；20-金刚石片；30-图纹槽。

具体实施方式

以软脆材料中，具有代表性的KDP(磷酸二氢钾，KH2PO4)晶体为例。KDP晶体是人工合成的一种非线性光学材料，具有较大的电光和非线性光学系数、高的激光损伤阀值、低的光学吸收系数、高的光学均匀性和良好的透过波段等特点，是制造惯性约束核聚变(ICF)装置中可以用作激光倍频和电光开关的关键非线性光学晶体。但是其质地松软且脆，遇水易潮解，具有各向异性，是公认的难加工光学晶体之一。

图1是CVD金刚石弧面抛光示意图，将夹持头倾斜一个角度φ＝arctan a/b(其中a为高度调节块的高度、b为高度调节块的内边缘到夹持头内边缘的距离)，约为5-10度，并将金刚石片贴在高度调节块上，通过调节高度调节块，金刚石片抛光成边缘具有圆滑过渡的形状。将金刚石片一面抛光成弧形能提高刀具的自适应性。图2是金刚石结构化图纹示意图，采用激光加工，可以在金刚石片的表面刻画出不同的图纹，图2是采用激光加工的方式，在金刚石片表面刻划出具有条形槽的图纹，条形槽的宽度、各条形槽之间的间距控制在几十微米内，条形槽的高度约为条形槽宽度的三分之一，当然图纹也可加工成波纹行、方格行或菱形格行等。

本发明以KDP晶体为例，首先，采用激光对金刚石片表面进行结构化，该实例选用的是半圆弧形且表面具有条形槽的CVD金刚石片(条形槽的宽度约为25—45μm，各条形槽的间距约为30—50μm，条形槽的深度约为10—15μm)；其次，设计多片具有结构化金刚石片微刃磨具，该实例是将两块尺寸相同的CVD金刚石片对称的贴在磨具的工作面上；然后，采用该磨具，在磨床上对KDP晶体进行加工，加工示意图如图5所示，图6为具有条形槽的半圆柱形金刚石片示意图。最后，检测加工后，晶体的表面粗糙度、表面形貌，验证该种加工工艺的可行性，检测结果如下：

1、检测晶体表面的表面粗糙度，表面粗糙度为0.18—0.21μm，虽然相对于要求加工的表面粗糙度有一定差距，但可以通过改善金刚石片表面图纹、金刚石片排布方式和加工参数，优化加工质量。

2、检测晶体的表面形貌图，如图7所示，由于金刚石片的加工面为圆弧形，具有很好的自适应性，因此，工件表面均匀性好，且由于金刚石片表面微刃刃角随机分布，加工后表面无小尺度波纹；区别于传统砂轮由磨粒和结合剂组成，金刚石片是一整体，其微刃的固体结合力要远远大于结合剂对磨粒的把持力度，因此刀具不存在磨粒脱落的现象，晶体表面无磨粒嵌入问题。

试验加工条件如表1。

通过以上分析，说明采用由具有表面结构化的金刚石片制作而成的微刃磨具是对软脆材料的一种可行的加工工艺，并且加工后的表面形貌均匀性好、表面无小尺寸波纹、无塌边现象、无磨粒嵌入。

表1试验加工条件表

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1. 一种软脆材料加工磨具，包括基体（10），其特征在于，所述基体（10）的加工面上固定有多个金刚石片（20）；所述金刚石片（20）的加工面为弧面，该金刚石片（20）的弧面上开设有图纹槽（30），所述金刚石片（20）相对基体（10）的突出高度为1mm—2mm。

2. 根据权利要求1所述的软脆材料加工磨具，其特征在于，所述图纹槽（30）的槽深为4μm—15μm，槽宽为10μm—45μm。

3. 根据权利要求1所述的软脆材料加工磨具，其特征在于，所述图纹槽为条纹性槽、回纹形槽、波浪形槽或平行四边体形槽。

4. 根据权利要求1所述的软脆材料加工磨具，其特征在于，多个金刚石片（20）呈行列排布或交错排布在所述基体（10）的加工面上。

5. 根据权利要求1所述的软脆材料加工磨具，其特征在于，所述金刚石片（20）的弧面上开设有多条图纹槽（30），相邻两条图纹槽之间的距离为10μm —50μm。

6. 根据权利要求1所述的软脆材料加工磨具，其特征在于，所述金刚石为CVD金刚石。

7. 一种如权利要求1-6之一所述软脆材料加工磨具的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、通过抛光盘（2）对金刚石片（20）进行弧面抛光，夹持头（4）通过高度调整块（3）夹持金刚石片（20）并使金刚石片（20）相对工作台（1）的工作表面倾斜角度φ＝arctan a／b，其中a为高度调节块（3）的高度、b为高度调节块（3）的内边缘到夹持头（4）内边缘的距离；

2）、对金刚石片（20）的弧面进行刻蚀出图纹槽（30）；

3）、将多个金刚石片（20）固定在磨具基体（10）的加工面上形成软脆材料加工磨具。

8. 根据权利要求7所述的软脆材料加工磨具的制造方法，其特征在于，φ=5°-10°。

9. 一种利用如权利要求1-6之一所述软脆材料加工磨具对软脆材料加工的方法，其特征在于，采用软脆材料加工磨具对软脆材料进行磨削，直到检测软脆材料表面的表面粗糙度为0.01μm —0.1μm。

10. 根据权利要求9所述对软脆材料加工的方法，其特征在于，对软脆材料进行磨削包括如下步骤：

1）、粗加工，磨削砂轮转速为5000r/min—7000 r/min，单次切深0.4μm—0.6μm；

2）、精加工，磨削砂轮转速为5000r/min—7000 r/min，单次切深0.1μm—0.3μm。

11. 根据权利要求9或10所述对软脆材料加工的方法，其特征在于，所述软脆材料为磷酸二氢钾、碲锌镉、砷化镓或磷化铟。