CN108818159A - 一种蓝宝石球罩磨削加工方法 - Google Patents

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张振宇
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Abstract

一种蓝宝石球罩磨削加工方法，采用不同粒度和形状的金属结合剂金刚石磨头组合加工。采用圆柱形金刚石磨头磨削蓝宝石的端面和外圆，磨内球面时使用不同粒度的金刚石球形磨头。磨内球面时使用不同粒度的金刚石球形磨头。用车削的方法加工出一端为与磨削内球面同轴心的半球面，另一端为光轴的工装，用铣削的方法在半球面上铣削出6‑8个沟槽。用高强度胶将工件与工装同轴心粘接在一起，高强度胶从沟槽内注入。磨外球面时换用不同粒度的杯型金刚石磨头，粗磨粒度为#100‑#180，精磨粒度为#240‑#320。本发明提供一个蓝宝石球罩磨削加工方法，蓝宝石球罩磨削后表面光滑，无崩边、破碎、断裂加工缺陷，表面粗糙度Ra小于1μm。

Description

一种蓝宝石球罩磨削加工方法
技术领域
本发明给出了一种蓝宝石球罩磨削加工方法，属于硬脆材料磨削加工技术领域。
背景技术
蓝宝石拥有优异的光学、力学、热学、电学等性能，因此广泛应用于半导体、航空航天、军事等领域。例如氮化镓基LED衬底，舰载、机载、卫星红外窗口材料，蓝宝石激光器、蓝宝石整流罩等。蓝宝石具有宽波段的高光学透光率，高强度，耐热冲击以及抗腐蚀等独特的性能，因而成为红外整流罩最理想的材料。蓝宝石(α—Al2O3)莫氏硬度为9，仅次于金刚石(莫氏硬度为10)，硬度高且脆性大，属于典型的难加工材料。由于蓝宝石加工难度大，加工成本高，制约着其广泛应用。目前国内外对于蓝宝石球罩加工技术仍不断地研究，能够加工出大口径的蓝宝石红外整流罩长期以来一直是加工领域的挑战。
金刚石砂轮磨削加工效率高，适于加工硬质合金、玻璃、蓝宝石等硬脆材料。但传统磨削加工方法容易导致蓝宝石的崩边、破碎、断裂等加工缺陷，因此实现蓝宝石球罩的高质高效加工是国家的重大需求，也是国际先进制造领域的研究热点和难点。
发明内容
本发明采用不同粒度和形状的金属结合剂金刚石磨头组合加工蓝宝石球罩。
本发明的技术方案：
一种蓝宝石球罩磨削加工方法，采用不同粒度和形状的金属结合剂金刚石磨头组合加工。采用圆柱形金刚石磨头磨削蓝宝石的端面和外圆，磨内球面时使用不同粒度的金刚石球形磨头。磨内球面时使用不同粒度的金刚石球形磨头，粗磨粒度为#80-#120，半精磨粒度为#180-#220，精磨粒度为#240-#320。用车削的方法加工出一端为与磨削内球面同轴心的半球面，另一端为光轴的工装，用铣削的方法在半球面上铣削出6-8个沟槽。用高强度胶将工件与工装同轴心粘接在一起，高强度胶从沟槽内注入。磨外球面时换用不同粒度的杯型金刚石磨头，粗磨粒度为#100-#180，精磨粒度为#240-#320。本发明提供一个蓝宝石球罩磨削加工方法，蓝宝石球罩磨削后表面光滑，无崩边、破碎、断裂加工缺陷，表面粗糙度Ra小于1μm。
用三爪卡盘将圆柱形的蓝宝石单晶装夹于数控车床上。蓝宝石属于硬脆材料，可以直接用三爪夹盘固定到数控磨床上，首先采用圆柱形金刚石磨头磨削蓝宝石的端面，以去除表面凹凸不平的区域，加工后表面呈光亮状态。然后磨削蓝宝石的外圆，去除0.3mm厚的材料，以此作为之后磨削另一侧外圆的定位基准。
采用圆柱形金刚石磨头磨削蓝宝石的端面和外圆。金刚石世界上已知最硬的物质，可以用于磨削蓝宝石。用数控车床磨削蓝宝石端面和外圆，只需要在数控车床尾座上安装一个旋转轴，即可磨削回转体蓝宝石外圆和端面。
磨蓝宝石单晶的内球面时，使用不同粒度的金刚石球形磨头，粗磨粒度为#80-#120，半精磨粒度为#180-#220，精磨粒度为#240-#320。为了达到高质高效磨削加工，磨削蓝宝石分为粗磨、半精磨和精磨。
磨蓝宝石单晶的内球面所用的磨头直径为15-35mm，形状为球形，结合剂为青铜、铁基、镍基、钴基合金中的一种，电镀工艺制成。电镀金刚石砂轮是一种较为成熟的工艺，节省成本，并且磨削效果较好。
粗磨时进给量为3-6mm/min，吃刀量为0.3-0.8mm，精磨和半精磨时进给量为0.8-1.5mm/min，吃刀量为8-15μm。刀具转速1500-2500rpm，工件转速60-70rpm。选择合适的磨削参数，有效避免传统磨削带来的崩边、破碎、断裂等加工缺陷。
用车削的方法加工出一端为与磨削内球面同轴心的半球面，另一端为光轴的工装，工装材料为#45钢，半球面的半径比磨削内球面的半径小1-2mm，用铣削的方法在半球面上铣削出6-8个沟槽。磨削完蓝宝石内球面，要磨削外球面，需要将内球面固定，并且能够承受磨削力。用高强度胶将半球形工装与磨削内球面紧密粘接，将工装固定于数控磨床上，从而磨削外球面，达到精密磨削的目的。
用高强度胶将工件与工装同轴心粘接在一起，高强度胶从沟槽内注入，将工装的光轴用四爪卡盘装夹于数控车床上。保证工装与磨削内球面同心条件下，将高强度胶从沟槽注入，并对工装施加一定的压力，高强度胶固化后，就可以将工件牢固固定在工装上，从而磨削外球面。
磨蓝宝石单晶的外球面时，换用不同粒度的杯型金刚石磨头，粗磨粒度为#100-#180，精磨粒度为#240-#320。磨削外球面也分为粗磨和精磨，达到高质高效磨削。金刚石球形磨头由于其特有的形状和大小可以磨内孔和其他砂轮磨不到的地方。其中青铜结合剂金刚石磨头结合力强、耐磨性好、使用寿命长、形状保持性好，可承受较大负荷磨削，用于玻璃、宝石等硬脆材料的加工。
磨蓝宝石单晶的外球面所用的金刚石磨头外径为15-35mm，形状为杯型，其中钝圆半径为3-8mm，结合剂为青铜、铁基、镍基、钴基合金中的一种，电镀工艺制成。也是采用电镀工艺制造金刚石砂轮，节省成本，工艺成熟，磨削效果较好。
粗磨时进给量为1-3mm/min，吃刀量为0.3-0.8mm。精磨时进给量为0.5-2mm/min，吃刀量为8-15μm。刀具转速为2800-3200rpm，工件转速40-60rpm。选择合适的磨削加工工艺参数，达到高质高效磨削加工。
本发明的有益效果：蓝宝石球罩磨削后表面光滑，无崩边、破碎、断裂加工缺陷，表面粗糙度Ra小于1μm。磨削后的蓝宝石具有非常低的表面粗糙度，Ra小于1μm。并且具有较高的表面质量，没有传统磨削容易产生的加工缺陷。
附图说明
图1是采用球形磨头磨削蓝宝石球罩内球面磨削速度为2500rpm时的表面粗糙度结果图。
图2是采用球形磨头磨削蓝宝石球罩内球面磨削速度为2000rpm时的表面粗糙度结果图。
图3是采用球形磨头磨削蓝宝石球罩内球面磨削速度为1500rpm时的表面粗糙度结果图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
将Φ140×65mm的单晶蓝宝石用三爪卡盘装夹于数控机床上，首先用圆柱形金刚石磨头磨削工件端面，以去除表面凹凸不平的区域。然后磨削工件的外圆，磨削厚度为0.3mm。更换金刚石球形磨头磨削蓝宝石的内球面。先后使用粒度为#100和#200的球形磨头对工件内球面进行粗磨和半精磨，磨头直径为28mm，结合剂为青铜，电镀工艺制成。磨削速度为2000rpm，工件转速为60-70rpm。粗磨时进给量为4mm/min，吃刀量为0.5mm。半精磨时进给量为2mm/min，吃刀量为10μm。循环进刀，不断扩展凹槽，加工至剩余0.5mm余量时更换#300球形磨头进行精磨，分别选取了三组不同的磨削速度(2500rpm，2000rpm，1500rpm)进行磨削实验，内球面的表面粗糙度用120mm位相光栅干涉粗糙度轮廓仪进行测试。这样可以在达到较高磨削效率的同时，获得较好的表面质量。磨削内球面时使用青铜结合剂的金刚石球形磨头进行磨削，分为粗、半精磨和精磨三道工序。青铜结合剂金刚石磨头其结合力强、耐磨性好、使用寿命长、形状保持性好，可承受较大负荷磨削，可以用于蓝宝石球罩抛光前的磨削阶段，磨头采用电镀工艺制成。粗磨内球面时选用#100的球形磨头，将预先编写好的程序输入到机床数控系统中，由外向内循环磨削，不断扩展凹槽。粗磨时为了提高加工效率，不用考虑粗糙度的影响，故可采用较大的吃刀量。待磨削过程进行到后期阶段进行蓝宝石球罩内球面的半精磨。半精加工换用#200磨头进行磨削，此时需减小吃刀量，采用较低的进给速度。半精加工是为了控制内孔的尺寸，降低表面粗糙度。磨削内球面的最后阶段换用#300磨头进行精加工，直到加工出所要求的内球面尺寸。磨内球的工艺参数为：磨削速度为2000rpm，工件转速60-70rpm，进给速度为1-4mm/min。粗磨、半精磨和精磨时吃刀量分别为0.5mm、10μm和10μm。
用车铣复合数控机床在#45钢圆柱体的一端车削出半球面，球面半径比蓝宝石磨削内球面半径小1mm，用铣削加工方法在半球面表面铣削出8个尺寸相等的沟槽，交叉于圆心，作为工装。此工装一次装夹，另一端用车削的方法加工出光轴，光轴直径比半球面直径小10mm，形成粘接内球面的工装。此工装一次装夹，保证半球面的球心轴线和光轴的轴心线重合。用高强度高分子胶将工装与磨削内球面粘接到一起，保证蓝宝石内球面的轴心线与光轴的轴心线重合。然后将光轴安装于数控车床上，磨削外球面。
磨削外球面的过程同磨削内球面相似。采用#100，#200，#300三种粒度金刚石杯型磨头磨削蓝宝石球罩外球面。磨头结合剂为青铜，采用电镀工艺制成。磨外球面时是从工件边缘往中心方向磨削，数控编程循环走刀。粗磨时采用粒度为#100的磨头，采用较大吃刀量为0.5mm，进给速度为2mm/min；半精磨时采用粒度为#200的磨头，吃刀量为10μm，进给速度为1mm/min；精磨时采用粒度为#300的磨头，吃刀量为5μm，进给速度为1mm/min。刀具转速3000rpm，工件转速45-60rpm。
磨削加工完毕后用三坐标仪进行测量，获得面形精度。用Taylor Hopson接触式轮廓仪测量磨削后的蓝宝石球面的粗糙度。
采用本发明提供了一种蓝宝石球罩磨削加工方法，加工后的工件表面粗糙度Ra0.712μm，无崩边、破裂等加工缺陷。

Claims (1)

1.一种蓝宝石球罩磨削加工方法，采用不同粒度和形状的金属结合剂金刚石磨头组合加工，其特征在于，步骤如下：
(1)用三爪卡盘将圆柱形的蓝宝石单晶装夹于数控车床上；
(2)采用圆柱形金刚石磨头磨削蓝宝石单晶的端面和外圆；
(3)磨蓝宝石单晶的内球面时，使用不同粒度的金刚石球形磨头，粗磨粒度为#80-#120，半精磨粒度为#180-#220，精磨粒度为#240-#320；
(4)磨蓝宝石单晶的内球面所用磨头直径为15-35mm，形状为球形，所用结合剂为青铜、铁基、镍基、钴基合金中的一种，电镀工艺制成；
(5)粗磨时进给量为3-6mm/min，吃刀量为0.3-0.8mm，精磨和半精磨时进给量为0.8-1.5mm/min，吃刀量为8-15μm；刀具转速1500-2500rpm，工件转速60-70rpm；
(6)用车削的方法加工出一端为与磨削内球面同轴心的半球面，另一端为光轴的工装，工装材料为#45钢，半球面的半径比磨削内球面的半径小1-2mm，用铣削的方法在半球面上铣削出6-8个沟槽；
(7)用高强度胶将工件与工装同轴心粘接在一起，高强度胶从沟槽内注入，将工装的光轴用四爪卡盘装夹于数控车床上；
(8)磨蓝宝石单晶的外球面时，换用不同粒度的杯型金刚石磨头，粗磨粒度为#100-#180，精磨粒度为#240-#320；
(9)磨蓝宝石单晶的外球面所用的金刚石磨头外径为15-35mm，形状为杯型，其中钝圆半径为3-8mm，结合剂为青铜、铁基、镍基、钴基合金中的一种，电镀工艺制成；
(10)粗磨时进给量为1-3mm/min，吃刀量为0.3-0.8mm；精磨时进给量为0.5-2mm/min，吃刀量为8-15μm；刀具转速为2800-3200rpm，工件转速40-60rpm；
(11)蓝宝石球罩磨削后表面光滑，无崩边、破碎、断裂加工缺陷，表面粗糙度Ra小于1μm。
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