CN108908104A - 一种蓝宝石球罩捞球加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种蓝宝石球罩捞球加工方法，属于硬脆材料精密加工技术领域。蓝宝石晶锭装夹在莲花瓣形的气动夹具上，用碗形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面。工件球心与刀具球心始终保持重合，金刚石砂轮在平面内做圆弧插补，与工件保持同步运动，加工至终止角时，砂轮空转30‑60s后退出，在端面磨削缝隙处用塑料锤沿工件周向轻敲，使蓝宝石底部磨削剩余圆柱脆性断裂，获得蓝宝石球罩，捞球磨削后的蓝宝石球罩表面光滑，无崩边、破裂、破碎加工缺陷，磨削后表面粗糙度Ra小于0.5μm。本发明实现了高效、低损伤以及高产量的蓝宝石球罩加工。

Description

一种蓝宝石球罩捞球加工方法
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石球罩捞球加工方法，具体涉及硬脆材料精密加工技术领域，特别涉及超硬晶体的精密磨削加工技术领域。
背景技术
蓝宝石是一种硬脆材料，莫氏硬度为9，仅次于金刚石，属于难加工材料。单晶蓝宝石具有优良的物理性能、光学性能和化学性能，具备高强度、高热导率和高光学透过率，因此蓝宝石在红外光学窗口材料、整流罩、半导体照明和集成电路中应用广泛。蓝宝石球罩应用在高温、高压的苛刻环境，球罩的加工质量会影响到它的物理光学性能，目前使用传统机床磨削加工蓝宝石球罩，容易产生崩边、破碎、开裂等加工缺陷，而且传统磨削方法的加工周期长，成本高、废品率高、材料利用率低，因此，采用捞球方法加工蓝宝石球罩，可以大大提高蓝宝石晶体的利用率、提高成品率、降低球罩加工成本和时间周期，提高产品加工质量。
捞球加工的原理是使用固结磨料对材料进行成形切割，这种捞球加工方法及工艺参数的研究是一个难题，捞球加工过程中砂轮磨料及结合剂的选择、加工工艺参数的优化、刀具和工件球心的一致性都会影响到蓝宝石球罩的形位精度和表面质量。
发明内容
本发明采用一种蓝宝石球罩捞球加工方法，实现了高效、低损伤以及高产量的蓝宝石球罩加工。
本发明的技术方案：
一种蓝宝石球罩捞球加工方法，蓝宝石晶锭装夹在莲花瓣形的气动夹具上，用碗形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，砂轮粒度为#800-#2000。主轴转速为1500-2500rpm，工件转速为65-85rpm，砂轮直径为125-145mm，进给速率为0.1-1.5mm/min，蓝宝石工件单向摆动终止角度为80-85°。工件球心与刀具球心始终保持重合，金刚石砂轮在平面内做圆弧插补，与工件保持同步运动，加工至终止角时，砂轮空转30-60s后退出，在端面磨削缝隙处用塑料锤沿工件周向轻敲，使蓝宝石底部磨削剩余圆柱脆性断裂，获得蓝宝石球罩，捞球磨削后的蓝宝石球罩表面光滑，无崩边、破裂、破碎加工缺陷，磨削后表面粗糙度Ra小于0.5μm。本发明实现了高效、低损伤以及高产量的蓝宝石球罩加工。
蓝宝石晶锭，直径为130-150mm，高度为130-150mm。蓝宝石球罩是高性能装备的关键部件，较大直径尺寸球罩是高性能蓝宝石球罩的重要组成部分，因此选择蓝宝石的直径范围为130-150mm，高度范围为130-150mm。
蓝宝石晶锭装夹在莲花瓣形的气动夹具上，转动夹具，固定工件圆周，并用真空吸盘吸附底部固定。将蓝宝石晶锭装夹在磨削加工工作台上，松开工件轴气压阀，将用卡尺测好高度尺寸的工件放入“莲花瓣”形夹具内，顺时针旋紧，打开工件轴气压阀，转动夹具使得工件圆周固定在夹具上，采用真空吸盘将底部固定，磨削时使用光学加工冷却液，以降低磨削过程中的温度。
用杯形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石晶锭的端面，砂轮粒度为#800-#2000，主轴转速为3800-5000rpm，蓝宝石晶锭转速为60-80rpm，砂轮直径为70-80mm，进给速率为0.5-3mm/min。使用磨料粒度为#800-#2000的金属结合剂金刚石杯型砂轮磨削蓝宝石晶锭的端面，设置磨削深度为5-10mm，磨削时需要设定砂轮与工件之间的安全距离大于0.5mm，然后再用手动调速旋钮调整砂轮与蓝宝石晶锭的距离，设置平面磨削主轴转速为3800-5000rpm，蓝宝石晶锭转速为60-80rpm，砂轮直径为70-80mm，进给速率为0.5-3mm/min，砂轮沿Z向进给磨削蓝宝石端面，磨削到设置的高度。
用碗形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石工件的内球面，砂轮粒度为#800-#2000。主轴转速为1500-2500rpm，蓝宝石工件转速为65-85rpm，砂轮直径为110-130mm，进给速率为0.1-1.5mm/min，蓝宝石工件单向摆动终止角度为80-85°。蓝宝石工件球心与刀具球心始终保持重合，工作台带动蓝宝石工件绕工作台圆心摆动，单向摆动速度为0.001-0.002r/min，砂轮在平面内做圆弧插补，与蓝宝石工件保持同步运动，加工至终止角时，砂轮空转30-60s后退出，在端面磨削缝隙处用塑料锤沿工件周向轻敲，使蓝宝石工件底部磨削剩余圆柱脆性断裂，拿掉断裂的碗形蓝宝石坯料，留下的部分就是蓝宝石球罩内球面。端面磨削完成后，退出平面砂轮，换上磨削内球面的金属结合剂金刚石碗形砂轮，砂轮粒度范围为#800-#2000，设置主轴转速为1500-2500rpm，蓝宝石工件转速为65-85rpm，砂轮直径为110-130mm，进给速率为0.1-1.5mm/min，加工终止角度为80-85°，安装前使用卡尺多次测量刀具的高度，得到测量的最大值，然后减去离心高度差值得到刀具的中心高度值，刀具中心高度值是保持工件球心和刀具球心始终重合的重要参数，运行机床，工作台带动蓝宝石工件绕Y向转动，转速为0.001-0.002r/min，刀具在XOZ平面做圆弧插补，与蓝宝石工件保持同步运动，当加工至终止角度时，砂轮空转30-60s后退刀，使用塑料锤沿蓝宝石工件周向轻敲，使蓝宝石实现脆性断裂，取下多余蓝宝石材料，最终得到加工好的蓝宝石内球面，内球面中心会留下一个直径为7-10mm，高度为5-15mm的圆柱体，这是为了避免加工过程中，蓝宝石工件脱落导致刀具和工件损坏，是蓝宝石球罩捞球加工的特点。
用碗形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，砂轮粒度为#800-#2000。主轴转速为1500-2500rpm，蓝宝石工件转速为65-85rpm，砂轮直径为125-145mm，进给速率为0.1-1.5mm/min，蓝宝石工件单向摆动终止角度为80-85°。蓝宝石工件球心与刀具球心始终保持重合，工作台带动蓝宝石工件绕工作台圆心摆动，单向摆动速度为0.001-0.002r/min，砂轮在平面内做圆弧插补，与蓝宝石工件保持同步运动，加工至终止角时，砂轮空转30-60s后退出，在端面磨削缝隙处用塑料锤沿工件周向轻敲，使蓝宝石工件底部磨削剩余圆柱脆性断裂，获得蓝宝石球罩。蓝宝石球罩内球面加工完成后，开始磨削蓝宝石球罩的外球面，退出内球面磨削砂轮，换上磨削外球面的金属结合剂金刚石碗形砂轮，磨料粒度为#800-#2000，设置主轴转速为1500-2500rpm，蓝宝石球罩转速为65-85rpm，砂轮直径为125-145mm，进给速率为0.1-1.5mm/min，加工终止角为80-85°，通过测量计算得到准确的刀具中心高度值，从而保持蓝宝石球罩球心与刀具球心始终重合，运行机床，工作台带动工件绕Y向转动，转速为0.001-0.002r/min，刀具在XOZ平面做圆弧插补，加工至终止角时，砂轮空转30-60s后退刀，最后使用塑料锤沿工件周向轻敲，使蓝宝石脆性断裂，得到加工好的蓝宝石球罩外球面，外球面底部中心会留下一个直径为7-10mm，高度为5-15mm的圆柱体，此时整个蓝宝石球罩的捞球加工结束。
捞球加工结束后，对蓝宝石球罩的表面粗糙度和尺寸精度进行测量。
本发明的效果和益处是使用捞球法加工蓝宝石球罩，实现了高效、低损伤和高生产率的蓝宝石球罩加工方法。
附图说明
图1是蓝宝石外球面测试结果，半径66.5955mm，表面粗糙度Ra 0.3997μm，Rz3.2765μm。
图2是蓝宝石外球面测试结果，半径62.2869mm，表面粗糙度Ra 0.2798μm，Rz3.5629μm。
图3蓝宝石外球面测试结果，半径60.8716mm，表面粗糙度Ra 0.5027μm，Rz 3.6449μm。
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
选择单晶蓝宝石晶锭，直径为140±0.1mm，高度为140mm。将蓝宝石晶锭装夹在气动夹具上，用手转动夹具以确保工件圆周完全固定，采用真空吸盘使得底部固定，加工过程中使用光学加工用冷却液，降低磨削温度。工件装夹后，使用#1500黄铜结合剂杯型金刚石砂轮磨削蓝宝石端面，砂轮直径为75mm，设置主轴转速为4775rpm，工件转速为70rpm，根据磨削过程和材料去除率的不同，砂轮的进给速率范围为0.5-3mm/min，将蓝宝石端面磨削厚度为5mm。
完成端面磨削后，使用#2000黄铜结合剂碗形金刚石砂轮磨削蓝宝石内球面，砂轮直径为123mm，砂轮高度为94.6mm，离心高度差值为2mm，得到砂轮中心高度为92.6mm，设置主轴转速为1925rpm，工件转速为75rpm，根据加工速度和材料去除率的不同，砂轮的进给速率范围为0.1-1.5mm/min，加工终止角为85°，运行机床，工作台带动工件单向摆动，摆动速度范围为0.001-0.002r/min，刀具在XOZ平面做圆弧插补，与工件保持同步运动，当加工至终止角度时，砂轮空转30-60s后退出，使用塑料锤沿工件端面磨削缝隙周向轻敲，使蓝宝石实现脆性断裂，取下多余蓝宝石材料，得到加工好的蓝宝石内球面。
完成内球面磨削后，使用#2000黄铜结合剂碗形金刚石砂轮磨削蓝宝石外球面，砂轮直径为138mm，砂轮高度为101.35mm，离心高度差值为2.25mm，得到砂轮中心高度为99.1mm，设置主轴转速为1925rpm，工件转速为75rpm，根据加工速度和材料去除率的不同，砂轮的进给速率为0.1-1.5mm/min，加工终止角为84°，通过测量计算得到准确的刀具中心高度值，从而保持工件球心与刀具球心始终重合，运行机床，工作台带动工件单向摆动，摆动速度为0.001-0.002r/min，刀具在XOZ平面做圆弧插补，加工至终止角时，砂轮空转30-60s后退出，最后使用塑料锤沿工件端面磨削缝隙周向轻敲，使蓝宝石脆性断裂，得到加工好的蓝宝石球罩外球面。
通过Taylor Hobson表面轮廓仪测量表面粗糙度和半径，三个不同蓝宝石球罩的外球面的测量值如下：(1)半径66.5955mm，表面粗糙度Ra 0.3997μm，Rz 3.2765μm，如图1所示；(2)半径62.2869mm，表面粗糙度Ra 0.2798μm，Rz 3.5629μm，如图2所示；(3)半径60.8716mm，表面粗糙度Ra 0.5027μm，Rz 3.6449μm，如图3所示。工件内外球面的中心处于同一位置，表面粗糙度和尺寸精度均达到精密加工要求。

Claims (1)

1.一种蓝宝石球罩捞球加工方法，其特征在于，步骤如下：
(1)蓝宝石晶锭，直径为130-150mm，高度为130-150mm；
(2)蓝宝石晶锭装夹在莲花瓣形的气动夹具上，转动夹具，固定蓝宝石晶锭圆周，并用真空吸盘吸附蓝宝石晶锭的底部固定；
(3)用杯形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石晶锭的端面，形成蓝宝石工件；砂轮粒度为#800-#2000，主轴转速为3800-5000rpm，工件转速为60-80rpm，砂轮直径为70-80mm，进给速率为0.5-3mm/min；
(4)用碗形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石工件的内球面，砂轮粒度为#800-#2000，主轴转速为1500-2500rpm，蓝宝石工件转速为65-85rpm，砂轮直径为110-130mm，进给速率为0.1-1.5mm/min，蓝宝石工件单向摆动终止角度为80-85°；蓝宝石工件的球心与刀具的球心始终保持重合，工作台带动蓝宝石工件绕工作台圆心摆动，单向摆动速度为0.001-0.002r/min，砂轮在平面内做圆弧插补，与蓝宝石工件保持同步运动，加工至终止角时，砂轮空转30-60s后退出，在端面磨削缝隙处用塑料锤沿蓝宝石工件周向轻敲，使蓝宝石工件底部磨削剩余圆柱脆性断裂，拿掉断裂的碗形蓝宝石坯料，留下的部分就是蓝宝石球罩内球面；
(5)用碗形金属结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石工件的外球面，砂轮粒度为#800-#2000，主轴转速为1500-2500rpm，蓝宝石工件转速为65-85rpm，砂轮直径为125-145mm，进给速率为0.1-1.5mm/min，蓝宝石工件单向摆动终止角度为80-85°；蓝宝石工件的球心与刀具的球心始终保持重合，工作台带动蓝宝石工件绕工作台圆心摆动，单向摆动速度为0.001-0.002r/min，砂轮在平面内做圆弧插补，与蓝宝石工件保持同步运动，加工至终止角时，砂轮空转30-60s后退出，在端面磨削缝隙处用塑料锤沿工件周向轻敲，使蓝宝石工件底部磨削剩余圆柱脆性断裂，获得蓝宝石球罩；
(6)捞球磨削后的蓝宝石球罩表面光滑，无崩边、破裂、破碎加工缺陷，磨削后表面粗糙度Ra小于0.5μm。
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