CN108972159B - 一种蓝宝石球罩双面磨削方法 - Google Patents

一种蓝宝石球罩双面磨削方法 Download PDF

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Abstract

一种蓝宝石球罩双面磨削方法，用两个半球形砂轮同时磨削蓝宝石球罩，将端面磨削好的蓝宝石晶锭装夹在对称的环形夹具上，固定蓝宝石晶锭外圆面，磨削平面环形区域与安全保持圈粘接，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石内球面，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，工件保持固定。将凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮安装于立式磨床的上下主轴，上下主轴同轴心，两个主轴同向或者反向旋转，并且能够垂直进给。蓝宝石球罩磨削至最后阶段，降低砂轮进给速率，并停止蓝宝石天线罩外球面磨削，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石的内球面，内球面磨削完成后，凸面半球形砂轮退出并停止，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，直至加工出蓝宝石球罩。

Description

一种蓝宝石球罩双面磨削方法
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石球罩双面磨削方法，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技术领域。
背景技术
蓝宝石硬度高且脆性大，莫氏硬度为9，仅次于金刚石(莫氏硬度为10)，属于难加工材料。蓝宝石在高温下仍具有良好的物理性能和光学性能，广泛应用于航空、航天、照明等领域，常作为红外窗口、半导体芯片、发光二极管衬底、固体激光器件等应用于高技术领域。蓝宝石球罩常用于高温、高压等极端环境，除了需要具备红外区域透明的特点外，还需要抵抗风沙、雨雪、冰雹等的侵蚀，因此，蓝宝石球罩的加工质量会严重影响到它的使用性能。目前传统磨削方法的工序繁杂、加工成本高、效率低、废品率高，容易产生崩裂、划痕等加工缺陷。因此，采用蓝宝石球罩双面磨削方法，可以大大提高成品率、降低球罩加工周期，提高产品加工质量。
蓝宝石球罩双面磨削采用一体化加工方式，可避免单面磨削加工过程中产生的多次安装误差。
发明内容
本发明提供一种蓝宝石球罩双面磨削方法，将蓝宝石晶锭装夹在对称的环形夹具上，采用金属结合剂半球形金刚石砂轮在立式磨床上进行双面磨削，本发明提供一种高效、低损伤的蓝宝石球罩双面磨削加工方法，实现了蓝宝石球罩的精密加工。
本发明的技术方案：
本发明采用一种蓝宝石球罩双面磨削方法，用两个半球形砂轮同时磨削蓝宝石球罩，将端面磨削好的蓝宝石晶锭装夹在对称的环形夹具上，固定蓝宝石晶锭外圆面，磨削平面环形区域与安全保持圈粘接，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石内球面，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，工件保持固定。将凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮安装于立式磨床的上下主轴，上下主轴同轴心，两个主轴同向或者反向旋转，并且能够垂直进给。蓝宝石球罩磨削至最后阶段，降低砂轮进给速率为0.01-0.5mm/min，并停止蓝宝石天线罩外球面磨削，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石的内球面，内球面磨削完成后，凸面半球形砂轮退出并停止，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，直至加工出蓝宝石球罩。
样品为蓝宝石晶锭，直径为130-160mm，高度为60-150mm。蓝宝石球罩是高性能装备的高性能零件，且大尺寸蓝宝石球罩的应用越来越广泛，加工更加困难，所以选择蓝宝石晶锭的直径范围为130-160mm，高度范围为60-150mm。
将端面磨削好的蓝宝石晶锭装夹在对称的环形夹具上，固定蓝宝石晶锭外圆面，磨削平面环形区域与安全保持圈粘接。对称的环形夹具可以实现对工件的固定，保证工件与上下主轴同轴心，安全保持圈与工件磨削平面环形区域通过玻璃胶粘接，粘接部分的宽度尺寸比球罩成品厚度小1mm，从而避免工件磨削至最后阶段时发生脱落。磨削时采用去离子水作为冷却液，以降低磨削加工的温度。
用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石内球面，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，工件保持固定。凸面半球形砂轮与蓝宝石球罩的内球面曲率保持一致，内凹半球形砂轮与蓝宝石球罩的外球面曲率保持一致，从而保证蓝宝石球罩的加工面形精度。
凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮表面用激光加工出菱形沟槽，沟槽宽度为2-5mm，深度为2-3mm，沟槽表面用胶粘接保护，在凸面半球形砂轮表面和内凹半球形砂轮内表面和平面电镀一层金刚石，结合剂为黄铜。砂轮表面的菱形沟槽有利于实现磨削液的流入流出和蓝宝石磨屑的流出。采用电镀金刚石和黄铜结合剂，可以提高磨削加工效率。
将凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮安装于立式磨床的上下主轴，上下主轴同轴心，两个主轴同向或者反向旋转，并且能够垂直进给，凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮同时进给磨削蓝宝石天线罩，工件固定不动。上下主轴同轴心可以保证蓝宝石球罩的形位精度，两个主轴同时旋转并垂直进给可以实现蓝宝石晶锭的双面磨削加工。
半球形砂轮粒度为#1000-#2000，砂轮直径为115-140mm，砂轮高度为110-130mm，主轴转速为1500-2000rpm，进给速率为0.2-1mm/min。砂轮粒度选择#1000-#2000可以实现球罩表面精密加工，同时为了保证磨床的稳定运行和球罩内外表面粗糙度一致性，将上下主轴的转速和进给速率设置为相同数值。
当蓝宝石球罩磨削至最后阶段，加工余量为5-10mm时，降低砂轮进给速率为0.01-0.5mm/min，并停止蓝宝石天线罩外球面磨削，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石的内球面，内球面磨削完成后，凸面半球形砂轮退出并停止，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，直至加工出蓝宝石球罩。由于磨削至最后阶段，工件容易受刀具与机床的振动影响而发生脱落，所以为了避免球罩和砂轮的损坏，需要在低进给速率下，先完成蓝宝石球罩内球面的磨削，再进行外球面的磨削，直至磨削完成球罩，最后去除安全保持圈与球罩粘接部位的玻璃胶，获得加工好的蓝宝石球罩。
双面磨削后的蓝宝石球罩表面光滑，无崩边、裂纹加工缺陷，磨削后表面粗糙度Ra小于0.5μm。由于采用的砂轮粒度较大，磨粒尺寸较小，进给速率较低，磨削属于延性域磨削，磨削后表面光滑，无崩边、裂纹等加工缺陷，并且表面粗糙度值较低。
本发明的效果和益处是使用双面磨削方法加工蓝宝石球罩，实现了高效、低损伤的蓝宝石球罩加工。
附图说明
图1蓝宝石球罩双面磨削方法的工作原理图。
图2内凹半球形金刚石砂轮的示意图。
图3蓝宝石内球面测试结果，半径62.3786mm，表面粗糙度Ra 0.3967μm，Rz 3.7233μm。
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
蓝宝石球罩双面磨削加工的工作原理如图1所示，选择单晶蓝宝石晶锭，直径为140±0.1mm，高度为60mm。将蓝宝石晶锭装夹在对称的环形夹具上，固定蓝宝石晶锭外圆面，蓝宝石晶锭磨削平面环形区域与安全保持圈之间使用玻璃胶粘接，安全保持圈粘接部分的宽度为3mm，然后用手转动工件，以确保工件完全固定。磨削时使用去离子水冷却液，以降低磨削加工中的温度。
使用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石内球面，同时使用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，加工过程中保持工件固定。凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮表面用激光加工出菱形沟槽，沟槽的宽度为3mm，深度2.5mm，将沟槽表面用玻璃胶粘接保护，加工完成后去除玻璃胶，沟槽是为了实现磨削液的流入流出，以及蓝宝石磨屑的排除。图2为内凹半球形金刚石砂轮的示意图。凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮的砂轮粒度均选择#2000，其中，凸面半球形砂轮的直径为123mm，砂轮高度为114.3mm，内凹半球形砂轮的直径为138mm，砂轮高度为118.3mm。
磨削加工时，分别将凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮安装于立式磨床的上下主轴位置，上下主轴保持同轴心，这样可以保证球罩的形位精度。两个主轴可以同向或者反向旋转，并且垂直进给，以实现对蓝宝石晶锭的双面磨削。设置上下主轴转速均为1800rpm。磨削加工时，为了查看磨削进程，保证磨削过程安全稳定进行，需要实时调整砂轮的进给速率，设置进给速率范围为0.2-1mm/min。
蓝宝石球罩磨削至最后阶段，加工余量仅为6mm时，为了避免蓝宝石晶锭损坏，保证磨床设备及人员安全，降低上下主轴进给速率为0.1mm/min，并停止蓝宝石天线罩外球面磨削，仅使用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石的内球面，内球面磨削完成后，凸面半球形砂轮退出并停止，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，直至加工出蓝宝石球罩，最后去除安全保持圈与球罩粘接部位的玻璃胶。
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内、外球面的测量值如下：(1)内球面半径62.3786mm，表面粗糙度Ra 0.3967μm，Rz 3.7233μm，如图3所示；(2)外球面半径66.1070mm，表面粗糙度Ra 0.5065μm，Rz 3.5598μm；(3)外球面半径65.9623mm，表面粗糙度Ra 0.5138μm，Rz3.4910μm。结果表明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)

1.一种蓝宝石球罩双面磨削方法，用两个半球形砂轮同时磨削蓝宝石球罩，加工效率高，其特征在于，步骤如下：
(1)蓝宝石晶锭，直径为130-160mm，高度60-150mm；
(2)将端面磨削好的蓝宝石晶锭装夹在对称的环形夹具上，固定蓝宝石晶锭外圆面，磨削平面环形区域与安全保持圈粘接；
(3)用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石晶锭内球面，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石晶锭的外球面，工件保持固定；
凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮表面用激光加工出菱形沟槽，沟槽宽度2-5mm，深度2-3mm，沟槽表面用胶粘接保护，在凸面半球形砂轮表面、内凹半球形砂轮内表面和平面电镀一层金刚石，结合剂为黄铜；
将凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮安装于立式磨床的上下主轴，上下主轴同轴心，两个主轴同向或反向旋转，并且垂直进给；
凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮同时进给磨削蓝宝石晶锭，工件固定不动；
砂轮粒度为#1000-#2000，砂轮直径为115-140mm，砂轮高度为110-130mm，主轴转速为1500-2000rpm，进给速率为0.2-1mm/min，砂轮即为凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮；
(4)蓝宝石球罩磨削至最后阶段，加工余量为5-10mm时，降低砂轮进给速率为0.01-0.5mm/min，并停止蓝宝石晶锭外球面磨削，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石的内球面，内球面磨削完成后，凸面半球形砂轮退出并停止，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面，直至加工出蓝宝石球罩，砂轮即为凸面半球形砂轮和内凹半球形砂轮；
(5)双面磨削后的蓝宝石球罩表面光滑，无崩边、裂纹加工缺陷，磨削后表面粗糙度Ra小于0.5μm。
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