CN108972162A - 一种蓝宝石整流罩成形磨削方法 - Google Patents

一种蓝宝石整流罩成形磨削方法 Download PDF

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张振宇
王绍臣
王新泽
许超
刘冬冬
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    • B24—GRINDING; POLISHING
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    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes

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Abstract

本发明提供了一种蓝宝石整流罩成形磨削方法，采用成形法的原理磨削蓝宝石整流罩，用激光加工的方法在凸面和内凹半球形不锈钢表面加工出菱形沟槽，用电镀工艺在凸面半球形不锈钢表面和内凹半球形不锈钢表面和平面处电镀一层金刚石，结合剂为黄铜。采用立式磨床，砂轮主轴和工件主轴同轴心，磨削液为去离子水，精磨球罩的主轴转速为1800‑2200rpm，工件转速为60‑70rpm，进给速度为30‑50μm/min。将工件用三爪夹盘固定在主轴上，用凸面半球形砂轮磨削出蓝宝石的内球面，磨削完成后，蓝宝石内球面用塑料棒与三爪夹盘粘接，在内球面外圆周处用三爪夹盘夹紧，用内凹半球形砂轮磨削出蓝宝石的外球面。

Description

一种蓝宝石整流罩成形磨削方法
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石整流罩成形磨削方法，采用带有沟槽的凸面和内凹半球形砂轮磨削蓝宝石整流罩，加工效率高，属于硬脆材料磨削加工领域。
背景技术
随着现代科技的发展，超硬材料蓝宝石在LED衬底、航空、航天等领域得到了广泛的应用。为了更好地发挥精确制导、侦查、防护等功能，对其红外整流罩及窗口材料提出了更高的要求。目前要求航空飞行器飞行时间长，飞行速度快，其前部的整流罩通常处在高温、高压的恶劣环境，还要受到雨水、风沙和冰雹的侵蚀。这就要求其必须具有高硬度、高强度、良好的高温稳定性以及耐腐蚀等性能。金刚石虽然具有理想的光学、力学和热学性能，但其用作独立的红外光学窗口和整流罩尚存在一些技术瓶颈，如大尺寸单晶金刚石的生长和加工难题，距离实际应用还有一定的距离。氟化镁(MgF2)虽有良好的光学性能及成熟的制备技术，但其机械强度低。氮氧化铝(AlON)虽然机械强度较高，但其截止波长较短，且其透过率受温度影响大。尖晶石(MgAl2O4)虽有较高的熔点和良好的化学稳定性，但其抗弯强度差。蓝宝石具有优异的综合性能，莫氏硬度为9，仅次于金刚石(莫氏硬度为10)，强度高，高温稳定性好，耐腐蚀，在3-5μm波段内具有较高的光学透过率，因此成为红外制导整流罩及窗口的理想材料。但由于蓝宝石的高硬度、高化学惰性、脆性大等特性导致其加工难度大，加工大尺寸的蓝宝石整流罩仍然面临挑战。
目前加工蓝宝石整流罩的方法有捞球法、磨削加工法等。捞球法加工蓝宝石整流罩，其加工效率高，材料利用率比传统磨削加工法高出至少1倍。但其设备和砂轮的价格昂贵，加工成本高。传统磨削的方法，采用传统磨床磨削蓝宝石，该方法对设备和砂轮的要求都不高，但其加工效率低，加工出一个外径为Φ140mm的蓝宝石整流罩通常需要20-30天，加工周期长，加工成本高。
发明内容
本发明给出了一种蓝宝石整流罩成形磨削方法，即采用带有凹槽的凸面和内凹半球形砂轮磨削蓝宝石整流罩，其加工效率比传统磨削方法高，磨削后表面无崩边、破碎、崩裂等缺陷，表面粗糙度Ra低于1μm。
本发明的技术方案：
一种蓝宝石整流罩成形磨削方法，采用成形法的原理磨削蓝宝石整流罩，用激光加工的方法在凸面和内凹半球形不锈钢表面加工出菱形沟槽，用电镀工艺在凸面半球形不锈钢表面和内凹半球形不锈钢表面和平面处电镀一层金刚石，结合剂为黄铜。粗磨砂轮的粒度为#200-#320，精磨砂轮的粒度为#350-#500，采用立式磨床，砂轮主轴和工件主轴同轴心，磨削液为去离子水，精磨球罩的主轴转速为1800-2200rpm，工件转速为60-70rpm，进给速度为30-50μm/min。将工件用三爪夹盘固定在主轴上，用凸面半球形砂轮磨削出蓝宝石的内球面，磨削完成后，蓝宝石内球面用塑料棒与三爪夹盘粘接，在内球面外圆周处用三爪夹盘夹紧，用内凹半球形砂轮磨削出蓝宝石的外球面。
工件为蓝宝石，直径为140-160mm，高度为60-80mm。为保证在加工过程中工件的强度，故需要在毛坯件的圆周处留有一定的余量。选择毛坯件尺寸140-160mm，高度为60-80mm。
采用成形法的原理磨削蓝宝石整流罩，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石的内球面，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面。成形法磨削可以提高加工效率，还可以保证加工精度，为了缩短传统磨削的加工周期，选择成形法磨削蓝宝石整流罩。
采用激光加工的方法在凸面和内凹半球形不锈钢表面加工出菱形沟槽，宽度为2-4mm，深度为2-3mm。设计沟槽的目的是为了能够容纳磨削液和磨屑，沟槽的宽度和深度在合适的尺寸范围，利于散热和排出磨屑，对于保证磨削质量非常重要。
用电镀工艺在凸面半球形不锈钢表面和内凹半球形不锈钢表面和平面处电镀一层金刚石，结合剂为黄铜，沟槽部分用胶粘贴保护，电镀完成后去除。粗磨砂轮的粒度为#200-#320，精磨砂轮的粒度为#350-#500。电镀金刚石砂轮工艺技术成熟，成本低。金属结合剂金刚石砂轮的结合力强、耐磨性好、形状保持性好，可承受较大负荷磨削，适用于蓝宝石等硬脆材料的加工。为了兼顾加工效率和精度，磨削蓝宝石时采用粗精结合。粗磨砂轮的粒度选择为#200-#320，精磨砂轮的粒度选择为#350-#500。
采用立式磨床，砂轮主轴和工件主轴同轴心，两个主轴同向或反向旋转，一个主轴能够向上或者向下进给，磨削液为去离子水。立式磨床，可以消除工件重量的影响，砂轮主轴和工件主轴同轴心，对于保证蓝宝石球罩内外球面同轴心非常重要，两个主轴做旋转运动，只有一个主轴能够垂直进给，对于保证机床的精度非常有好处。绿色环保磨削液对操作者和环境都有好处，因此选择去离子水为磨削液。
粗磨球罩的砂轮主轴转速为1500-2000rpm，工件转速为40-60rpm，进给速度为200-300μm/min。因为蓝宝石属于硬脆材料，为了实现延性域磨削，吃刀深度必须小于延性域磨削的临界磨削深度，工件才能实现塑性加工，工件加工后表面不存在崩边、裂纹等缺陷。
精磨球罩的主轴转速为1800-2200rpm，工件转速为60-70rpm，进给速度为30-50μm/min。为了兼顾加工效率与质量，因此选择粗磨和精磨相结合，精密时的砂轮和工件转速都略高于粗磨，而进给速度为粗磨的1/4-1/10。
将工件用三爪夹盘固定在主轴上，用凸面半球形砂轮磨削出蓝宝石的内球面，磨削完成后，蓝宝石内球面用塑料棒与三爪夹盘粘接，在内球面外圆周处用三爪夹盘夹紧，用内凹半球形砂轮磨削出蓝宝石的外球面。由于蓝宝石的硬度非常高，可以承受三爪夹盘的夹持力，直接用三爪夹盘夹紧就可以进行磨削。磨削完内球面后，用塑料棒与三爪夹盘粘接，是为了磨削完蓝宝石外球面后，将球罩固定，不至于飞出，从而造成球罩破碎和人员以及磨床损伤的危险后果。
本发明的有益效果：采用带有凹槽的凸面和内凹半球形砂轮磨削蓝宝石整流罩，加工效率远高于传统磨削方法，磨削加工后工件表面无崩边、破碎、崩裂等缺陷，表面粗糙度Ra低于1μm。
附图说明
图1为凸面半球形砂轮的示意图；
图2为用Taylor Hopson接触式轮廓仪测量磨削后的蓝宝石整流罩内球面的表面粗糙度照片。
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：
采用立式磨床，砂轮主轴与工件主轴同轴心，工件只有一个旋转运动，砂轮反向旋转并进给。用带有沟槽的凸面和内凹半球形砂轮磨削蓝宝石整流罩的内外球面。采用激光加工的方法在凸面和内凹半球形不锈钢表面加工出菱形沟槽，宽度为4mm，深度为2mm。用电镀工艺在凸面半球形不锈钢表面和内凹半球形不锈钢表面和平面处电镀一层金刚石，结合剂为黄铜，沟槽部分用胶粘贴保护，电镀完成后去除。磨削时采用去离子水作为冷却液。
将工件用三爪卡盘固定在主轴上，首先采用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石整流罩的内球面，粗磨时砂轮粒度为#240，砂轮转速为1500rpm，工件转速为45rpm，进给速度300μm/min。加工至剩余1.5mm余量时换用粒度为#500的凸面半球形砂轮进行精磨，精磨时砂轮转速为2000rpm，进给速度为50μm/min，工件转速为65rpm。直到蓝宝石整流罩内球面加工完成。
磨削蓝宝石整流罩的外球面。蓝宝石内球面用塑料棒与三爪夹盘粘接，在内球面外圆周处用三爪夹盘夹紧。首先采用#240的内凹半球形砂轮磨削蓝宝石的外球面，粗磨时砂轮转速为1500rpm，工件转速为45rpm，进给速度为300μm/min。加工至剩余1.5mm余量时换用#500的内凹半球形砂轮进行精磨，精磨时砂轮转速为2000rpm，进给速度为50μm/min，工件转速为65rpm。直到工件与毛坯基体脱离，塑料棒托住工件使其不会掉落。至此蓝宝石整流罩加工完成。

Claims (1)

1.一种蓝宝石整流罩成形磨削方法，采用带有沟槽的凸面半球形和内凹半球形砂轮磨削蓝宝石整流罩，其特征在于，步骤如下：
(1)工件为蓝宝石，直径为140-160mm，高度为60-80mm；采用成形法原理磨削蓝宝石整流罩，用凸面半球形砂轮磨削蓝宝石的内球面，用内凹半球形砂轮磨削蓝宝石球罩的外球面；采用激光加工的方法在凸面半球形和内凹半球形砂轮不锈钢表面加工出菱形沟槽，宽度为2-4mm，深度为2-3mm；用电镀工艺在凸面半球形砂轮不锈钢表面、内凹半球形砂轮不锈钢表面除沟槽部分外均匀电镀一层金刚石，结合剂为黄铜，沟槽部分用胶粘贴保护，电镀完成后去除；
(2)将工件用三爪夹盘固定在主轴上，用凸面半球形砂轮磨削出蓝宝石的内球面，磨削完成后，蓝宝石内球面用塑料棒与三爪夹盘粘接，在内球面外圆周处用三爪夹盘夹紧，用内凹半球形砂轮磨削出蓝宝石的外球面；具体控制条件如下：
采用立式磨床，砂轮主轴和工件主轴同轴心，两个主轴同向或反向旋转，其中一个主轴向上或向下进给，磨削液为去离子水；粗磨砂轮的粒度为#200-#320，精磨砂轮的粒度为#350-#500；粗磨砂轮的主轴转速为1500-2000rpm，工件转速为40-60rpm，进给速度为200-300μm/min；精磨主轴转速为1800-2200rpm，工件转速为60-70rpm，进给速度为30-50μm/min。
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