CN109227227B - 一种玻璃研磨磨盘的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃研磨磨盘的制备方法，该制备方法包括如下步骤：步骤一、浆料制备；步骤二、磨盘胚体成型；步骤三、烧结；以及步骤四、机械加工。本发明具有如下有益效果：磨盘成型用浆料采用化学共聚沉方法获得，组织结构均匀细小，能实现CeO2磨料在玻璃研磨磨盘中的高度均匀分布，玻璃研磨磨盘研磨后的玻璃器件表面磨削纹路均匀细密，不存在粗大划痕现象；磨盘粘接CeO2磨料的结合剂为AlPO4·nH2O无机胶凝材料，其弹性模量比树脂材料高，在研磨玻璃过程中，玻璃研磨磨盘弹性变形量小，磨削出的玻璃器件的直线度误差能小于3μm/25mm，可以很好地满足高精度玻璃光学器件的加工要求。
Description
【技术领域】
本发明涉及磨具制备技术领域，尤其涉及采用磷酸铝胶凝材料粘接氧化铈磨料的一种玻璃研磨磨盘的制备方法。
【背景技术】
目前高性能光学玻璃器件如光学镜头、玻璃手机屏、滤光片等的加工都是采用CeO2磨盘进行研磨加工。该加工方法具有磨削效率高、加工工件表面光洁度好等优点。目前玻璃抛光用磨盘的制备方法都是将作为磨料的CeO2粉体与树脂进行混合后，在一定条件下树脂固化形成具有一定形状和强度的树脂磨盘。常用的树脂有酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰胺树脂和环氧树脂，根据树脂的形态不同，CeO2磨盘的成型固化工艺也有所不同。当树脂为液态时采用浇注固化的方式制备磨盘；当树脂为粉体时则采用热压固化的方式制作磨盘。用该工艺制备CeO2磨盘工艺简单，磨盘有一定的弹性，抛光性能良好。但是也存在一定的问题：一方面考虑到粗糙度要求，研磨玻璃用的CeO2磨盘中的CeO2磨料都很细，一般直径都小于5μm，密度为7.1g/cm3，而树脂的密度小于1.8g/cm3，混料时很难将CeO2磨料与树脂结合剂混合均匀，会使研磨后的玻璃器件表面磨削纹路不均匀；另一方面，树脂弹性模量低，易变性，在磨削载荷作用下，树脂CeO2磨盘会发生变形，造成研磨后的玻璃器件的直线度会超过3μm/25mm，无法加工出高尺寸精度要求的玻璃器件。
【发明内容】
本发明提供一种玻璃研磨磨盘的制备方法，其解决了传统制备方法制备的磨盘在研磨玻璃光学器件时，直线度误差高，磨削纹路不均匀的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种玻璃研磨磨盘的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤一、浆料制备：称取一定量的浓度为4-5mol/L的CeCl3溶液，在400转/分钟的搅拌条件下，加入浓度为85％且与所述CeCl3溶液体积比为1-1.5:10的磷酸溶液，搅拌10-20分钟，获得均匀的CeCl3和磷酸的混合溶液,在3000转/分钟的搅拌条件下向混合溶液中加入固相含量为15％且pH值为3-4的铝溶胶，所述铝溶胶与所述混合溶液的体积比为2-3:10，将搅拌转速调高到8000转/分钟，搅拌1-2小时，然后在8000转/分钟搅拌条件下往所述混合溶液中滴加氨水，当所述混合溶液的pH值为5-6时，停止氨水的加入，继续搅拌0.5-1小时后停止搅拌，将所述混合溶液放入水浴槽中加热至60℃，保温3-4小时，容器底部产生大量的白色沉淀，在常压下过滤掉所述混合溶液中的水分获得沉淀物，将所述沉淀物放入陶瓷球磨坛中并使用球磨球进行滚动球磨，所述陶瓷球磨坛直径为400mm，所述球磨球直径为20mm，球料比为1-1.2:1，球磨前加入沉淀物重量15-20％且浓度为4wt％的羧甲基纤维素溶液，陶瓷球磨坛转速120转/分钟，球磨2-3小时后，从所述陶瓷球磨坛中倒出球磨好的白色浆料，获得磨盘成型用浆料；
步骤二、磨盘胚体成型：根据磨盘的尺寸采用聚四氟乙烯加工出磨盘浇注成型模具，用高温真空密封硅脂作为脱模剂，硅脂涂抹所述成型模具的内表面后将步骤一获得的所述浆料倒入到所述成型模具中，所述浆料的倒入高度根据磨盘的工作层厚度确定，然后将装有所述浆料的所述成型模具放入烘箱中，温度为80℃的条件下保温6-8小时，后将所述成型模具取出，在室温下脱模，获得成型好的磨盘坯体；
步骤三、烧结：将步骤二获得所述磨盘坯体放入马弗炉中，在空气气氛下，以3-4℃/分钟的速度升温至200℃保温1小时，然后以5-6℃/分钟的速度升温至600℃保温1-2小时，获得烧结后的玻璃研磨磨盘半成品；
步骤四、机械加工：在万能工具磨床上，采用粒度为120/140的电镀金刚石砂轮对步骤三得到的所述玻璃研磨磨盘半成品进行外圆和平面磨削加工，将所述玻璃研磨磨盘的尺寸误差控制在0.015mm以内，获得玻璃研磨磨盘。
优选的，在步骤一中，所述球磨球为氧化锆球。
优选的，在步骤四中，所述玻璃研磨磨盘为CeO2玻璃研磨磨盘。
本发明具有如下有益效果：
1、磨盘成型用浆料采用化学共聚沉方法获得，组织结构均匀细小，能实现CeO2磨料在玻璃研磨磨盘中的高度均匀分布，玻璃研磨磨盘研磨后的玻璃器件表面磨削纹路均匀细密，不存在粗大划痕现象；
2、磨盘粘接CeO2磨料的结合剂为AlPO4·nH2O无机胶凝材料，其弹性模量比树脂材料高，在研磨玻璃过程中，玻璃研磨磨盘弹性变形量小，磨削出的玻璃器件的直线度误差能小于3μm/25mm，可以很好地满足高精度玻璃光学器件的加工要求。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明提供的一种玻璃研磨磨盘的制备方法制备的玻璃研磨磨盘的显微形貌图；
图2为本发明提供的制备方法制备的玻璃研磨磨盘加工后的K6光学玻璃的显微形貌图；
图3为本发明提供的制备方法制备玻璃研磨磨盘加工后的K6光学玻璃的直线度误差图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种玻璃研磨磨盘的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤一、浆料制备：称取一定量的浓度为4-5mol/L的CeCl3溶液，在400转/分钟的搅拌条件下，加入浓度为85％且与所述CeCl3溶液体积比为1:10的磷酸溶液，搅拌10-20分钟，获得均匀的CeCl3和磷酸的混合溶液,在3000转/分钟的搅拌条件下向混合溶液中加入固相含量为15％且pH值为3.5的铝溶胶，所述铝溶胶与所述混合溶液的体积比为3:10，将搅拌转速调高到8000转/分钟，搅拌1-2小时，然后在8000转/分钟搅拌条件下往所述混合溶液中滴加氨水，当所述混合溶液的pH值为6时，停止氨水的加入，继续搅拌0.5小时后停止搅拌，将所述混合溶液放入水浴槽中加热至60℃，保温3-4小时，容器底部产生大量的白色沉淀，在常压下过滤掉所述混合溶液中的水分获得沉淀物，将所述沉淀物放入陶瓷球磨坛中并使用球磨球进行滚动球磨，所述陶瓷球磨坛直径为400mm，所述球磨球直径为20mm，球料比为1.2:1，球磨前加入沉淀物重量15％且浓度为4wt％的羧甲基纤维素溶液，陶瓷球磨坛转速120转/分钟，球磨3小时后，从所述陶瓷球磨坛中倒出球磨好的白色浆料，获得磨盘成型用浆料；
具体的，所述球磨球为氧化锆球。在酸性条件下，CeCl3溶液中的H+会抑制Ce3+的水解，所以在搅拌条件下向CeCl3溶液中加入一定量的磷酸溶液，能够获得稳定的CeCl3和磷酸的混合溶液。再向混合溶液中加入一定量的酸性铝溶胶，磷酸铝溶胶中的Al(OH)3胶粒反应生成Al(H2PO4)3，在8000转/分钟的高速搅拌条件下Al(H2PO4)3以纳米级颗粒的形式均匀分布于混合溶液中。然后往混合溶液中滴加氨水，混合溶液的pH值上升，当pH值超过5时，CeCl3水解形成Ce(OH)4溶胶，Al(H2PO4)3变为AlPO4溶胶，再将混合液水浴加热到60℃，Ce(OH)4溶胶和AlPO4溶胶快速凝胶絮凝，形成沉淀物。因为Ce(OH)4溶胶和AlPO4溶胶在混合溶液中同时沉淀析出，所以Ce(OH)4凝胶在AlPO4凝胶中分布均匀。然后将沉淀物加入一定量的水和羧甲基纤维素进行球磨，球磨工艺使沉淀中的Ce(OH)4胶粒和AlPO4胶粒尺寸更加细小，粒径分布更窄。羧甲基纤维素能提高Ce(OH)4胶粒和AlPO4胶粒在浆料中的悬浮性，获得成分均匀的浆料。
步骤二、磨盘胚体成型：根据磨盘的尺寸采用聚四氟乙烯加工出磨盘浇注成型模具，用高温真空密封硅脂作为脱模剂，硅脂涂抹所述成型模具的内表面后将步骤一获得的所述浆料倒入到所述成型模具中，所述浆料的倒入高度根据磨盘的工作层厚度确定，然后将装有所述浆料的所述成型模具放入烘箱中，温度为80℃的条件下保温6-8小时，后将所述成型模具取出，在室温下脱模，获得成型好的磨盘坯体；
具体的，将成型模具放入烘箱中，80℃保温，AlPO4微粒与浆料中的水分子反应形成网络状的胶凝材料，其主要成分为AlPO4·nH2O的水化物，Ce(OH)4微粒均匀分布于胶凝材料的网络中，磨盘坯体有一定强度，可以进行脱模工艺。
步骤三、烧结：将步骤二获得所述磨盘坯体放入马弗炉中，在空气气氛下，以3-4℃/分钟的速度升温至200℃保温1小时，然后以5-6℃/分钟的速度升温至600℃保温1-2小时，获得烧结后的玻璃研磨磨盘半成品；
具体的，将成型后的磨盘以较慢的速度升温至200℃，并保温1小时，进一步脱去磨盘坯体中的水分，然后升温至600℃，Ce(OH)4微粒分解变为CeO2磨料，AlPO4·nH2O水化物，脱除一部分水，在高温下相互之间进一步交联，使磨盘坯体的强度进一步提高，得到玻璃研磨磨盘半成品。
步骤四、机械加工：在万能工具磨床上，采用粒度为120/140的电镀金刚石砂轮对步骤三得到的所述玻璃研磨磨盘半成品进行外圆和平面磨削加工，将所述玻璃研磨磨盘的尺寸误差控制在0.015mm以内，获得玻璃研磨磨盘。
具体的，所述玻璃研磨磨盘为CeO2玻璃研磨磨盘。由于磨盘坯体在烧结时会有一定的变形，因此需要对所述玻璃研磨磨盘半成品进行机械加工，达到使用的尺寸精度要求。
请参阅图1，通过显微镜观察，CeO2磨料在所述玻璃研磨磨盘中高度均匀分布。
请一并参阅图2和3，使用被发明提供的所述一种玻璃研磨磨盘的制备方法制备的玻璃研磨磨盘对K6光学玻璃进行研磨加工，所述K6光学玻璃的表面如图2所示，测量结果如图3所示，可见所述K6光学玻璃的直线度误差小于3μm/25mm。
本发明具有如下有益效果：
1、磨盘成型用浆料采用化学共聚沉方法获得，组织结构均匀细小，能实现CeO2磨料在玻璃研磨磨盘中的高度均匀分布，玻璃研磨磨盘研磨后的玻璃器件表面磨削纹路均匀细密，不存在粗大划痕现象；
2、磨盘粘接CeO2磨料的结合剂为AlPO4·nH2O无机胶凝材料，其弹性模量比树脂材料高，在研磨玻璃过程中，玻璃研磨磨盘弹性变形量小，磨削出的玻璃器件的直线度误差能小于3μm/25mm，可以很好地满足高精度玻璃光学器件的加工要求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。
Claims (3)
1.一种玻璃研磨磨盘的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
步骤一、浆料制备：称取一定量的浓度为4-5mol/L的CeCl3溶液，在400转/分钟的搅拌条件下，加入浓度为85％且与所述CeCl3溶液体积比为1-1.5:10的磷酸溶液，搅拌10-20分钟，获得均匀的CeCl3和磷酸的混合溶液,在3000转/分钟的搅拌条件下向混合溶液中加入固相含量为15％且pH值为3-4的铝溶胶，所述铝溶胶与所述混合溶液的体积比为2-3:10，将搅拌转速调高到8000转/分钟，搅拌1-2小时，然后在8000转/分钟搅拌条件下往所述混合溶液中滴加氨水，当所述混合溶液的pH值为5-6时，停止氨水的加入，继续搅拌0.5-1小时后停止搅拌，将所述混合溶液放入水浴槽中加热至60℃，保温3-4小时，容器底部产生大量的白色沉淀，在常压下过滤掉所述混合溶液中的水分获得沉淀物，将所述沉淀物放入陶瓷球磨坛中并使用球磨球进行滚动球磨，所述陶瓷球磨坛直径为400mm，所述球磨球直径为20mm，球料比为1-1.2:1，球磨前加入沉淀物重量15-20％且浓度为4wt％的羧甲基纤维素溶液，陶瓷球磨坛转速120转/分钟，球磨2-3小时后，从所述陶瓷球磨坛中倒出球磨好的白色浆料，获得磨盘成型用浆料；
步骤二、磨盘胚体成型：根据磨盘的尺寸采用聚四氟乙烯加工出磨盘浇注成型模具，用高温真空密封硅脂作为脱模剂，硅脂涂抹所述成型模具的内表面后将步骤一获得的所述浆料倒入到所述成型模具中，所述浆料的倒入高度根据磨盘的工作层厚度确定，然后将装有所述浆料的所述成型模具放入烘箱中，温度为80℃的条件下保温6-8小时，后将所述成型模具取出，在室温下脱模，获得成型好的磨盘坯体；
步骤三、烧结：将步骤二获得所述磨盘坯体放入马弗炉中，在空气气氛下，以3-4℃/分钟的速度升温至200℃保温1小时，然后以5-6℃/分钟的速度升温至600℃保温1-2小时，获得烧结后的玻璃研磨磨盘半成品；
步骤四、机械加工：在万能工具磨床上，采用粒度为120/140的电镀金刚石砂轮对步骤三得到的所述玻璃研磨磨盘半成品进行外圆和平面磨削加工，将所述玻璃研磨磨盘的尺寸误差控制在0.015mm以内，获得玻璃研磨磨盘。
2.如权利要求1所述的一种玻璃研磨磨盘的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述球磨球为氧化锆球。
3.如权利要求1或2所述的一种玻璃研磨磨盘的制备方法，其特征在于，在步骤四中，所述玻璃研磨磨盘为CeO2玻璃研磨磨盘。
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