CN110788698B - 基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法、系统、介质及设备 - Google Patents

基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法、系统、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法、系统、介质及设备，包括：磨床选择步骤：选择最小分辨率为1μm的数控磨床；CeO2液雾化步骤：采用雾化喷头2喷射雾化的纳米级CeO2液3；加工控制步骤：通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工，同时将雾化的纳米级CeO2液3喷射于磨削加工区域，获取磨削加工结果工件。本发明能够避免使用高消耗的高精密的数控机床、氧化铈砂轮难于加工较硬的硬脆性材料、超细磨粒磨削加工和掺镧柱流辅助的不均匀、低磨削深度和掺镧氧化铈制备消耗的问题，实现低表面粗糙度和亚表面损伤的超精密磨削加工。

Description

基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法、系统、介质及 设备
技术领域
本发明涉及硬脆性材料表面的超精密加工领域，具体地，涉及一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法、系统、介质及设备，尤其涉及一种面向硬脆性材料的雾化CeO2辅助轴向进给超精密磨削加工方法。
背景技术
目前，硬脆性材料如光学元件(石英玻璃、BK7等)、半导体元件(单晶碳化硅、单晶硅等)需要高质量的表面(低表面粗糙度和亚表面损伤)。但是这些元件的加工大多采用昂贵的纳米级别机床和超细磨粒的磨具等。磨削深度受限在纳米尺度内，导致加工效率极低，加工成本高昂。其中，虽有人提出采用CeO2砂轮进行机械化学磨削加工，可获得较高质量的单晶硅表面，但是难以加工较硬的硬脆性材料。所采用的掺镧氧化铈辅助磨削光学玻璃也未能解决切深较小的问题，柱流形式供给氧化铈液不均匀和消耗较大，并且氧化铈掺镧工艺复杂，增加了费用。
专利文献CN104400671A公开了一种高光磨削磨具及其制造方法，包括由磨料、结合剂和添加剂结合而成的磨具主体，所述磨具主体中设有气孔，所述磨具主体中磨料、结合剂、添加剂和气孔体的积比为28％-50％、12％-25％、15％-30％和10％ -20％，所述磨料为CeO2、MgO、Fe2O3中的一种；所述结合剂为酚醛树脂；所述添加剂为碳酸氢钠或/和硫酸锌。由于选用莫氏硬度低于光学零件的CeO2、MgO、Fe2O3磨料，不会对光学零件的表面产生深的加工痕迹，容易达到较高的表面质量。该专利虽然提出采用CeO2砂轮进行机械化学磨削加工，可获得较高质量的单晶硅表面，但是难以加工较硬的硬脆性材料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法、系统、介质及设备。
根据本发明提供的一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法，包括：磨床选择步骤：选择最小分辨率为1μm的数控磨床；CeO2液雾化步骤：采用雾化喷头2喷射雾化的纳米级CeO2液3；加工控制步骤：通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工，同时将雾化的纳米级CeO2液3喷射于磨削加工区域，获取磨削加工结果工件。
优选地，还包括：金刚石砂轮选择步骤：选取的金刚石砂轮直径为100-150毫米，选取的金刚石砂轮厚度5-10毫米，金刚石砂轮选取直径大于或者等于24μm的磨粒。
优选地，还包括：加工参数选择步骤：在通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工的过程中，调整修整进给速度为300-500毫米/分钟，调整金刚石砂轮转速为3000-5000转/分钟，调整磨削进给速度为0.5-1毫米/分钟，调整磨削深度为5-20微米。
优选地，所述CeO2液雾化步骤包括：CeO2液配置步骤：配置氧化铈液浓度为5％-10％；喷雾速度调整步骤：调整喷雾速度为1-3.2L/min。
根据本发明提供的一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统，包括：磨床选择模块：选择最小分辨率为1μm的数控磨床；CeO2液雾化模块：采用雾化喷头2喷射雾化的纳米级CeO2液3；加工控制模块：通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工，同时将雾化的纳米级CeO2液3喷射于磨削加工区域，获取磨削加工结果工件。
优选地，还包括：金刚石砂轮选择模块：选取的金刚石砂轮直径为100-150毫米，选取的金刚石砂轮厚度5-10毫米，金刚石砂轮选取直径大于或者等于24μm的磨粒。
优选地，还包括：加工参数选择模块：在通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工的过程中，调整修整进给速度为300-500毫米/分钟，调整金刚石砂轮转速为3000-5000转/分钟，调整磨削进给速度为0.5-1毫米/分钟，调整磨削深度为5-20微米。
优选地，所述CeO2液雾化模块包括：CeO2液配置模块：配置氧化铈液浓度为5％-10％；喷雾速度调整模块：调整喷雾速度为1-3.2L/min。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法的步骤。
根据本发明提供的一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工设备，包括：控制器；所述控制器包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法的步骤；或者，所述控制器包括基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够使用微米级数控磨床，运用超硬的大颗粒金刚石砂轮，以雾化CeO2液辅助轴向进给的超精密磨削加工硬脆性材料表面的方法；
2、本发明能够采用便宜的微米级数控机床，使用超硬的金刚石砂轮大切深的超精密磨削加工，实现硬脆性材料(光学元件和半导体元件)的几纳米表面粗糙度和亚表面损伤深度的加工；
3、本发明能够避免使用高消耗的高精密的数控机床、氧化铈砂轮难于加工较硬的硬脆性材料、超细磨粒磨削加工和掺镧柱流辅助的不均匀、低磨削深度和掺镧氧化铈制备消耗的问题，实现低表面粗糙度和亚表面损伤的超精密磨削加工。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的系统框架流程示意图。
图3为本发明实施例中的雾化CeO2辅助轴向进给超精密磨削加工原理示意图。
图中：
金刚石砂轮1 金刚石磨粒4
雾化喷头2 工件5
雾化的纳米级CeO2液3 磨削表面6
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-3所示，根据本发明提供的一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法，包括：磨床选择步骤：选择最小分辨率为1μm的数控磨床；CeO2液雾化步骤：采用雾化喷头2喷射雾化的纳米级CeO2液3；加工控制步骤：通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工，同时将雾化的纳米级CeO2液3喷射于磨削加工区域，获取磨削加工结果工件。
优选地，还包括：金刚石砂轮选择步骤：选取的金刚石砂轮直径为100-150毫米，选取的金刚石砂轮厚度5-10毫米，金刚石砂轮选取直径大于或者等于24μm的磨粒。
优选地，还包括：加工参数选择步骤：在通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工的过程中，调整修整进给速度为300-500毫米/分钟，调整金刚石砂轮转速为3000-5000转/分钟，调整磨削进给速度为0.5-1毫米/分钟，调整磨削深度为5-20微米。
优选地，所述CeO2液雾化步骤包括：CeO2液配置步骤：配置氧化铈液浓度为5％-10％；喷雾速度调整步骤：调整喷雾速度为1-3.2L/min。
具体地，在一个实施例中，如图3所示，一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法通过金刚石砂轮1的金刚石磨粒4在工件5的表面经过最小分辨率为1μm的数控磨床以600#以及更大磨粒的金刚石砂轮1轴向磨削，在切深不超过金刚石磨粒大小的情况下，在雾化喷头2喷以均匀的雾化的纳米大小CeO2液3的共同作用下形成几纳米的表面粗糙度和表面损伤的磨削表面6。采用雾化均匀的纳米级大小的CeO2液3辅助的超精密磨削加工方法。磨削加工刀具路径沿轴向进给并且以雾化的CeO2液3为辅助。所采用的数控磨床最小分辨率为1μm，属于微米级数控机床。所采用的砂轮为超硬的金刚石砂轮1。所采用的金刚石砂轮1的磨粒4大小为600#以及更大尺寸。磨削切深与磨削加工结果无关，仅与金刚石磨粒4的大小有关。所述的工件材料(5)的材质为可与CeO2发生化学反应的硬脆性材料，包括光学玻璃石英玻璃、BK7和K9等、单晶硅以及单晶碳化硅等。
基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法采用CNC磨床(SMARTB818Ⅲ)，600#(磨粒大小约24μm)金刚石砂轮。砂轮尺寸：直径100-150毫米，厚度5-10毫米，修整进给速度300-500毫米/分钟，切削深度5-15微米。工件材料5是石英光学玻璃，几何尺寸长×宽×高为40毫米×40毫米×4毫米。金刚石砂轮转速3000-5000转/分钟，磨削进给速度大小为0.5-1毫米/分钟，磨削深度5-20微米。氧化铈液浓度为5％-10％，喷雾速度为1-3.2L/min。之后采用扫描电子显微镜和原子力显微镜检测磨削表面形貌、原子力显微镜检测表面粗糙度和X射线显微镜检测亚表面损伤深度。结果为：表面粗糙度 Ra＝0.5-2纳米，亚表面损伤深度低于700纳米。
在另一个实施例中，一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法采用CNC磨床(SMARTB818Ⅲ)，600#(磨粒大小约24μm)金刚石砂轮。砂轮尺寸：直径150毫米，厚度5毫米，修整进给速度500毫米/分钟，切削深度10微米。工件材料5是石英光学玻璃，几何尺寸长×宽×高为40毫米×40毫米×4毫米。金刚石砂轮转速3000转/分钟，磨削进给速度大小为1毫米/分钟，磨削深度5-20微米。氧化铈液浓度为5％，喷雾速度为3.2L/min。之后采用扫描电子显微镜和原子力显微镜检测磨削表面形貌、原子力显微镜检测表面粗糙度和X射线显微镜检测亚表面损伤深度。结果为：表面粗糙度Ra＝0.5- 2纳米，亚表面损伤深度低于700纳米。
根据本发明提供的一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统，包括：磨床选择模块：选择最小分辨率为1μm的数控磨床；CeO2液雾化模块：采用雾化喷头2喷射雾化的纳米级CeO2液3；加工控制模块：通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工，同时将雾化的纳米级CeO2液3喷射于磨削加工区域，获取磨削加工结果工件。
优选地，还包括：金刚石砂轮选择模块：选取的金刚石砂轮直径为100-150毫米，选取的金刚石砂轮厚度5-10毫米，金刚石砂轮选取直径大于或者等于24μm的磨粒。
优选地，还包括：加工参数选择模块：在通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮1以轴向方式进给磨削加工的过程中，调整修整进给速度为300-500毫米/分钟，调整金刚石砂轮转速为3000-5000转/分钟，调整磨削进给速度为0.5-1毫米/分钟，调整磨削深度为5-20微米。
优选地，所述CeO2液雾化模块包括：CeO2液配置模块：配置氧化铈液浓度为5％-10％；喷雾速度调整模块：调整喷雾速度为1-3.2L/min。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法的步骤。
根据本发明提供的一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工设备，包括：控制器；所述控制器包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法的步骤；或者，所述控制器包括基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统。
本发明能够使用微米级数控磨床，运用超硬的大颗粒金刚石砂轮，以雾化CeO2液辅助轴向进给的超精密磨削加工硬脆性材料表面的方法；本发明能够采用便宜的微米级数控机床，使用超硬的金刚石砂轮大切深的超精密磨削加工，实现硬脆性材料(光学元件和半导体元件)的几纳米表面粗糙度和亚表面损伤深度的加工；本发明能够避免使用高消耗的高精密的数控机床、氧化铈砂轮难于加工较硬的硬脆性材料、超细磨粒磨削加工和掺镧柱流辅助的不均匀、低磨削深度和掺镧氧化铈制备消耗的问题，实现低表面粗糙度和亚表面损伤的超精密磨削加工。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法，其特征在于，包括：
磨床选择步骤：选择最小分辨率为1μm的数控磨床；
CeO2液雾化步骤：采用雾化喷头(2)喷射雾化的纳米级CeO2液(3)；
加工控制步骤：通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮(1)以轴向方式进给磨削加工，同时将雾化的纳米级CeO2液(3)喷射于磨削加工区域，获取磨削加工结果工件。
2.根据权利要求1所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法，其特征在于，还包括：
金刚石砂轮选择步骤：选取的金刚石砂轮直径为100-150毫米，选取的金刚石砂轮厚度5-10毫米，金刚石砂轮选取直径大于或者等于24μm的磨粒。
3.根据权利要求1所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法，其特征在于，还包括：
加工参数选择步骤：在通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮(1)以轴向方式进给磨削加工的过程中，调整修整进给速度为300-500毫米/分钟，调整金刚石砂轮转速为3000-5000转/分钟，调整磨削进给速度为0.5-1毫米/分钟，调整磨削深度为5-20微米。
4.根据权利要求1所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法，其特征在于，所述CeO2液雾化步骤包括：
CeO2液配置步骤：配置氧化铈液浓度为5％-10％；
喷雾速度调整步骤：调整喷雾速度为1-3.2L/min。
5.一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统，其特征在于，包括：
磨床选择模块：选择最小分辨率为1μm的数控磨床；
CeO2液雾化模块：采用雾化喷头(2)喷射雾化的纳米级CeO2液(3)；
加工控制模块：通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮(1)以轴向方式进给磨削加工，同时将雾化的纳米级CeO2液(3)喷射于磨削加工区域，获取磨削加工结果工件。
6.根据权利要求5所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统，其特征在于，还包括：
金刚石砂轮选择模块：选取的金刚石砂轮直径为100-150毫米，选取的金刚石砂轮厚度5-10毫米，金刚石砂轮选取直径大于或者等于24μm的磨粒。
7.根据权利要求5所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统，其特征在于，还包括：
加工参数选择模块：在通过数控磨床控制硬度大于预定阈值的金刚石砂轮(1)以轴向方式进给磨削加工的过程中，调整修整进给速度为300-500毫米/分钟，调整金刚石砂轮转速为3000-5000转/分钟，调整磨削进给速度为0.5-1毫米/分钟，调整磨削深度为5-20微米。
8.根据权利要求5所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统，其特征在于，所述CeO2液雾化模块包括：
CeO2液配置模块：配置氧化铈液浓度为5％-10％；
喷雾速度调整模块：调整喷雾速度为1-3.2L/min。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法的步骤。
10.一种基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工设备，其特征在于，包括：控制器；
所述控制器包括权利要求9所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工方法的步骤；或者，所述控制器包括权利要求5至8中任一项所述的基于雾化CeO2辅助轴向进给的磨削加工系统。
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