CN111558851B - 一种研磨方法与研磨装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研磨方法与研磨装置。该研磨方法用于对工件的表面进行研磨，包括如下步骤：S10对所述工件的待研磨表面进行软化以形成软化层；S20设置研磨工具，使所述研磨工具的硬度介于所述工件软化前后的硬度之间；S30使所述研磨工具相对于所述工件旋转，并使所述研磨工具与所述工件沿垂直于所述软化层的厚度方向相对运动以去除所述软化层，且所述研磨工具的研磨深度大于所述软化层的厚度。本发明能够在研磨过程中去除研磨工具表面钝化的磨粒，无需暂停研磨后来去除，一定程度上提高了研磨效率。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工领域，尤其是涉及一种研磨方法与研磨装置。
背景技术
随着加工技术以及材料的不断发展，很多行业开始使用各种硬脆材料作为加工原料，例如陶瓷、玻璃、蓝宝石及单晶材料等。这些材料的硬度高，脆性大，使得加工难度较高，阻碍其进一步广泛应用。常规的研磨方法是使用金刚石固结颗粒研磨盘或者金刚石悬浮颗粒进行加工，在保证材料去除率的同时，通过尽量小的进给深度，最大限度减少材料的破裂与破碎，尽可能减少材料的损伤。然而，其能够减少的程度有限，特别是在金刚石颗粒接触和离开工件表面时，由于金刚石和工件相对位置突然变化，使工件表面极易产生抖动而破裂。
因此，目前出现了加热辅助研磨法，将工件加热到1000℃以上，工件由于高温的作用硬度会降低。使用这种方法可以降低工件的硬脆性，使得在加工的过程中工件表面裂纹减少。但是，由于砂轮长时间进行研磨后，参与研磨的磨粒会逐渐钝化，影响研磨效果。因此，每隔一段时间，需要暂停研磨，将砂轮表面的钝化磨粒去除后才能继续使用，较为浪费时间，降低了整个研磨过程的效率。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种研磨方法，能够在研磨过程中去除研磨工具表面钝化的磨粒，无需暂停研磨后来去除，一定程度上提高了研磨效率。
本发明还提出一种研磨装置，使用该研磨装置对工件进行研磨时，在研磨过程中即可去除研磨工具表面钝化的磨粒，无需暂停研磨后来去除，一定程度上提高了研磨效率。
第一方面，本发明的一个实施例提供了研磨方法，用于对工件的表面进行研磨，包括如下步骤：
S10对所述工件的待研磨表面进行软化以形成软化层；
S20设置研磨工具，使所述研磨工具的硬度介于所述工件软化前后的硬度之间；
S30使所述研磨工具相对于所述工件旋转，并使所述研磨工具与所述工件沿垂直于所述软化层的厚度方向相对运动以从侧面去除所述软化层，且所述研磨工具的单次研磨深度大于所述软化层的厚度。
本发明实施例的研磨方法至少具有如下有益效果：由于研磨工具的硬度介于工件软化前后的硬度之间，当研磨工具与工件间发生沿垂直于软化层厚度方向的运动时，研磨工具中与软化层接触的部分将会去除软化层以实现研磨；而由于研磨深度大于软化层的厚度，因此，在上一次研磨后研磨工具表面钝化的磨粒至少有部分会与工件上未被软化的部分接触，从而被工件去除掉，在研磨的同时，即可实现对研磨工具上钝化磨粒的去除，无需暂停研磨后单另去除，一定程度上提高了研磨效率。
根据本发明的另一些实施例的研磨方法，所述研磨深度至少是所述软化层的厚度的2倍。
根据本发明的另一些实施例的研磨方法，形成所述软化层的方法为：通过电化学能量对所述待研磨表面进行软化以形成所述软化层。
根据本发明的另一些实施例的研磨方法，通过电化学能量进行软化的方法为：朝所述待研磨表面施加电解液，并在所述工件处设置电场。
根据本发明的另一些实施例的研磨方法，形成所述软化层的方法为：通过激光对所述待研磨表面进行软化；或者，通过等离子体轰击所述待研磨表面进行软化；或者，对所述待研磨表面加热进行软化。
根据本发明的另一些实施例的研磨方法，所述研磨工具的材质为氧化铝、氧化铈或碳化硅。
第二方面，本发明的一个实施例提供了研磨装置，用于对工件的表面进行研磨，包括，软化部，所述软化部用于软化所述工件的待研磨表面以形成软化层；
研磨工具，所述研磨工具的硬度介于所述工件软化前后的硬度之间；
研磨工具驱动部，所述研磨工具驱动部与所述研磨工具连接，所述研磨工具能够在所述研磨工具驱动部的驱动下进行旋转；
第一移动部，所述第一移动部用于使所述工件与所述研磨工具沿垂直于所述软化层的厚度方向相对运动，以从侧面去除所述软化层，且所述研磨工具的单次研磨深度大于所述软化层的厚度。
本发明实施例的研磨装置至少具有如下有益效果：由于研磨工具的硬度介于工件软化前后的硬度之间，当研磨工具与工件间发生沿垂直于软化层厚度方向的运动时，研磨工具中与软化层接触的部分将会去除软化层以实现研磨；而由于研磨深度大于软化层的厚度，因此，在上一次研磨后研磨工具表面钝化的磨粒至少有部分会与工件上未被软化的部分接触，从而被工件去除掉，在研磨的同时，即可实现对研磨工具上钝化磨粒的去除，无需暂停研磨后单另去除，一定程度上提高了研磨效率。
根据本发明的另一些实施例的研磨装置，还包括第二移动部，所述第二移动部用于使所述工件与所述研磨工具沿所述软化层的厚度方向相对运动。
根据本发明的另一些实施例的研磨装置，所述软化部包括喷嘴、电解液槽与电源，所述电解液槽用于容纳电解液，所述喷嘴与所述电解液槽连通，所述喷嘴能够朝所述待研磨表面施加电解液，所述电源的两端分别与所述喷嘴、所述工件相连。
根据本发明的另一些实施例的研磨装置，所述软化部还包括收集槽与容纳槽，所述工件固定于所述容纳槽内，所述收集槽位于所述容纳槽的下方且二者连通。
附图说明
图1是第一实施例中研磨方法的流程图；
图2是第一实施例中研磨过程中不同时刻研磨工具与工件的形态；
图3是第一实施例中研磨装置的结构示意图；
图4是第一实施例中工件研磨前的金相图；
图5是第一实施例中工件研磨后的金相图；
图6是第二实施例中研磨装置的结构示意图；
图7是第三实施例中研磨装置的结构示意图。
附图标记：
工件100，软化层110，研磨工具200，容纳槽300，喷嘴400，电解液槽510，电解液泵520，过滤器530，电源600，收集槽700，第一移动部800，第二移动部900；
工件100a，研磨工具200a，第一移动部300a，激光发生器400a，第二移动部500a；
工件100b，研磨工具200b，第一移动部300b，电极400b，射频电源500b，第二移动部600b。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
第一实施例
参照图1至图2，在对工件100进行研磨时，首先需要对工件100上的待研磨表面进行软化，使工件从表面开始向内部软化一定的厚度，以形成软化层110。研磨工具200需使用具有软质磨粒的砂轮，例如氧化铝、氧化铈或碳化硅等。研磨工具200的硬度需大于软化层110的硬度，且小于工件100的原硬度。研磨工具200起初位于工件100的一侧(例如图2中的左侧)，研磨工具200在研磨工具驱动件(图中省略)的驱动下绕竖直轴旋转，并从左向右逐渐靠近工件100(或者工件100从右向左靠近研磨工具200)。
参照图2中的a，当研磨工具200到达工件100的边缘时，研磨工具200的一部分与软化层110接触，一部分与工件100未被软化的部分接触。参照图2中的b，当研磨工具200继续相对于工件100向右运动，由于研磨工具200的硬度大于软化层110的硬度，故软化层110将逐渐被研磨工具200去除；由于研磨工具200的硬度小于工件100的原硬度，故研磨工具200中与工件100未软化部分接触的部分会被去除。参照图2中的c，随着研磨工具200与工件100继续相向运动，研磨工具200中位于软化层110下方的部分将完全被工件100未软化部分去除掉。当研磨工具200到达工件100的右侧时，软化层110即被完全去除。通常，由于软化层110厚度较小，仅通过一次研磨无法达到粗糙度要求，故需要经过多次研磨。在一次研磨结束后，使研磨工具200相对于工件100从上向下移动一定距离，然后再按上述方式进行下一次研磨即可。
在研磨过程中，研磨工具200中与软化层110接触的这部分磨粒起到了研磨作用，虽然软化层110在经过软化后硬度降低，较容易去除，但在该过程中，参与研磨的磨粒仍不可避免的会产生钝化。而按照本实施例中的方法进行研磨，则可以一边对工件100进行研磨，一边将上一次研磨过程中发生钝化的磨粒去除掉，使研磨工具200较大限度的保持在较好性能的状态，且无需暂停研磨来去除钝化磨粒，一定程度上能够提高研磨效率。
为了实现研磨工具200一边研磨一边去除钝化磨粒，研磨工具200的单次研磨深度需大于软化层110的厚度。此处的研磨深度是指研磨工具200的底部与工件100的顶部之间的距离。研磨深度大于软化层110的厚度，即可保证研磨工具200中位于底部的至少部分钝化磨粒能够与工件100中未软化部分接触，进而被去除。
在每次研磨中，若软化层110的厚度保持不变，则每次钝化的磨粒的厚度即与软化层110的厚度相等。因此，优选的，研磨深度至少是软化层110的厚度的2倍，此时，研磨工具200在上一次研磨时产生钝化的磨粒将会被全部去除掉。
此外，由于只需研磨深度大于软化层110的厚度，即可实现一边研磨一边去除钝化磨粒，无需将研磨深度精准控制到某一固定数值，这对机床精度的要求有所降低。且在一般的研磨方式中，研磨工具与工件的顶部接触，并高速旋转来进行研磨。由于工件的表面一般都会存在凹凸不平的区域，该区域与研磨工具的贴合度不高，使得研磨效率较低。而本实施例中，研磨工具200直接从侧面去除软化层110，在研磨过程中，研磨工具200始终能较好的贴合软化层110，保证了研磨过程的稳定性，且提高了研磨效率。
本实施例中，前述的对工件100进行软化通过电化学能量实现。具体的，参照图3，示出了第一实施例中研磨装置的结构示意图。工件100固定于容纳槽300内。喷嘴400与电解液槽510连通，可通过电解液泵520将电解液槽510内的电解液吸入喷嘴400，并通过喷嘴400喷射到工件100的待研磨表面。电源600的两极分别与工件100、喷嘴400相连，以产生电场。容纳槽300的底部连接有第一移动部800，用于带动容纳槽300内的工件沿水平方向往复运动，以完成研磨及钝化磨粒的去除。研磨工具200与喷嘴400均与第二移动部900相连，在单次研磨结束后，通过第二移动部900带动研磨工具200与喷嘴400下移靠近工件100，以便进行下一次研磨。在初次研磨时，需要进行位置对准，使研磨工具200的底面与软化层110的顶面对齐，然后通过第二移动部900带动研磨工具200与喷嘴400下移即可。还设有研磨工具驱动部(图中省略)，用于驱动研磨工具200高速旋转。
优选的，容纳槽300通过软管与位于其下方的收集槽700连通，容纳槽300内收集的多余电解液将通过软管流入收集槽700内。一段时间后，可将收集槽700内的电解液再倒入电解液槽510内循环利用。优选的，在电解液泵520与喷嘴400之间还设有过滤器530，用于对循环利用的电解液进行过滤，以使进入喷嘴400的电解液满足要求。
本实施例中，第一移动部800带动工件100在水平方向运动以进行研磨及钝化磨粒去除，第二移动部900带动研磨工具200在竖直方向运动以获得满足条件的研磨深度。但不限于此，也可使工件100在水平方向的位置固定，使研磨工具200在水平方向移动。或者，使研磨工具200在竖直方向的位置固定，使工件100在竖直方向运动。或者，使工件100既沿水平方向运动，又沿竖直方向运动。或者，使研磨工具200既沿水平方向运动，又沿竖直方向运动。
以下给出本实施例中的一组具体实验数据：
工件材质选用单晶碳化硅，研磨前的粗糙度Sa为0.165μm。电解液选用20％质量分数的NaNO3溶液。喷嘴直径为1.43mm，喷嘴距离工件的距离为0.5mm。研磨工具直径为4mm，转速为2000rpm。电源的电流为80mA。工件水平移动速度为1mm/s。研磨工具的单次切深为1μm，即研磨深度为1μm，经过100次研磨，达到总切深100μm。研磨结束后，工件的粗糙度Sa为0.004μm。参照图4与图5，分别为工件研磨前后的金相图，对比可知，研磨后，粗糙度降低了很多。
第二实施例
本实施例是第一实施例的替代实施例，在本实施例中，通过激光获得软化层。参照图6，工件100a连接于第一移动部300a的顶部，研磨工具200a与激光发生器400a连接于第二移动部500a的底部。通过激光发生器400a发射激光扫描工件100a的顶面以使其软化。
第三实施例
本实施例是第一实施例的替代实施例，在本实施例中，通过等离子体轰击工件表面以获得软化层。参照图7，工件100b连接于第一移动部300b的顶部，研磨工具200b与电极400b连接于第二移动部600b的底部。电极400b与射频电源500b相连，通过射频电源500b向电极400b施加150MHz射频功率(40W)时，在电极400b与工件100b之间会产生等离子体，等离子体轰击工件100b表面，即可实现软化。
另外，除了上述三个实施例中给出的软化方法，还可以通过高温加热软化，化学软化等方法，方式不做限定，只要能实现表面软化均可。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种研磨方法，用于对工件的表面进行研磨，其特征在于，包括如下步骤：
S10对所述工件的待研磨表面进行软化以形成软化层；
S20设置研磨工具，所述研磨工具的硬度介于所述工件软化前后的硬度之间；
S30使所述研磨工具相对于所述工件旋转，并使所述研磨工具与所述工件沿垂直于所述软化层的厚度方向相对运动以从侧面去除所述软化层，且所述研磨工具的单次研磨深度大于所述软化层的厚度。
2.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，所述研磨深度至少是所述软化层的厚度的2倍。
3.根据权利要求1或2所述的研磨方法，其特征在于，形成所述软化层的方法为：通过电化学能量对所述待研磨表面进行软化以形成所述软化层。
4.根据权利要求3所述的研磨方法，其特征在于，通过电化学能量进行软化的方法为：朝所述待研磨表面施加电解液，并在所述工件处设置电场。
5.根据权利要求1或2所述的研磨方法，其特征在于，形成所述软化层的方法为：通过激光对所述待研磨表面进行软化；或者，通过等离子体轰击所述待研磨表面进行软化；或者，对所述待研磨表面加热进行软化。
6.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，所述研磨工具的材质为氧化铝、氧化铈或碳化硅。
7.一种研磨装置，用于对工件的表面进行研磨，其特征在于，包括，
软化部，所述软化部用于软化所述工件的待研磨表面以形成软化层；
研磨工具，所述研磨工具的硬度介于所述工件软化前后的硬度之间；
研磨工具驱动部，所述研磨工具驱动部与所述研磨工具连接，所述研磨工具能够在所述研磨工具驱动部的驱动下进行旋转；
第一移动部，所述第一移动部用于使所述工件与所述研磨工具沿垂直于所述软化层的厚度方向相对运动，以从侧面去除所述软化层，且所述研磨工具的单次研磨深度大于所述软化层的厚度。
8.根据权利要求7所述的研磨装置，其特征在于，还包括第二移动部，所述第二移动部用于使所述工件与所述研磨工具沿所述软化层的厚度方向相对运动。
9.根据权利要求7或8所述的研磨装置，其特征在于，所述软化部包括喷嘴、电解液槽与电源，所述电解液槽用于容纳电解液，所述喷嘴与所述电解液槽连通，所述喷嘴能够朝所述待研磨表面施加电解液，所述电源的两端分别与所述喷嘴、所述工件相连。
10.根据权利要求9所述的研磨装置，其特征在于，所述软化部还包括收集槽与容纳槽，所述工件固定于所述容纳槽内，所述收集槽位于所述容纳槽的下方且二者连通。
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