CN112873583B - 一种基于蓝宝石晶向与加工方向协同原理的低损伤加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于蓝宝石晶向与加工方向协同原理的低损伤加工方法，包括以下步骤：步骤S1、在所述蓝宝石加工前，采用X射线晶体定向仪对所述蓝宝石进行定向；步骤S2、将所述蓝宝石装夹于CNC精密磨床上，设置所述CNC精密磨床中砂轮的轴向与所述蓝宝石的c轴方向平行；步骤S3、编程设定加工工艺参数，采用所述CNC精密磨床对蓝宝石进行加工，其中，对于所述M面蓝宝石，所述砂轮沿着所述a轴方向进行磨削，对于所述A面蓝宝石，所述砂轮沿着所述m轴方向进行磨削。本发明中所选加工方向有助于减小磨削力，降低磨粒脱落的可能性，有助于提升蓝宝石磨削加工表面质量，尤其是对于大尺寸蓝宝石及沟槽型结构制造技术具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于蓝宝石加工制造技术领域，主要涉及一种基于蓝宝石晶向与加工方向协同原理的低损伤加工方法。
背景技术
蓝宝石材料具有良好的光学性能、物理性能，且熔点高。在极端环境条件下表现出良好的稳定性。随着蓝宝石材料长晶技术的发展与成熟，蓝宝石材料在半导体、光学窗口等领域应用愈加广泛。由于蓝宝石应用领域的特殊性，对于蓝宝石零件加工表面质量有较高的要求。目前，高质量低损伤加工技术成为蓝宝石零件制造的热点与难点，主要原因是蓝宝石材料的高硬度、高脆性导致加工表面易产生损伤。通过调整加工工艺参数来控制加工表面损伤是保证蓝宝石加工表面质量的有效途径，现有技术中，对于磨削加工过程，通常采用的工艺调控方法是通过优化磨削速度、磨削深度及进给速度来提升蓝宝石加工表面质量。
发明内容
本发明的目的在于基于蓝宝石单晶材料特性，提供一种协调晶向与加工方向的蓝宝石低损伤加工方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：
一种协调加工方向与蓝宝石晶向的低损伤加工方法，所述蓝宝石为A面蓝宝石和/或M面蓝宝石，所述加工方法包括以下步骤：
步骤S1、在所述蓝宝石加工前，采用X射线晶体定向仪对所述蓝宝石进行定向，其中，在A面蓝宝石表面内确定c轴、m轴方向，在M面蓝宝石表面内确定c轴和a轴方向，所述c轴垂直所述蓝宝石的C面，所述m轴、a轴均与所述c轴垂直；
步骤S2、将所述蓝宝石装夹于CNC精密磨床上，设置所述CNC精密磨床中砂轮的轴向与所述蓝宝石的c轴方向平行，以确保所述砂轮的加工方向沿着所述a轴或m轴；
步骤S3、编程设定加工工艺参数，采用所述CNC精密磨床对蓝宝石进行加工，其中，对于所述M面蓝宝石，所述砂轮沿着所述a轴方向进行磨削，对于所述A面蓝宝石，所述砂轮沿着所述m轴方向进行磨削。
优选地，所述步骤S1中的定向误差小于30″。
优选地，所述步骤S2中的装夹方式为，利用热熔胶将所述蓝宝石固定在金属底座上，并利用卡具将所述蓝宝石固定在所述CNC精密磨床的工作台上。
优选地，所述步骤S2中的所述砂轮为树脂结合剂金刚石微粉磨粒砂轮。
优选地，所述砂轮中金刚石微粉磨粒的平均直径范围为2.5～50μm。
优选地，所述步骤S3中的加工工艺参数为，砂轮线速度为5～30m/s，工作台移动速度为5～10m/min，磨削深度为0.1～20μm。
本发明的有益效果是：本发明中蓝宝石精密磨削所采用的加工磨具为树脂结合剂金刚石微粉砂轮，在磨削加工之前，利用X射线晶体定向仪对蓝宝石材料进行定向，进而确定加工方向，对于所述M面蓝宝石，所述砂轮沿着所述a轴方向进行磨削，对于所述A面蓝宝石，所述砂轮沿着所述m轴方向进行磨削，所选加工方向有助于减小磨削力，降低磨粒脱落的可能性，有助于提升蓝宝石磨削加工表面质量，尤其是对于大尺寸蓝宝石及沟槽型结构制造技术具有重要意义。
附图说明
图1为蓝宝石棱柱面位置及工件切割示意图；
图2为X射线晶体定向仪确定棱柱面蓝宝石轴向示意图；
图3为加工过程蓝宝石工件相对砂轮位置安放示意图；
图4为脱落磨粒导致表面产生损伤示意图；
图5为M面蓝宝石磨削表面形貌图；
图6为A面蓝宝石磨削表面形貌图；
具体实施方式
下面将对本发明具体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他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种协调加工方向与蓝宝石晶向的低损伤加工方法，所述蓝宝石为A面蓝宝石和/或M面蓝宝石，所述加工方法包括以下步骤：
步骤S1、在所述蓝宝石加工前，采用X射线晶体定向仪对所述蓝宝石进行定向，定向误差小于30″，所述蓝宝石的A面、M面、C面空间位置以及棱柱面蓝宝石切割示意图如图1所示，在A面蓝宝石表面内确定c轴、m轴方向，在M面蓝宝石表面内确定c轴和a轴方向，所述c轴垂直所述蓝宝石的C面，所述m轴、a轴均与所述c轴垂直，如图2所示。
步骤S2、将所述蓝宝石装夹于CNC精密磨床上，设置所述CNC精密磨床中砂轮的轴向与所述蓝宝石的c轴方向平行，以确保所述砂轮的加工方向沿着a轴或m轴。所述装夹方式为，利用热熔胶将所述蓝宝石固定在金属底座上，并利用卡具将所述蓝宝石固定在所述CNC精密磨床的工作台上，如图3所示。所述砂轮为树脂结合剂金刚石微粉磨粒砂轮，所述砂轮中金刚石微粉磨粒的平均直径为10μm(粒度为1500#)。
由于蓝宝石材料C面的断裂表面能大于23±2.6J/m2，而A面裂纹表面能大约为8.1±0.8J/m2，M面裂纹表面能为7.0±0.3J/m2。相比蓝宝石的A面和M面，蓝宝石C面的表面断裂能更大，也就是说，原子沿着垂直于C面方向发生移动需要更高的能量。对于A面蓝宝石，当加工方向沿着c轴时，需要刀具提供更高的能量；同样，对于M面蓝宝石，当加工方向沿着c轴时，材料对刀具的反作用力更大。这样，对于固结磨粒砂轮磨削加工过程，较大的磨削力对单颗磨粒产生剧烈冲击，从而导致砂轮内部结合剂断裂、磨粒断裂，脱离砂轮的磨粒未及时离开工件表面时，在砂轮再次挤压过程中产生较严重的损伤，如图4所示。
因此，本实施例中采用树脂结合剂金刚石微粉砂轮对棱柱面蓝宝石进行磨削加工，根据蓝宝石材料不同晶面断裂表面能特性，结合砂轮相对蓝宝石的作用方向，以及材料晶向关系，设置所述CNC精密磨床中砂轮的轴向与所述蓝宝石的c轴方向平行，以确保所述砂轮的加工方向沿着所述a轴或m轴。
步骤S3、编程设定加工工艺参数，采用所述CNC精密磨床对蓝宝石进行加工，其中，对于所述M面蓝宝石，所述砂轮沿着所述a轴方向进行磨削，对于所述A面蓝宝石，所述砂轮沿着所述m轴方向进行磨削。所述加工工艺参数为砂轮线速度为10.5m/s，工作台进给速度为5mm/min，磨削深度为2μm。
为了说明本发明工艺方法的有益效果，进行了同样磨削工艺参数下沿着c轴方向加工的磨削试验，并且对磨削表面进行显微观测，分别获得了不同加工方向下的磨削表面形貌。
沿着c轴方向加工M面蓝宝石磨削表面形貌特征如图5(a)所示，沿着a轴方向加工M面蓝宝石磨削表面形貌如图5(b)所示。沿着c轴方向加工A面蓝宝石磨削表面形貌特征如图6(a)所示，沿着m轴方向加工A面蓝宝石磨削表面形貌如图6(b)所示。从中可以看出，无论是对于M面蓝宝石，还是A面蓝宝石，沿着c轴加工方向的磨削表面存在集中且严重的损伤，而沿着a轴或m轴加工的表面存在密集但较浅的损伤。磨削加工是高质量蓝宝石表面的中间加工环节，较浅的损伤有助于蓝宝石进一步光整加工。因此，对于棱柱面蓝宝石磨削，其加工表面质量具有方向依赖性，晶向与加工方向的关系对于加工表面质量有很大影响，加工方向沿着a轴或m轴是更优的加工策略。本发明所提供的低损伤加工方法综合考虑了蓝宝石晶向与加工方向的关系，有助于高效率地获得高质量蓝宝石加工表面。该发明为蓝宝石材料成型加工过程提供了一种优化加工路径，尤其是对于大尺寸蓝宝石及沟槽型结构制造技术具有重要意义。
以上对本发明所提供的蓝宝石低损伤加工方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。
Claims (1)
1.一种协调加工方向与蓝宝石晶向的低损伤加工方法，所述蓝宝石为A面蓝宝石和/或M面蓝宝石，其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：
步骤S1、在所述蓝宝石加工前，采用X射线晶体定向仪对所述蓝宝石进行定向，定向误差小于30″，其中，在A面蓝宝石表面内确定c轴、m轴方向，在M面蓝宝石表面内确定c轴和a轴方向，所述c轴垂直所述蓝宝石的C面，所述m轴、a轴均与所述c轴垂直；
步骤S2、将所述蓝宝石装夹于CNC精密磨床上，设置所述CNC精密磨床中砂轮的轴向与所述蓝宝石的c轴方向平行；装夹方式为，利用热熔胶将所述蓝宝石固定在金属底座上，并利用卡具将所述蓝宝石固定在所述CNC精密磨床的工作台上；所述砂轮为树脂结合剂金刚石微粉磨粒砂轮，所述砂轮中金刚石微粉磨粒的平均直径范围为2.5～50μm；
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