CN113635144A - 硬脆性材料干式改性磨削方法及系统 - Google Patents

硬脆性材料干式改性磨削方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硬脆性材料干式改性磨削方法及系统，包括如下步骤：步骤1：通过大气等离子体喷头产生大气等离子体，大气等离子体喷头沿规划路径运动处理硬脆性材料的硬脆性材料表面，对硬脆性材料表面进行干式改性；步骤2：通过数控磨床控制磨削工具对干式改性的硬脆性材料表面进行磨削加工。本发明能够避免硬脆性材料湿式改性中改性液较难被处理、软磨料砂轮磨削较难加工超硬的硬脆性材料、特殊的软硬磨料混合砂轮的制备等方面的难题，实现硬脆性材料的高效低表面粗糙度的磨削加工。

Description

硬脆性材料干式改性磨削方法及系统
技术领域
本发明涉及硬脆性材料表面的磨削加工技术领域，具体地，涉及以一种硬脆性材料干式改性磨削方法，尤其是一种面向硬脆性材料的大气等离子体干式改性磨削加工方法。
背景技术
目前，硬脆性材料如光学元件(石英玻璃、蓝宝石和单晶金刚石等)、半导体元件(单晶碳化硅等)需要高质量的表面。这些元件由于其具有较高的硬度和脆性而难以被加工，大多采用湿式化学改性、超细砂轮的应用和特制软硬磨粒相结合等加工方法。但是，湿式改性一个较大的难题是化学改性液难以处理回收，超细砂轮应用将一定程度的降低磨削加工效率，特制砂轮增加了砂轮制作的复杂性。
公开号为CN103561908A的专利文献公开了一种硬脆性材料的磨削、研磨加工系统以及磨削、研磨方法，具有将由硬脆性材料构成的被加工物的截面尺寸形成为公差范围内的磨削功能和除去磨削加工后的被加工物的表层的微裂纹并细化表面粗糙度的研磨功能。磨削、研磨加工系统具有：对由硬脆性材料构成的被加工物的表层部进行磨削而除去该被加工物的表层部的杂质与柱轴方向的变形并将截面尺寸形成为所希望的尺寸磨削装置、对结束磨削加工后的被加工物的表层部的凹凸进行研磨，除去该被加工物的表层部的微裂纹并细化表面粗糙度的研磨装置、以及以初始设定项目和磨削装置以及研磨装置的测量信号为基础进行运算处理并向磨削装置以及研磨装置输出工作信号的控制单元。公开号为CN106853598A的专利文献公开了一种虚拟球刀半径的圆柱形砂轮曲面磨削方法，包括步骤：步骤1、圆柱形砂轮姿态角设计，通过虚拟球刀模型设计圆柱形砂轮轴线在曲面切点法线矢量上的倾斜角；步骤2、规划刀具轨迹，根据曲面切点法线矢量及虚拟球刀模型来确定刀具轨迹，通过机床的一个旋转轴来保证步骤1所设定的倾斜角。步骤3、采用轴向进给方式，按所述刀具轨迹对所述工件进行磨削加工。但是上述专利文献仍然存在湿式改性液较难回收，超细磨粒砂轮使用和特制砂轮制备困难的缺陷。
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硬脆性材料干式改性磨削方法及系统。
根据本发明提供的一种硬脆性材料干式改性磨削方法，包括如下步骤：
步骤1：通过大气等离子体喷头产生大气等离子体，大气等离子体喷头沿规划路径运动处理硬脆性材料的硬脆性材料表面，对硬脆性材料表面进行干式改性；
步骤2：通过数控磨床控制磨削工具对干式改性的硬脆性材料表面进行磨削加工。
优选的，所述步骤1中，根据硬脆性材料的种类，选择不同的混合气体形成大气等离子体。
优选的，所述步骤1中，根据磨削面和微结构的差别，调节大气等离子体喷头运动轨迹的间隔。
优选的，所述步骤1中，硬脆性材料为能与大气等离子体发生化学作用的硬脆性材料。
优选的，硬脆性材料为石英玻璃、蓝宝石、单晶金刚石或单晶碳化硅中的一种。
优选的，所述步骤2中，磨削工具的进给方式具体为：沿砂轮切向、轴向及其混合进给磨削加工。
优选的，磨削工具的进给方式具体为：沿磨头轴向、垂直于磨头轴向以及多轴磨削进给磨削加工。
优选的，所述步骤2中，数控磨床为平面磨床、五轴机床或超精密机床中的一种。
优选的，所述数控磨床为超精密机床。
本发明还提供一种硬脆性材料干式改性磨削系统，包括如下模块：
改性模块：通过大气等离子体喷头产生大气等离子体，大气等离子体喷头沿规划路径运动处理硬脆性材料的硬脆性材料表面，对硬脆性材料表面进行干式改性；
加工模块：通过数控磨床控制磨削工具对干式改性的硬脆性材料表面进行磨削加工。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够使用各种数控机床进行磨削加工；
2、本发明能够采用干式改性超硬硬脆性材料表面；
3、本发明针对材料种类多样，能与大气等离子体发生化学作用的硬脆性材料；
4、本发明能够避免湿式改性磨削方法中改性液较难回收，超细磨粒砂轮使用和特制砂轮制备等方面的难题，实现低表面粗糙度磨削加工。
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为本发明中步骤1的方法示意图；
图2为本发明中步骤2的方法示意图。
图中示出：
硬脆性材料1 规划路径4
大气等离子体喷头2 磨削工具5
大气等离子体3 硬脆性材料表面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。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供的一种硬脆性材料干式改性磨削方法，包括如下步骤：
步骤1：通过大气等离子体喷头2产生大气等离子体3，大气等离子体喷头2沿规划路径4运动处理硬脆性材料1的硬脆性材料表面6，对硬脆性材料表面6进行干式改性；根据硬脆性材料1的种类，选择不同的混合气体形成大气等离子体3，根据磨削面和微结构的差别，调节大气等离子体喷头2运动轨迹的间隔；硬脆性材料1为能与大气等离子体3发生化学作用的硬脆性材料，硬脆性材料1为石英玻璃、蓝宝石、单晶金刚石或单晶碳化硅中的一种。
步骤2：通过数控磨床控制磨削工具5对干式改性的硬脆性材料表面6进行磨削加工；磨削工具5的进给方式具体为：沿砂轮切向、轴向及其混合进给磨削加工，沿磨头轴向、垂直于磨头轴向以及多轴磨削进给磨削加工；数控磨床为平面磨床、五轴机床或超精密机床中的一种，数控磨床为超精密机床。高效获取硬脆性材料低表面粗糙度的磨削工件。
实施例2：
本发明还提供一种硬脆性材料干式改性磨削系统，包括如下模块：
改性模块：通过大气等离子体喷头2产生大气等离子体3，大气等离子体喷头2沿规划路径4运动处理硬脆性材料1的硬脆性材料表面6，对硬脆性材料表面6进行干式改性；
加工模块：通过数控磨床控制磨削工具5对干式改性的硬脆性材料表面6进行磨削加工。
实施例3：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
本实施例提供的一种硬脆性材料干式改性磨削方法，包括：硬脆性材料的大气等离子体选择步骤：针对硬脆性材料种类，选择可与材料发生化学反应的大气等离子体产生混合气；大气等离子体干式改性步骤：采用大气等离子体喷头沿运动轨运动改性硬脆性材料表面；加工控制步骤：通过数控机床控制砂轮进给磨削加工硬脆性材料，高效获取低表面粗糙度磨削加工工件。
具体地，通过金刚石砂轮在经过大气等离子体干式改性的工件的表面上经过最小分辨率为1μm的数控磨床以600#金刚石砂轮沿砂轮切向磨削，材料包括石英玻璃、蓝宝石、单晶金刚石和单晶碳化硅等。
硬脆性材料干式改性磨削方法，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，工件材料是石英光学玻璃，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150毫米/分钟，磨削深度2微米，沿大气等离子体喷头运动轨迹，沿金刚石砂轮切向进给。
大气等离子体产生混合气包括：O2、CF4、He，其流速分别为：50ml/min,90ml/min,2.5L/min；大气等离子体功率170W；大气等离子体喷头运动路径4间隔0.1mm。磨削加工之后采用共聚焦显微镜表面粗糙度。
结果为：表面粗糙度Ra＝700纳米，比未经过大气等离子体干式改性的表面粗糙度1040纳米减小了32.7％。
实施例4：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
一种硬脆性材料干式改性磨削方法，包括步骤：通过大气等离子体喷头沿规划路径运动处理硬脆性材料表面，大气等离子体与硬脆性材料表面的化学作用达到干式改性的目的；采用磨削工具对干式改性的硬脆性材料表面进行磨削加工，完成对平面、曲面和微结构等的高质量磨削加工。
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。
工件材料是石英光学玻璃，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150毫米/分钟，磨削深度2微米，垂直于大气等离子体喷头运动轨迹进给磨削加工，沿金刚石砂轮切向进给。
大气等离子体产生混合气包括：O2、CF4、He，其流速分别为：50ml/min,90ml/min,2.5L/min；大气等离子体功率170W；大气等离子体喷头运动路径4间隔0.1mm。磨削加工之后采用共聚焦显微镜表面粗糙度。
结果为：表面粗糙度Ra＝700纳米，比未经过大气等离子体干式改性的表面粗糙度1040纳米减小了32.7％。
本发明能够使用干式改性硬脆性材料，使用各种数控机床，运用砂轮和磨头等工具，降低硬脆性材料表面粗糙度的干式改性磨削方法；本发明能够避免超细磨粒砂轮的使用，降低硬脆性材料(光学元件和半导体元件)的粗糙度；本发明能够避免特制砂轮制作复杂的问题，实现低表面粗糙度的磨削加工。
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)

1.一种硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过大气等离子体喷头(2)产生大气等离子体(3)，大气等离子体喷头(2)沿规划路径(4)运动处理硬脆性材料(1)的硬脆性材料表面(6)，对硬脆性材料表面(6)进行干式改性；
步骤2：通过数控磨床控制磨削工具(5)对干式改性的硬脆性材料表面(6)进行磨削加工。
2.根据权利要求书1所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，所述步骤1中，根据硬脆性材料(1)的种类，选择不同的混合气体形成大气等离子体(3)。
3.根据权利要求书1所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，所述步骤1中，根据磨削面和微结构的差别，调节大气等离子体喷头(2)运动轨迹的间隔。
4.根据权利要求书1所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，所述步骤1中，硬脆性材料(1)为能与大气等离子体(3)发生化学作用的硬脆性材料。
5.根据权利要求书4所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，硬脆性材料(1)为石英玻璃、蓝宝石、单晶金刚石或单晶碳化硅中的一种。
6.根据权利要求书1所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，所述步骤2中，磨削工具(5)的进给方式具体为：沿砂轮切向、轴向及其混合进给磨削加工。
7.根据权利要求书6所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，磨削工具(5)的进给方式具体为：沿磨头轴向、垂直于磨头轴向以及多轴磨削进给磨削加工。
8.根据权利要求书1所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，所述步骤2中，数控磨床为平面磨床、五轴机床或超精密机床中的一种。
9.根据权利要求书8所述硬脆性材料干式改性磨削方法，其特征在于，所述数控磨床为超精密机床。
10.一种硬脆性材料干式改性磨削系统，其特征在于，包括如下模块：
改性模块：通过大气等离子体喷头(2)产生大气等离子体(3)，大气等离子体喷头(2)沿规划路径(4)运动处理硬脆性材料(1)的硬脆性材料表面(6)，对硬脆性材料表面(6)进行干式改性；
加工模块：通过数控磨床控制磨削工具(5)对干式改性的硬脆性材料表面(6)进行磨削加工。
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