CN114367927B - 一种软/硬磨料固结丸片研磨盘及其制备方法 - Google Patents

一种软/硬磨料固结丸片研磨盘及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软/硬磨料固结丸片研磨盘，包括金属基体盘和树脂基固结丸片，树脂基固结丸片包括软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片；固结丸片排列在费马螺旋线上，且在同一条费马螺旋线上两种丸片以1:1比例均匀交替排布，其中软磨料固结丸片的硬度高于硬磨料固结丸片。本发明还提供了上述研磨盘的制备方法。本发明的研磨盘兼顾软磨料精密加工与硬磨料高效去除的特性，且软、硬磨料固结丸片之间轨迹匹配程度高、分布均匀性好，大幅提升反应层的动态迭代速度，提高研磨效率，同时研磨质量得到了有效保证。

Description

一种软/硬磨料固结丸片研磨盘及其制备方法
技术领域
本发明涉及精密和超精密加工技术领域，特别是涉及一种软/硬磨料固结丸片研磨盘及其制备方法。
背景技术
蓝宝石具有优异的光电特性，使其在LED衬底及光学元件、光学窗口等方面有着广泛的应用，而蓝宝石衬底对其表面平坦化具有极高的要求。蓝宝石有着高硬度、脆性大的特点，是典型的难加工材料。固结磨料研磨抛光是诸多光电材料获得高效平坦化表面的一种重要技术方法，而作为主要耗材的研磨盘在其中起到关键性作用。现有固结磨盘通常采用超硬材料微粉作为磨料，由于其超高硬度可实现衬底材料的快速移除，但同时也会在表面留下较大的划伤、崩碎等损伤，降低整体的生产效率。软磨料因其可与蓝宝石材料发生固相反应而产生反应层，且自身硬度低于蓝宝石并与反应层材料硬度相当，从而对衬底材料进行去除，不会因机械作用对衬底材料造成损伤，同样被广泛使用。但反应层的生长同时也会抑制反应的进行，故软磨料的去除速率通常取决于反应层能否被快速去除，因此软磨料的去除速率难以进一步提高。
为了提升软磨料的加工效率，许多加工方式中提出了软磨料和超硬磨料混合的固结研磨盘，期望能够利用超硬磨料刷新加工表面，以保证软磨料的反应环境。如已公开的CN2017109231433、CN2021102865805、CN2016100769130。但为了保证获得较高的加工效率，则需要粒度较细的软磨料和粒度较粗的超硬磨料，两种磨料的出露高度无法得到协调，使得全局反应层的迭代速度难以稳定在同一水平，进而导致加工不均匀的现象发生。
发明内容
本发明的目的是为了使软磨料生成的反应层在全局得到均匀的生成与去除，同时提高生成与去除之间的迭代速度，在保证加工质量的前提下提高加工效率，设计了一种软/硬磨料固结丸片研磨盘及其制备方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种软/硬磨料固结丸片研磨盘，包括金属基体盘和装接于金属基体盘上的树脂基固结丸片，所述树脂基固结丸片包括软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片；所述树脂基固结丸片排列在费马螺旋线上，且同一条费马螺旋线上所述软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片以1:1比例均匀交替排布；其中所述软磨料固结丸片的硬度高于硬磨料固结丸片。
本发明所述的软磨料固结丸片是指硬度低于蓝宝石且可与蓝宝石发生固相化学反应的氧化物磨料与树脂均匀混合固结而成的小丸片；硬磨料固结丸片是指硬度不低于蓝宝石的硬磨料与树脂均匀混合固结而成的小丸片。
可选的，所述软磨料固结丸片的组成按重量份包括：树脂结合剂38～58份，软磨粒40～60份，添加剂1.5～3份。
可选的，所述软磨粒包括二氧化硅、氧化铈、氧化锌、氧化铬、氧化镁等一种或几种混合的磨料，软磨粒粒度为W10～W20；所述添加剂包括B2O3。
可选的，所述硬磨料固结丸片的组成按重量份包括：树脂结合剂85～90份，硬磨粒9～14份，添加剂0.5～1份。
可选的，所述硬磨粒包括金刚石、碳化硅或立方氮化硼，硬磨粒粒度为W20～W28。
可选的，所述软磨料固结丸片的洛氏硬度为HRL80～100，所述硬磨料固结丸片的洛氏硬度为软磨料固结丸片硬度的80～90％。
可选的，所述树脂基固结丸片的直径为5～15mm，厚度为3～5mm。
可选的，所述费马螺旋线的螺旋角θ＝137.5°，密度参数r∈[6,7]。
上述软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，包括以下步骤：
a)分别配制软磨料固结丸片混料和硬磨料固结丸片混料，采用模具固结成型工艺分别制备软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片；
b)提供设置有若干呈费马螺旋线排布圆柱孔的定位板，将金属基体盘加热至80-100℃并维持温稳，在金属基体盘上涂覆耐高温粘接剂，并将定位板的中心与基体盘中心对齐后固定；
c)按照同一条费马螺旋线上软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片以1:1比例均匀交替排列的顺序，将两种树脂基固结丸片放置到定位板中的相应位置，随后对树脂基固结丸片进行静压；
d)静置冷却至室温；
e)修整研磨盘盘面，形成所述软/硬磨料固结丸片研磨盘。
可选的，所述耐高温粘接剂为热融石蜡、酚醛树脂胶、耐温环氧胶的一种。
本发明的有益效果为：
1、本发明的研磨盘所包含的软、硬磨料固结丸片呈费马螺旋线排列，可使两种丸片各自的研磨轨迹均匀；同时同一条螺旋线上软、硬磨料固结丸片又以1:1比例均匀交替排列，可使两种丸片在同一片区域的经过次数达到较高的交替性，使反应层的生长与去除形成动态平衡，大幅促进反应层的整体生成速率，提高加工效率。
2、本发明的研磨盘所包含的软磨料固结丸片硬度高于硬磨料固结丸片，由于树脂基结合剂自身具备一定弹性，而硬度较低的硬磨料固结丸片将具有更大的回弹，使软磨料生成的反应层与硬磨料的移除量得到有效匹配，从而令全局反应层的移除速率保持在相同水平，进一步提高全局的加工均匀性，从而获得高平坦度的光滑表面。
3、本发明的研磨盘所包含的固结丸片呈费马螺旋线排列，还有利于磨屑的排出以及冷却液的有效流动，其中磨屑排出在一定程度上可降低磨屑在工件表面残留，而研磨液的流动则可帮助释放加工过程中产生的热量，进而降低工件表面的热损伤以及工具的磨损。
4、本发明的制作方法过程简单，磨料用量少，研磨盘上的两种固结丸片可更换，且研磨盘的基体盘能够重复利用，使用成本低。
附图说明
图1为一实施例的软/硬磨料固结丸片研磨盘的剖视图；
图2为一实施例的软/硬磨料固结丸片研磨盘的固结丸片排布示意图；
图3为一实施例的固结丸片成型模具示意图；
图4为一实施例的定位板示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
参考图1及图2，一实施例的一种软/硬磨料固结丸片研磨盘包括金属基体盘1和树脂基固结丸片2，其中树脂基固结丸片2通过耐高温粘接剂粘接在金属基体盘1上。树脂基固结丸片2包括软磨料固结丸片21和硬磨料固结丸片22，软磨料固结丸片21和硬磨料固结丸片22呈一定规律排列，即所述固结丸片排列在费马螺旋线上，且同一条费马螺旋线上两种丸片以1:1比例均匀交替排布。费马螺旋线螺旋角θ满足θ＝137.5°，密度参数r满足[6,7]。
金属基体盘1直径为200～800mm；在一实施例中，金属基体盘直径为300mm。树脂基固结丸片2直径为5～15mm，厚度为3～5mm；在一实施例中，树脂基固结丸片2直径为5，厚度为3mm。
软磨料固结丸片21的组成按质量计包括：树脂结合剂38～58％、软磨粒40～60％和添加剂1.5～3％；软磨粒包括但不限于二氧化硅、氧化铈、氧化锌、氧化铬、氧化镁等一种或几种混合，软磨粒粒度为W10～W20；添加剂包括分散剂和B2O3，其中分散剂与B2O3的比例为1:2，分散剂是例如聚丙烯酸酯分散剂、聚氨酯类分散剂、磷酸酯类分散剂中的一种。
硬磨料固结丸片22的组成按质量计包括：树脂结合剂85～90％、硬磨粒9～14％和添加剂0.5～1％；硬磨粒包括但不限于金刚石、碳化硅及立方氮化硼，硬磨粒粒度为W20～W28；添加剂为分散剂，分散剂是例如聚丙烯酸酯分散剂、聚氨酯类分散剂、磷酸酯类分散剂中的一种。
上述的树脂结合剂，是例如改性酚醛树脂、不饱和聚酯树脂，聚酰亚胺树脂中的一种。
耐高温粘接剂为热融石蜡、酚醛树脂胶、耐温环氧胶的一种。
软磨料固结丸片21的洛氏硬度为HRL80～100，硬磨料固结丸片22的洛氏硬度为软磨料固结丸片硬度的80～90％。软磨料固结丸片21硬度高于硬磨料固结丸片22，由于树脂结合剂自身具备一定弹性，而树脂结合剂含量高、硬度较低的硬磨料固结丸片将具有更大的回弹，使软磨料生成的反应层与硬磨料的移除量得到有效匹配，从而令全局反应层的移除速率保持在相同水平。
以下说明上述软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法。
步骤一：制备软/硬磨料固结丸片
参考图3，采用铣削技术制备出固结丸片成型模具3，固结丸片成型模具3具有间隔分布的若干圆柱孔31，圆柱孔31深度为3～5mm，直径为5～15mm。
按质量计树脂结合剂38～58％、软磨粒40～60％、添加剂1.5～3％混合而成软磨料固结丸片混料，其中添加剂为分散剂和B2O3(比例为1:2)；将混料搅拌均匀注入固结丸片成型模具3中，静置30min使丸片固结成型，丸片固结成型后进行脱模，清除多余树脂后得到软磨料固结丸片21。
按质量计树脂结合剂85～90％、硬磨粒9～14％、添加剂0.5～1％混合而成硬磨料固结丸片混料，其中添加剂为分散剂。将混料搅拌均匀注入固结丸片成型模具3中，静置30min使丸片固结成型，丸片完全固化后脱模，清除多余树脂后得到硬磨料固结丸片22。
步骤二：制备定位板
参考图4，采用激光切割技术加工丸片定位板4，定位板4上设置有若干呈费马螺旋线排布的圆柱孔41，费马螺旋线排布满足螺旋角θ满足θ＝137.5°，密度参数r满足[6,7]，圆柱孔41深度为2～3mm，直径与丸片直径相同。
步骤三：采用加热板将金属基体盘加热至80-100℃并维持温稳，在基体盘上涂覆耐高温粘接剂，并将定位板的中心与基体盘中心对齐并固定；在本实施例中，采用石蜡作为粘接剂，为防止涂覆的石蜡流失，事先在基体盘周围加装一个圆环挡圈。
步骤四：按照同一条费马螺旋线上软磨料固结丸片21和硬磨料固结丸片22以1:1比例均匀交替排列的顺序，将两种丸片一一放置到定位板4中的相应位置的圆柱孔41中，随后利用压板对丸片进行静压。
步骤五：关闭加热板，静置冷却至室温。
步骤六：在数控磨床上采用金刚石砂轮修整研磨盘盘面，形成软/硬磨料固结丸片研磨盘。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种软/硬磨料固结丸片研磨盘及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于，所述软/硬磨料固结丸片研磨盘包括金属基体盘和装接于金属基体盘上的树脂基固结丸片，所述树脂基固结丸片包括软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片；所述树脂基固结丸片排列在费马螺旋线上，且同一条费马螺旋线上所述软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片以1:1比例均匀交替排布；其中所述软磨料固结丸片的硬度高于硬磨料固结丸片；所述制备方法包括以下步骤：
a）分别配制软磨料固结丸片混料和硬磨料固结丸片混料，采用模具固结成型工艺分别制备软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片；
b）提供设置有若干呈费马螺旋线排布圆柱孔的定位板，将金属基体盘加热至80-100℃并维持温稳，在金属基体盘上涂覆耐高温粘接剂，并将定位板的中心与基体盘中心对齐后固定；
c）按照同一条费马螺旋线上软磨料固结丸片和硬磨料固结丸片以1:1比例均匀交替排列的顺序，将两种树脂基固结丸片放置到定位板中的相应位置，随后对树脂基固结丸片进行静压；
d）静置冷却至室温；
e）修整研磨盘盘面，形成所述软/硬磨料固结丸片研磨盘。
2.根据权利要求1所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于：所述软磨料固结丸片的组成按重量份包括：树脂结合剂38~58份，软磨粒40~60份，添加剂1.5~3份。
3.根据权利要求2所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于：所述软磨粒包括二氧化硅、氧化铈、氧化锌、氧化铬、氧化镁中的一种或几种混合的磨料，软磨粒粒度为W10~W20；所述添加剂包括B2O3。
4.根据权利要求1所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于：所述硬磨料固结丸片的组成按重量份包括：树脂结合剂85~90份，硬磨粒9~14份，添加剂0.5~1份。
5.根据权利要求4所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于：所述硬磨粒包括金刚石、碳化硅或立方氮化硼，硬磨粒粒度为W20~W28。
6.根据权利要求1所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于：所述软磨料固结丸片的洛氏硬度为HRL80~100，所述硬磨料固结丸片的洛氏硬度为软磨料固结丸片硬度的80~90％。
7.根据权利要求1所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于：所述树脂基固结丸片的直径为5~15mm，厚度为3~5mm。
8.根据权利要求1所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于：所述费马螺旋线的螺旋角θ=137.5°，密度参数r∈[6,7]。
9.根据权利要求1所述的软/硬磨料固结丸片研磨盘的制备方法，其特征在于： 所述耐高温粘接剂为热融石蜡、酚醛树脂胶、耐高温环氧胶的一种。
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