固结磨料研磨K9玻璃的工艺优化(菜鸟必备).pdf

2 0 1 2 年6 月第3 期第3 2 卷总第1 8 9 期金刚石与磨料磨具工程D i a n l o n d&A b r a s i v e sE n g i n e e r i n gJ u n e 2 0 1 2N o 3V 0 1 3 2S e r i a l 1 8 9固结磨料研磨K 9 玻璃的工艺优化+墨洪磊，朱永伟，唐晓潇，付杰(南京航空航天大学机电学院，江苏南京，2 1 0 0 1 6)摘要固结磨料研磨工艺具有高加工效率及清洁加工等突出优点。采用正交实验法，研究了转速比、研磨压力、研磨液流量等参数对固结磨料研磨K 9 玻璃的材料去除率和三维轮廓表面粗糙度J s。的影响。结果表明：研磨的最佳工艺参数组合为：转速比为1 4 5 1 5 0，研磨压力为o 0 5 5M P a，研磨液流量为6 0m L m i n。在该工艺参数组合下，材料去除速率达到3 1 8 6n m i n，5。值达到1 9 6n m。关键词固结磨料；研磨；材料去除率；表面粗糙度；工艺参数中图分类号T G 5 8文献标志码A 文章编号：1 0 0 6 8 5 2 x(2 0 1 2)0 3 0 0 0 7 0 5P a r 锄e t e r0 p t i m i z a t i o nw h e nl a p p i n gK 9g l a s sw i t h6 x e da b r a s i v ep a dM OH o n g-I e i，Z H UY o n g w e i，T A N GX i a o-x i a O，F UJ j e(C 0 2 l 铝r eQ 厂胍c h o n i c 0 2o n dE 2 e c f r 如口2E 愕i n e e 而，曙，口巧i，曙U n i 睨瑙i 炒矿A 咖眦M 泐。蒯4 s 加船M 如，彬昭2 1 0 0 1 6，吼i n o)A b s t r a c tF i x e da b r a s i V el a p p i n gh a ss u c ha d V a n t a g e sa sh i g hm a c h i n i n ge 伍c i e n c ya n dc l e a no p e r a t i n gc o n d i t i o no V e rc o n V e n t i o n a ll a p p i n g A no n h o g o n a l1 a p p i n gt e s tw a sc o n d u c t e dt or e v e a lt h ee f k c to fs p e e dr a t i o，a p p l i e d1 0 a da n ds l u r r yn o wr a t eo nt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n da v e r a g es u r f a c er o u g h n e s sJ s。o fK 9g l a s sw h e nl a p p e dw i t hah y d r o p h i l i cd i 锄o n d 矗x e d a b r a s i V ep a d T h eI _ e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a ll a p p i n gp a r a m e e r Sw e r ea sf o l l o w s：t h es p e e dL a t i o1 4 5 1 5 0，l a p p i n gp r e s s u r e0 0 5 5M P aa n ds l u I T yn o wI a t e6 0m L m i n U n d e rt h e s eo p t i m a lm a c h i n i n gp a r a m e t e r s，t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t er e a c h e da sh i g ha s318 6n m m i na n dJ s。a sl o wa s1 9 6n m K e yw o r d sf i x e da b r a s i V e；l a p p i n g；m a t e r i a lr e m o v a lr a t e；s u d a c er o u g h n e s s；m a c h i n i n gp a r a m e t e r s随着科学技术的飞速发展，光学晶体、精密阀门、光学玻璃、平板显示器等的需求日益增加。这些材料主要通过研磨抛光手段达到使用要求。但传统形式的游离磨料研磨抛光工件亚表面损伤层较大，磨粒利用率低，环境污染严重。而固结磨料研磨抛光中磨粒被固结在研磨抛光垫上，磨粒分布均匀，固结磨料加工对面形有很高的选择性，只需少量的材料去除量，即可达到工件平面化的目的，从原理上消除了对环境的污染问题。o。林魁等对比研究了相同粒径磨粒下的游离磨料、固结磨料丸片及亲水性固结磨料研磨垫三种不同方法对K 9 光学玻璃的加工性能，得出K 9 玻璃采用亲水性固结磨料研磨垫研磨，可达到精研的加工效率和抛光的表面质量L 4J。王军的研究表明：研磨盘转速增大时，蓝宝石基片材料去除率增大而表面粗糙度总体呈下降趋势”J。王旭等用不同粒径磨粒制成的固着磨料丸片对碳化硅材料进行加工实验，结果表明，固着磨料加工工艺的去除速率受外界干扰较小，使用较粗的磨料即可获得较好的工件表面质量MJ。刘春红等采用浸液式定偏心锡磨盘抛光方式对微晶玻璃进行了研磨抛光，研究了抛光液浓度、p H 值、上下研磨盘转速等参数对微晶玻璃超光滑表面粗糙度的影响。实验结果表明：t 基金项目：国家自然科学基金项目(5 1 1 7 5 2 6 0)；江苏省自然科学基金项目(B l(2 0 1 0 5 1 2)万方数据8金刚石与磨料磨具工程总第1 8 9 期试件在低浓度弱碱抛光液中，延长抛光时间可降低表面粗糙度值并获得高质量的表面川。K 9 玻璃是一种最常用的光学玻璃，极少有人开展固结磨料研磨K 9 玻璃的工艺优化研究。我们采用正交试验设计，探索亲水性固结磨料研磨垫研磨K 9 玻璃时，加工工艺参数对其材料去除率(M 啵)和加工后工件的三维轮廓表面粗糙度(s。)的影响。1实验条件研磨试验在C E T R 公司生产的c P 一4 研磨抛光机上开展，工件为3 英寸K 9 玻璃，研磨垫为实验室自制的亲水性固结磨料研磨垫，垫中磨粒为M 2 0 3 0 的金刚石颗粒。研磨前后工件表面的微观形貌采用日本三丰工具显微镜观察，研磨后工件表面的三维轮廓表面粗糙度|s。用A D EM o c m x A M 测量，在工件表面任取1 0 点，取其平均值。工件的研磨去除速率由公式(1)获得。燃(n“n)学1 0 6(1)其中，眠、M i 分别为研磨前后工件的质量(g)；为研磨时间(m i n)；为工件初始厚度(m m)。2 研磨时间的确定K 9 玻璃的初始表面较粗糙，如图1 a 所示，为确保研磨工序能将工件表面的初始损伤层完全去除，在进行研磨正交优化实验之前，必须确定合适的研磨时间。研磨工艺参数如表1 所示，采用M 2 0 3 0 金刚石固结磨料研磨垫对K 9 玻璃进行加工，研磨时间分别设定为5m i n、1 0m i n、1 5m i n、2 0m i n、2 5m i n。研磨后K 9 玻璃表面形貌如图l b、图l c 所示。可见，研磨5m i n 后，I(9 玻璃表面仍有较多凹坑缺陷，随着研磨时间的延长，K 9 玻璃表面凹坑缺陷逐渐减少，研磨1 5m i n 时，K 9 玻璃表面不再有凹坑，宏观上研磨质量已经达到稳定。表1 研磨工艺参数条件参数或描述研磨垫转速比研磨压力M P a研磨液p H 值研磨液流量(m L m i n)M 2 0 3 0 金刚石微粉9 5 1 0 0O 0 2 81 0 52 0(a)初始表面形貌(c)叭屠1 5m i l图1K 9 玻璃研磨前后的表面形貌图2 为研磨不同时间后工件表面的粗糙度情况。可以看出，研磨1 5m i n 后，K 9 玻璃表面质量已达到稳定，s。值约为2 0n m。因此，本试验中将正交实验条件下K 9 玻璃的研磨时间定固定为1 5m i n。图2 不同研磨时间下的K 9 玻璃三维轮廓表面粗糙度值3 研磨工艺参数的优化本研究采用。(3 4)正交表安排实验，研磨正交试万方数据第3 期墨洪磊等：固结磨料研磨K 9 玻璃的工艺优化9验的因素及因素水平的设置如表2 所示，实验研磨时间固定为1 5m i n，研磨液p H 值为l o 5。表2 研磨参数及其水平设置3 1研磨参数水平对材料去除率的影响在各因素水平组合下研磨I 9 玻璃的材料去除率如表3 所示。表3 研磨l(9 玻璃的材料去除率实验结果研磨因素水平对K 9 玻璃材料去除率的影响见图3，同一条件的试验重复三次，测其材料去除率，取平均值作为该条件下K 9 玻璃的材料去除速率。课题组曾对研磨液对K 9 玻璃的化学作用进行了研究，研磨过程中，K 9 玻璃表层发生了化学反应，生成一层比较软的变质层，变质层的存在可以提高研磨效率。变质层生成速率和研磨液与K 9 玻璃的接触时间、化学物质浓度以及反应温度等因素有关。林魁等研究了抛光液的p H 值对I 9 玻璃抛光速率的影响，当p H 值为7 时，抛光效率较低；当p H 值为9 时，抛光效率显著升高。本研究中，研磨液对工件的化学作用基本相同。由图3 可见，转速比为9 5 1 0 0 时，机械作用比较弱，K 9 玻璃表面的变质层形成速度高于其机械去除速率，材料去除率较小，转速比由9 5 1 0 0 增加到1 4 5 1 5 0 时，研磨垫的机械作用增强，材料去除率呈递增趋势；转速比继续增加到1 9 5 2 0 0 时，研磨液停留在抛光垫上的时间缩短，造成其化学作用减弱，机械去除速率高于K 9 表面变质层的形成速率，材料去除率反而减小。研磨压力对材料去除率的影响最大。在化学作用不变，即变质层形成速度不变的前提下，随着研磨压力增大，磨粒压入K 9 玻璃表面的深度增加，磨粒的切削量相应增加，材料去除率提高，符合P r e s t o n 公式关于去除速率与相对速度的描述。材料去除速率随着研磨液流量的增大而缓慢增大。研磨液流量与K 9 表面变质层的形成速度相关，研磨液流量增大时，K 9 表面形成变质层的速度有增大，在机械作用相同的情况下，材料去除速率提高。言g鲁e鼹幽篮稍蒌窭舍蚕吕三辫制篮稍婪馨。量暑3瓣制篮稍葵霎转速比0 0 2 50 0 3 0O 0 3 5O 0 4 0O 0 4 50 0 5 0O 0 5 5研磨压力，M P a(b)(c)图3 研磨参数不同水平下K 9 玻璃的材料去除率3 2 研磨参数水平对表面粗糙度的影响在各因素水平组合下对K 9 玻璃进行研磨，研磨万方数据1 0金刚石与磨料磨具工程总第1 8 9 期后K 9 玻璃的三维轮廓表面粗糙度结果如表4 所示。表4 研磨后l(9 玻璃的三维轮廓表面粗糙度实验结果各参数水平对K 9 玻璃研磨后S。的影响如图4 所示。随着研磨抛光机转速比的增加K 9 玻璃的J s。值呈上升趋势。研磨转速比由9 5 1 0 0 增加到1 4 5 1 5 0 时，K 9 表面的J s。值上升较快；转速比由1 4 5 1 5 0 增加到E讨赵掣囊嚏懈量讨赵裂囊睫懈O 0 2 50 0 3 00 0 3 50 0 4 00 0 4 5O 0 5 00 0 5 5研磨压力，M P a(b)(c)图4 研磨参数不同水平下工件的三维轮廓表面粗糙度1 9 5 2 0 0 时，K 9 玻璃的J s。值上升趋势减缓。随着研磨压力的增大，磨粒压人K 9 玻璃表面深度增加，K 9 玻璃表面的划痕较深，s。值也逐渐增大。随着研磨液流量的增加，研磨后I s。值呈先减小后增大趋势。分析认为，研磨液的流量较小(2 0m L m i n)时，研磨液对K 9玻璃表面的化学腐蚀比较弱，化学作用小于机械去除作用，此时K 9 玻璃s。较大；当研磨液流量为4 0m L m i n 时，化学作用与机械作用基本平衡K 9 玻璃J s。值达到最低值；当研磨液流量继续增大时，化学作用逐渐大于机械作用，对l 9 玻璃表面腐蚀过量，导致J s。值增大。3 3 研磨参数优化通过对研磨参数水平对K 9 玻璃材料去除速率和J s。值的影响分析可得，K 9 玻璃最大材料去除率的工艺参数组合为：转速比1 4 5 1 5 0，研磨压力0 0 5 5M P a，研磨液流量6 0m L m i n；K 9 玻璃最优三维轮廓表面粗糙度的工艺参数组合为转速比9 5 1 0 0，研磨压力O 0 2 8M P a，研磨液流量4 0 彬r n i n。但研磨过程中材料去除率是最优先考虑的因素，且图4 表明，各研磨参数的改变对研磨后l(9 玻璃J s。值的影响并不是很显著。因此综合考虑，最终取得最佳研磨效果的工艺参数组合为转速比1 4 5 1 5 0，研磨压力0 0 5 5 胁，研磨液流量6 0 彬r n i n。在该参数下进行研磨实验，最终得到K 9 玻璃的材料去除率为3 1 8 6n m m i n，三维轮廓表面粗糙度5。值为1 9 2n m，见图5。卜菇姆l置：蔓：篁：。二l(1)i 维轮廓图5优化参数研磨后的K 9 玻璃三维形貌及表面粗糙度万方数据第3 期墨洪磊等：固结磨料研磨K 9 玻璃的丁艺优化4结论采用正交实验法研究分析了转速比、研磨压力、研磨液流量等参数对K 9 玻璃的研磨材料去除率和表面三维轮廓粗糙度影响，得到如下结论：(1)随着转速比的增大，K 9 玻璃的材料去除率先增大后略微减小，随着研磨压力的增大材料去除率逐渐增大，研磨液流量的增大有助于材料去除率的提高。(2)K 9 玻璃的J s。值随着转速比的增加变大，随着研磨压力的增大逐渐变大，随着研磨液流量的增加，S。值先减小后增大。(3)优化的研磨加工参数为：转速比1 4 5 1 5 0，研磨压力0 0 5 5M P a，抛光液流量6 0m L m i n。在该参数下，K 9 玻璃的材料去除率达到31 8 6n H m i n，s。值为1 9 6n m 参考文献：1 雷红，雒建斌，张朝辉化学机械抛光技术的研究进展 J 上海大学学报(自然科学版)，2 0 0 3，9(6)：4 9 4 5 0 2 L E IH o n g，L U 0J i a n b i n，Z H A N GC h a o h u i A d v a n c e si nc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g J J o u m a lo fs h a“g h a iu n i v e r s i t y(N a t u m lS c i e n c eE d i t i o n)，2 0 0 3，9(6)：4 9 4 5 0 2 2 樊吉龙，朱永伟，李军，等金刚石丸片与固结磨料抛光垫研磨硅片的比较研究 J 硅酸盐通报，2 0 1 0，2 9(6)：1 2 5 3 1 2 5 7 F A NJ i l o“g，Z H UY o n g w e i，UJ u n，e ta 1 C o m p a r i s o no fl a p p i“go fs i l i c o nw a f e rb e t w e e nf i x e da b r a s i v ep a da n dd i a r n o n dp e l l e t s J B u l l e t i no ft h eC h i n e s eC e r a m i cs o c i e t y，2 0 1 0，2 9(6)1 2 5 3 1 2 5 7 3 朱永伟，何健桥固结磨料抛光垫作用下的材料去除速率模型 J 金刚石与磨料模具工程，2 0 0 6(3)：3 8 4 1 Z H UY o n g w e i，H EJ i a n q i a o Am o d e l0 fm a t e r i a lr e m o v a lr a t ew i t hf i x e da b r a s i v 8p a d J D i a m o n d A b r a s i v e sE n g i n e e r i“g，2 0 0 6(3)：3 8 4 1 4 林魁，朱永伟，李军，等金刚石固结磨料研磨l 9 玻璃的研究 J 硅酸盐通报，2 0 1 0，2 9(1)：6 1 1 u NK u i，z H uY o n g w e i，uJ u n，e ta 1 s t u d yo nl 印p i“go fk 9g l 鹊sb yf i x e da b r 鹅i v ep a d J B u u t i no ft h ec h i n e s ec e r 蛐i cs o c i e t y，2 0 1 0，2 9(1)：6 1 1 5 王军单晶蓝宝石基片精密研磨工艺研究 D 大连：大连理工大学，2 0 0 8 W A N GJ u n A ne x p e r i m e n t a ls t u d y0 ft h ep r e c i s el 印p i n gp r o c e s sf o rs 印p h 讹s i n g l ee r y s t a ls u b s t r a c e D D 出a n：D a l i 叩u n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g)，2 0 0 8 6 王旭，张学军，徐领娣，等固着磨料加工碳化硅反射镜的实验 J 光学精密工程，2 0 0 9，1 7(4)：7 7 1 7 7 7 w A N Gx u，z H A N Gx u e j u n，x uL i n g d i，e ta 1 E x p e r i m e n to f 酣n d i n gs i cm i r I D rw i t hf i x e da b m s i v e J O p t i c s 肌dP r e c i s i o nE n g i n e e r i n g，2 0 0 9，1 7(4)：7 7 l 一7 7 7 7 刘春红，李成贵，张庆荣，等微晶玻璃研磨抛光超光滑表面粗糙度的工艺研究 J 郑州大学学报(工学版)，2 0 0 7，2 8(4)：1 2 6 1 2 8 L I uC h u n h o n g，uC h e n g g u i，z H A N GQ i n g r o n g，e ta 1 S t u d yo nt h et e c h n o l o g yo ft h es u p e rs m o o t hs u 而c eI o u g l I n e s s p o l i s h e dc e r a】f I l i cg l a s s J J 叫m a lo fz h e n 静h o uu n i v e r s i t y(E n 舀n e e r i n gS c i e n c ee d i-t i o n)，2 0 0 7，2 8(4)：1 2 6 一1 2 8 8 林魁，朱永伟，李军，等固结磨料抛光l(9 光学玻璃的工艺实验研究 J ，激光与光电子学进展，2 0 1 0(4)：1 6 U NK u i，Z H UY o“g w e i，L IJ u n，e ta 1 E 1 p e r i m e n t a ls t u d yo np o l i-s h i n gf e c h n o l o g yo fK 9 叩t i c a l a s sw i l h 矗x e da b 瑚i v ep a d J L a s e r0 p t o e l e c t r o n i c sP r o g r e s s，2 0 1 0(4)：l 一6 作者简介墨洪磊(1 9 8 7 一)，男，硕士研究生，主要从事精密与超精密加工方面的学习和研究。E m a i l：m o h o n g l e 订9 8 7 s i n a c o m朱永伟(1 9 6 7 一)，男，教授，博士生导师，主要从事精密与超精密加工、纳米材料的制备与应用、表面工程等方面的研究。E 哪a i l：m e e y w z h u n u a a e d u c n(修回日期：2 0 1 2 0 4 2 6)万方数据固结磨料研磨K9玻璃的工艺优化固结磨料研磨K9玻璃的工艺优化作者：墨洪磊，朱永伟，唐晓潇，付杰，MO Hong-lei，ZHU Yong-wei，TANG Xiao-xiao，FU Jie作者单位：南京航空航天大学机电学院,江苏南京,210016刊名：金刚石与磨料磨具工程英文刊名：Diamond&Abrasives Engineering年，卷(期)：2012,32(3)本文链接：