寶石圓棒外圓加工工藝應(yīng)用試驗(yàn)*

雷 靖

(重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司晶體科技分公司，重慶 400702)

0 引 言

人造藍(lán)寶石晶體材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)藍(lán)寶石)，其主要化學(xué)成分為三氧化二鋁，由于特殊的分子結(jié)構(gòu)使其具有良好的機(jī)械性能和物理性能；同時(shí)由于其具有耐腐蝕、耐磨損、熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性好、光學(xué)性能良好等特點(diǎn)，其加工成的剛玉圓棒，常被用于醫(yī)學(xué)、精密機(jī)械、精密測(cè)量與檢測(cè)以及激光技術(shù)應(yīng)用等方面，并對(duì)寶石圓棒圓柱面的光潔度、圓度以及圓柱度有較高要求。藍(lán)寶石硬度高(莫氏9級(jí)，僅次于天然鉆石)、脆性大、可加工性較差[1]，采取傳統(tǒng)的車(chē)銑等方式不能對(duì)其進(jìn)行加工，同時(shí)由于其高硬度的特性，一般的刀具和磨料也不能對(duì)其進(jìn)行加工。

重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司晶體科技分公司對(duì)寶石加工特性進(jìn)行了長(zhǎng)期研究分析，對(duì)其不同的晶向具有的不同特性和加工性能進(jìn)行對(duì)比分析，自主創(chuàng)新形成了一套獨(dú)立的加工工藝，滿(mǎn)足了高效液相色譜(HPLC)使用要求，高表面質(zhì)量便于清洗，無(wú)殘留，不污染測(cè)試液體，高表面質(zhì)量、良好的圓度及圓柱度，有利于提高密封性，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)銷(xiāo)售，能夠滿(mǎn)足邁瑞醫(yī)療、日本京瓷等客戶(hù)的使用要求，HPLC所達(dá)到的高分辨率和高靈敏度，使分離和同時(shí)測(cè)定性質(zhì)上十分相近的物質(zhì)成為可能，能夠分離復(fù)雜相體中的微量成分。

筆者重點(diǎn)進(jìn)行了寶石圓棒粗磨圓工藝研究、拋光外圓工藝改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了高精度外圓表面控制，圓度、圓柱度控制水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 磨粗圓工藝研究

藍(lán)寶石由于其高硬度特性，只能采取帶金剛石磨料的相關(guān)磨具對(duì)其進(jìn)行加工，以某客戶(hù)圖紙為例，如圖1，通過(guò)多線切割機(jī)完成方梗的加工，然后再采用45°V型槽工裝進(jìn)行粘接，然后置于金剛石磨盤(pán)上進(jìn)行磨削，此工序重復(fù)四次，使其由四方方梗加工成正八面體，再采用粒子磨圓機(jī)進(jìn)行粗成形磨圓，如圖2。

圖1 某柱塞棒技術(shù)要求

圖2 粗坯形成流程

工作砂輪采用金剛石燒結(jié)磨具，加工過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)以起到磨削作用，輔助輪外圓一般為膠木或有機(jī)合成材料，俗稱(chēng)導(dǎo)輪，導(dǎo)輪自身轉(zhuǎn)速很低，一般為20～30 r/min，工件放于兩輪之間，下方有一塊托板，兩輪與托板組成V型定位面托住工件，導(dǎo)輪軸線與工作砂輪軸線存在一定的角度，在加工過(guò)程中，工件受到兩個(gè)方向的力，一個(gè)用于帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，即工件的圓周進(jìn)給速度；另一個(gè)用于工件軸向移動(dòng)，即工件的縱向進(jìn)給速度，二者缺一不可，既保證了穩(wěn)定的切削力，又可以使工件沿著固定方向逐步往縱向方向移動(dòng)，從而保證圓度以及圓柱度。同時(shí)為了保證工件的穩(wěn)定加工，導(dǎo)輪和工件的接觸部位必須修整成一條直線。由于磨床本身精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，因此磨削精度可達(dá)到IT8～I(xiàn)T5，同時(shí)圓度以及圓柱度可達(dá)0.005～0.01 mm，通過(guò)此方法可保證磨粗圓工序穩(wěn)定批量加工，粗加工外圓尺寸加工至φ6.10。

2 拋光外圓工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于磨床的砂輪只能采用結(jié)合劑磨輪進(jìn)行加工，如果砂輪粒度太細(xì)，磨削力不夠，磨削過(guò)程中會(huì)打滑，進(jìn)而造成外圓表面有凹坑、劃痕等缺陷，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)論證，其表面粗糙度最高只能達(dá)到Rz0.8～Rz1.6，如表1。距離我們的目標(biāo)Rz0.1還比較遙遠(yuǎn)，因此需要重新設(shè)計(jì)一條工藝路線對(duì)工件進(jìn)行拋光。

表1 加工表面對(duì)比表

2.1 制定加工工藝

通過(guò)藍(lán)寶石的特性得知，其加工所需的工具只能采用以金剛石粉料為基礎(chǔ)的各類(lèi)磨具，而為了保證圓度和圓柱度又必須讓其充分且均勻旋轉(zhuǎn)。硬脆材料為了提高表面質(zhì)量，通常會(huì)采用材質(zhì)較軟的加工工具，且為了更高的光潔度要求，磨料只能采用金剛石懸浮液進(jìn)行磨削[2]。

結(jié)合重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司晶體科技分公司幾十年的寶石加工經(jīng)驗(yàn)，在拋光過(guò)程中，影響工件圓度以及圓柱度的主要因素有：①工件的旋轉(zhuǎn)不充分；②工件的旋轉(zhuǎn)中心線與機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸心線不平行。因此，需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)治具和加工工藝，結(jié)合美標(biāo)微粉標(biāo)準(zhǔn)，如表2，選取合適的金剛石微粉粒度，采用鑄鐵材質(zhì)的上下磨盤(pán)結(jié)合7 μ微粉液進(jìn)行細(xì)加工，然后再使用紫銅材質(zhì)的磨盤(pán)加1 μ的微粉液進(jìn)行拋光加工，且為了保證排屑以及微粉不報(bào)團(tuán)，在上下盤(pán)面上采用NC車(chē)床均勻開(kāi)0.50×0.50的螺旋槽。加工設(shè)備選取市場(chǎng)上常見(jiàn)數(shù)控氣動(dòng)加壓機(jī)，其下盤(pán)可控制性旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)，上盤(pán)可氣動(dòng)施加可控性壓力，可將工件置于上下盤(pán)之間，通過(guò)下盤(pán)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，再?gòu)纳媳P(pán)通道滴加金剛石懸浮液，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

表2 金剛石微粉粒度對(duì)照表 /μm

2.2 設(shè)計(jì)治具

假想在上下磨盤(pán)之間插入一塊治具，使工件在相對(duì)固定的范圍內(nèi)隨著下盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，按照動(dòng)力學(xué)的基本原理的要求設(shè)計(jì)一款治具，如圖3，治具依靠工件外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，其厚度為工件直徑的四分之三，限位槽沿同一軸心線偏移角度α，使工件在加工過(guò)程中既受到來(lái)自軸向的推力，又受到徑向的阻力，角度的偏轉(zhuǎn)可盡量減少因內(nèi)外圈線速度不一樣帶來(lái)的外形尺寸影響，可使工件沿著機(jī)床軸心線充分旋轉(zhuǎn)，從而使工件的圓度和圓柱度得到保證，工件尺寸為φ6.00×40.00，通過(guò)NC加工中心進(jìn)行治具的一次性成型加工，限位槽基本尺寸為6.50×42.00，沿軸心旋轉(zhuǎn)角度α進(jìn)行圓形陣列，中心開(kāi)孔通過(guò)上盤(pán)進(jìn)行周向定位，保證充分旋轉(zhuǎn)[3]，治具加工好后進(jìn)行超聲波清洗，以備使用。

圖3 治具設(shè)計(jì)圖

2.3 試驗(yàn)論證

按工藝流程所述，先采用鑄鐵材質(zhì)的上下磨盤(pán)結(jié)合7μ微粉液進(jìn)行細(xì)加工，然后再使用紫銅材質(zhì)的磨盤(pán)加1μ的微粉液進(jìn)行拋光加工，在寶石圓棒加工中，想要拋光后形成高質(zhì)量、高光潔度和高精度的工件，其拋光前的表面質(zhì)量也就是細(xì)加工質(zhì)量應(yīng)達(dá)到較高的要求，其表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Rz0.4以上，圓度以及圓柱度應(yīng)達(dá)到3.5 μm以下，整體表面均勻一致，無(wú)拉傷、劃痕，無(wú)明顯加工痕跡，其次是拋光圓棒工藝，眾所周知，藍(lán)寶石光學(xué)鏡片的各種拋光技術(shù)在很多文獻(xiàn)中均有介紹，但是拋光寶石圓棒的介紹卻寥寥無(wú)幾，我公司通過(guò)長(zhǎng)期研究和試驗(yàn)證明，微粉的顆粒均勻性、研磨盤(pán)材質(zhì)的選用、下盤(pán)的轉(zhuǎn)速、治具的合理設(shè)計(jì)是造成工件表面和圓度、圓柱度的主要影響因素。

2.3.1 細(xì)加工外圓工藝

首先清洗研磨盤(pán)，下盤(pán)開(kāi)啟轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速10 r/min，采用沾有煤油的棉花從內(nèi)圈往外圈以逐步遞進(jìn)的方式進(jìn)行擦拭，確保下盤(pán)無(wú)殘留鐵屑，將治具置于下盤(pán)上，工件沿著治具的方槽順時(shí)針擺放至里面，滴加微粉懸浮液，將上盤(pán)置于工件上，機(jī)床施加氣動(dòng)壓力，調(diào)整壓力參數(shù)和下盤(pán)轉(zhuǎn)速，通過(guò)設(shè)置不同的加工時(shí)間，開(kāi)啟試驗(yàn)論證，通過(guò)基礎(chǔ)驗(yàn)證，其下盤(pán)最大轉(zhuǎn)速不能超過(guò)50 r/min，其施加壓力最大不能超過(guò)0.5 MPa，否則工件會(huì)產(chǎn)生崩邊，外圓尺寸均以加工至φ6.02+/-0.005 mm為基準(zhǔn)，其結(jié)果如表3。

表3 不同加工參數(shù)對(duì)工件細(xì)加工時(shí)間和形位公差的影響

通過(guò)分析表格數(shù)據(jù)，在保證工件圓度和圓柱度的情況下，在下盤(pán)轉(zhuǎn)速45 r/min，施加壓力0.45 MPa時(shí)，其加工效率達(dá)到最優(yōu)化。將加工的工件置于160倍光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行檢驗(yàn)，可見(jiàn)其表面均勻一致，再采用粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，其表面光潔度達(dá)到Rz0.4，符合細(xì)加工各項(xiàng)指標(biāo)要求，將工件采用超聲波加清洗液的方式進(jìn)行清洗，確保金剛石微米徹底清洗干凈。

2.3.2 拋光外圓工藝

通過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)論證，采用硬度稍軟的紫銅盤(pán)拋光的產(chǎn)品效果最好，參照細(xì)加工的方式，先對(duì)研磨盤(pán)進(jìn)行清洗，金剛石微粉采用1 μm，由于該粒度已經(jīng)很小，切削力有限，在加工過(guò)程中工件極易因?yàn)榍邢髁Σ粔蛟斐杀砻鎰潅?，同時(shí)如果微粉顆粒分布不均勻，其工件表面也會(huì)受到損傷，所以我公司采用先進(jìn)的Bettersize 2600丹東百特激光粒度分布儀對(duì)進(jìn)廠微粉進(jìn)行檢測(cè)，合格后方可使用，如圖4。

圖4 激光粒度分布儀檢測(cè)1 μm微粉

采用金剛石微粉懸浮液進(jìn)行拋光，實(shí)際上是去除前工序粒度過(guò)粗造成的表面損傷層[4]，在拋光過(guò)程中，由于1μm微粉切削力偏小，因此不能為了效率盲目地增加轉(zhuǎn)速和壓力，通過(guò)多次驗(yàn)證，其轉(zhuǎn)速在30 r/min，施加壓力在0.3 MPa，累計(jì)拋光時(shí)間為90 min時(shí)，其圓度和圓柱度達(dá)到最佳，其圓度和圓柱度如圖5、6所示采用國(guó)際先進(jìn)的585HS泰勒?qǐng)A度儀進(jìn)行檢測(cè)，圓度達(dá)到1.54 μm，圓柱度達(dá)到2.62 μm。

圖5 泰勒?qǐng)A度儀檢測(cè)圓度

圖6 泰勒?qǐng)A度儀檢測(cè)圓柱度

在160倍光學(xué)顯微鏡下觀察，其表面均勻，無(wú)劃痕，光潔度達(dá)到Rz0.1，同時(shí)對(duì)陶瓷材料產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，均能夠滿(mǎn)足要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中采用上下研磨盤(pán)結(jié)合金剛石微粉懸浮液對(duì)藍(lán)寶石、陶瓷硬脆材料進(jìn)行外圓拋光加工，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，采用金剛石微粉懸浮液加研磨盤(pán)的方式，其外圓表面可達(dá)到Rz0.1。通過(guò)設(shè)計(jì)合理治具，調(diào)整加工參數(shù)，其加工外圓圓度可達(dá)1.54 μm，圓柱度可達(dá)2.62 μm，滿(mǎn)足高精端市場(chǎng)3 μm以?xún)?nèi)的需求。該加工方式能夠滿(mǎn)足藍(lán)寶石、陶瓷等硬脆材料的加工需求。此次研究對(duì)于硬脆材料的加工發(fā)展有較好的促進(jìn)作用。注塞棒外圓拋光表面、圓度、圓柱度水平的提高，有利于液相色譜儀的技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)HPLC市場(chǎng)的發(fā)展。