本发明涉及一种机械加工方法，尤其是一种碳化硅、蓝宝石等莫氏硬度超过于9的超硬脆工件的机械加工方法，具体地说是一种超硬脆工件的研磨抛光新方法。
背景技术：
碳化硅、蓝宝石等脆性材料，其莫氏硬度超过9，是一类超硬脆材料。具有良好的机械性能，稳定的物理化学性能和优异的光学性能，在机械、光学、信息、航空航天和武器装备等军用和民用领域具有广泛应用。但是，由于碳化硅、蓝宝石等超硬材料具有硬度高、脆性大的特点，常规的研磨抛光加工效率极低，难以进行大批量的高效生产。因此，如何提高碳化硅、蓝宝石等超硬脆材料的研磨抛光效率成为现代超精密加工技术的研究热点之一。
从二十世纪中期开始，国内外研究者已开始对碳化硅、蓝宝石等材料的研磨抛光技术进行研究。目前形成了已形成了几种加工工艺：采用游离磨料、金刚石丸片和树脂基固结磨料垫进行研磨抛光。采用游离磨料研磨抛光时，其材料的去除机理为三体磨损去除，研磨抛光效率低、亚表面损伤层大、磨料的利用率低，成本高等缺点；采用金刚石丸片研磨抛光时，磨料自锐性差、容屑空间小、工件易划伤；采用树脂基固结磨料垫进行研磨抛光时也存在着磨料的自锐性能差、研抛后期垫子表面易釉化、研磨抛光效率稳定性差。
南京航空航天大学等机构开展了固结磨料研磨抛光蓝宝石、碳化硅等工件的研究工作，认为：加工过程中，由于工件的超硬脆特点，导致磨粒切入工件深度小、磨粒容易钝化、钝化磨粒不易脱落，及磨屑细小，导致粘结剂磨损过慢和自修正能力不足等原因，是现有固结磨料垫研磨抛光效率低、加工效率不稳定，特别是后期效率下降较快的关键原因，如何提高磨粒的稳定切入深度和自锐能力是解决其高效稳定生产的关键所在。因此，开发一种工艺简单、加工效率高效稳定、磨料自锐性强、适用于碳化硅、蓝宝石超硬脆材料的研磨抛光新技术迫在眉睫。
技术实现要素：
本发明目的是针对现有的超硬脆材料研磨抛光过程中存在的加工效率不高的问题，发明一种磨料自锐性强、工艺简单、成本低、加工效率稳定高效、适用于碳化硅、蓝宝石等超硬材料的研磨抛光新方法，它通过烧结小颗粒磨料得到自锐性能优良的聚集体磨料，然后将该烧结聚集体固化于基体中制成研磨抛光垫，并在研磨抛光液中添加酸碱调节剂和化学活性成分以改善超硬脆材料表面的研磨抛光性能，同时在研磨抛光液中添加小颗粒辅助磨料，以确保研磨抛光垫磨损均匀，保证稳定的材料去除速率。该方法针对莫氏硬度超过9的超硬脆单晶体、多晶体、各种陶瓷材料以及复合材料进行研磨抛光，主要包括碳化硅、蓝宝石等材料。
本发明的技术方案是：
一种适用于碳化硅、蓝宝石等超硬材料的研磨抛光新方法，包括如下步骤：
(1) 把预烧结的磨料及烧结辅料按照质量百分比混合均匀；然后经过干燥、胶粘、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选等步骤，得到烧结的聚集体磨料；其中烧结的磨料原料为金刚石单晶或其破碎料；预烧结的磨料及烧结辅料的重量比为60-70：40-30。
(2)将制备好的聚集体磨料与粘接剂按一定比例混合在倒入模具中进行固化，或者将制备好的磨料聚集体与粘结剂一定比例混合倒入模具经压力机或硫化机进行热压成型，或者将制备好的磨料聚集体一定比例与金属粉末或陶瓷粘结剂混合一起倒入制备好模具中进行烧结成型。固化的方式可以为光引发固化、热引发固化；烧结或固化制备而成的研磨盘抛光垫或盘上突起的形状可以为圆柱体、棱柱体、圆锥台等中的一种或多种组合；突起表面可以分布孔洞或可溶性添加物等容屑空间；突起的排布图案可以是圆环形、螺旋形、摆线形、射线形、点阵形等。
(3)将制备好的研磨抛光垫粘贴在研磨抛光机上，然后根据工件，配制研磨抛光液对工件进行研磨抛光。研磨抛光液中添加的化学活性成分，可以是酸碱调节剂，也可以是一些活性离子；研磨液中添加适量的小颗粒辅助磨料，使研磨抛光垫均匀磨损，保证稳定的材料去除速率；
（4）研磨抛光工艺含一道研磨工序和一道抛光工序。
所述超硬脆材料为莫氏硬度超过9的单晶体、多晶体、各种陶瓷材料以及复合材料，包括但不限于碳化硅、蓝宝石。
所述研磨抛光垫由金刚石聚集体磨料以固化、烧结、焊接成型方式固化于基体中制备而成；基体为树脂基、陶瓷基或金属基；采用树脂基时固化方式采用热引发固化、光固化方式；采用陶瓷或金属基时，需先制坯，再进行烧结和粘结。
所述的树脂是：聚乙烯醇缩醛、聚碳酸醋、聚丙烯酸酯、环氧树脂、聚乙二醇中的一种或多种组合，其含量为总质量的30~80%。
所述的陶瓷基为：二氧化硅、氧化钠、氧化铝、氧化铅、氧化锌、氧化钙、氧化钾、氧化镧、氧化硼中的一种或多种组合，尤其是其预烧结体，为了促进烧结过程，还添加有少量铜粉、铝粉、铁粉粉末，两者的总含量约为总质量的30~80%。
所述的金属基为：铜粉及其合金粉、铁粉及其合金粉、镍粉及其合金粉一种或多种的组合，其含量约为磨料颗粒质量的25~80%。
研磨抛光液中添加的化学活性成分可以是酸碱调节剂，包括但不限于乙酸，柠檬酸，草酸、苯甲酸、山犁酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙二胺，二羟乙基乙二胺、三乙醇胺、乙二醇中的一种或多种的组合；也可以是一些活性离子，包括但不限于F-、Cl-、SO42-、NO3-、SO32-、NH4+、Fe3+、Al3+中的一种或多种的组合；通过活性原子、离子在工件表面的扩散与反应，改变超硬脆材料的表面理化特性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亚表面损伤小的特点。
所述的研磨抛光液中添加的辅助磨料，能促进研磨垫的均匀磨损，保证稳定的材料去除速率和面型精度；辅助磨料为碳化硅、氧化铝、碳化硼小颗粒，粒径分布在0.5μm-10μm之间，浓度在1~5%wt之间。
在研磨抛光过程中，大颗粒金刚石聚集体上磨钝的小颗粒金刚石及时从聚集体上脱落，保证了研磨抛光垫的自锐性和研抛效率的稳定性，加工效率得到较大程度的提高。
本发明的有益效果是：
本发明适用于碳化硅、蓝宝石等超硬脆工件的研磨抛光新方法，采用金刚石聚集体磨料制备成的研磨抛光垫，其磨料浓度高，组成聚集体的小磨粒之间的结合力适当，在研磨抛光过程中，聚集体上磨钝的小颗粒金刚石及时从聚集体上脱落，可以有效防止研磨抛光垫的钝化，保证了研磨抛光垫的自锐性和研抛效率的高效稳定性，加工效率得到较大程度的提高。通过在研磨液中添加化学活性成分，通过活性原子(离子)在工件表面的扩散，改变超硬脆材料的表面理化特性，降低工件的硬度，改善材料表面的脆性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亚表面损伤小的特点。同时，研磨抛光液中的辅助磨料有助于提高研磨抛光垫的磨损均匀性，有利于提高工件的面型精度。本发明适用于碳化硅、蓝宝石等超硬脆工件的研磨抛光，具有制备简单，成本低、出产高、加工性能稳定等特点。
本发明方法制备而成的研磨抛光垫含有聚集体大颗粒，其磨料浓度高，在研磨抛光过程中，聚集体大颗粒不是整颗失效破坏，而是由组成聚集体的内部原料小颗粒之间的结合剂疲劳破坏、失效继而导致破碎，致使小颗粒逐步从聚集体上脱落、自锐性能好，有利于提高对碳化硅、蓝宝石等超硬材料的研磨抛光的效率和加工稳定性。研磨液中添加的化学活性成分可改变超硬脆材料的表面理化特性，降低工件的硬度，改善材料表面的脆性，以提高材料去除速率，改善表面粗糙度，并具有亚表面损伤小的特点。同时，研磨抛光液中的辅助磨料有助于提高研磨抛光垫的磨损均匀性，提高工件的面型精度。本发明提供的方法具有制备简单、工艺路线短、成品率高、成本低、加工性能稳定等优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1。
一种适用于碳化硅、蓝宝石研磨方法。它首先制备金刚石磨料聚集体，采用重量比为70:12:8的10-15μm粒径的金刚石破碎料、预烧结体陶瓷结合剂和铜粉制备金刚石聚集体，其制备方法为：将上述材料经过混料、胶粘、干燥、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选等步骤，得到粒度为2~20μm的聚集体磨料。
将上述制备好的聚集体磨料和树脂粘结剂按照重量比35:65的比例（具体实施时，聚集体磨料和树脂粘结剂重量比例还可70：30，50：50以及20：80等）进行混合，然后倒入制备好的模具中，采用热引发固化，脱模得到突起形状为四棱柱、突起排布为摆线型的研磨抛光垫，再进行2小时的后固化。
将上述制备好的研磨抛光垫采用双面胶粘接在研磨盘上，在Nanopoli-100型的研磨抛光机上以：研抛压力0.03MPa，研抛盘的转速为80rpm，研磨液为去离子水添加2%三乙醇胺和2%质量浓度的W5碳化硅颗粒、研抛液流速60 ml/min的参数对碳化硅晶片研磨40min后，经检验碳化硅的材料去除率为100~130nm/min，表面粗糙度Ra为110~130nm，且没有明显粗大划痕。
实施例2。
一种适用于碳化硅、蓝宝石的研磨方法。它首先制备金刚石磨料聚集体，采用重量比为65:35的金刚石、预烧结体低温陶瓷结合剂制备金刚石聚集体，金刚石的原始粒度为8-12μm粒径，其制备方法为：将上述材料经过混料、胶粘、干燥、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选等步骤，得到粒度为50~60μm的金刚石聚集体磨粒。
将上述制备好的聚集体大颗粒和铜粉按重量比为44:60的比例（具体实施时，聚集体大颗粒和铜粉的比例还可为75：25，50：50或20：80）进行混合，然后放入预选用准备好的石墨模具中，进行热压烧结15分钟后，脱模得到突起形状为五棱柱的丸片，将其粘接成突起排布为射线型的研磨垫。
将上述制备好的研磨抛光垫采用双面胶粘接在研磨盘上，在Nanopoli-100型的研磨抛光机上以：研抛压力0.025MPa，研抛盘的转速为100rpm，研磨液为去离子水添加1%乙二胺、研抛液流速40 ml/min的参数对 蓝宝石晶片研磨50min后，经检验蓝宝石的材料去除率为420~500nm/min，表面粗糙度Ra为120~140nm，且没有明显粗大划痕。
实施例3。
一种适用于碳化硅、蓝宝石抛光方法。它首先制备金刚石磨料聚集体，它首先采用重量比为62:30:8的3-5μm粒径的金刚石、低温陶瓷预烧结体和铜粉制备出金刚石聚集体磨粒，其制备方法为：将上述材料经过混料、胶粘、干燥、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选等步骤，得到粒度为40~50μm 的金刚石聚集体磨料。
将上述制备好的聚集体大颗粒和树脂按50:50的比例（具体实施时，聚集体磨料和树脂粘结剂重量比例还可70：30，60：40以及20：80等）进行混合，然后倒入制备好的模具中，在硫化机上进行热压成型，脱模得到突起形状为六棱柱、突起排布为正方点阵（点阵间距为2cm）的研磨抛光垫。
将上述制备好的研磨抛光垫采用双面胶粘接在研磨盘上，在Nanopoli-100型的研磨抛光机上以：研抛压力0.02MPa，研抛盘的转速为70rpm，研磨液为去离子水添加0.5%乙二醇、研抛液流速50 ml/min的参数对划为蓝宝石C向晶片抛光60min后，经检验蓝宝石晶片的材料去除率为100~120nm/min ，表面粗糙度Ra为5~10nm，且没有可见划痕。
实施例4。
一种适用于碳化硅、蓝宝石抛光方法。它首先制备金刚石磨料聚集体，采用重量比为60:32:8的0.1-2μm粒径的金刚石、低温陶瓷预烧结体和铜粉制备出金刚石聚集体，其制备方法为：将上述材料经过：混料、胶粘、干燥、制粒、除胶、烧结成型、再次筛选等步骤，得到粒度为40~50μm的金刚石聚集体。
将上述制备好的聚集体大颗粒和树脂按55:45的比例（具体实施时，聚集体磨料和树脂粘结剂重量比例还可70：30，50：50以及20：80等）进行混合，然后倒入制备好的模具中，在硫化机上进行热压成型后，脱模得到突起形状为三棱柱、突起排布为螺旋型的研磨抛光垫。
将上述制备好的研磨抛光垫采用双面胶粘接在研磨盘上，在Nanopoli-100型的研磨抛光机上以：研抛压力0.05MPa，研抛盘的转速为100rpm，研磨液为去离子水添加1.5%双氧水和1%（具体实施时可在1-5%之间选择）质量浓度的W1碳化硅颗粒（还可为氧化铝、碳化硼等小颗粒，粒径在0.5-10微米之间），研抛液流速70 ml/min的参数对碳化硅晶片抛光60min后，经检验蓝宝石的材料去除率为50~60nm/min，表面粗糙度Ra为6~8nm，且没有明显划痕。
综上所述，本发明的加工方法主要包括（1）金刚石磨料聚集体制备；（2）压制成形；（3）配制研磨抛光液对工件进行研磨抛光；研磨抛光液中添加的化学活性成分为酸碱调节剂或活性离子；研磨液中添加适量的小颗粒辅助磨料，使研磨抛光垫均匀磨损，保证稳定的材料去除速率。
实施例1至4中制备金刚石磨料聚集体时所指的：
混料是指：将金刚石磨料颗粒和粘结剂（即烧结辅料）按质量百分比计量，混合均匀制成混合物；
胶粘是指：将混合物加入胶黏剂润湿搅匀，胶黏剂的加入量为混合物重量的0.1-35%；胶黏剂是聚乙酸乙烯酯、过氯乙烯、聚异丁烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、a-氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇缩醛和环氧树脂中的一种或多种混合物。
干燥是指：将加有胶黏剂的混合物在80℃~150℃范围内烘干；
制粒是指：将烘干后的多晶体金刚石粉碎过筛得到所需粒度的颗粒；
除胶是指：除去颗粒中的胶黏剂，除胶温度在400~550℃范围内调节，时间为30分钟至2小时
烧结成型是指：将除胶后的颗粒经高温烧结形成可进行固化或压制成形的金刚石聚集体，烧结温度600-900℃，时间为30分钟至2小时。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。