一种固结磨料自锐性磨抛的研磨工具及研磨方法与流程

本发明属于光学加工领域，涉及研磨工具及研磨方法，特别涉及一种固结磨料自锐性磨抛的研磨工具及研磨方法。

背景技术：

目前，传统研磨是使用游离磨料的接触式加工方法，使用软质研磨底盘作为抛光工具，工具的转动带动磨粒划擦工件表面实现材料去除。为了获得较高的表面质量以及较低的亚表面损伤，通常采用较软的磨粒，例如氧化铈、二氧化硅等磨粒，对材料表面进行加工，由于磨料的硬度较小，磨粒游离在研磨液中，无法提供较大的剪切力，使材料去除的效率较低。同时，游离磨料研磨技术是一种接触式的加工方式，去除效率的稳定性受到多种因素的影响，例如，研磨垫磨损、研磨液供给不足等等。传统供液方式是采用喷嘴将研磨液喷射在工件四周，但是当研磨工具转速不断增加，由于离心力的作用，研磨液很难进入研磨垫或者工件的中心区域，导致中心区域供液不充足，润滑条件恶化，研磨垫磨损速度快，磨粒聚集成团，加工热量以及去除碎屑无法及时排出，导致表面质量恶化。综合来讲，这种游离磨料研磨加工方法去除效率及加工质量受到限制，无法满足半导体、光学产业快速发展的对硬脆材料快速加工提出的要求。

近些年来，化学机械研抛技术应运而生，不断得到发展，该技术是在游离磨料研磨加工方法的基础上，通过改变研磨液成分，来提高研磨加工的材料去除的效率。通过在研磨液中添加氧化剂、络合剂等化学试剂，提高研磨液的氧化性，促进研磨液中磨粒与工件表面的发生络合反应，增加磨粒对工件的化学侵蚀，形成化学反应变质层，变质层多为疏松多孔的结构，力学性能远远小于工件基体材料，因此，磨粒更加容易实现材料的去除，提高了研磨去除的效率。然而，化学机械研磨主要依赖化学试剂的作用，增加了对环境的压力，同时，工艺稳定性差、成本高、环境污染严重，与清洁、高效的加工理念背道而驰，在加工后会在工件表面形成一层化学反应变质层，影响工件的使用性能。

固结磨料研磨技术是将磨粒固结在研磨垫的基体材料之中，采用去离子水作为研磨液，一方面，固结磨料研磨技术是一种清洁的加工方法，另一方面，由于磨粒被镶嵌在研磨垫基体上，磨粒提供的剪切力较大，去除效率高，而且磨粒不会出现团聚的现象，获得的亚表面损伤较小。然而，固结磨料技术仍然是一种接触式加工的方式，去除稳定性受到研磨垫表面磨粒的数量和分布的影响较大，研磨垫的自锐性十分重要，如果表层磨粒脱落后，基体材料无法去除，下一层磨粒无法及时露出，则无法继续去除工件表面材料，固结研磨垫无法继续使用。因此，研磨垫需要不断的修整才能继续使用，增加了工件的加工周期以及操作人员的劳动强度。

综上所述，针对固结磨料研磨技术研磨垫自锐性差、使用寿命低，加工过程中需要不断进行修整，以及高速加工过程采用中四周供液方式使研磨液无法进入加工中心区域等问题，急需寻求一种新的工艺措施克服现存的不足。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种提高自锐性和研磨工具使用寿命的固结磨料自锐性磨抛的研磨工具及研磨方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种固结磨料自锐性磨抛的研磨工具，包括相互连接的连接杆和研磨底盘，所述连接杆与驱动其旋转的装置连接，所述研磨底盘上安装研磨垫，所述研磨垫由固结磨料制成，所述研磨垫随研磨底盘转动研磨工件表面；所述连接杆、所述研磨底盘以及所述研磨垫三者中心均设有用于流通研磨液的管道；研磨液经由所述管道从所述研磨垫端面上的管道口向工件表面旋转喷出。

进一步地，所述连接杆和所述研磨底盘通过柔性联轴器连接。

进一步地，在所述研磨底盘和所述研磨垫之间设有软材料夹层。

进一步地，所述软材料夹层为海绵夹层。

本发明还提供一种固结磨料自锐性磨抛的研磨方法，该方法采用研磨工具上安装研磨垫，所述研磨垫由固结磨料制成，所述研磨垫随所述研磨工具转动来研磨工件表面，在研磨工件时使用研磨液喷射加工区域，所述研磨工具中心设有用于流通研磨液的管道；所述研磨液经由所述管道从所述研磨垫端面上的管道口向工件表面旋转喷出。

进一步地，所述研磨液中添加纳米颗粒，所述研磨液中纳米颗粒浓度为0.01～15％。

进一步地，所述研磨液的纳米颗粒为氧化铈纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒以及二氧化硅纳米颗粒中的其中一种或几种组合。

进一步地，所述研磨液在所述管道内的压力为0.1～1.0mpa。

进一步地，所述研磨工具与设有中心出水机构的电主轴搭配使用。

进一步地，所述研磨工具与所述电主轴采用er夹头连接。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、研磨工具中心设有用于流通研磨液的管道；研磨液经由所述管道从所述研磨垫端面上的管道口向工件表面旋转喷出，这种中心供液方式下，研磨液从研磨工具中心向四周进行供给，相对于传统方式的研磨液供液，整个加工区域内磨粒供给更加充分、均匀，增加磨抛工具的润滑效果，减少研磨垫的表面磨粒的剥落速度，同时提高固结磨料的研磨垫的自锐性，使磨粒能及时更新。因此，本发明的材料去除效率更高、去除更加稳定。

2、中心供液固结磨料自锐性磨抛方法在研磨液中添加纳米颗粒，在研磨过程中纳米颗粒有助于研磨垫基体材料进行去除，使下一层磨粒及时露出，提高固结磨料的研磨垫的自锐性，维持去除率的稳定，减少加工过程中研磨垫的修整次数，减少工件的加工周期等。

3、同时纳米颗粒的存在能够增加研磨工具与加工表面之间的润滑特性，由于纳米颗粒的小尺寸效应和表面比效应能够有效避免固结磨料的团聚现象，分散研磨颗粒在加工表面的分布，使得被加工表面的材料去除率更均匀，破坏性划痕更少。

所以在固结磨料研磨液中添加纳米颗粒，提高研磨垫的自锐性和磨抛工具与工件表面的润滑性，可减少研磨垫的修整次数。研磨工具通过中心管道供液改进研磨液的供给方式，克服中心区域供液不足的问题，通过改善润滑效果减少研磨垫表面磨粒的脱落速度，稳定去除效率，提高磨抛工艺的可控性，为实际磨抛加工提供高效稳定的新方法。

附图说明

图1是本发明的研磨工具结构示意图。

图2是现有技术的研磨工具工作原理示意图。

图3是第一组实验在研磨实验后单点去除斑的轮廓图。

图4是第二组实验在研磨实验后单点去除斑的轮廓图。

图5是第三组实验在研磨实验后单点去除斑的轮廓图。

图6是第一、二、三组各组实验结果最大去除深度的对比图。

图7是实验前固结磨料的研磨垫形貌照片；

图8是第一组试验后研磨垫表面形貌照片；

图9是第三组试验后研磨垫表面形貌照片。

图中：1、连接杆；2、供液入口；3、电主轴；4、柔性联轴器；5、软管；6、研磨底盘；7、软材料夹层；8、研磨垫；9、工件；10、研磨液；11、工作台；12、喷嘴。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种固结磨料自锐性磨抛的研磨工具，包括相互连接的连接杆1和研磨底盘6，所述连接杆1与驱动其旋转的装置连接，所述研磨底盘6上安装研磨垫8，所述研磨垫8由固结磨料制成，所述研磨垫8随研磨底盘6转动研磨工件9表面；所述连接杆1、所述研磨底盘6以及所述研磨垫8三者中心均设有用于流通研磨液10的管道；研磨液10经由所述管道从所述研磨垫8端面上的管道口向工件9表面旋转喷出。图1所示，研磨液10经由供液入口2，沿所述管道，最终从所述研磨垫8端面上的管道口向工件9表面旋转喷出。

进一步地，所述连接杆1和所述研磨底盘6可通过柔性联轴器4连接。所述连接杆1、所述研磨底盘6以及所述研磨垫8三者中心可开有贯通的孔，孔内设有流通研磨液10的管道，由于连接杆1和研磨底盘6均为中空结构，两者相连的管道内可内嵌软管5，由于连接杆1和研磨底盘6均为中空结构，研磨液10可通过软管5进行流通。软管5两端的密封性要求会随着供液压强的提高而提高。其次，为了补偿装夹误差，提高工具抗振性，改善与工件9之间的贴合性和接触压力的均匀性，所以可使用柔性联轴器4对所述连接杆1和所述研磨底盘6进行连接。

进一步地，在所述研磨底盘6和所述研磨垫8之间可设有软材料夹层7。所述软材料夹层7可为海绵夹层。为了进一步提高了工具与工件9表面的贴合性，在所述研磨底盘6和所述研磨垫8之间增加了柔软的海绵夹层。

本发明还提供一种固结磨料自锐性磨抛的研磨方法的实施例，该方法采用研磨工具上安装研磨垫8，所述研磨垫8由固结磨料制成，所述研磨垫8随所述研磨工具转动来研磨工件9表面，在研磨工件9时使用研磨液10喷射加工区域，所述研磨工具中心设有用于流通研磨液10的管道；所述研磨液10经由所述管道从所述研磨垫8端面上的管道口向工件9表面旋转喷出。

进一步地，所述研磨液10中可添加纳米颗粒，所述研磨液10中纳米颗粒浓度可为0.01～15％。进一步地，所述研磨液10的纳米颗粒可为氧化铈纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒以及二氧化硅纳米颗粒中的其中一种或几种组合。组合比例可任意。中心供液固结磨料自锐性磨抛方法在研磨液10中添加纳米颗粒，在研磨过程中纳米颗粒有助于研磨垫8基体材料进行去除，使下一层磨粒及时露出，提高固结磨料的研磨垫8的自锐性，维持去除率的稳定，减少加工过程中研磨垫8的修整次数，减少工件9的加工周期等。

进一步地，所述研磨液10在所述管道内的压力可为0.1～1.0mpa。

进一步地，所述研磨工具可与设有中心出水机构的电主轴3搭配使用。

进一步地，所述研磨工具与所述电主轴3可采用er夹头连接。中心供液方式对密封提出了严格的要求，为保证装置的定位和密封功能，所述研磨工具与电主轴3等驱动装置的的连接装置如连接杆1等，连接杆1可与电主轴3采用er夹头连接，并通过er螺母进行锁紧，以此来达到定位和密封的目的。

本发明的工作原理：

在本发明中，相对于传统的固结磨料研磨使用去离子水作为研磨液10，本发明对研磨液10进行了改进，在研磨液10中添加了一定浓度的氧化铈或二氧化硅等纳米磨粒，增加固结磨料的研磨垫8的自锐性，使表层磨粒脱落后，基体材料能够得到不断的侵蚀磨损，进而使下一层磨粒及时露出，保持去除效率稳定，减少研磨垫8的修整次数。

传统固结磨料研磨采用去离子水作为研磨液10，虽然比较清洁，能够起到带走加工的碎屑及加工热量，但是其本身对提高去除效率以及维持去除效率稳定性没有直接作用。在研磨过程中，被加工平面粗糙度往往是微米或亚微米级的，表面质量较高，当固结磨料的研磨垫8表层的磨粒经过长时间对切削加工去除后，磨粒松动，从研磨垫8基体材料表面脱落，此时，研磨垫8基体材料直接与工件9表面进行接触，然而，由于研磨工件9表面平整、表面质量较高，即使工件9的硬度很大，也无法对研磨垫8基体材料进行修整，使基体材料及时剥落，这导致研磨一定时间后，表层只有少许磨粒露出，几乎无法继续对表面材料进行去除。而通过在研磨液10中添加一定浓度的磨粒，当研磨过程中，磨粒在研磨垫8基体材料与工件9之间，受到挤压后直接与研磨垫8基体材料接触，通常研磨垫8基体材料为树脂结合剂或金属结合剂，硬度或抗磨损能力小于磨粒及工件9，容易在磨粒的作用下发生磨损、破碎、剥落，使磨粒能够及时露出表面，继续对工件9表面进行加工去除。

本发明方法在传统固结磨料研磨的基础上对研磨液10的供给方式进行了改进，如图1所示，研磨液10被从中心向四周进行供给。

在本发明中，不同于传统研磨工艺研磨液10供给方式，本发明的创新之处在于供液方式的转变，将研磨液10从工具中心进行供给，极大的改善了研磨液10的分布和利用效率。在本发明中，研磨工具在正常工作时，研磨液10可以以一定压强、顺利稳定的从工具中心区域进行供给。

传统的研磨工艺的供液方式如图2所示，工件9置于工作台11上，去离子水通过喷嘴12喷射向旋转的工件9的四周。本发明采用的中心出水的研磨工具，如图1所示，选用带有中心出水功能的电主轴3搭载中心供液研磨工具。经过实验表明，该结构在供液压强小于等于1.0mpa时足以满足密封要求。实验时可保持研磨液10小流量供给，材料去除机理与传统固结磨料研磨基本相同。

本发明的研磨去除率及去除稳定性对比实验：

将研磨液10从工具中心进行供给，其供液方式简称中心供液，传统固结磨料研磨方式采用去离子水通过喷嘴12喷射向旋转的工件9的四周，其供液方式简称四周供液。针对两种不同的供液方式，以及不同的研磨液10，研磨方法产生的加工效果情况进行分析，进行定点研磨加工实验。

实验分为三组：

第一组，采用固结磨料的研磨垫8(金刚石磨粒，粒径为10μm)，采用去离子水作为研磨液10，供液方式为四周供液，转速为800rpm，依次研磨三个点，每个点停留30s，期间不修整研磨垫8。

第二组，采用固结磨料的研磨垫8(金刚石磨粒，粒径为10μm)，采用纳米氧化铈研磨液10(磨粒粒径30nm，浓度12％)，供液方式为四周供液，转速为800rpm，依次研磨三个点，每个点停留30s，期间不修整研磨垫8。

第三组，采用固结磨料的研磨垫8(金刚石磨粒，粒径为10μm)，采用去纳米氧化铈研磨液10(磨粒粒径30nm，浓度12％)，供液方式为中心供液，转速为800rpm，依次研磨三个点，每个点停留30s，期间不修整研磨垫8。

实验结果如图3至图9所示，其中，图3至图5显示为各组实验点研磨实验后单点去除斑的轮廓，图6显示为各组实验结果最大去除深度的对比，图7为实验前固结磨料的研磨垫8形貌，图8为研磨三个点后第一组研磨垫8表面形貌，图9为研磨三个点后第三组研磨垫8表面形貌。

观察图3至图5各组去除轮廓及其最大去除深度的结果发现，一方面，最大去除深度都是随着加工点次序依次减小，表明在三种研磨方法中，固结磨料的研磨垫8都有一定程度的磨损，研磨垫8表层磨粒剥落，使去除率降低，然而观察各组去除深度变化情况发现，四周供液研磨液10添加磨粒时，最大去除深度变化概率与采用去离子水时基本一致，然而，当采用中心供液并在研磨液10添加磨粒的方式时，最大去除深度的变化趋势有了明显的改善，第三点的最大去除深度与第二点十分接近，表明通过中心供液的方式，能够使磨粒更加均匀的分布于研磨垫8与工件9之间，使研磨垫8表面的基体材料及时剥落，磨粒及时更新，保持去除效率稳定，减少固结磨料的研磨垫8的修整次数。另一方面，观察图6各组实验结果最大去除深度的对比结果发现，四周供液方式下，在研磨液10中添加一定浓度的氧化铈磨粒后，最大去除深度大于采用去离子水的研磨方法，因为研磨时间非常短，软磨粒对工件9表面基本没有去除，因此表明通过添加氧化铈磨粒使研磨垫8磨粒能够及时更新，提高研磨的去除效率。当同时都采用添加磨粒的研磨液10后，采用中心供液的方式进一步提高了去除效率，并且增加了去除率的稳定性，表明采用中心供液的方式是研磨液10供给充足，克服了传统四周供液方式下高速研磨时研磨液10难以进入加工区域的问题，提高加工过程中固结磨料的研磨垫8的自锐性。

同时，观察图3的结果发现，当采用四周供液不添加磨粒的研磨方式时，去除轮廓的形状随着加工点的次序变化极大，观察第三点的轮廓发现，当研磨垫8使用60s-90s时，单点去除斑轮廓中心区基本没有去除，表明表面的磨粒大量脱落，同时由于研磨液10无法进入中心区域，导致中心区域磨粒脱落速度比四周快。而观察图4、图5的情况发现，去除轮廓的一致性更高，表明添加磨粒后对固结磨料的研磨垫8磨粒的更新起到了很大的作用，增加了固结研磨垫8的自锐性。

观察图7研磨垫8初始形貌扫描电镜观察结果发现，初始表面磨粒密度较大，磨粒露出状况良好，观察图8的结果发现，四周供液无磨粒的研磨方式研磨后，研磨垫8表面已经看不到明显的磨粒，表明表层磨粒脱落后，由于表面质量较高，无法使研磨垫8基体材料磨损脱落，下一层磨粒无法及时露出。而观察图9的结果发现，采用中心供液添加纳米磨粒的研磨方式研磨后，固结磨料的研磨垫8表面可以看到有明显的新的磨粒露出表面。表明通过中心供液并在研磨液10中添加纳米磨粒的方法，有利于提高固结磨料的研磨垫8的自锐性。

综上所述，本发明提出的中心供液固结磨料自锐性研磨方法可以使研磨液10供给更加充足，提高固结磨料研磨的自锐性，提高研磨工艺的材料去除效率，提高去除轮廓的稳定性，有利于提高加工效率，缩短加工周期。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。