CN108015666A - 一种单平面研抛加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单平面研抛加工方法，它是利用单面研磨/抛光设备对薄片工件进行研磨/抛光加工的方法；该方法将薄片工件通过液体膜吸附在基板上，并利用固定在基板平面上的限位片限制薄片工件在研磨/抛光过程中沿基板平面滑动；所述限位片上具有槽孔，所述薄片工件置于所述槽孔内；所述限位片与所述基板平面的高度差不大于所述薄片工件与所述基板平面的高度差。该方法不仅具有操作方便、无污染、成本低、抛光质量高的特点，还可以以当量增厚的方式提升零件的厚度，使得工件能够承受更大的研抛压力，从而获得更高的研抛效率，可以用于薄片工件的研抛加工。
Description
技术领域
本发明涉及精密与超精密加工技术领域，特别涉及一种单平面研抛加工方法。
背景技术
近年来，随着对产品性能的要求越来越高，对器件的要求也越来越高，对制作器件的原材料的要求也越来越高，如晶体振荡片采用的石英晶体片，厚度越薄，振荡频率越高；譬如作为衬底片的蓝宝石片，片越薄越有利于散热，可提高器件的性能；器件的减小，在体积相同的情况下集成度越高，性能越好。工件减薄后，还可大幅度减少原材料的消耗，提高材料利用率，降低产品的生产成本，提高产品的竞争力和利润率。由于工件厚度的变薄，工件的强度在变小，薄片型零件在装夹时对微小应力变化的反馈更加明显。在传统装夹工艺中，薄片型零件的装夹方式主要通过石蜡或者真空吸附，但具有一定的局限性，采用石蜡粘结的方式需要进行升温及降温的操作，对工件表面应力产生影响，且难以保证石蜡涂覆的均匀性，无法保证最终加工表面的平行度。对于脆性薄片型零件，在加工时由于应力的不均匀分布容易使得零件产生碎裂，而对于塑性薄片型零件，则可能会使工件在加工过程中发生形变，造成废品率大大提升的问题。
研抛压力的增大可以提高材料去除率，从而提高抛光效率。但是，工件所能承受的研抛压力存在上限值(称为研抛压力上限)，超过该值，工件非常容易因应力集中发生碎片或变形。可见，工件的研抛压力上限的提高可以带来加工效率的提升。
发明内容
本发明提供了一种单平面研抛加工方法，该方法不仅具有操作方便、无污染、成本低、抛光质量高的特点，还可以以当量增厚的方式提升零件的厚度，使得工件能够承受更大的研抛压力，从而获得更高的研抛效率，可以用于薄片工件的研抛加工。
本发明的技术方案：一种单平面研抛加工方法，它是利用单面研磨/抛光设备对薄片工件进行研磨/抛光加工的方法；该方法将薄片工件通过液体膜吸附在基板上，并利用固定在基板平面上的限位片限制薄片工件在研磨/抛光过程中沿基板平面滑动；所述限位片上具有槽孔，所述薄片工件置于所述槽孔内；所述限位片与所述基板平面的高度差不大于所述薄片工件与所述基板平面的高度差。
与现有技术相比，本发明的加工方法所采用的夹持方式，相当于当量增厚薄片工件的厚度，研究表明，使用本发明的加工方法，工件在研抛过程中受到的应力分布更加均匀，从而材料去除更加均匀，研抛质量更高，且工件的研抛压力上限也更大，能够获得更高的研抛效率；此外，本发明的方法对薄片工件的截面形状的没有要求，还具有适用范围广的优势。
前述的单平面研抛加工方法中，所述限位片通过粘结剂与所述基板结合。采用粘结剂结合具有操作简单的特点。
前述的单平面研抛加工方法中，所述基板的材质为轴承钢和陶瓷材料。此时，抛光过程中，基板对工件的把持能力较强，限位片和工件之间的挤压接触应力较小，成品率较高。
前述的单平面研抛加工方法中，所述限位片材料为环氧玻璃纤维板、不饱和聚酯玻纤板或陶瓷板。此时，限位片具有较强的抗剪切力、刚度强、膨胀系数小、不易磨损等特性，不仅工件在研抛过程中发生脱离的概率较低，而且具有使用寿命长的特点。
前述的单平面研抛加工方法中，所述液体膜由不可固化的液体构成。液体膜由不可固化的液体构成起到防止因液体膜固化污染工件表面的作用。
前述的单平面研抛加工方法中，所述基板与所述薄片工件配合处的形状精度不低于所述薄片工件的形状精度要求。由于工件被吸附在基板表面上，在工件承受压力时，工件会在一定程度上产生变形，此时，被加工零件的精度为复制基板的表面形状精度所得。因此，平面度和平行度不低于工件所要求的形状精度的基板，可以保证加工后工件的面形精度。
前述的单平面研抛加工方法中，所述薄片工件的厚度小于2mm。试验表明，本发明的方法适合对厚度小于2mm的薄片零件进行加工，抛光压力上限较常规方法能提高至少30％。
前述的单平面研抛加工方法中，所述薄片工件为平面工件；所述限位片的厚度为所述平面工件厚度的65～85％；所述限位片与所述平面工件的最大间隙为0.1～0.3mm。试验表明，此时，工件更不容易脱离限位片的限制，且加工过程中，液体膜不易被加工液污染。
前述的单平面研抛加工方法中，所述薄片工件为非球面工件；所述基板上具有与所述非球面工件的非球面相适配的非球面凹陷；所述非球面工件通过液体膜吸附在所述基板的非球面凹陷处。使用本发明的方法加工非球面工件，加工后，无残余应力释放，加工精度更高，而且避免了非球面工件因真空吸附导致的变形。
前述的单平面研抛加工方法中，所述限位片与所述基板表面的高度差为所述非球面工件与所述基板表面的高度差的60～90％；所述限位片与所述非球面工件的最大间隙为0.2～0.4mm。试验表明，此时，工件更不容易脱离限位片的限制，且加工过程中，液体膜不易被加工液污染。
附图说明
图1是用本发明方法加工平面工件示意图；
图2是用本发明方法加工圆形平面工件的示意图。
图3是用本发明方法加工非球面工件的示意图；
图4是用本发明方法加工方形非球面工件的示意图。
附图标记：1-基板，2-限位片，3-液体膜，4-平面零件，5-粘结剂，6-修整环，7-研磨盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
当液体滴在一个相对光滑的表面时，会形成液滴，而在液滴上面放置同样相对光滑的物体时，液体收到压迫会形成一层液膜，该液膜会在一定的压力下排除两个物体之间的空气，从而形成“物体-液滴-物体”这样层叠的方式，使得两物体在分子间作用力及大气压力的作用下，被牢牢地吸附在一起。基于这一现象所产生的吸附作用可称为液体膜吸附。
本发明的单平面研抛加工方法，是利用单面研磨/抛光设备对薄片工件进行研磨/抛光加工的方法；该方法将薄片工件通过液体膜吸附在基板上，并利用固定在基板平面上的限位片限制薄片工件在研磨/抛光过程中沿基板平面滑动；所述限位片上具有槽孔，所述薄片工件置于所述槽孔内；所述限位片与所述基板平面的高度差不大于所述薄片工件与所述基板平面的高度差
在基板与工件之间形成液体膜后，液体膜会将两者之间的空气排出，从而形成真空状态。此时，作用于基板及工件之间的力包括分子间作用力以及大气压施加的压力，能将工件牢牢的吸附在基板上。
粘结剂应具有快干、防水、抗剪切力强等特性，可以采用3M公司生产的防水快干密封胶。鉴于在吸附过程中，平面工件受摩擦力的影响易发生切向滑动，而粘结剂主要承受在研磨/抛光过程中平面工件所承受的切向力，其所具有的坑剪切力特性能大大降低平面工件的切向位移，提升可靠性；防水、快干的特性能提升粘结剂的寿命。
基板的构成材料应具有刚度强，膨胀系数小，具有较好的化学特性，如轴承钢、陶瓷材料等。基板选用具有以上特性的材料时，抛光过程中，基板对工件的把持能力较强，限位片和工件之间的挤压接触应力较小，成品率较高。
限位片材料应具有较强的抗剪切力、刚度强、膨胀系数小等特性，如不饱和聚酯玻纤板或陶瓷板。限位片选用所述材料时，在承受工件对其施加的切向力时，不易产生变形，起到避免工件受力脱离限位片限制的作用。
液体膜采用不可固化的液体，可以避免液体膜在一定条件下固化后污染工件表面。考虑到水膜无污染，易于获得，且经济，可以使用水制作液体膜。
本发明的方法对工件截面形状没有要求，适合对不同截面形状的薄片工件进行研抛加工。当薄片工件为平面工件时，限位片的厚度可以是平面工件厚度的65～85％；限位片与平面工件的最大间隙可以是0.1～0.3mm；试验表明，此时，工件更不容易脱离限位片的限制，且加工过程中，液体膜不易被加工液污染。当薄片工件为非球面工件时，限位片与基板表面的高度差可以是非球面工件与基板表面的高度差的60～90％；限位片与非球面工件的最大间隙可以是0.2～0.4mm；同样，试验表明，此时，工件更不容易脱离限位片的限制，且加工过程中，液体膜不易被加工液污染。(所述的非球面工件为一侧为平面另一侧为非球面的薄片零件；所述的平面工件为两侧均为平面的薄片工件；限位片与基板表面的高度差即限位片和粘结剂的厚度之和。)
实施例1
参见图1和图2，本实施例中，基板1为圆盘状，采用陶瓷材料；限位片2为圆环状，采用玻璃纤维板；液体膜3为水膜；薄片工件4为0.27mm厚度的2英寸蓝宝石，形状为圆形；粘结剂5采用3M公司的防水速干胶水。加工前操作：首先将粘结剂5均匀涂抹于限位片2上，并将限位片2与基板1牢牢粘结在一起，然后在基板1未被限位片2覆盖的区域滴上水，将薄片工件4呈差不多30°的夹角轻轻靠于限位片2的槽孔边界上，并利用薄片工件4自重落于基板1上从而形成水膜3，最终轻压工件，从而排出薄片工件4与基板1之间的空气，形成均匀覆盖的水膜3。加工时，修整环6放置于研磨盘7上，吸附有薄片工件4的基板1放置于修整环6内部，并在基板1的表面施加一定的压力，研磨盘7以一定的角速度转动，从而驱动修整环6进行转动，由修整环6及研磨盘7的共同驱动基板1及薄片工件4转动，从而实现对薄片工件4的研磨/抛光加工。
本发明方法在加工0.27mm厚度的2英寸蓝宝石晶片时，在施加的压力达到50KPa的情况下，不发生碎片。加工后，蓝宝石晶片具有更高的平面度及平行度，工件在抛光过程中受到的应力分布更加均匀，从而材料去除更加均匀，抛光质量更高，且工件的抛光压力上限也更大，能够获得更高的抛光效率。
实施例2
参见图3和图4，与实施例1不同的是，本实施例中：基板1的形状为方形；限位片2为带方孔的方片状；薄片工件4为非球面玻璃工件
加工开始前，首先将粘结剂5均匀涂抹于限位片2上，并将限位片2与基板1牢牢粘结在一起，然后在基板1未被限位片2覆盖的区域滴上水，将薄片工件4呈30°夹角轻轻靠于限位片槽孔边界上，并利用薄片工件4自重落于基板1上从而形成水膜3，最终轻压薄片工件4，从而排出薄片工件4与基板1之间的空气，形成均匀覆盖的水膜。修整环6放置于研磨盘7上，吸附有薄片工件4的基板1放置于修整环6内部，并在基板1上施加一定的压力，研磨盘7转动，从而驱动修整环6转动，由修整环6及研磨盘7的共同驱动基板1及薄片工件4转动，实现研抛加工。
试验表明，本发明的研抛加工方法可以使得被加工的薄片型工件承受更大的压力，可进一步提升加工时的加工效率。由于基板的增厚作用，该方法不受工件厚度的限制，可以使用现有的加工技术加工更薄的工件，实现了超薄片的平面抛光加工，从而大幅提高了抛光效率。
上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于所述发明的其它的技术方案。
Claims (10)
1.一种单平面研抛加工方法，其特征在于：它是利用单面研磨/抛光设备对薄片工件进行研磨/抛光加工的方法；该方法将薄片工件通过液体膜吸附在基板上，并利用固定在基板平面上的限位片限制薄片工件在研磨/抛光过程中沿基板平面滑动；所述限位片上具有槽孔，所述薄片工件置于所述槽孔内；所述限位片与所述基板平面的高度差不大于所述薄片工件与所述基板平面的高度差。
2.根据权利要求1所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述限位片通过粘结剂与所述基板结合。
3.根据权利要求1所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述基板的材质为轴承钢和陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述限位片材料为环氧玻璃纤维板、不饱和聚酯玻纤板或陶瓷板。
5.根据权利要求1所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述液体膜由不可固化的液体构成。
6.根据权利要求1所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述基板与所述薄片工件配合处的形状精度不低于所述薄片工件的形状精度要求。
7.根据权利要求1所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述薄片工件的厚度小于2mm。
8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述薄片工件为平面工件；所述限位片的厚度为所述平面工件厚度的65～85％；所述限位片与所述平面工件的最大间隙为0.1～0.3mm。
9.根据权利要求1至7任一权利要求所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述薄片工件为非球面工件；所述基板上具有与所述非球面工件的非球面相适配的非球面凹陷；所述非球面工件通过液体膜吸附在所述基板的非球面凹陷处。
10.根据权利要求9所述的单平面研抛加工方法，其特征在于：所述限位片与所述基板表面的高度差为所述非球面工件与所述基板表面的高度差的60～90％；所述限位片与所述非球面工件的最大间隙为0.2～0.4mm。
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