球面工件研磨抛光用固结磨料垫及制备方法

摘要

一种球面工件研磨抛光用固结磨料垫及制备方法，其特征是它由球面基体层（2）和固结在基体层（2）上的磨料层（1）组成，所述的磨料层（1）由多块凸起结构组成，各凸起结构之间形成用于收集抛光液、磨屑和磨粒的容屑槽；越靠近抛光垫顶点处的凸起结构表面的磨粒密度越小。其制备过程是通过两次固化成型制备，（1）磨料层和基体层备料；（2）将磨料层均匀地涂抹在平面模具中；再在磨料层上涂布基体层（2）盖模，进行初步固化；（3）将初固化成型的固结磨料平面垫放入相应的球面磨具中，加热加压，使其二次固化最终成型。本发明的固结磨料球面研磨垫制备过程简单，加工效率高、过程稳定、面型精度高、表面质量好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种球面零件的研磨抛光技术，具体地说是一种球面工件研磨抛光用固结磨料垫及制备方法。

背景技术

目前，随着现代科学技术的迅速发展，尤其是光学制导技术的发展，半球形光学元件广泛应用于飞行器的窗口、先进武器光学制导系统的窗口和导弹头罩等。整流罩的主要功能是在高速飞行中，对空气进行整流，并同时起到光学窗口的作用。上述功能对其表面质量提出了很高的要求。蓝宝石、氟化镁和尖晶石等材料以其高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高耐高温性以及良好的红外、紫外透光性能得到广泛应用。对于这些表面要求比较高的硬脆材料，研磨抛光是其终加工的唯一手段。而研磨抛光垫是研磨抛光加工最重要的工具之一，决定了器件最终的加工质量、加工效率和加工成本。

目前，球面整流罩工件的研磨工艺主要采用丸片粗研与精研，而抛光则采用氧化铈游离磨料加工。白天明提出了一种球面磨具保形磨损的高速研磨方法（白天明，球面磨具保形磨损高速研磨[硕士学位论文]，2004）。利用丸片粘结成盘，在球面高速研磨机上采用成形法加工球面工件。探讨了实现球面磨具保形磨损的理论，按照这一理论设计了保形磨损的球面磨具。上述加工方法主要存在以下几方面问题：1）丸片粗研与精研工艺中，工具均采用丸片按一定的图形成盘，工序繁复，粘接图形因人而异，一致性差；2）粘贴后的丸片工具与最终形状要求相差较大，修盘困难；3）抛光时，抛光液难以进入工件的顶部，造成顶部材料去除速率与其它位置不一致，加工效率与面形难以保证。南京英星光学仪器有限公司提出了一种球面光学元件加工用固结磨料研磨抛光垫（CN102658522A），其特征是磨料和热固性树脂均匀混合，固化后形成球面固结磨料研磨抛光垫，磨料∶树脂的质量百分比为5％～50％∶50％～95％。但该专利中固结磨料研磨抛光垫为一层结构，且无优化的突起图案。为此，开发一种制备方法简单高效、粘接方便、一致性好且加工效率高、工件质量好以及符合绿色制造理念的固结磨料球面垫是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有的研磨抛光垫不能适应球面零件研磨抛光需要，并存在结构简单，效率低的问题，设计一种加工效率高、制备过程可操作性强的球面工件研磨抛光用固结磨料垫，同时提供一种其制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种球面工件研磨抛光用固结磨料垫，其特征是它由球面基体层2和固结在基体层2上的磨料层1组成，所述的磨料层1由多块凸起结构组成，各凸起结构之间形成用于收集抛光液、磨屑和磨粒的容屑槽；越靠近垫顶点处的凸起结构表面的磨粒密度越小。

所述的基体层的厚度为0.2-2毫米，所述的凸起结构呈矩形、三角形、环形、圆形或梯形，它的高度在0.5-5毫米之间。

本发明的技术方案之二是：

一种球面工件研磨抛光用固结磨料垫的制造方法，其特征是它包括以下步骤：

    首先，根据球面展开图和所设计的组成磨料层1的凸起结构的形状设计出带有凹槽的平面模具3，在所述的平面模具周围应设计出高度与基本层2厚度相当的围圈4；

    其次，配制磨料层和基体层原料； 

    第三，将磨料层原料均匀地涂抹在平面模具的凹槽5中，使磨料层原料充满所有凹槽并压实使之与凹槽的顶面齐平； 

    第三，将基体层原料加入所述的围圈4组成的空间中，并压实加入的基体层原料与围圈4的上表面齐平；

    第四，利用与平面模具外形相配的盖板6盖住平面模具3，进行初步固化，控制初步固化时间在12-30分钟之间，得到固结磨料平面垫；

    第五，将经初步固化后的固结磨料平面垫放入由凸模7和凹模8组成的球面定型磨具中，加热加压，进行二次固化，控制二次固化时间不小于2小时，即可得到球面工件研磨抛光用固结磨料垫。

所述的凹槽的形状呈矩形、三角形、环形、圆形或梯形，深度在0.5-5毫米之间。

本发明的磨料层的密度可通过磨料层原料或凸起图案控制，磨料层原料可由若干份磨料密度呈梯级分布的小份组成，通过图案控制磨料密度时可通过图3中的凸起的大小与间隔距离实现，图3是圆形抛光垫的俯视图，从中可看出，固结磨料垫的内侧（即图3的中心，相当于半球的顶点位置处）与外缘（即图3的外圆，相当于半球靠近平面截面位置处）的密度较其它地方低。

本发明的有益效果：

本发明的研磨抛光垫可广泛应用于飞行器的窗口、先进武器光学制导系统的窗口和导弹头罩等半球形光学元器件的研磨抛光加工，加工性能比较稳定、加工效率高、加工表面质量好、面型精度高。

本发明的固结磨料球面垫采用优化的凸起图案，磨损均匀性比较好，面型不易改变，提高了加工的稳定性与加工精度，可长时间连续工作，提高了加工效率。

本发明的固结磨料球面垫制作过程简单，只需改变二次固化时的球面模具尺寸，能够快速制作出适合不同半径凹凸球面元器件加工的研磨抛光垫。

本发明的固结磨料球面垫对加工设备的要求比较低，且加工效率高。

本发明的固结磨料球面垫可以用水作为研磨抛光液，不仅成本低，而且不会对环境造成污染，符合当今绿色制造的要求。

附图说明

    图1是本发明的固结磨料球面垫的结构示意图。

    图2是本发明的平面模具及盖板的结构示意图。

    图3是本发明的平面模具的俯视图。

图4是本发明的球面定型模具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    实施例一。

    如图1所示。

一种球面工件研磨抛光用固结磨料垫，它由球面基体层2和固结在基体层2上的磨料层1组成，所述的磨料层1由多块凸起结构9组成，各凸起结构9之间形成用于收集抛光液、磨屑和磨粒的容屑槽10；越靠近抛光垫顶点处的凸起结构9表面的磨粒密度越小。如图1所示，基体层2的厚度可为0.2-2毫米，所述的凸起结构9可呈矩形、三角形、环形、圆形或梯形，它的高度可在0.5-5毫米之间。

实施例二。

如图1-4所示

一种球面工件研磨抛光用固结磨料垫的制造方法，它包括以下步骤：

    首先，根据球面展开图和所设计的组成磨料层1的凸起结构9的形状设计出带有凹槽5的平面模具3，在所述的平面模具3周围应设计出高度与基本层2厚度相当的围圈4；如图2、3所示

    其次，配制磨料层和基体层原料；磨料层原料由磨料、粘结剂、各种性能调节添加剂以及固化剂、加速剂等充分混合均匀而成，与现有的磨料相同，基体层原料由粘结剂、滑石粉、各类性能调节剂及固化剂、加速剂等均匀混合而成，也与现有技术相同；

    第三，将磨料层原料均匀地涂抹在平面模具的凹槽5中，使磨料层原料充满所有凹槽并压实使之与凹槽的顶面齐平； 

    第三，将基体层原料加入所述的围圈4组成的空间中，并压实加入的基体层原料与围圈4的上表面齐平；

    第四，利用与平面模具外形相配的盖板6盖住平面模具3，进行初步固化，固化温度可参照相关手册或现有的抛光垫的固化温度执行，控制初步固化时间在12-30分钟之间，得到平面垫；应保证初始固化后的平面抛光垫具有足够韧性，能够通过球面磨具加压使之变成球形，并且能够适应各种不同半径的球面；

    第五，将经初步固化后的平面垫放入由凸模7和凹模8组成的球面定型磨具中，如图4所示，加热加压，进行二次固化，加热的温度可参考相关手册或现有的抛光垫制造方法，以使平面抛光垫发生软化即可，加压压力可通过有限闪的试验调试决定，控制二次固化时间不小于2小时，即可得到图1所示的具有足够的刚性，不易变形，能够和所要加工的工件面型及金属基座基本吻合的球面工件研磨用固结磨料抛光垫。

其中的凹槽5的形状可呈矩形、三角形、环形、圆形或梯形，深度在0.5-5毫米之间。

为了实现均匀抛光，具体实施时还可通过控制抛光垫磨料层的磨料密度及图案来实现，即磨料层原料由若干份磨料密度呈梯级分布的小份组成，磨料密度通过图3中的凸起的大小与间隔距离实现，固结磨料垫的内侧与外缘的密度较其它地方低。从图3（半球的俯视图）中看，固结磨料垫的内侧（即图3的中心，相当于半球的顶点位置处）与外缘（即图3的外圆，相当于半球靠近平面截面位置处）的密度较其它地方低，同时从图3还可看出，球内面分成了多个（四个）相同的扇形区域（投影）。

实例1：

一种适合于尖晶石球面工件研磨的固结磨料研磨垫，它由金刚石、碳化硅、铜粉、树脂以及其它性能添加剂均匀混合固化后形成，其制备方法为：（磨料层）称取粒径为200~230目表面镀镍的金刚石150g，称取粒径为W40的碳化硅30g，称取粒径为500目的铜粉50g，称取树脂200g，称取其它性能添加剂12.5g，将上述物质均匀混合后，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀在涂抹到事先准备好的平面模具中；（基体层）称取树脂50g，称取性能添加剂2g，称取滑石粉50g，将上述物质均匀混合，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀在涂抹到磨料层表面，盖模；加热12分钟初步固化，放入球面模具中二次固化2小时，即可得到适合球面研磨抛光的固结磨料球面垫。

将上述制备好的固结磨料球面粘到研磨盘上，在抛光机上进行粗研球面尖晶石工件试验，研磨压力为0.1MPa，研磨盘的转速为900rpm，抛光液为去离子水不含有任何磨料，抛光液流量为1000ml/min，研磨5分钟后经检测，材料去除率为60um/min，工件的表面粗糙度Ra为859nm。

将上述的研磨压力换成0.08MPa，其他条件与参数不变的情况下研磨5分钟后，经检测材料去除率为50um/min，表面粗糙度Ra为795nm。

实例2：

一种适合于球面工件研磨的固结磨料研磨垫，它由金刚石、碳化硅、铜粉、石墨、树脂以及其它性能添加剂均匀混合固化后形成，其制备方法为：（磨料层）称取粒径为W28表面镀镍铜的金刚石120g，称取粒径为W10的碳化硅20g，称取粒径为500目的铜粉30g，称取树脂150g，称取石墨4g，称取其它性能添加剂10.5g，将上述物质均匀混合后，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀地涂抹到平面模具中；（基体层）称取树脂50g，称取性能添加剂2g，称取滑石粉50g，将上述物质均匀混合，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀地涂抹到磨料层表面，盖模；加热14分钟初步固化，放入球面模具中二次固化2小时，即可得到适合球面研磨的固结磨料研磨球面垫。

将上述制备好的固结磨料研磨垫粘到研磨盘上，在抛光机上进行精研球面K9玻璃试验，精研前的工件由200~230的研磨垫粗研过，研磨压力为0.1MPa，研磨盘的转速为900rpm，抛光液为去离子水不含有任何磨料，用乙二胺调节PH到11，抛光液流量为1000ml/min，研磨5分钟后经检测，材料去除率为35um/min，工件的表面粗糙度Ra为52nm。

    将上述的研磨压力换成0.06MPa，其他条件与参数不变的情况下研磨5分钟后，经检测材料去除率为25um/min，表面粗糙度Ra为45nm。

实例3：

一种适合于球面精研的固结磨料研磨垫，它由金刚石、碳化硅、铜粉、石墨、树脂以及其它性能添加剂均匀混合固化后形成，其制备方法为：（磨料层）称取粒径为W14表面镀镍的金刚石120g，称取粒径为W10的碳化硅20g，称取粒径为500目的铜粉30g，称取树脂150g，称取石墨4g，称取其它性能添加剂10.5g，将上述物质均匀混合后，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀地涂抹到平面模具中；（基体层）称取树脂50g，称取性能添加剂2g，称取滑石粉50g，将上述物质均匀混合，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀地涂抹到磨料层表面，盖模；加热15分钟初步固化，放入球面模具二次固化2小时或以上，即可得到适合球面精磨的固结磨料研磨垫。

将上述制备好的固结磨料球面垫粘到研磨盘上，在抛光机上进行精研球面K9玻璃试验，精研前的工件由200~230的研磨垫粗研过，研磨压力为0.08MPa，研磨盘的转速为900rpm，抛光液为去离子水不含有任何磨料，用乙二胺调节PH到11，抛光液流量为1000ml/min，研磨10分钟后经检测，材料去除率为8um/min，工件的表面粗糙度Ra为13nm。

    将上述的研磨压力换成0.04MPa，其他条件与参数不变的情况下研磨10分钟后，经检测材料去除率为4.5um/min，表面粗糙度Ra为9nm。

实例4：

一种适合于球面工件抛光的固结磨料抛光垫，它由氧化铈、树脂以及其它性能添加剂均匀混合固化后形成，其制备方法为：（磨料层）称取粒径为1.5um表面改性的氧化铈200g，称取树脂150g，称取其它性能添加剂10.5g，将上述物质均匀混合后，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀地涂抹到平面模具中；（基体层）称取树脂50g，称取性能添加剂2g，称取滑石粉50g，将上述物质均匀混合，加入热固化剂和加速剂再次搅拌均匀，然后均匀地涂抹到磨料层表面，盖模；加热30分钟初步固化，放入球面模具二次固2小时或以上，即可得到适合球面研磨抛光的固结磨料研磨抛光垫。

将上述制备好的固结磨料抛光垫粘到抛光盘上，在抛光机上进行抛光球面K9玻璃试验，抛光前的工件由W14的研磨垫精研过，抛光压力为0.05MPa，研磨盘的转速为900rpm，抛光液为去离子水不含有任何磨料，用乙二胺调节PH到11，抛光液流量为100ml/min，抛光10分钟后经检测，材料去除率为1um/min，工件的表面粗糙度Ra为0.41~0.52nm。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。