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CN111775071B - 一种用于加工硬脆材料的抛光轮及其制备方法 - Google Patents

一种用于加工硬脆材料的抛光轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于加工硬脆材料的抛光轮及其制备方法。本发明方法包括如下步骤：取无纺布作为抛光层基体，利用表面活性剂清洗无纺布，之后依次经过去离子水、无水乙醇洗涤，最后烘干；将已筛好磨粒、分散剂、添加剂、去离子水中混合、搅拌后加入偶联剂，并放入一定温度的水浴中持续搅拌、振动；将烘干的无纺布放入基液中浸渍，在一定温度的水浴状态下缓慢均匀搅拌一定时间，烘干；将烘干后的无纺布放入模具中，压制一定时间，制得抛光层。本方法工艺简单，成本低廉，易于实现和推广。

Description

一种用于加工硬脆材料的抛光轮及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种精加工工具，尤其是一种抛光加工用的含磨料抛光轮，具体地说是一种用于加工硬脆材料的抛光轮及其制备方法。
背景技术
工程陶瓷、光学玻璃、半导体晶片等硬脆材料有高硬度、高强度、高脆性、低密度、耐磨损、耐腐蚀、化学稳定性好等特点，广泛应用于航空航天、精密光学仪器等军民仪器装备和半导体领域中。无论是用于国防领域的仪器设备的工程陶瓷、光学玻璃，还是用于半导体行业的晶片，对其表面加工完整性和加工精度都有很高的要求。将硬脆材料加工出理想的表面质量，通常由游离磨料抛光工艺保证。在游离磨料抛光时，所采用的抛光垫中无磨料，不能对工件进行材料去除，需配合游离的磨料使用。然而，游离磨料抛光存在加工效率低、磨料损耗量大、加工成本高等问题。固结磨料抛光技术是在传统游离磨料抛光技术上改进和发展起来的，通过结合剂将离散磨料制成具有一定形状和强度的抛光垫，采用抛光垫抛光工件的方法。现有的固结磨料抛光垫是将磨料混合于高聚物以及分散介质中，通过高聚物的固化技术，制备成所需的抛光垫。
申请公布号为CN 102267105A的中国发明专利申请公开一种含铁固结磨料研磨抛光垫，其中，游离磨料采用树脂结合剂把持，通过改变抛光垫中铁粉的含量调节抛光垫的硬度和自锐性。然而抛光垫中未考虑到气孔的设置，在抛光过程中无法排屑，容易造成工件的划伤。申请公布号为CN 111216037A的中国发明专利申请公开一种固结磨料抛光垫结构及其制备方法，磨料被树脂结合剂包裹形成磨料层，在磨料层添加碳酸氢钠作为造孔剂，添加少量细丝纤维作为磨料层的骨架，支撑磨料层强度。然而当磨料粒径达到微米亚微米尺度时，磨料大部分被树脂结合剂包裹，抛光能力弱，材料去除率低。上述固结磨料抛光垫均存在气孔率低、易堵塞、工艺制备复杂，细粒度磨料抛光垫材料去除率低等问题，亟需解决。
发明内容
本发明的目的是针对现有固结磨料抛光垫气孔率低、易堵塞、无法制备细粒度磨料抛光垫等技术问题，而提供一种用于加工硬脆材料的抛光轮的制备方法。发明一种用于加工硬脆材料的抛光轮及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种用于加工硬脆材料的抛光轮，包括抛光层、抛光轮基底。所述抛光轮基底其下表面与机床相连，上表面与抛光层通过胶水粘结相连；抛光层，用于抛光硬脆材料，包含磨料、无纺布、添加剂、气孔。
本发明的抛光轮由于无纺布中的纤维随机分布交错形成大量的气孔，具有较大的排屑空间，避免工件在抛光过程中造成划伤。磨料由偶联剂固结在无纺布的纤维表面，都可有效参与工件抛光，抛光轮中磨料利用率高。添加剂可促使工件在抛光高温、高压的环境下发生化学反应，提高加工效率、工件表面加工质量。本发明可制备纳米级固结磨料抛光轮，加工后的工件表面质量高，亚表面损伤低。
本发明抛光轮的制备方法的具体技术方案为：
S1、无纺布清洗：将无纺布作为抛光层基体，使用表面活性剂对其进行清洗，之后依次经过去离子水洗涤，无水乙醇洗涤，最后热烘箱烘干；
S2、基液制备：将一定比例的磨料、分散剂、去离子水、添加剂混合均匀后加入一定比例的偶联剂，之后在一定温度的水浴中持续振动、搅拌一定时间，得到基液；
S3、无纺布浸渍：将S2制得的基液放入一定温度的水浴中，再将S1所得无纺布放入所述基液中浸渍且缓慢均匀搅拌一定时间，最后热烘箱烘干；
S4、压制成型：将S3得到的浸渍过后的无纺布放入模具中，在一定温度与压力条件下压制一定时间，制得抛光层。
S5、粘接：将S4制得的抛光层通过胶水黏附于抛光轮基底上，即得抛光轮。
进一步地，所述步骤S1中，无纺布中的纤维为植物纤维、动物纤维、矿物纤维、人造纤维、合成纤维、无机纤维中的一种或几种，纤维直径为300nm-130μm。所述表面活性剂为壬基酚的聚氧乙烯醚(TX/NP)、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚(FMEE)、异构十三碳醇醚、仲醇聚醚、月桂醇聚氧乙烯醚(AEO)、12-14碳伯醇聚氧乙烯醚(MOA)、净洗剂6501中的一种或几种。
进一步地，所述步骤S2中，按质量份数配制基液，磨料份数为1-90份，分散剂份数为1-20份，去离子水份数为10-900份，偶联剂份数为1-20份。所述磨粒为氧化锆、氧化硅、氧化铁、氧化铈、碳化硅、金刚石、刚玉、碳化硼、立方氮化硼中的一种或几种，磨粒粒径为1nm-200μm。所述添加剂为氧化镁、碳酸钠、氧化钙、高锰酸钾中的一种或几种；所述分散剂为六偏磷酸钠、三聚磷酸钾、磷酸二氢铝、焦磷酸钠、磷酸三钠、磷酸二氢钠中的一种或几种。所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铬络合物偶联剂中的一种或几种，所述水浴温度范围为20-200℃，所述搅拌时间为1min-200min。
进一步地，所述步骤S3中，所述水浴温度范围为20-200℃。
进一步地，所述步骤S4中，压制抛光层的过程中，温度范围为50-200℃，压力范围为0-8000kg，压制时间为1-120min。
本发明具有以下优点：
1、抛光轮中有大量气孔，有利于抛光过程中的散热和排屑；
2、本发明抛光轮磨料都可有效参与切削，磨料利用率高，可均匀去除工件材料，去除率高。
3、抛光轮制备工艺简单，成本低廉，易于实现和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体工艺流程简图；
图2为抛光轮的剖面示意图；
图3为图2中区域A的局部放大示意图；
图4为实施例1中的抛光层的局部放大图；
图5为实施例2中的抛光层的局部放大。
图中：1、抛光层；2、抛光轮基底；3、磨料；4、无纺布；5、添加剂；6、气孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
S1、无纺布清洗：取一块尼龙无纺布4使用表面活性剂清洗无纺布，之后依次经过去离子水洗涤，无水乙醇洗涤，最后热烘箱烘干；
S2、基液制备：取25g磨料3粒径为5微米的金刚石，1g三聚磷酸钾分散剂，100g去离子水，5g碳酸钠添加剂5混合均匀后加入3g钛酸酯偶联剂，之后在20℃的水浴中持续振动、搅拌；
S3、无纺布浸渍：将S2制得的基液放入20℃的水浴中，再将第一步所得无纺布4放入基液中浸渍且缓慢均匀搅拌10min，使用热烘箱烘干；
S4、压制成型：将S3浸渍后的尼龙无纺布4放入模具中，在温度150℃压力50kg下压制5min，制得抛光层1。
S5、粘接：将制得的抛光层1通过胶水粘接在抛光轮基底2上，即得抛光轮。其中，抛光层截面放大图如图4所示。
实施例2
S1、无纺布清洗：取一块羊毛无纺布4使用表面活性剂清洗无纺布，之后依次经过去离子水洗涤，无水乙醇洗涤，最后热烘箱烘干；
S2、基液制备：取35g磨料3粒径为200nm的二氧化硅磨料，5g六偏磷酸钠分散剂，150g去离子水，10g高锰酸钾添加剂5混合均匀后加入3g钛酸酯偶联剂，之后在40℃的水浴中持续振动、搅拌；
S3、无纺布浸渍：将S2制得的基液放入30℃的水浴中，再将第一步所得羊毛无纺布4放入基液中浸渍且缓慢均匀搅拌10min，使用热烘箱烘干；
S4、压制成型：将S3浸渍后的羊毛无纺布4放入模具中，在温度180℃压力30kg下压制2min，制得抛光层1。
S5、粘接：将制得的抛光层4通过胶水粘接在抛光轮基底2上，即得抛光轮。其中，抛光层截面放大图如图5所示。
以上方法制备的抛光轮，包括：
基体，其用于与机床相连并粘附抛光层，其下表面与机床相连，上表面与抛光层通过胶水粘结相连；
抛光层，其用于抛光硬脆材料，包含磨料、无纺布和添加剂，无纺布中的纤维随机分布交错形成气孔6。
将所需抛光的单晶硅片表面用无水乙醇擦洗干净后，采用实施例1制备磨料粒径5μm的金刚石抛光轮对单晶硅片进行抛光。采用工艺参数为：抛光压力100N，抛光轮转速500r/min，工件转速60r/min。对抛光后的单晶硅表面进行检测，粗糙度值Ra为5nm，材料去除率为1μm/min，硅片表面无划痕。
将所需抛光的单晶硅片表面用无水乙醇擦洗干净后，采用磨料粒径5μm传统树脂固结金刚石磨料抛光垫对单晶硅片进行抛光。采用工艺参数为：抛光压力100N，抛光轮转速500r/min，工件转速60r/min。对抛光后的单晶硅表面粗糙度值Ra为18nm，材料去除率为0.5μm/min，硅片表面有少量划痕。
经对比可知，采用本发明制备的抛光轮加工的硬脆材料表面质量好，材料去除率高，具有很高的推广价值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种用于加工硬脆材料的抛光轮的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、无纺布清洗：将无纺布作为抛光层基体，使用表面活性剂对其进行清洗，之后依次经过去离子水洗涤，无水乙醇洗涤，最后热烘箱烘干；
S2、基液制备：将一定比例的磨料、分散剂、去离子水、添加剂混合均匀后加入一定比例的偶联剂，之后在一定温度的水浴中持续振动、搅拌一定时间，得到基液；
S3、无纺布浸渍：将S2制得的基液放入一定温度的水浴中，再将S1所得无纺布放入所述基液中浸渍且缓慢均匀搅拌一定时间，最后热烘箱烘干；
S4、压制成型：将S3得到的浸渍过后的无纺布放入模具中，在一定温度与压力条件下压制一定时间，制得抛光层；
S5、粘接：将S4制得的抛光层通过胶水黏附于抛光轮基底上，即得抛光轮；
所述步骤S2中，按质量份数配制基液，磨料份数为1-90份，分散剂份数为1-20份，去离子水份数为10-900份，偶联剂份数为1-20份；所述磨料 为氧化锆、氧化硅、氧化铁、氧化铈、碳化硅、金刚石、刚玉、碳化硼、立方氮化硼中的一种或几种，所述添加剂为氧化镁、碳酸钠、氧化钙、高锰酸钾中的一种或几种；所述分散剂为六偏磷酸钠、三聚磷酸钾、磷酸二氢铝、焦磷酸钠、磷酸三钠、磷酸二氢钠中的一种或几种；所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铬络合物偶联剂中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的用于加工硬脆材料的抛光轮的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，无纺布中的纤维为植物纤维、动物纤维、矿物纤维、人造纤维、合成纤维、无机纤维中的一种或几种；所述表面活性剂为壬基酚的聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、异构十三碳醇醚、仲醇聚醚、月桂醇聚氧乙烯醚、12-14碳伯醇聚氧乙烯醚、净洗剂6501中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的用于加工硬脆材料的抛光轮的制备方法，其特征在于，纤维直径为300nm-130μm。
4.根据权利要求1所述的用于加工硬脆材料的抛光轮的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，磨粒粒径为1nm-200μm。
5.根据权利要求1所述的用于加工硬脆材料的抛光轮的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，一定温度的水浴，温度范围为20-200℃。
6.根据权利要求1所述的用于加工硬脆材料的抛光轮的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，压制抛光层的过程中，温度范围为50-200℃，压力范围为0-8000kg，压制时间为1-120min。
7.根据权利要求1～6任一项制备方法制备的抛光轮。
8.根据权利要求7所述的抛光轮，其特征在于，包括：
一基体，用于与机床相连并粘附抛光层，其下表面与机床相连，上表面与抛光层通过胶水粘结相连；
一抛光层，用于抛光硬脆材料，包含磨料、无纺布和添加剂，无纺布中的纤维随机分布交错形成气孔。
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