[发明专利]脆性材料磨削的方法和设备

说明书

该项发明涉及到在恒定压力下对脆性材料如玻璃，陶瓷和晶体材料进行精磨的方法。它尤其涉及到用于光学设备如照像机，视频器件和显微镜的脆性材料的磨削方法和设备。

本项发明所用的术语“脆性材料”是指一种硬质的脆性材料，即非晶材料，如光学玻璃，石英玻璃和非晶硅，晶体材料如萤石、硅、KDP(磷酸二氢钾)，KTP(KTIOPO₄)和水晶及陶瓷材料如碳化硅，矾土和氧化锆。总的来说，这些材料都有一个小于10×10⁶N/m^3/2的平面应变断裂韧度KIC(临界应力强度因子)。

当对这些脆性材料进行磨削时，这些材料通常是在“脆性加工模式的区域”(简称脆性模式区)内进行加工，随之带来的是脆性断裂，在加工面下会出现碎裂和碎片。然而，正如大家所知的那样，如果磨削深度非常小，这些脆性材料也可以在“塑性加工模式的区域，，(简称塑(韧)性模式区)内进行加工，而不会出现断裂和碎片，这就象金属材料如铁和铝的加工方式。

是在“脆性加工模式区”内或在“塑性加工模式区’’内进行磨削取决于磨削所用磨轮每颗磨粒的磨削深度。导致脆性断裂发生的最小磨削深度被称之为“临界磨削深度”，也就是说当磨削深度由零逐渐增大到该值时就发生脆性断裂，不同的材料这个值也不同。

当对脆性材料如玻璃，陶瓷或晶体在恒压下进行精磨时，一般采用的是由树脂结合剂或其它类似有弹性的材料制成的磨粒较细的磨轮来进行磨削。制成一个树脂基体磨轮，就是将酚醛树脂，聚酰亚胺树脂或类似的材料粉末与磨粒相混合，然后压力成形，最后烧结而成。

通过一个用普通的球形成形磨轮于恒压下磨制一个球形透镜的加工过程可以了解到：将一个已经模压成球形透镜形状的毛坯必须首先进行一个或两个阶段的粗磨加工，然后进行精磨也就是细磨，最后，由处于自由状态的磨粒对球形透镜进行一或两次抛光以精修球形透镜。一般来说，树脂结合剂磨轮用作抛光工序前进行的精修也就是用作细磨工序的磨削工具。

近年来，一些研究机构研究出一种具有固定磨削深度的精磨方法。这种方法也称为“塑性加工模式磨削”。据此方法，磨轮上的磨粒高度经过高精密修整变得均匀整齐，用这样一个高精密，大刚度的机器以小于临界磨削深度的很小深度来磨削被磨材料(这里所指的临界磨削深度是当被磨材料的磨削深度逐渐增大到该值时，材料的加工方式就由塑性加工转变为脆性加工模式)。由此方法，可清楚的得出这样的结论：即使象玻璃这样的脆性材料也可以象金属那样在塑性加工模式下进行磨削加工。此外，日本已公开的专利(申请人KOKAI)No.5—16070和5—185372的说明书中也详细地对该技术作了说明。即在塑性加工模式下进行磨削加工，磨轮的磨粒尖端的高度必须经过高精密修整使其变得均匀整齐。

然而，这种普通的磨削方法也存在着某些问题，尤其是在使用一种弹性胶结磨轮如树脂结合剂磨轮进行磨削加工时，由于结合剂自身的弹性，使得许多细磨粒都沉陷在结合剂(材料)里面，靠磨粒磨进加工材料和靠磨粒磨削被磨材料表面的凸起部分对被磨材料进行磨削加工的进展很缓慢。

更准确的说，图11中所示的剖面图，用图解的方式简要说明了使用一个树脂结合剂磨轮1进行细磨削的工作状况。磨粒3在结合剂2中处于沉陷状态。因为外露磨粒3的尖端高度是均匀整齐并达到某一特定程度的，所以每一颗粒的磨削深度也基本上是相同的。只要选择合适的磨粒直径和结合剂的弹性，所有磨粒的切削深度都能保证小于临界磨削深度d_c。在有些情况下，在上述所指的塑性加工方式区内进行精磨加工在明确的条件下可以实现。然而，当使用一个树脂结合剂磨轮时，各磨粒的磨削深度具有细微的差别，这是因为磨粒的锋利程度不同和磨粒磨削量的不同造成的。因此，就会出现一些磨粒削深度超过临界磨削深度d_c。这样在被磨材料或工件4上产生了裂纹K，即脆性断裂。最后得出的结果是：在塑性加工模式区内进行稳定的磨削是无法实现的。此外，当磨削在进行中并且被磨材料4的表面经过树脂结合剂磨轮恒压下的高精密的磨削已很平坦时，磨粒3通常就很少再参与磨削，所以，越来越多的磨粒将停止对材料的磨削，相应的，即使加工时间延长，加工材料的磨削量会减少到7或8微米，而且，大于该值的磨削是无法实现的。

因此，用一个弹性树脂结合剂磨轮来进行精磨涉及到许多不稳定的因素和大量的专门技术知识，所以它是不现实的。