寶石圓棒外圓加工工藝應用試驗*

雷 靖

(重慶川儀自動化股份有限公司晶體科技分公司，重慶 400702)

0 引 言

人造藍寶石晶體材料(以下簡稱藍寶石)，其主要化學成分為三氧化二鋁，由于特殊的分子結構使其具有良好的機械性能和物理性能；同時由于其具有耐腐蝕、耐磨損、熱穩定性以及化學穩定性好、光學性能良好等特點，其加工成的剛玉圓棒，常被用于醫學、精密機械、精密測量與檢測以及激光技術應用等方面，并對寶石圓棒圓柱面的光潔度、圓度以及圓柱度有較高要求。藍寶石硬度高(莫氏9級，僅次于天然鉆石)、脆性大、可加工性較差[1]，采取傳統的車銑等方式不能對其進行加工，同時由于其高硬度的特性，一般的刀具和磨料也不能對其進行加工。

重慶川儀自動化股份有限公司晶體科技分公司對寶石加工特性進行了長期研究分析，對其不同的晶向具有的不同特性和加工性能進行對比分析，自主創新形成了一套獨立的加工工藝，滿足了高效液相色譜(HPLC)使用要求，高表面質量便于清洗，無殘留，不污染測試液體，高表面質量、良好的圓度及圓柱度，有利于提高密封性，經過生產銷售，能夠滿足邁瑞醫療、日本京瓷等客戶的使用要求，HPLC所達到的高分辨率和高靈敏度，使分離和同時測定性質上十分相近的物質成為可能，能夠分離復雜相體中的微量成分。

筆者重點進行了寶石圓棒粗磨圓工藝研究、拋光外圓工藝改進，實現了高精度外圓表面控制，圓度、圓柱度控制水平達到國際先進水平。

1 磨粗圓工藝研究

藍寶石由于其高硬度特性，只能采取帶金剛石磨料的相關磨具對其進行加工，以某客戶圖紙為例，如圖1，通過多線切割機完成方梗的加工，然后再采用45°V型槽工裝進行粘接，然后置于金剛石磨盤上進行磨削，此工序重復四次，使其由四方方梗加工成正八面體，再采用粒子磨圓機進行粗成形磨圓，如圖2。

圖1 某柱塞棒技術要求

圖2 粗坯形成流程

工作砂輪采用金剛石燒結磨具，加工過程中高速旋轉以起到磨削作用，輔助輪外圓一般為膠木或有機合成材料，俗稱導輪，導輪自身轉速很低，一般為20～30 r/min，工件放于兩輪之間，下方有一塊托板，兩輪與托板組成V型定位面托住工件，導輪軸線與工作砂輪軸線存在一定的角度，在加工過程中，工件受到兩個方向的力，一個用于帶動工件旋轉，即工件的圓周進給速度；另一個用于工件軸向移動，即工件的縱向進給速度，二者缺一不可，既保證了穩定的切削力，又可以使工件沿著固定方向逐步往縱向方向移動，從而保證圓度以及圓柱度。同時為了保證工件的穩定加工，導輪和工件的接觸部位必須修整成一條直線。由于磨床本身精度高，傳動平穩，因此磨削精度可達到IT8～IT5，同時圓度以及圓柱度可達0.005～0.01 mm，通過此方法可保證磨粗圓工序穩定批量加工，粗加工外圓尺寸加工至φ6.10。

2 拋光外圓工藝改進設計

由于磨床的砂輪只能采用結合劑磨輪進行加工，如果砂輪粒度太細，磨削力不夠，磨削過程中會打滑，進而造成外圓表面有凹坑、劃痕等缺陷，通過反復試驗論證，其表面粗糙度最高只能達到Rz0.8～Rz1.6，如表1。距離我們的目標Rz0.1還比較遙遠，因此需要重新設計一條工藝路線對工件進行拋光。

表1 加工表面對比表

2.1 制定加工工藝

通過藍寶石的特性得知，其加工所需的工具只能采用以金剛石粉料為基礎的各類磨具，而為了保證圓度和圓柱度又必須讓其充分且均勻旋轉。硬脆材料為了提高表面質量，通常會采用材質較軟的加工工具，且為了更高的光潔度要求，磨料只能采用金剛石懸浮液進行磨削[2]。

結合重慶川儀自動化股份有限公司晶體科技分公司幾十年的寶石加工經驗，在拋光過程中，影響工件圓度以及圓柱度的主要因素有：①工件的旋轉不充分；②工件的旋轉中心線與機床的旋轉軸心線不平行。因此，需要針對性地設計治具和加工工藝，結合美標微粉標準，如表2，選取合適的金剛石微粉粒度，采用鑄鐵材質的上下磨盤結合7 μ微粉液進行細加工，然后再使用紫銅材質的磨盤加1 μ的微粉液進行拋光加工，且為了保證排屑以及微粉不報團，在上下盤面上采用NC車床均勻開0.50×0.50的螺旋槽。加工設備選取市場上常見數控氣動加壓機，其下盤可控制性旋轉，轉速可調，上盤可氣動施加可控性壓力，可將工件置于上下盤之間，通過下盤旋轉帶動工件旋轉，再從上盤通道滴加金剛石懸浮液，即可實現預期目標。

表2 金剛石微粉粒度對照表 /μm

2.2 設計治具

假想在上下磨盤之間插入一塊治具，使工件在相對固定的范圍內隨著下盤的轉動而轉動，按照動力學的基本原理的要求設計一款治具，如圖3，治具依靠工件外形尺寸進行設計，其厚度為工件直徑的四分之三，限位槽沿同一軸心線偏移角度α，使工件在加工過程中既受到來自軸向的推力，又受到徑向的阻力，角度的偏轉可盡量減少因內外圈線速度不一樣帶來的外形尺寸影響，可使工件沿著機床軸心線充分旋轉，從而使工件的圓度和圓柱度得到保證，工件尺寸為φ6.00×40.00，通過NC加工中心進行治具的一次性成型加工，限位槽基本尺寸為6.50×42.00，沿軸心旋轉角度α進行圓形陣列，中心開孔通過上盤進行周向定位，保證充分旋轉[3]，治具加工好后進行超聲波清洗，以備使用。

圖3 治具設計圖

2.3 試驗論證

按工藝流程所述，先采用鑄鐵材質的上下磨盤結合7μ微粉液進行細加工，然后再使用紫銅材質的磨盤加1μ的微粉液進行拋光加工，在寶石圓棒加工中，想要拋光后形成高質量、高光潔度和高精度的工件，其拋光前的表面質量也就是細加工質量應達到較高的要求，其表面粗糙度應達到Rz0.4以上，圓度以及圓柱度應達到3.5 μm以下，整體表面均勻一致，無拉傷、劃痕，無明顯加工痕跡，其次是拋光圓棒工藝，眾所周知，藍寶石光學鏡片的各種拋光技術在很多文獻中均有介紹，但是拋光寶石圓棒的介紹卻寥寥無幾，我公司通過長期研究和試驗證明，微粉的顆粒均勻性、研磨盤材質的選用、下盤的轉速、治具的合理設計是造成工件表面和圓度、圓柱度的主要影響因素。

2.3.1 細加工外圓工藝

首先清洗研磨盤，下盤開啟轉動，轉速10 r/min，采用沾有煤油的棉花從內圈往外圈以逐步遞進的方式進行擦拭，確保下盤無殘留鐵屑，將治具置于下盤上，工件沿著治具的方槽順時針擺放至里面，滴加微粉懸浮液，將上盤置于工件上，機床施加氣動壓力，調整壓力參數和下盤轉速，通過設置不同的加工時間，開啟試驗論證，通過基礎驗證，其下盤最大轉速不能超過50 r/min，其施加壓力最大不能超過0.5 MPa，否則工件會產生崩邊，外圓尺寸均以加工至φ6.02+/-0.005 mm為基準，其結果如表3。

表3 不同加工參數對工件細加工時間和形位公差的影響

通過分析表格數據，在保證工件圓度和圓柱度的情況下，在下盤轉速45 r/min，施加壓力0.45 MPa時，其加工效率達到最優化。將加工的工件置于160倍光學顯微鏡下進行檢驗，可見其表面均勻一致，再采用粗糙度測量儀進行檢測，其表面光潔度達到Rz0.4，符合細加工各項指標要求，將工件采用超聲波加清洗液的方式進行清洗，確保金剛石微米徹底清洗干凈。

2.3.2 拋光外圓工藝

通過多次反復試驗論證，采用硬度稍軟的紫銅盤拋光的產品效果最好，參照細加工的方式，先對研磨盤進行清洗，金剛石微粉采用1 μm，由于該粒度已經很小，切削力有限，在加工過程中工件極易因為切削力不夠造成表面劃傷，同時如果微粉顆粒分布不均勻，其工件表面也會受到損傷，所以我公司采用先進的Bettersize 2600丹東百特激光粒度分布儀對進廠微粉進行檢測，合格后方可使用，如圖4。

圖4 激光粒度分布儀檢測1 μm微粉

采用金剛石微粉懸浮液進行拋光，實際上是去除前工序粒度過粗造成的表面損傷層[4]，在拋光過程中，由于1μm微粉切削力偏小，因此不能為了效率盲目地增加轉速和壓力，通過多次驗證，其轉速在30 r/min，施加壓力在0.3 MPa，累計拋光時間為90 min時，其圓度和圓柱度達到最佳，其圓度和圓柱度如圖5、6所示采用國際先進的585HS泰勒圓度儀進行檢測，圓度達到1.54 μm，圓柱度達到2.62 μm。

圖5 泰勒圓度儀檢測圓度

圖6 泰勒圓度儀檢測圓柱度

在160倍光學顯微鏡下觀察，其表面均勻，無劃痕，光潔度達到Rz0.1，同時對陶瓷材料產品進行驗證，均能夠滿足要求。

3 結 語

文中采用上下研磨盤結合金剛石微粉懸浮液對藍寶石、陶瓷硬脆材料進行外圓拋光加工，通過試驗結果的對比分析，采用金剛石微粉懸浮液加研磨盤的方式，其外圓表面可達到Rz0.1。通過設計合理治具，調整加工參數，其加工外圓圓度可達1.54 μm，圓柱度可達2.62 μm，滿足高精端市場3 μm以內的需求。該加工方式能夠滿足藍寶石、陶瓷等硬脆材料的加工需求。此次研究對于硬脆材料的加工發展有較好的促進作用。注塞棒外圓拋光表面、圓度、圓柱度水平的提高，有利于液相色譜儀的技術進步，推動國產HPLC市場的發展。