基于光造型原理的砂轮快速制造技术

基于光造型原理的砂轮快速制造技术彭伟1，易树平（1.浙江工业大学先进制造技术研究所，杭州0142.重庆大学机械工程学院，重庆400044）通过复合二氧化硅微粒，大大改善了光固化树脂砂轮的机械性能。研究结果表明，数十秒钟就可以完成超薄型切割砂轮的固化工艺和磨削砂轮的分层固化工艺。用所试制的砂轮对硅材料的加工表明，光固化树脂砂轮与热固化树脂砂轮具有相当的加工精度。以砂轮磨削为代表的磨料加工工艺是半导体，陶瓷和光学玻璃等硬脆性材料精密加工中应用最广的精密加工工艺。高精度、低成本和无污染的砂轮等磨具制造技术是制造业始终追求的目标。传统的树脂结合剂砂轮的制造都要经过混料冷压成型加热固化等工艺，其中加热固化工艺所需时间一般都以小时为单位。这样的加工工艺耗时长且耗能大，从而提高了生产成本。光固化技术起始于50年代初，美国首先把它应用于感光树脂印刷板的制造。随着光造型技术在快速原型制造、模具制造、医疗以及微型制造中的应用，光固化树脂本身也得到迅速发展，其种类不断丰富、性能不断提高，这就使得光固化树脂在磨具结合剂中的应用成为可能。本文作者以砂轮的快速、洁净制造为研究目标，就光固化树脂在砂轮结合剂中的应用进行了研究，得到了令人感兴趣的结果。首先，通过添加微粒的方法实现了对光固化树脂结合剂的改性，大大提高了光固化树脂结合剂的机械性能其次是利用快速成型技术试制完成了圆盘状平面磨削砂轮和超薄型切割砂轮的制造最后，通过对硅片的加工实验证明光固化树脂砂轮达到了热固化树脂砂轮的加工精度等级。由于光固化树脂结合剂砂轮具有光固化工艺的快捷、洁净和耗能低的特点，完全可能成为热固化树脂结合剂砂轮的换代产品1光固化树脂结合剂及其机械性能光固化树脂主要由基础聚合物（光交联性聚合物）、活性稀释剂（光聚合性单体）、光引发剂、以及添加剂组成。它和热固化树脂最本质的区别在于其固化过程是吸收适当波长的光而引起的化学反应过程，它从液体转变为固体是分子量增加的结果而不是溶剂挥发所造成，故而具有如下优点：1）快速固化：几秒钟到几分钟即可固化，大大提高了劳动生产率2）无污染：可采用低挥发的单体和预聚物，不使用有机溶剂，故基本上无大气污染。3）节省能源：与热固化树脂相比，节省能源90以上。其不利因素主要是由于目前光固化树脂的使用量还远不如热硬化树脂，使其原材料价格较高。所使用的光固化树脂为环氧类树脂（树脂1），和聚丙烯类树脂（树脂2）。为了达到砂轮结合剂的要求，还需较大幅度地改善其机械性能。我们试图通过在树脂中复合微粒的方法来增强和改善其性能。所用添加物为二氧化硅微粒（3000），表1为试验用的光固化树脂结合剂的重量配比（wt）。按表1所列6种不同配比混料后制成试件，分别测量其抗弯强度σ、抗弯弹性系数E、硬度Hv和线膨胀重庆大学学报（自然科学版）树脂1树脂2微粒系数α。图1为抗弯强度、抗弯弹性系数的测试结果。不难看出，二氧化硅微粒的增强作用十分显著，随着微粒添加量的增加，强度和弹性系数均显著增加，但两种树脂之间存在较大的差距，树脂1无论是树脂本身的强度和弹性系数还是添加微粒后的变化率都大于树脂2.图2为硬度和线膨胀系数的测试结果。二氧化硅微粒对试件硬度的作用同样十分显著，树脂1和树脂2具有类似的增硬效果，即随着微粒量的增加，增硬效果减弱。但整体上树脂1比树脂2硬度更大些。就线膨胀系数而言，由于二氧化硅材料本身的线膨胀系数为5×1，只有光固化树脂的约百分之一，随着微粒添加量的增加，两种树脂的试件的线膨胀系数都呈直线下降趋势，只是整体上树脂1比树脂2具有更低的线膨胀系数。这一结果对于要承受加工区域高温环境的结合剂来说，无疑是十分重要的。2砂轮的试制方法2.1普通砂轮的试制普通砂轮的快速制造是一种分层固化堆积成型的制造工艺。先用铝合金材料制成所需规格的砂轮基体，将光固化树脂结合剂与磨粒均匀混合并经适当真空脱泡后涂覆于砂轮外圆表面，再由相应波长的紫外光照射后固化。逐层涂覆逐层固化，直到所需的磨粒层总厚度。为了使得磨粒层分布均匀，涂覆和固化过程中砂轮保持低速旋转。涂层的厚度受到光固化深度的限制，和紫外光的强度有直接关系，为了使涂层能硬化充分且均匀，每层的厚度以不超过0.2mm为宜。制作完成的砂轮在使用前还需作必要的外圆和宽度修整。图3（a）为试制砂轮的示例。对于基体尺寸为400×20×75，磨粒层总厚度为1mm的砂轮来说，所耗时间不超过10分钟。（a）普通砂轮（b）超薄型切割砂2.2超薄型切割砂轮的试制超薄型切割砂轮的制作是靠磨具一次固化的工艺。图4为成型固化示意图。固化装置由模具和光源两部分组成。模具为由不锈钢制成的外缘和内缘以及玻璃制成的上下板组成。将磨粒和光固化树脂结合剂按照一定配比混合、搅拌均匀并经脱泡后注入模具型腔。经紫外光沿待固化切割砂轮轮廓照射一周后即可固化成型。图3（b）为固化脱模后的切割砂轮，尺寸为53×0.15×40，内缘处可见的两凸台为树脂注入口和排气口处的残余量，在修整时去除。3试用实验及结果讨论3.1平面磨削实验在表1所列结合剂中，用粒度为1000的WA磨粒按25vol（体积百分比）配成混合原料，按2.1所述方法制成砂轮，分别记为A1、B1、C1、D1、E1、F1.另外，作为比较，将市购同一规格的热固化树脂结合剂砂轮记作G1按同一实验条件作对比实验。实验条件如表名称指标工件材料单晶硅（磨削前Ra0.8μm）砂轮速度进给量磨削深度冷却液水砂轮尺寸磨削加工过程中，砂轮A1和砂轮D1的磨粒层表面都存在不同程度的塑性破坏，表现为表面有拉毛现象。对照图1和图2的结果可以认为结合剂硬度的不足是导致这一现象的主要原因。除A1和D1之外，其它砂轮都可完成总深度为10μm的磨削。将所得到的表面粗糙度值列于图5.可以看出各种砂轮本身的强度和硬度虽各不相同，但都达到了与热固化树脂结合剂砂轮相当的加工表面粗糙度，这说明经微粒增强的光固化树脂结合剂都达到了作为砂轮结合剂的基本要求，在这种情况下，加工表面粗糙度主要取决于磨粒的尺寸和磨削工艺条件，因此各种砂轮所得的表面粗糙度没有十分显著的差别。3.2切割实验在表1所列结合剂中，用粒度为1200的人造金刚石磨粒按2.5vol配成混合原料，按2.2所述方法制成超薄型切割砂轮，分别记为A2、B2、C2、D2，E2、F2.另外，作为比较，将市购同一规格的热固化树脂结合剂砂轮记作G2，按同一实验条件分别对单晶硅片进行切割实验。加工前砂轮经研磨后厚度误差控制在±2μm以内，将切割砂轮安装到机床主轴上修整外圆误差。切割实验条件如表3所示。名称指标工件材料单晶硅切割速度进给量切割深度冷却液水砂轮尺寸由于砂轮的厚度只有0.15mm，切割砂轮的强度必须满足较高的要求。实验结果表明，用树脂2所制成的超薄型切割砂轮D2、E2、F2和未经二氧化硅微粒复合增强的树脂1砂轮A2的强度达不到基本的要求，在主轴以8000r/min旋转时在离心力的作用下整体破碎。而切割砂轮B2虽然没有整体破碎，但在切割加工中砂轮外圆加工区域不是呈逐步磨损过程，而是局部断裂破坏，其局部显微照片如图6a，未能完成正常切割。只有切割砂轮C2完成了切割实验并呈正常磨损状态如图6b.因此，作为用于硬脆性材料的超薄型切割砂轮，至少要达到200MPa以上的抗弯强度。（a）砂轮B2使用后的局部放大（b）砂轮C2使用后的局部放大由于超薄型切割砂轮主要用于精密和微细加工领域，加工精度是关系到光固化树脂结合剂砂轮能否广泛应用的重要因素。对于脆性材料而言，主要是切割槽边缘处的局部脆性缺损。我们对由C2和G2切割重庆大学学报（自然科学版）2000年砂轮完成的切割沟槽做了这方面的测量和统计。在沟槽全长每隔1/6处取1mm长的样本，放大200倍后统计宽度（入体方向）为5μm以上的缺损发生率R以及每个缺损的宽度B.取5个样本的平均值列于图7.从图7所示结果可以看出砂轮C2切割的沟槽脆性缺损程度与G2相比，前者虽然缺损的平均尺寸比后者略大，但缺损的发生率比后者小很多。要使得被加工沟槽的缺损达到尺寸小且均匀度高的理想状态，还需有更进一步的研究。和缺损平均宽度4结论将微粒增强型光固化树脂替代热固化树脂用作结合剂，以光固化工艺替代热固化工艺研制砂轮，得到以下结论：（1）利用光固化树脂作为结合剂，用光固化工艺制造砂轮是完全可行的。（2）光固化工艺比热固化工艺大大缩短了固化时间，在数十秒钟的时间内即可完成割砂轮的成型固化，在数分钟内可以完成磨削砂轮的成型固化。（3）微粒对结合剂机械性能的影响十分明显，通过调整微粒材料的粒径以及添加量，可以达到改变砂轮机械性能的目的。（4）光固化树脂砂轮可以达到热固化树脂砂轮相当的加工精度。（5）光固化树脂砂轮的使用寿命还需作进一步研究。荻原，日原。セラミツタス粉末混入树脂によゐ光造型に关する研究[A].1994年度精密工学会秋季大会学术讲演会演论文集[C].茨城（日本）：日本精密工学会，1994.635.彭伟，谷泰弘，柳原圣。紫外线硬化树脂を用いた切断ブレドの开发[A].1999年度精密工学会秋季大会学术讲演会讲演论文集[C].仙台（日本）：日本精密工学会，李善君。高分子光化学原理及化学[M].上海：复旦大学陈华辉。现代复合材料[M].北京：中国物资出版社，fdwejajd微粉磨