小尺寸超硬模具的研磨加工
【】随着条码扫描仪、车载镜头、高端相机等为代表的精密光学仪器在日常生活中的应用频繁，使得对各种精密光学元器件特别是次厘米级元组件的需求与日俱增，带动了光学元件从平面、球面、非球面发展至各种自由曲面。近年来开发了许多新技术来改善现有的光学元件生产工艺，有效且经济地生产了各种类型的精密光学元件。而玻璃模具成形技术（Glass moulding process, GMP）便是其中一种比较先进的、大批量生产精密玻璃光学元器件的方法，其主要集中在精密玻璃成形模具的制造上。玻璃成形模具通常是由硬而脆的材料制成，如碳化钨（WC）、碳化硅（SiC）等材料，然后再利用精密钻石砂轮对模具进行研磨精加工，最终获得具有高精度低表面粗糙度的精密成形模具。而光学元件的尺寸普遍较小，因此用于研磨加工模具的砂轮也要相应缩小尺寸，这不仅降低了研磨加工的效率，提高了生产成本，而且模具型腔表面的抛光精度常常不能得到保证。为此，本文研发出小型光固化树脂钻石砂轮，并利用它对模具进行精密研磨、抛光，达到经济且高效地生产小型模具的目的。实验结果表明，修整后直径约为0.5mm的小型砂轮对非球面模具表面进行了研磨抛光，其表面粗糙度Ra可达63nm；单点抛光模具表面粗糙度Ra可达10nm，研磨后的小型模具达到了预期的加工精度要求。
目录
引言 1
一、实验规划与设备 2
(一) 实验流程 2
(二) 实验设备 2
(三) 实验步骤 2
二、结果与讨论 3
(一) 棒状微钻石树脂砂轮的研制 3
(二) 磨削非球面模具的结果 3
(三) 精密加工抛光试验的结果 4
三、结论 10
（一）微钻石砂轮制作方面： 10
（二）轮磨方面： 10
（三）单点抛光方面： 10
参考文献 12
总结 13
谢辞 14
引言
近年来，随着科技和工业的快速发展，各种精密光学元件日益趋向轻薄微小化，大部分轻薄小元器件都采用微磨削加工的方式成形，因此这些加工元件所使用的工具尺寸也必然朝微小化方向发展。本文利用自行开发的小尺寸钻石砂轮，来磨削加工碳化钨等硬脆材料，并进一步探讨 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
磨削加工后砂轮的磨耗和工件表面的特性。
UV光固化技术始于二十世纪70年代，起初是为了应对能源危机与环保问题而研发出来的一种较低成本、低污染的涂料[1]。早期UV光固化材料的研发是以涂料与油墨为主导。涂料是用于光阻剂、金属涂料、塑料涂料、保护漆、亮光漆等，而油墨主要用于印刷产业。近来UV光固化材料开发日益多元化，这使得其应用的领域也更加广泛，跨越了机械、光电、通讯、化工、半导体产业等领域。
科技与经济的进步发展，为人类带来了生活的便利，但也伴随着环境污染和能源开发过度等问题，使得人们环境保护意识开始增强，因此绿色能源的开发与降低环境污染技术的研发正如雨后春笋般蓬勃发展，而紫外线光固化技术便是其中之一。
紫外线光固化技术能受到业界重视并研究发展的主要原因有下列几项：
(1)固化速度快
(2)低污染
(3)固化成本低
本论文研究目的是为了有效的将紫外线光固化树脂取代传统的热固化树脂，使用钻石粉作为磨料制成砂轮，并使用一套如洋葱般层层包覆固化砂轮的制作过程[2][3]，在探讨砂轮的机械性质与加工特性中，将砂轮分别进行轮磨与抛光两种试验，测试光固化树脂砂轮的磨削情形，观察光固化树脂砂轮经过磨削后的微结构变化与工件加工后表面粗糙度、表面特性与微结构的变化，讨论紫外线光固化树脂作为砂轮结合剂用于抛光与轮磨加工的效果和应用的可行性。通过试验证明：利用光固化树脂砂轮单点抛光碳化钨模具是可行的。
一、实验规划与设备
(一) 实验流程
本实验分为三个部份，第一部分是将不同种类的预聚合物分别混合在两种稀释的压克力单体中，当对紫外光固化树脂有初步稀释后，再加入钻石磨粒制作棒状砂轮。第二部分则是用混合钻石磨粒砂轮对硬脆材料进行非球面模具的轮磨，探讨钻石砂轮的物理特性，观察经过磨削加工后的微结构变化，以及工件加工后的形状精度与表面粗糙度。第三部分是用纳米等级钻石磨粒制作出小圆球砂轮，并用此砂轮对碳化钨模具进行抛光，探讨抛光后的工件表面粗糙度与砂轮磨耗量，验证紫外线光固化树脂作为砂轮结合剂，并讨论抛光与轮磨加工效果与应用的可行性。
(二) 实验设备
1. 紫外光固化设备：树脂以环氧丙烯酸酯树脂及脂肪族胺基甲酸丙烯酸酯树脂两种为主，分别与压克力单体 TPGDA混合而成，最后再加入定量的光起始剂。钻石磨料使用三款钻石粉。使用的紫外光点光源机为Lightning cure 200型。
2．轮磨与抛光设备: NACHI ASPMKE精密加工机。
本实验使用了NSK高速主轴搭配自制挠性加工载台进行抛光。先将砂轮夹持在高速主轴的夹头中，并与架设在加工载台上的工件成45度，且在载台上架设LVDT用于量测加工时的力量，加工载台的示意图 如图11所示
图11 挠性加工载台示意图
实验设计需要保持恒定由上往下的加工力，故使用两铜片支撑内部载台，避免加工过程有载台倾斜或单铜片弯折扭曲的情况，用内部载台上方架移传感器来量测加工时的力量。工件磨削材料采用钴(Co)含量 1%的碳化钨(WC)。
3. 量测分析仪器：
研究中使用的量测分析仪器为光学金相显微镜(OLYMPUSBX51M) 、扫描式电子显微镜(HITACHI S4160) 、雷射共轭焦显微镜(keyence VK9700)LVDT、线性位移传感器和(DONCDO (ML16PW5T))光学投影机。
(三) 实验步骤
1. 微小光固化树脂钻石砂轮的制作
以紫外光固化技术来制作微小钻石砂轮，本实验采用三款不同的结合剂，其型号分别为M6210、M5020与M6148，混合30wt%~50wt%的钻石磨粒，钻石磨粒是用尺寸约30~40μm的紫外光固化砂轮来进行加工，首先以直径0.15mm的微小钻针作为砂轮芯，将其装置在高速主轴上使钻针慢速旋转，缓慢地浸入到钻石磨粒混合均匀的光固化树脂内，拉起已沾附一层混合钻石磨粒树脂的钻针，让它照射紫外光并使其固化，在固化的过程中钻针必须仍然保持缓慢的旋转状态，使树脂能够均匀受光固化，因为紫外光固化有厚度限制。随着磨料含量比例的增加，其所占的体积也会增加，而磨粒会对紫外光产生吸收、散射或反射的现象，这让紫外光难以穿透树脂并使内部完全固化，从而会导致固化时间拉长，解决的方法也需要多次沾附、照光、固化步骤，直到达到所需要的厚度，而树脂的黏度会影响其加工的厚度与方便性，因此在光固化树脂使用前须先隔水加热至40~50℃，这可以降低树脂的黏度以方便制作。
经过紫外光固化后的砂轮形状呈现稍微椭圆且不规则的形状，为了让砂轮磨粒露出且具磨削的能力，必须使用砂轮机来修整，其修整方式为使用砂轮机转速为1500rpm与固定的碳化硅砂轮相接触，将成型的砂轮先进行修整砂轮的两侧，达到与钻针轴同心及所需尺寸后，再修整砂轮的端面，使其呈现平整的圆柱状。
2. 精密加工磨削试验
使用于自制光固化树脂砂轮磨削的非球面小型模具。选择加工参数切深0.5μm、进给速率0.5mm/min，接着利用光学软件设计一个非球面形状，并用自制的光固化树脂砂轮进行加工。
3. 精密加工抛光试验
本实验采用磨粒粒径为5~10 nm的磨粒来制作树脂砂轮，先将钻石磨粒浸泡在压克力单体TPGDA中，再与光固化树脂均匀混合搅拌40分钟并静置一天后进行固化，固化后的砂轮呈小圆球状，使用碳化硅砂轮微修整到同轴度良好且磨粒露出来的固化砂轮后，将自制砂轮夹持在高速主轴上，同时模具固定在自制挠性加工载台上，使砂轮与模具夹角呈45度并将其进行单点抛光，通过分析砂轮的磨耗以及工件表面粗糙度等的参数来验证自制树脂砂轮用于抛光方面的可行性。理论上抛光转速要高于切削转速，而由于高速主轴转速提高后其偏摆量过大(>1μm)，使得实验加工出来的表面并没有达到理想效果，所以此实验为初步抛光实验，实验研究后续会将砂轮使用精密加工机加工，并维持主轴的高转速。
目录
引言 1
一、实验规划与设备 2
(一) 实验流程 2
(二) 实验设备 2
(三) 实验步骤 2
二、结果与讨论 3
(一) 棒状微钻石树脂砂轮的研制 3
(二) 磨削非球面模具的结果 3
(三) 精密加工抛光试验的结果 4
三、结论 10
（一）微钻石砂轮制作方面： 10
（二）轮磨方面： 10
（三）单点抛光方面： 10
参考文献 12
总结 13
谢辞 14
引言
近年来，随着科技和工业的快速发展，各种精密光学元件日益趋向轻薄微小化，大部分轻薄小元器件都采用微磨削加工的方式成形，因此这些加工元件所使用的工具尺寸也必然朝微小化方向发展。本文利用自行开发的小尺寸钻石砂轮，来磨削加工碳化钨等硬脆材料，并进一步探讨 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
磨削加工后砂轮的磨耗和工件表面的特性。
UV光固化技术始于二十世纪70年代，起初是为了应对能源危机与环保问题而研发出来的一种较低成本、低污染的涂料[1]。早期UV光固化材料的研发是以涂料与油墨为主导。涂料是用于光阻剂、金属涂料、塑料涂料、保护漆、亮光漆等，而油墨主要用于印刷产业。近来UV光固化材料开发日益多元化，这使得其应用的领域也更加广泛，跨越了机械、光电、通讯、化工、半导体产业等领域。
科技与经济的进步发展，为人类带来了生活的便利，但也伴随着环境污染和能源开发过度等问题，使得人们环境保护意识开始增强，因此绿色能源的开发与降低环境污染技术的研发正如雨后春笋般蓬勃发展，而紫外线光固化技术便是其中之一。
紫外线光固化技术能受到业界重视并研究发展的主要原因有下列几项：
(1)固化速度快
(2)低污染
(3)固化成本低
本论文研究目的是为了有效的将紫外线光固化树脂取代传统的热固化树脂，使用钻石粉作为磨料制成砂轮，并使用一套如洋葱般层层包覆固化砂轮的制作过程[2][3]，在探讨砂轮的机械性质与加工特性中，将砂轮分别进行轮磨与抛光两种试验，测试光固化树脂砂轮的磨削情形，观察光固化树脂砂轮经过磨削后的微结构变化与工件加工后表面粗糙度、表面特性与微结构的变化，讨论紫外线光固化树脂作为砂轮结合剂用于抛光与轮磨加工的效果和应用的可行性。通过试验证明：利用光固化树脂砂轮单点抛光碳化钨模具是可行的。
一、实验规划与设备
(一) 实验流程
本实验分为三个部份，第一部分是将不同种类的预聚合物分别混合在两种稀释的压克力单体中，当对紫外光固化树脂有初步稀释后，再加入钻石磨粒制作棒状砂轮。第二部分则是用混合钻石磨粒砂轮对硬脆材料进行非球面模具的轮磨，探讨钻石砂轮的物理特性，观察经过磨削加工后的微结构变化，以及工件加工后的形状精度与表面粗糙度。第三部分是用纳米等级钻石磨粒制作出小圆球砂轮，并用此砂轮对碳化钨模具进行抛光，探讨抛光后的工件表面粗糙度与砂轮磨耗量，验证紫外线光固化树脂作为砂轮结合剂，并讨论抛光与轮磨加工效果与应用的可行性。
(二) 实验设备
1. 紫外光固化设备：树脂以环氧丙烯酸酯树脂及脂肪族胺基甲酸丙烯酸酯树脂两种为主，分别与压克力单体 TPGDA混合而成，最后再加入定量的光起始剂。钻石磨料使用三款钻石粉。使用的紫外光点光源机为Lightning cure 200型。
2．轮磨与抛光设备: NACHI ASPMKE精密加工机。
本实验使用了NSK高速主轴搭配自制挠性加工载台进行抛光。先将砂轮夹持在高速主轴的夹头中，并与架设在加工载台上的工件成45度，且在载台上架设LVDT用于量测加工时的力量，加工载台的示意图 如图11所示
图11 挠性加工载台示意图
实验设计需要保持恒定由上往下的加工力，故使用两铜片支撑内部载台，避免加工过程有载台倾斜或单铜片弯折扭曲的情况，用内部载台上方架移传感器来量测加工时的力量。工件磨削材料采用钴(Co)含量 1%的碳化钨(WC)。
3. 量测分析仪器：
研究中使用的量测分析仪器为光学金相显微镜(OLYMPUSBX51M) 、扫描式电子显微镜(HITACHI S4160) 、雷射共轭焦显微镜(keyence VK9700)LVDT、线性位移传感器和(DONCDO (ML16PW5T))光学投影机。
(三) 实验步骤
1. 微小光固化树脂钻石砂轮的制作
以紫外光固化技术来制作微小钻石砂轮，本实验采用三款不同的结合剂，其型号分别为M6210、M5020与M6148，混合30wt%~50wt%的钻石磨粒，钻石磨粒是用尺寸约30~40μm的紫外光固化砂轮来进行加工，首先以直径0.15mm的微小钻针作为砂轮芯，将其装置在高速主轴上使钻针慢速旋转，缓慢地浸入到钻石磨粒混合均匀的光固化树脂内，拉起已沾附一层混合钻石磨粒树脂的钻针，让它照射紫外光并使其固化，在固化的过程中钻针必须仍然保持缓慢的旋转状态，使树脂能够均匀受光固化，因为紫外光固化有厚度限制。随着磨料含量比例的增加，其所占的体积也会增加，而磨粒会对紫外光产生吸收、散射或反射的现象，这让紫外光难以穿透树脂并使内部完全固化，从而会导致固化时间拉长，解决的方法也需要多次沾附、照光、固化步骤，直到达到所需要的厚度，而树脂的黏度会影响其加工的厚度与方便性，因此在光固化树脂使用前须先隔水加热至40~50℃，这可以降低树脂的黏度以方便制作。
经过紫外光固化后的砂轮形状呈现稍微椭圆且不规则的形状，为了让砂轮磨粒露出且具磨削的能力，必须使用砂轮机来修整，其修整方式为使用砂轮机转速为1500rpm与固定的碳化硅砂轮相接触，将成型的砂轮先进行修整砂轮的两侧，达到与钻针轴同心及所需尺寸后，再修整砂轮的端面，使其呈现平整的圆柱状。
2. 精密加工磨削试验
使用于自制光固化树脂砂轮磨削的非球面小型模具。选择加工参数切深0.5μm、进给速率0.5mm/min，接着利用光学软件设计一个非球面形状，并用自制的光固化树脂砂轮进行加工。
3. 精密加工抛光试验
本实验采用磨粒粒径为5~10 nm的磨粒来制作树脂砂轮，先将钻石磨粒浸泡在压克力单体TPGDA中，再与光固化树脂均匀混合搅拌40分钟并静置一天后进行固化，固化后的砂轮呈小圆球状，使用碳化硅砂轮微修整到同轴度良好且磨粒露出来的固化砂轮后，将自制砂轮夹持在高速主轴上，同时模具固定在自制挠性加工载台上，使砂轮与模具夹角呈45度并将其进行单点抛光，通过分析砂轮的磨耗以及工件表面粗糙度等的参数来验证自制树脂砂轮用于抛光方面的可行性。理论上抛光转速要高于切削转速，而由于高速主轴转速提高后其偏摆量过大(>1μm)，使得实验加工出来的表面并没有达到理想效果，所以此实验为初步抛光实验，实验研究后续会将砂轮使用精密加工机加工，并维持主轴的高转速。
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