磨具及磨抛装置的制作方法

1.本实用新型涉及高精度加工设备领域，尤其是磨具及磨抛装置。


背景技术：

2.冰冻磨具是将磨料、配伍材料及可凝固成固体的液体均匀混合得到的悬浮液、浆料或膏体通过低温冷冻形成预设的形状后用于研磨。通常磨具是在研磨机外部将悬浮液，浆料或膏体置于模具中冷冻成型，然后脱模，再将磨具安装至研磨机上使用。如申请号为2006100411080，名称为“一种冷冻模具及其制备方法”所揭示的技术。
3.冰冻磨具可以便于制作成各种形状，并且磨削热很小，有利于防止热应力，能够有效地满足高精度研磨的需要，但是研磨时，冷冻成型的冰冻磨材受温度影响会出现融化的情况，影响使用寿命和使用稳定性，很难持续稳定地实现在线研磨。
4.并且在磨具加工时，通常是直接将磨料、添加剂及液体混合得到的混合物全部加入到模具中进行冷冻，这种加工方式冷冻效率低，且冰冻材料内外的凝固程度可能存在差异，同时由于冷冻时间长，容易出现磨料沉降和分层的问题，因此极大地影响了冰冻磨材的有效使用。
5.另外，现有的磨具加工方式是在研磨机外部通过模型冷冻得到磨具，脱膜后再安装到研磨机中，并且低温的磨具不利于搬运和安装，更重要的是，当冰冻磨料使用完后需要将磨具拆装进行更换，操作繁琐，使用效率低。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种磨具及磨抛装置。
7.本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
8.磨具，包括
9.载具，其上形成有冷却流道，所述冷却流道的进、出口位于载具的后端面且所述冷却流道从所述载具的后端面延伸至前端，载具至少前端区域为非隔热材料；
10.流体滑环，连接在所述载具的后端且其上的通道与所述冷却流道的进、出口连通；
11.容置空间，设置在载具的前端，形成容置空间的材料为非隔热材料；
12.冰冻磨材，设置在所述容置空间内，其是混合有磨料的冰冻体。
13.优选的实施方式中，所述容置空间是所述载具前端的磨头上形成的凹槽或孔。
14.优选的实施方式中，所述容置空间是所述载具前端面处设置的治具上形成的槽或孔。
15.优选的实施方式中，所述磨头或治具是
16.圆盘，其与所述载具共轴，其前端面形成一圈扇形凹槽；
17.或圆柱，其与所述载具共轴，其圆周面形成一圈均分圆周的凹槽；
18.半球头，其与所述载具共轴，其球面均匀分布一组凹槽；
19.或蜂窝状物体。
20.优选的实施方式中，所述治具与载具之间设置有半导体制冷片，所述半导体制冷片的冷端朝向所述治具。
21.优选的实施方式中，所述冰冻磨材包括多个冰冻体分层和/或分块。
22.优选的实施方式中，所述磨料的粒度范围在20纳米～100 微米之间。
23.优选的实施方式中，所述磨料是碳化硅、氧化铝、碳化硼、氧化锆、白/棕刚玉、氧化 钛、氧化硅（硅溶胶）、氧化铈或金刚石中的一种或几种的混合。
24.优选的实施方式中，所述冰冻磨材使用的凝固为固体的液体的凝固点小于25℃。
25.优选的实施方式中，所述冰冻磨材中包括酸或碱。
26.磨抛装置，至少包括上述任一所述的磨具，所述磨具的流体滑环连接冷媒供应机构，所述冷媒供应机构供应能够使形成所述冰冻磨材的混合物凝固成固体并保持状态的冷媒，所述载具连接驱动其自转的驱动机构。
27.优选的，所述的磨抛装置中，所述驱动机构为机械传动主轴、气浮、液压或机械直驱电主轴或所述载具与所述驱动机构构成电主轴。
28.优选的，所述的磨抛装置还包括自动灌注装置，用于将磨料、配伍材料及可凝固成固体的液体混合得到混合物加入到所述容置空间内。
29.本实用新型技术方案的优点主要体现在：
30.本方案通过在载具上设置冷却流道并在载具后端设置流体滑环，前端设置容置空间，在容置空间内设置冰冻磨材，可以通过流体滑环连接外部冷媒供应机构，在磨削过程中，持续向所述冷却流道内供应冷媒对冰冻磨材进行冷却保温，避免冰冻磨材在磨削过程中因温度熔化，提高了冰冻磨材使用寿命，同时保证磨具的持续低温恒温研磨抛光，有效提高了磨料的利用率，且无需采用研磨机内低温环境来避免冰冻磨材融化的方式，运行成本更低。
31.本方案的磨料、配伍材料及凝固成固体的液体可以有效根据不同的满研磨需要进行适配性调整，应用灵活，适用性好。并且磨料粒度的选择有利于达到纳米级的研磨精度。
32.本方案采用治具与半导体制冷片配合的工艺，能够达到更低的温度以保证不同的冷冻温度需要，同时可以灵活地调整冷冻温度，应用的灵活性更好。同时治具可以采用多种不同的模型，能够有效地满足任何平面、圆周或异型面的磨削工况。
33.本方案的冰冻磨料中添加酸碱，能够在研磨同时，对工件的化学腐蚀，增加研磨或抛光效率，提高研磨或抛光表面品质。
34.本方案每个容置空间的冰冻磨材采用分次滴加混合物的方式得到多层结构，单层的冰冻速率快，效率高，有利于保证冰冻磨材内外温度的一致性，同时，能够有效地避免磨料沉淀与分层的问题，保证磨料分布的均匀性。
35.本方案的磨抛装置包括自动灌注装置，可以在研磨机内部在线将混合物加入到得到容置空间中冰冻得到磨具，还可以在冰冻磨材使用完毕后，再次成型冰冻磨材，而无需在研磨机外部冷冻得到磨具后再将磨具安装到研磨机上使用，有利于简化加工和组装流程，自动化加工，效率高。
36.本方案的研磨方法通过持续供应冷媒保持冰冻磨材的在线恒温冰冻，结合对磨具的进给速率、转速及施加压力的控制能够有效地满足纳米级研磨精度需要。
附图说明
37.图1是本实用新型磨具不带治具的剖视图；
38.图2是本实用新型磨具的载具采用圆盘状磨头且未填充冰冻磨材的立体图；
39.图3是本实用新型磨具的载具采用圆盘状磨头且填充冰冻磨材的立体图；
40.图4是本实用新型磨具的载具采用圆柱状磨头且未填充冰冻磨材的立体图；
41.图5是本实用新型磨具的载具采用圆柱状磨头且填充冰冻磨材的立体图；
42.图6是本实用新型磨具的载具采用半球状磨头且未填充冰冻磨材的立体图；
43.图7是本实用新型磨具的载具采用半球状磨头且填充冰冻磨材的立体图；
44.图8是本实用新型磨具采用带治具结构的剖视图；
45.图9是本实用新型磨具采用半导体制冷片连接载具及治具的剖视图；
46.图10是本实用新型磨抛装置采用研磨盘磨具的示意图；
47.图11是本实用新型磨抛装置采用砂轮磨具的示意图；
48.图12是本实用新型的磨头或治具上的容置空间为蜂窝状的示意图。
具体实施方式
49.本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
50.在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。
51.下面结合附图对本实用新型揭示的磨具进行阐述，所述磨具适用于任何平面、 圆周或异型面的磨削工况。尤其是适用于半导体材料，如单晶硅、单晶碳化硅、蓝宝石单晶等的平坦化加工，颠覆了传统的加工工艺和模式。
52.实施例1
53.如附图1所示，本方案的磨具包括
54.载具100，其上形成有冷却流道110，所述冷却流道110的进、出口111、112位于所述载具100的后端面120且所述冷却流道110从所述载具100的后端面延伸至前端130；
55.流体滑环200，连接在所述载具100的后端且其上的通道与所述冷却流道110的进、出口111、112连通以输送冷媒；
56.容置空间300，设置在载具100的前端，形成容置空间的材料为非隔热材料；
57.冰冻磨材400，设置在所述容置空间300内，其是混合有磨料的冰冻体。
58.通过在所述载具100上设置冷却流道110并通过流体滑环200连接外部冷媒供应机构，可以在磨削过程中，持续向所述冷却流道110内供应冷媒，冷媒对所述容置空间300中的冰冻磨材400进行冷却保温，避免冰冻磨材400在磨削过程中因温度熔化，提高了冰冻磨材400使用寿命和磨料的使用效率，有效保证磨了具的持续低温恒温研磨抛光。并且，可以在
线将制成冰冻磨材400的混合物进行冰冻，而无需在研磨机外部冷冻得到磨具后再将磨具安装到研磨机上使用。
59.所述流体滑环200是用于使所述载具100自转时，用于供应冷媒的外部管路（供应冷媒的管路及其他电路）不跟随载具100转动，其具体结构为已知技术，此处不做赘述。
60.所述容置空间300可以根据不同的需要进行设计，在一种实施例中，如附图1所示，所述容置空间300直接形成在所述载具100上，同时为了便于将磨具安装至研磨机上，所述载具100包括柱体140及共轴设置在柱体140前端的磨头150，所述柱体140可以是圆柱，也可以是棱柱；此时，至少所述磨头150是非隔热材料，更优选为导热材料，从而保证热传导。同时，所述冰冻磨材400可以凸出到所述容置空间300的外部，如背景技术中的现有技术，在加工时，可以通过与所述磨头匹配的模具配合进行冰冻磨材400的加工。当然，在另外的实施例中，如所述磨头150是各种研磨材料制作而成时，所述冰冻磨材400也可以不突出所述容置空间300。
61.所述磨头150可以是与所述柱体140共轴的圆盘、圆柱或半球头，如附2、附图3所示，所述磨头150是圆盘，其背向所述柱体140的端面151处设置所述容置空间300，所述容置空间300可以是一个与所述圆盘共轴的圆槽或圆环槽或是多个围绕在圆盘的轴线外周且均分圆周的扇形槽，当然也可以是蜂窝状槽等，所述容置空间300中设置所述冰冻磨材400，最终得到的磨具为冰冻磨盘，此时，所述柱体140的直径可以与所述圆盘的直径相当。
62.如附图4、附图5所示，所述磨头150是圆柱，其圆周面152处设置所述容置空间300，所述容置空间300可以是一个与所述圆柱共轴的圆槽，或是多个围设在圆柱的轴线外周且均分圆周的弧形槽，当然也可以是蜂窝状槽等，所述容置空间300中设置所述冰冻磨材400，最终得到的磨具为冰冻砂轮。
63.如附图6、附图7所示，所述磨头150为半球头，其球面153处形成所述容置空间300，所述容置空间300的具体形状及分布可以根据需要设计，当然所述容置空间300也可以是蜂窝状槽等，每个所述容置空间300中设置所述冰冻磨材400。
64.在这种结构中，如附图1所示，所述冷却流道110由所述柱体140的后端面延伸到所述磨头150处，所述冷却流道110在所述磨头150处的分布形态以尽可能贴近所述容置空间并覆盖所述容置空间为准，例如，当所述磨头为圆盘状，所述冷却流道在所述磨头150区域为平面螺旋状分布。
65.此时，所述柱体140及磨头150可以一体注塑成型，也可以是组装而成，当采用组装而成时，所述柱体140及磨头150的材质可以相同也可以不同。
66.在另一实施例中，如附图8所示，所述容置空间300不是直接形成在所述载具100上的，其是设置在载具100前端的一治具500上形成的孔和/或槽。此时，所述载具100可以包括柱体160及与柱体160共轴设置的承载盘170，所述治具500设置在所述承载盘170的前端面处，且与所述承载盘170共轴，所述冷却流道110延伸接近所述承载盘170的前端面且尽可能覆盖其前端面，所述承载盘170可以是各种非隔热材料，优选为导热材料，所述治具500可以通过导热胶层（图中未示出）固定在所述承载盘170上，当然，也可以通过螺接、卡接等可拆卸方式固定在承载盘170上。
67.更优的方式中，所述治具500通过冰冻连接层（图中未示出）固定在所述载具100上，所述冰冻连接层是通过在所述载具100的前端面和/或治具500上涂抹冰冻凝固液（凝固
点与冰冻磨材所使用的可凝固的液体的凝固点相同或在该凝固点范围内），然后通过向所述冷却流道中供应冷媒将贴合后的载具和/或治具500上的冰冻凝固液冰冻后形成。
68.所述治具500根据不同的研磨需要可以采用不同的非隔热材质制成，例如可以是石蜡、硅胶、石膏、百洁布、多孔疏松结构的过滤棉/网、陶瓷或多孔陶瓷等非金属材料，或是铝、铜或锡等软性金属材料，优选所述治具500可以采用导热材料制成，从而便于热传导。
69.所述治具500的具体形状同样可以采用上述实施例中磨头150所采用的几种形状，此处不作赘述。治具上的冰冻磨材同样可以突出到所述治具500上的容置空间300外，也可以与治具的表面平齐。
70.当直接采用冷媒进行冷冻时，其温度调节的灵活性差且所能到达的最低温度受限。因此在更优的实施例中，如附图9所示，所述治具500与载具100之间设置有半导体制冷片600，所述半导体制冷片600的冷端610朝向所述治具500，半导体制冷片600的具体结构为已知技术，此处不作赘述，其可以通过胶接、螺接等方式与载具100及治具500连接。此时，所述载具中心具有用于安装半导体制冷片所需的走线孔，所述流体滑环还用于为所述半导体制冷片600连续传输电力和数据信号，此处为已知技术，不作赘述。
71.工作时，通过半导体制冷片600对治具500进行冷却，通过冷媒及冷却流道对所述半导体制冷片600的热端进行冷却，从而能够获得更低的冷却温度，同时可以便利地通过半导体制冷片600进行冷却温度调节。
72.所述冰冻磨材400是磨料、配伍材料及可冰冻成固体的液体混合均匀后冷冻而成，可以根据不同的研磨需要来选择相应的磨料、配伍材料及可冰冻的液体。
73.其中，所述磨料是碳化硅、氧化铝、碳化硼、氧化锆、白/棕刚玉、氧化 钛、氧化硅（硅溶胶）、氧化铈或金刚石中的一种或几种的混合。为了保证后续混合时磨料分布的均匀性及实现高精度研磨，所述磨料的粒度范围在20纳米～100 微米之间。
74.所述配伍材料是具有分散、悬浮和粘结磨料颗粒作用的材料，其可以是各种形的分散机、悬浮剂、填充或粘接剂等，具体是油酸、硬脂酸、硬脂酸钠、凡士林、石蜡、聚乙二醇等。
75.所述可凝固为固体的液体的凝固点小于25℃，例如水、乙醇溶液等，优选采用纯水或去离子水。
76.进一步，所述冰冻磨材400中可以添加一定量的酸、碱调配出相应的ph值以实现研磨或抛光过程中对工件的化学腐蚀，增加研磨或抛光效率，提高研磨或抛光表面品质。所述酸可以是草酸、双氧水、高锰酸钾、稀盐酸或稀硝酸等，碱可以氢氧化钠、氢氧化钾等。
77.所述冰冻磨具的冰冻磨材400可以采用不同的方式冰冻得到，在一种方式中，可以通过现有的采用液氮、干冰等外部冷媒或冷却氛围从模型外部对模型中的混合物进行冷却的方式冷冻得到。在另一方式中，也可以通过向载具100上的冷却流道110内充入冷媒进行容置空间300内的混合物冷冻。当然，也可以将上述外部冷却与内部冷却同时工作进行冷冻。
78.实施例2
79.当采用向载具100上的冷却通道中充入冷媒的方式进行冰冻时，磨具的加工方法如下，包括如下步骤：
80.s1,根据待磨削工件的不同材料和/或不同磨削工艺段的工艺要求，按一定的比例
将磨料、配伍材料及可凝固成固体的液体均匀混合得到混合物。
81.s2,提供包括上述冷却流道的载具100，所述载具100的前端设置有容置空间，后端设置有流体滑环200，将所述流体滑环200连接冷媒供应机构700。
82.s3,所述冷媒供应机构700持续向所述冷却通道110内供应冷媒，所述冷媒使所述混合物凝固并保持凝固状态的工艺温度在25℃～-50℃之间。
83.s4,人工或通过自动化设备向容置空间300中加入混合物，容置空间300中的混合物在低温作用下冷冻，使容置空间中冰冻体的厚度达到所需的冰冻磨材400厚度。
84.当然，上述s1-s4的标号并不是对实际加工顺序的唯一限定，例如s1,s2的顺序可以颠倒，所述s3和s4步骤的顺序也可以颠倒，即先将混合物加入到容置空间300中，再开始供应冷媒，不过此时的冰冻效率相对要低。
85.由于现有的冷冻过程中，混合物是一次性填充到模具中进行冷却，这样靠近外围的混合物相对容易冷冻，而位于中部的混合物相对更难冷冻，因此，冷冻效率较低，同时，容易出现磨料沉淀分层的问题，导致磨料分布不均。于是，加工磨具时，每个容置空间300中分次添加混合物，即在前一次加入的混合物凝固后，再进行下一次混合物的添加，通过每次添加微量的混合物，能够使得混合物快速冷却，一来可以保证各区域的冰冻有效性和实效性，也可以有效的避免一次性注入冷冻效率低且磨料会沉淀分层的问题，从而最终形成的冰冻磨材是多层和/或多块的冻体结构。
86.优选的加工方式中，采用自动灌注装置800进行自动灌注，所述自动灌注装置800可以采用螺旋供料机或挤塑机等现有设备进行混合物的搅拌和供应，并通过管道连接注射嘴810，由注射嘴810出料。
87.加工过程中，可以将注射嘴810固定，通过所述载具100的移动和/或自转来实现注射嘴810向不同位置的容置空间300中加入混合物，所述载具100的移动和/或自转可以通过现有的各种可行结构来实现，此处不作赘述。
88.例如，加工附图10所示的盘状磨具时，使所述载具的轴线是垂直设置的，且前端面朝上，此时，全部容置空间300的开口朝上，且在一状态下，一所述容置空间300与所述注射嘴810对应，所述注射嘴810向与其对应的容置空间内加入微量的混合物中，待容置空间300内的混合物在冷媒的作用下冷冻后，再次向该容置空间300中加入混合物，至该容置空间内冰冻形成的冰冻磨材的厚度达到要求后停止加入混合物；接着，所述载具100自转一定角度，使另一个容置空间与注射嘴810对应，注射嘴按照上述过程向容置空间内加入混合物，至该容置空间300内冰冻形成的冰冻磨材的厚度达到要求；所述载具100再次旋转至全部容置空间300中具有冰冻磨材400。
89.又如，加工附图11所示的柱状磨具时，使载具100的轴线是水平设置的，并使一个容置空间的开口朝上与注射嘴对应，当该容置空间中得到目标厚度的冰冻磨材后，所述载具100自转一定角度，使另一个容置空间朝上与注射嘴对应，然后分次加入混合物，按照此过程重复至所有容置空间300中具有冰冻磨材。
90.在如，加工如附图12所示的蜂窝状磨具时，可以通过平移及旋转载具来实现不同位置的容置空间内加入混合物。
91.当然在向所述容置空间300中加入混合物时，如果混合物是膏体等流动性较弱的形态时，也可以在所述容置空间300的开口非朝上状态下加入混合物。
92.在另外的实施例中，也可以使所述载具100不动，通过使所述注射嘴810移动的方式来向不同位置的容置空间300中添加混合物，驱动所述注射嘴810移动的结构为已知技术，例如可以是六轴移动机器人或xyz三轴平移模组等，此处不作赘述。当然，所述注射嘴810的移动也可以由人工操作来实现。
93.不过在其他实施例中，也可以使所述载具100及注射嘴810均可移动来实现注射嘴对不同位置的容置空间300中加入混合物。
94.更优的实施例中，当所述载具100的前端通过半导体制冷片连接治具500时，在冷冻混合物时，同时开启所述半导体制冷片及向所述冷却流动供应冷媒，从而通过半导体制冷片进行混合物的冷却。
95.实施例3
96.本方案进一步提供了一种磨抛装置，至少包括上述实施例的磨具，如附图11、附图12所示，所述磨具的流体滑环200连接冷媒供应机构700，所述冷媒供应机构700的具体结构为已知技术，此处不作赘述。所述冷媒供应机构700供应的冷媒可以是液氮、乙二醇或者冰盐水等常用的冷却媒介。所述载具100连接驱动其自转的驱动机构900。
97.工作时，所述驱动机构900驱动所述载具100自转，所述冷媒供应机构700持续向所述冷媒通道内供应冷媒对所述冰冻磨材进行冷冻保温。研磨时，可以通过待加工件向磨具进给来实现研磨，当然，也可以通过磨具向所述待加工件方向进给来实现研磨，进给时，可以动过手动来实现，也可以通过移动机构（图中未示出）来实现，所述移动机构可以是已知的各种研磨机中使用的驱动磨头移动的结构，其具体结构为已知技术，此处不作赘述。
98.所述驱动机构可以是各种能够驱动所述载具100自转的结构，优选所述驱动机构为机械传动主轴、气浮、液压或机械直驱电主轴或所述载具与所述驱动机构构成电主轴。所述电主轴是已知的各种机械或气浮电主轴，其具体结构为已知技术，不是本方案的保护点，此处不作赘述。当然，所述驱动机构也可以是电机、同步带、同步轮等构成的结构，此时，所述载具100可自转地设置在一支架（图中未示出）上。
99.进一步的，如附图10、附图11所示，所述磨抛装置还包括自动灌注装置800，用于将磨料、配伍材料及可凝固成固体的液体混合得到混合物填充到所述容置空间400内，因此，所述磨具的冰冻磨材400可以在研磨机内部直接冰冻得到，并且在磨具上的冰冻磨材使用完毕后，可以不需要拆装磨具，而直接在研磨机内部再次冷冻得到冰冻磨材400。
100.本实用新型的磨抛装置采用常规磨抛机的控制结构来控制各部分的自动运行，此处为已知技术，不作赘述。
101.实施例4
102.采用上述的磨抛装置进行研磨时，其包括如下步骤
103.s10,提供如上述实施例的磨抛装置及待加工件；
104.s20,通过磨具对待加工件进行研磨，研磨时，冷媒供应机构持续供应使冰冻磨材保持凝固状态的冷媒。
105.其中，所述磨抛装置的磨具可以按照上述实施例2的磨具加工方法得到，并且在加工所述模具时，先将所述载具100设置在所述研磨机的驱动机构900上，再进行冰冻磨材400的冷冻。
106.并且，在研磨时，所述磨具的转速控制在10～100000转/分钟，磨具的进给速率为
0.1～500微米/分钟，磨具对工件施加的压力为0～500kgf/cm2，压力可以通过在固定工件的工件盘处设置压力传感器来进行测定。
107.本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。