碳化硅研拋過程中表面損傷的仿真與實驗研究

谷 巖，朱文慧，林潔瓊，孫建波

（長春工業(yè)大學機電工程學院，吉林 長春 130012）

1 引言

碳化硅具有高硬度、高強度、化學性能穩(wěn)定、耐磨性好等特點，廣泛應用于航空航天，精密機械和光學儀器等諸多領域[1]。但是，碳化硅的高脆性和低斷裂韌性使其在加工中容易產(chǎn)生表面/亞表面微裂紋、位錯、相變和殘余應力等，從而影響材料的表面完整性和疲勞性能[2]。研拋是一種能有效減少由加工工序引起的表面損傷，提高表面質(zhì)量和面形精度的精密加工工藝[3]。計算機控制精密拋光因其成本低、效率高，可廣泛應用于碳化硅材料的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。然而，碳化硅拋光加工在表面損傷控制方面，仍然具有挑戰(zhàn)性。為了在碳化硅拋光加工中獲得較好的表面質(zhì)量，研究硬脆材料去除機理和加工參數(shù)對表面損傷的影響具有重要意義。

國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對脆性材料表面質(zhì)量和加工參數(shù)之間的關系進行了研究。例如，文獻[4]通過金剛石砂輪磨削Zerodur微晶玻璃，研究了磨削參數(shù)對SR的影響，并提出了SR的預測模型。文獻[5]通過金剛石砂輪進行氮化硅磨削正交實驗，分析了磨削粒度、砂輪轉(zhuǎn)速、工件速度和磨削深度等參數(shù)對磨削表面質(zhì)量的影響。文獻[6]對KDP晶體進行切削實驗，利用多因素交互作用分析KDP晶體表面波紋度和粗糙度的影響規(guī)律。由于硬脆材料加工過程復雜，具體試驗操作、工藝選擇和測量難度依然較大。隨著有限元技術的快速發(fā)展，各種復雜切削試驗均能采用有限元方法模擬實現(xiàn)。當前有關硬脆材料的切削仿真研究，大多數(shù)采用有限元[7]和分子動力學[8]等方法，通過復雜加工過程的模擬研究，預測加工效果，為實際加工提供合理的工藝條件參考。

目前，硬脆材料加工過程中去除機理和表面損傷的研究很多，但是利用有限元仿真對碳化硅研拋過程中的材料去除特性以及動態(tài)參數(shù)對表面損傷影響的微觀研究還很少。在此基礎上，提出了一種單磨粒模擬碳化硅研拋過程的仿真模型，分析工件材料去除特性、應力分布變化規(guī)律和表面形貌變化等，確定了表面損傷和加工參數(shù)之間的依賴關系。通過相應的研拋實驗驗證了仿真結(jié)果的有效性。仿真和實驗結(jié)果可以更好地理解加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，有助于優(yōu)化加工參數(shù)，獲得理想的表面質(zhì)量。

2 數(shù)值模擬

實際研拋加工是磨料顆粒與工件之間相互作用的結(jié)果。由于磨粒形狀、彈塑性狀態(tài)和出刃高度不同，磨粒加工狀態(tài)也存在差異。對于切削刃高度較低、頂部磨鈍程度較大且具有較大的刃口鈍圓半徑的磨粒，通常把它對工件表面的研拋過程看成球形顆粒的劃擦過程。材料的本構(gòu)模型選用雙線性本構(gòu)模型[9]，本構(gòu)關系，如式（1）所示。材料參數(shù)，如表1所示。應力應變曲線，如圖2所示。著i—開裂應變；著f—最大應變。

式中：E0—模型的初始對角剛度矩陣；D—剪切模量；K—工件硬度；F—載荷。

損傷失效選擇二次名義應力準則[10]，如式（2）所示：當各個方向的名義應力比的平方和等于1時，損傷開始：

式中：滓n、滓s、滓t—純Ⅰ型、純Ⅱ型及純Ⅲ型破壞的名義應力；—相應的最大名義應力。

表1 碳化硅和金剛石磨粒材料參數(shù)Tab.1 Material Properties of SiC and Diamond

圖1 應力-應變關系曲線Fig.1 The Stress-Strain Curve

圖2 單磨粒研拋仿真有限元模型Fig.2 Single Grain Simulation Model of the Polishing

采用Abaqus/Explicit建立單顆金剛石磨粒研拋碳化硅陶瓷的三維仿真模型。單磨粒視為剛體。工件網(wǎng)格類型設定為C3D8R（八節(jié)點六面體單元），為提高計算精度，將磨粒磨削區(qū)域附近網(wǎng)格進行局部加密，網(wǎng)格加密區(qū)域大于磨粒與工件的接觸區(qū)域，防止磨粒與較大網(wǎng)格接觸造成仿真偏差。工件與磨粒之間的摩擦系數(shù)為0.3。動態(tài)分析中，少數(shù)尺寸較小的單元控制穩(wěn)態(tài)時間增量，為提高計算效率，采用質(zhì)量縮放的方法，在分析中對整個模型進行質(zhì)量縮放，縮放系數(shù)設定為300。單磨粒仿真模型，如圖2所示。工件尺寸（60×15×20）μm。為研究研拋深度、磨粒轉(zhuǎn)速、進給速度、磨粒尺寸對碳化硅表面接觸力和表面質(zhì)量的影響，仿真中加工參數(shù)，如表2所示。

表2 仿真加工參數(shù)Tab.2 The Machining Parameters of Simulation

圖3 碳化硅研拋的脆性去除過程Fig.3 Brittle Removal Process of the Silicon Carbide Polishing

3 仿真結(jié)果和討論

3.1 研拋過程分析

單磨粒模擬碳化硅研拋過程中，工件的變形和應力區(qū)域會隨著磨粒移動而改變。硬脆材料去除過程分為三個階段：彈塑性變形階段、犁耕階段和脆性去除階段。圖3給出了工件的變形和應力圖，此時研拋深度ap=2μm，主軸轉(zhuǎn)速Vs=1500r/min，進給速度Vf=30mm/s，磨粒直徑D=12μm。磨粒以一定的壓入深度從邊緣中心開始接觸工件，側(cè)向網(wǎng)格單元受到擠壓，與磨粒外表面接觸的區(qū)域產(chǎn)生彈性變形，但變形很小，此時最大應力較小為246.8 GPa，如圖3（a）所示。隨著磨粒的旋轉(zhuǎn)和移動，磨粒切入深度最大的網(wǎng)格逐漸進入塑性變形階段，如圖3（b）所示。磨粒正下方和側(cè)面均與工件接觸，工件表面材料朝著磨粒兩側(cè)以及切削速度方向凸起，應力相應地增加。隨著磨粒進一步進給，塑性變形較大的網(wǎng)格在過度擠壓下，堆疊快速隆起，形成片狀磨屑，位于磨粒正下方的磨粒刃對工件表面產(chǎn)生劃擦，此區(qū)域內(nèi)處于耕犁階段，應力迅速增大到 395.6 GPa，如圖 3（c）所示。從圖 3（a）到圖 3（c）可以看出工件表面應力分布逐漸增大，工件應力達到材料的強度極限。磨粒前方片狀的磨屑受到扭轉(zhuǎn)切應力作用，脫離工件表面，進入脆性去除階段，脫離后的磨屑不斷打圈纏繞形成螺旋狀，此時應力減小，如圖3（d）所示。磨屑徹底從工件表面脫落，帶走部分應力，因此應力進一步減小，如圖3（e）所示。同時，磨粒前方再次受到擠壓進入彈塑性變形階段。如上所述，應力反復穩(wěn)定波動在一定范圍內(nèi)，完成工件表面的材料脆性去除。

3.2 仿真中研拋參數(shù)對應力分布和表面質(zhì)量的影響

研拋參數(shù)的選取在脆性材料加工過程中起著非常重要的作用，不同研拋條件下的磨粒劃擦工件表面的應力分布和表面形貌圖，如圖4所示。劃擦后的工件表面存在著不同程度的變形、殘余應力集中，甚至脆性斷裂。從圖4（a）中可以看出，研拋深度越大，與磨粒接觸的網(wǎng)格被擠壓的越嚴重，磨屑碎片堆積造成接觸表面斷裂程度也越大；當研拋深度ap=3μm時，最大殘余應力集中在形成區(qū)，造成破碎層沿著工件表面向兩側(cè)擴展，并伴隨脆性去除的磨屑脫落。從圖4（b）中可以看出，隨著磨粒轉(zhuǎn)速的增加，劃擦后的表面得到改善，表面損傷不斷減小，未變形的磨屑堆積也在變??；工件表面的應力分布也隨著轉(zhuǎn)速的增加而得到改善，從而提高表面質(zhì)量。從圖4（c）中可以看出，進給速度對工件表面形貌的影響較小，工件表面應力分布面積隨著進給速度增加而增加，但是應力集中的區(qū)域變化不大。從圖4（d）可以看出，磨粒粒徑越大，磨粒兩側(cè)與工件材料接觸面積越大，材料應力區(qū)從磨屑形成區(qū)沿劃擦方向擴展，形成面上出現(xiàn)的擠壓變形和破碎越來越嚴重；D=9μm時，應力區(qū)隨著磨屑的卷積堆疊而集中在形成區(qū)，最大殘余應力迅速增大；D=12μm時，磨粒前方的堆疊凸起脫落，同時，殘余應力分布范圍相對變大，這些都將會影響到工件加工表面的質(zhì)量。

圖4 研拋參數(shù)對應力分布和表面形貌的影響Fig.4 Effect of the Machining Parameters on the StressDistribution and Surface Morphology

4 實驗

4.1 實驗設備與方法

為實驗所用的研拋機床是實驗室自行研制的五軸聯(lián)動研拋機床，如圖5所示。實驗材料是反應燒結(jié)碳化硅，尺寸為Φ50mm×2mm。磨料為不同粒度的金剛石研拋膏。研拋時間為40min。為了研究研拋過程中工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響，選用研拋深度（1μm，2μm，3μm）、轉(zhuǎn)速（1000r/min，1500r/min，2000r/min）、進給速度（20mm/s，30mm/s，40mm/s）和磨粒粒度（W0.5，W1.5，W2.5）四組參數(shù)進行單因素試驗。

圖5 實驗裝置Fig.5 Experiments Setup

實驗完成后采用輪廓儀（ZYGO，New View 8000）檢測工件的三維形貌和表面粗糙度（SR）。測試前用酒精清洗工件，避免磨屑或殘余的研拋膏等影響檢測結(jié)果。測量表面粗糙度時，在工件任意直徑上去五個等間距點測量，分別記錄，然后求取平均值。

4.2 實驗結(jié)果和討論

不同工藝條件下的表面粗糙度測量結(jié)果，如圖6所示。從圖6（a）中可以看出，SR隨著研拋深度的增加而逐漸增加，研拋深度為1μm時，研拋表面積和去除體積較小，可以獲得較好的表面質(zhì)量，隨著深度的增加，與工件接觸的磨粒數(shù)量增加，材料去除面積和體積均增大，微裂紋數(shù)量和深度相應增加，因此表面質(zhì)量變差；但是隨著轉(zhuǎn)速的增加，SR值逐漸減小，說明增加研拋轉(zhuǎn)速可以改善表面質(zhì)量，但是轉(zhuǎn)速受到工藝和漿料廢料的限制，不易過高。從圖6（b）中可以看出，隨著進給速度的增大，SR略有增加，說明進給速度對表面質(zhì)量的影響不大；隨著磨粒粒徑的增加，SR逐漸增大，主要是因為質(zhì)量分數(shù)相等的磨料中，粒徑較大者的磨粒數(shù)量明顯小于粒徑較小者，加載相同的條件下，粒徑較大的磨粒所受的加載力也會很大，因此相對的產(chǎn)生的脆性裂紋也會加深，影響工件的表面質(zhì)量。從上述分析可以看出，不同工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響程度不盡相同，影響趨勢與仿真結(jié)果基本吻合，證明了仿真的有效性。

圖6 不同工藝參數(shù)下表面粗糙度值的變化Fig.6 The Values of the Surface Roughness Versus the Machining Parameters

圖7 碳化硅研拋前后表面形貌對比Fig.7 Comparison of the Silicon Carbide Surface Profile

從工藝限制、生產(chǎn)成本以及加工效率的角度來看，在研拋深度和轉(zhuǎn)速之間應該適當平衡，研拋深度不易過小，轉(zhuǎn)速也不易過大。從上述實驗數(shù)據(jù)可以看出，當研拋深度ap=1滋m，轉(zhuǎn)速Vs=2000r/min，進給速度Vf=20 mm/s，磨粒粒徑為W0.5時，SR值最小，SR值為0.153滋m，表面形貌，如圖7所示。結(jié)果表明，SR和加工參數(shù)之間具有良好的相關性，合理選擇工藝參數(shù)對有效控制碳化硅研拋加工的表面質(zhì)量十分重要。

5 結(jié)論

（1）通過單磨粒研拋碳化硅仿真，分析了脆性材料的去除過程，研究加工參數(shù)（研拋深度、磨粒轉(zhuǎn)速、進給速度和磨粒粒徑）對表面形貌和應力分布的影響，仿真結(jié)果表明通過增大磨粒轉(zhuǎn)速、減小研拋深度和磨粒尺寸，可以有效地減小表面破損情況，提高脆性材料的表面質(zhì)量，而進給速度對工件表面形貌和應力分布情況的影響不明顯。（2）通過精密研拋碳化硅的實驗，進一步分析了表面質(zhì)量隨著加工參數(shù)的變化情況，結(jié)果表明表面粗糙度隨著研拋深度和磨粒尺寸的增加而增加，但隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，進給速度對表面質(zhì)量的影響略微增加，但是變化很??；實驗結(jié)果驗證了有限元仿真的有效性。（3）碳化硅研拋加工中，合理選擇工藝參數(shù)有利于獲得更好的表面質(zhì)量：當研拋深度ap=1滋m，轉(zhuǎn)速Vs=2000r/min，進給速度Vf=20mm/s，磨粒粒徑為W0.5時，SR值最小為0.153滋m。