固結磨料研磨單晶藍寶石亞表面損傷的預測

王建彬，馬睿，江本赤，王剛，李軍，朱永偉

固結磨料研磨單晶藍寶石亞表面損傷的預測

王建彬1,2，馬睿1，江本赤1，王剛1，李軍2，朱永偉2

（1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學 機電學院 江蘇省精密與微細制造技術重點試驗室，南京 210016）

為了準確預測工件亞表面損傷，合理確定材料去除量，優(yōu)化固結磨料研磨單晶藍寶石的工藝參數(shù)。針對固結磨料研磨特點和單晶藍寶石特性，采用離散元模擬技術，建立單晶藍寶石材料的離散元模型，仿真固結磨料對材料研磨的動態(tài)過程，分析載荷作用下材料單元顆粒間裂紋的產(chǎn)生和擴展規(guī)律，研究磨粒切入深度對亞表面損傷的影響，預測固結磨料研磨單晶藍寶石亞表面裂紋的數(shù)量和深度，并借助化學腐蝕法驗證預測結果。采用粒度分別為W14、W28、W50、W65的金剛石固結磨料墊，其對應的研磨單晶藍寶石亞表面損傷層深度預測值分別為3.75、5.28、7.62、10.92 μm，預測的裂紋數(shù)量分別為199、236、526、981條，對應的實驗實測值分別為3.79、5.88、8.76、11.44 μm。固結磨料墊中的磨料粒徑越大，單晶藍寶石亞表面損傷層的深度越大，裂紋數(shù)量越密集。對比發(fā)現(xiàn)腐蝕實驗的實測值和理論預測值基本一致，驗證了預測結果模型的正確性。采用離散元法可以快速有效地預測固結磨料研磨單晶藍寶石亞表面損傷層的裂紋數(shù)量和深度，為研磨工藝參數(shù)的優(yōu)化和后續(xù)拋光工藝參數(shù)的制定提供指導。

單晶藍寶石；亞表面損傷；離散元法；固結磨料；研磨；化學腐蝕法

單晶藍寶石因具有較高的硬度、優(yōu)異的透光性及良好的耐磨和耐腐蝕性能，而被廣泛應用于固態(tài)照明LED襯底、智能電子觸摸屏及軍事紅外探測窗口等[1-4]。隨著單晶藍寶石應用領域的不斷擴大，對其表面/亞表面質量的加工要求也越來越高。但由于單晶藍寶石的硬脆特性，導致其加工難度大、加工工藝復雜，尤其是作為最終工序的拋光，其去除效率和材料表層的整體去除量均較小，很難在短時間內獲得優(yōu)質的加工表面。因此，作為前道工序的研磨成為決定后續(xù)拋光時間和成本的關鍵工序[5-7]，開展針對單晶藍寶石研磨加工的亞表面損傷研究，對于合理確定研磨去除量、優(yōu)化研磨工藝參數(shù)、高效獲得超光滑表面具有重要意義。

研磨后單晶藍寶石工件的亞表面損傷一直是國內外學者關注的重點。依據(jù)檢測工件是否受到破壞，可把單晶藍寶石亞表面損傷的檢測分為破壞性檢測和非破壞性檢測。其中，利用高溫KOH與單晶藍寶石的化學反應測算腐蝕速率的高溫腐蝕法[6-8]，以及通過調節(jié)腐蝕液配比和溫度的低溫濕法刻蝕均都屬于破壞性檢測[9]。該方法雖然能夠精確地檢測出藍寶石亞表面損傷層深度，但由于腐蝕液的破壞作用，試樣的亞表面損傷特征不能完全反映出來，且檢測時間長，檢測后樣件難以繼續(xù)使用。而利用光學原理借助TEM、X射線衍射和拉曼光譜技術呈現(xiàn)單晶藍寶石亞表面損傷的非破壞性檢測[10-11]，檢測結果過分依賴于操作者，且存在檢測系統(tǒng)成本高、測量精度低、測量結果不直觀等缺陷。綜上所述，目前對單晶藍寶石亞表面損傷研究較多地關注于事后的深度檢測，而對于亞表面損傷的產(chǎn)生機制及事前的深度預測還很少涉及。

形成于20世紀70年代的離散元法，其原理是以顆粒集合系統(tǒng)為載體模擬非線性作用下的材料流動和混合，解決不連續(xù)離散介質的數(shù)值仿真。該方法通過一系列模擬實驗建立微觀參數(shù)與材料宏觀力學性能間的映射關系，將空間離散轉換為離散單元陣，建立仿真樣本[12]。離散元法中空間顆粒離散單元間的連接和流動特性與研磨加工中材料分子顆粒受磨粒作用而產(chǎn)生的滑移較為類似，故近年來有專家嘗試利用離散元法分析硅片、石英玻璃、鎂鋁尖晶石等材料加工時的裂紋特性[13-15]。由于離散元法在研磨加工中的應用研究還處于起步階段，尤其是在固結磨料研磨單晶藍寶石的亞表面預測方面尚未見文獻報道。

本文針對單晶藍寶石的材料特性，首先，利用離散元軟件建立單晶藍寶石的二維離散元模型，模擬金剛石固結磨料研磨時的磨粒運動過程，分析離散球形顆粒單元間裂紋的產(chǎn)生和擴展規(guī)律。依據(jù)固結磨料研磨單晶藍寶石的磨粒切入深度，研究不同粒度的金剛石固結磨料對單晶藍寶石的亞表面損傷規(guī)律，預測亞表面損傷的裂紋數(shù)量和深度，揭示亞表面損傷的產(chǎn)生機制；其次，采用化學腐蝕法測量固結磨料研磨單晶藍寶石的亞表面損傷層深度；最后，對比離散元模型的仿真結果和實驗測得值，確定合理的材料去除深度，為單晶藍寶石研磨工藝參數(shù)的制定提供參考。

1 單晶藍寶石離散元模型的構建

1.1 離散元模型的建立

單晶藍寶石是由氧原子和鋁原子組成的配位型氧化物晶體，晶體結構中的原子類似于球體，通過共價鍵形式連接，因此可以將單晶藍寶石原子假定為離散的球形單元顆粒體。采用離散元軟件PFC建立二維離散元模型如圖1所示，圖中離散的球形顆粒為獨立剛性單元體，顆粒間呈現(xiàn)緊密排列，并在一定強度連接鍵的約束下形成集合體。為了使理論模型參數(shù)與實際宏觀力學參數(shù)相匹配，對離散元模型進行虛擬的單軸壓縮、巴西圓盤拉伸、單邊切口校核。校核后的模型參數(shù)與實測力學參數(shù)對比如表1所示[16-18]。由表1可知，離散元模型中的力學參數(shù)指標和實測參考值基本一致，故該模型具有可靠的理論基礎。

圖1 單晶藍寶石的二維離散元模型

表1 模型校核參數(shù)與實測力學性能參數(shù)對比

Tab.1 Comparison between model checking parameters and measured mechanical properties

1.2 亞表面裂紋的形成

離散的剛性顆粒單元集合體受到外加載荷作用時，顆粒單元間連接鍵的鍵能因接觸力作用而減弱，距離接觸力作用點越近，鍵能的減弱程度越大，反之則越小。顆粒單元間連接鍵的連接強度因鍵能的改變而變化，在接觸點下方的顆粒單元體出現(xiàn)滑移，連接鍵呈現(xiàn)出類似于微裂紋的狀態(tài)，如圖2a所示。當接觸力作用足夠大時，距離作用點最近的顆粒單元間連接鍵斷裂，部分顆粒單元脫離集合體，如圖2b所示。

a 微裂紋的形成

b 顆粒分離

圖2 微裂紋的形成與顆粒分離

Fig.2 Formation of microcracks and particle separation: (a) formation of microcracks; (b) particle separation

在固結磨料研磨單晶藍寶石過程中，材料表層受到接觸磨粒的機械作用，在接觸點下方形成一定數(shù)量的亞表面裂紋。實際加工中，磨粒與材料間接觸力的大小通過磨粒的切入深度來表示，故單晶藍寶石的亞表面損傷與磨粒的切入深度直接相關[6,15]。固結磨料研磨單晶藍寶石的磨粒切入深度除了和磨料粒徑尺寸有關外，還受制于固結磨料墊的結構。為了簡化模型，假設由樹脂基體包裹的磨粒為球形剛體，均布在固結磨料墊表面，其在高度方向的出露也是均勻的，則固結磨料墊表面理論磨粒個數(shù)0和單顆磨粒對單晶藍寶石樣件的最大切深分別為[6]：

式中：0為工件的面積，0為固結墊凸起面積與總面積的比值，為磨粒的體積濃度，為研磨壓力，s為單晶藍寶石樣件的屈服強度，max為磨粒的最大出露高度取粒徑的1/3，為磨粒直徑，為實際接觸的磨粒組數(shù)。

依據(jù)固結磨料墊特性和研磨壓力等工藝參數(shù)，利用公式（1）—（3）可獲得不同粒徑金剛石固結磨料對單晶藍寶石的切入深度（表2），把切深代入離散元模型即可對單晶藍寶石亞表面損傷層裂紋進行模擬。

表2 不同粒徑固結磨料墊對應單晶藍寶石的最大切深

Tab.2 Maximum cutting depth of sapphire under fixed pads with different diameter

2 實驗

2.1 樣件的制備

實驗采用的樣件為直徑50.8 mm、厚度0.5 mm左右的C向單晶藍寶石片。在腐蝕實驗前，利用金剛石固結磨料墊研磨加工樣件，固結磨料墊中的金剛石粒徑分別為W65、W50、W28、W14。研磨時采用相同的研磨液和工藝參數(shù)，其中研磨液為去離子水+ 0.3%OP-10乳化劑，研磨工藝參數(shù)如表3所示。

表3 固結磨料研磨藍寶石工藝參數(shù)

Tab.3 Lapping process parameters of lapping sapphire with fixed abrasive

2.2 亞表面損傷層深度的檢測

采用箱式電阻爐加熱固態(tài)KOH至300 ℃，使其處于高溫熔融狀態(tài)，把不同固結磨料墊研磨后的單晶藍寶石樣件超聲清洗干凈，放入熔融態(tài)高溫KOH進行腐蝕。腐蝕后待樣件冷卻至室溫，用去離子水沖洗5 min，并用0.5%稀鹽酸浸泡20 min，再用去離子水清洗5 min，用無水乙醇超聲清洗20 min，電吹風吹干。采用精密天平FA1604（220 g/0.1 mg）分別計量腐蝕前后的質量變化，以5次測量的均值作為測量結果，每次腐蝕時間為10 min。由于樣件的厚度相對于直徑尺寸，其數(shù)值較小，故厚度方向腐蝕前后的質量變化可忽略不計，假定單晶藍寶石樣件的密度恒定且雙面被均勻腐蝕，則可依據(jù)公式（4）測算腐蝕深度Δ式中和分別表示單晶藍寶石腐蝕前的厚度和質量，m和m-1分別為第次腐蝕前后的質量。腐蝕速率和腐蝕加速度分別為Δ/(2)和Δ，Δ為時間腐蝕前后的腐蝕速度差。實驗采用金相顯微鏡ZL200JT觀測腐蝕前后單晶藍寶石樣件的表面形貌。

3 結果與討論

3.1 不同粒徑下的亞表面損傷深度仿真

仿真過程中，利用表2中不同粒徑金剛石固結磨料墊研磨單晶藍寶石樣件的最大切深，假設磨粒以20 m/s的速度在工件表面作直線運動，設定相同的時步為80 000步，利用離散元模型即可仿真出相同工藝參數(shù)下，不同粒徑單顆金剛石磨粒研磨單晶藍寶石過程中的亞表面裂紋分布和擴散深度如圖3所示。隨著金剛石粒徑增大，磨粒切入深度增加，模型中裂紋分布深度和密集程度不斷加大。當磨料粒徑為W14時，磨粒的切入深度相對較小，亞表面裂紋的分布深度僅在顆粒單元體的1~2層，仿真得出亞表面損傷深度為3.75 μm，裂紋數(shù)量為199條。而當磨料粒徑增大到W65時，由圖3d中可以看出亞表面裂紋的分布深度和密集程度明顯增大，其數(shù)值分別為10.92 μm和981條。

圖3 單顆磨粒仿真研磨后亞表面損傷模型圖

從仿真模型得出的磨粒粒徑與亞表面損傷深度及裂紋數(shù)量關系如圖4所示。亞表面損傷深度隨著磨料粒徑的變大而加深，裂紋數(shù)量隨著磨料粒徑的變大而增多。這可能是由于粒徑較小的磨粒切入單晶藍寶石樣件表層的深度較淺，不易造成表層單元顆粒間連接健的破壞，其亞表面損傷的深度和數(shù)量相對較小。而當采用W65的金剛石磨料時，磨粒的切入深度最大，磨粒接觸處的作用力最大，工件表層材料顆粒體由于受到較大的法向載荷作用，深度方向形成密致交錯的微裂紋，顆粒體間的連接鍵強度減弱，并擴展至一定深度。同時，由于磨料與工件相對運動產(chǎn)生的剪切應力加劇了亞表面裂紋的擴展，并使表層部分顆粒體脫離，其過程與磨粒加工宏觀呈現(xiàn)的刮擦、耕犁和切削相對應。

圖4 磨粒粒徑與亞表面損傷深度及裂紋數(shù)量

3.2 不同粒徑下的亞表面損傷實驗研究

利用化學腐蝕法測得不同粒徑下固結磨料墊研磨單晶藍寶石的表面/亞表面腐蝕速度和加速度曲線如圖5所示。隨著腐蝕時間的增加，不同粒徑下固結磨料墊研磨后，單晶藍寶石腐蝕速度和加速度的變化趨勢基本一致，其數(shù)值不斷減小，經(jīng)過一定的腐蝕時間后，工件的腐蝕速度基本不變，腐蝕的加速度趨近于零。這主要是因為腐蝕初期，樣件表面/亞表面損傷層較大，裂紋的深度和數(shù)量較多，化學腐蝕液較易滲入，從而與更大面積的表層原子接觸發(fā)生化學腐蝕作用，導致較高的腐蝕速率，而隨著腐蝕時間的增加，樣件表面/亞表面被損傷的部分逐漸被腐蝕掉，腐蝕速率必然趨緩[6,19]。當樣件的亞表面損傷被完全去除后，樣件的基體層與腐蝕液接觸，腐蝕速率保持恒定且與腐蝕時間無關。

進一步分析不同粒徑作用下單晶藍寶石腐蝕前后的表面形貌如圖6所示，其中圖6a—d為腐蝕前的表面形貌，可以看出腐蝕前的樣件表面布滿不規(guī)則凹坑。隨著磨料粒徑的增大，其對應樣件表面逐漸出現(xiàn)較為明顯的劃痕，粒徑為W65作用后的樣件表面劃痕最為顯著。圖6e—h分別為樣件腐蝕50、40、30、20 min后的表面形貌，可以看出腐蝕后的樣件表面均呈現(xiàn)出較為規(guī)則的形狀，且形狀基本類似，從而推斷樣件的亞表面損傷層已經(jīng)完全被腐蝕液去除。依據(jù)不同樣件腐蝕形貌呈現(xiàn)規(guī)則形狀所需的腐蝕時間，再次分析圖5可知，當腐蝕速率基本恒定、腐蝕加速度基本為零時，腐蝕速率曲線在此時出現(xiàn)拐點。假定單晶藍寶石密度不變，則可由腐蝕前后的質量差和累計腐蝕時間，推斷出其亞表面損傷層深度。故當磨料粒徑分別為W65、W50、W28、W14時，其對應的樣件亞表面損傷層深度分別為11.44、8.76、5.88、3.79 μm。

當磨料粒徑相對較大時，固結磨料墊上凸起的金剛石磨粒與單晶藍寶石樣件表面接觸，由于磨料顆粒的非均勻性，導致單位面積上的接觸壓強隨粒徑的增大而增大，易形成較大切深，加劇亞表面損傷，宏觀上在樣件表面呈現(xiàn)出明顯的劃痕。而隨著磨料粒徑的減小，在樹脂中包裹的金剛石磨粒不易出露，導致樹脂基體承擔部分研磨壓力，一定程度上減緩了磨粒的切入深度，形成較小的亞表面損傷。也可以進一步解釋圖3中腐蝕速率曲線斜率的變化，大粒徑作用下導致單晶藍寶石樣件亞表面損傷較大，故其腐蝕速率的曲線斜率變化較大，反之則腐蝕速率的曲線斜率變化較小。

圖6 不同粒徑作用下單晶藍寶石腐蝕前后的形貌

3.3 亞表面損傷的仿真預測與實驗對比分析

采用不同粒度的金剛石固結磨料墊研磨單晶藍寶石樣件，加工后樣件亞表面損傷的實驗結果和仿真預測對比如圖7所示?？梢钥闯?，在仿真預測與實際實驗過程中，磨粒粒徑從W14、W28、W50增大到W65時，隨著磨粒切入深度的增加，工件表面/亞表面的裂紋深度和密度也相應增加，且仿真預測結果和實驗的變化趨勢基本相同，說明通過建立離散元模型可以較為準確地預測固結磨料研磨單晶藍寶石樣件的亞表面損傷層深度。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)仿真預測與實際實驗結果之間也存在一定的差別，表現(xiàn)為實驗結果普遍大于仿真模型的預測。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是：首先，仿真預測模型中材料假設為均勻的理想球狀密排堆積，而實際單晶藍寶石的原子大小和間距均有差異，連結原子的鍵長和鍵能也不盡相同，故磨粒壓入時若以均勻密排的仿真模型預測切入深度，必然與實際情況有所出入；其次，仿真模型中，為了便于計算僅假設磨粒大小均勻且為勻速直線運動，簡化了實際加工的復雜性；再次，固結磨料墊中的磨粒大小具有一定范圍，加工時部分顆粒較大的磨粒易脫落，在工件表面間以一定的速度進行滾軋，必然會造成較大的亞表面損傷；最后，采用化學腐蝕法僅以質量變化測算亞表面損傷，忽略了藍寶石樣件表面/亞表面損傷的非均勻性和厚度方向的腐蝕量，故腐蝕法測量的實驗結果必然大于仿真預測結果。

4 結論

1）采用離散元法仿真固結磨料研磨單晶藍寶石的力學行為，預測樣件亞表面裂紋數(shù)量和損傷層深度，當磨料粒徑分別為W14、W28、W50、W65時，其對應的裂紋數(shù)量分別為199條、236條、526條、981條，亞表面損傷層深度分別為3.75、5.28、7.62、10.92 μm，亞表面裂紋數(shù)量和損傷層深度均隨著磨料粒徑的增大而增加。

2）采用化學腐蝕法對研磨后的單晶藍寶石樣件進行亞表面損傷檢測實驗，磨料粒徑分別為W14、W28、W50、W65的固結磨料作用下的亞表面損傷層深度分別為3.79、5.88、8.76、11.44 μm。

3）磨料粒徑對固結磨料研磨單晶藍寶石亞表面裂紋的密集程度和損傷層深度影響顯著，控制磨料粒徑是改善亞表面損傷的有效途徑。

[1] XU Yong-chao, LU Jing, XU Xi-peng. Study on planariza-tion machining of sapphire wafer with soft-hard mixed abr-asive through mechanical chemical polishing[J]. Applied surface science, 2016, 389: 713-720.

[2] KHATTAK C P, SHETTY R, SCHWERDTFEGER C R, et al. World's largest sapphire for many applications[J]. Journal of crystal growth, 2016, 452: 44-48.

[3] 張榮實. 紅外窗口整流罩技術新進展[J]. 紅外與激光工程, 2007, 36(9): 114-118. ZHANG Rong-shi. Recent advances in infrared window and dome technologies[J]. Infrared and laser engineering, 2007, 36(9): 114-118.

[4] 鐘敏, 袁任江, 李小兵, 等. 磨粒和拋光墊特性對藍寶石超聲化學機械拋光的影響[J]. 中國表面工程, 2018, 31(6): 125-132. ZHONG Min, YUAN Ren-jiang, LI Xiao-bing, et al. Effects of abrasive particles and pads’ characteristics on ultrasonic assisted chemical mechanical polishing for sap-phire[J]. China surface engineering, 2018, 31(6): 125-132.

[5] LEE H C, MEISSNER H E. Characterization of AFB (R) sapphire single crystal composites for infrared window application[J]. Proceedings of SPIE, 2007, 6545: 1-8.

[6] 王建彬. 固結磨料研磨藍寶石工件的材料去除機理及工藝研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2015. WANG Jian-bin. Material removal mechanism and process research of lapping sapphire by fixed abrasive[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015.

[7] 孟慶平. 藍寶石高效超精密磨削技術及損傷檢測研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2009. MENG Qing-ping. Study on high efficiency and ultra-pre-cision grinding process and machining damage of sapph-ire[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2009.

[8] 謝春, 汪家林, 唐慧麗. 碳化硼研磨后藍寶石晶體的亞表面損傷[J]. 光學精密工程, 2017, 25(12): 3070-3078. XIE Chun, WANG Jia-lin, TANG Hui-li. Subsurface dam-age of sapphire crystal after lapping with boron carbide abrasives[J]. Optics and precision engineering, 2017, 25(12): 3070-3078.

[9] KUMA P, LEE J, LEE G, et al. Low temperature wet etch-ing to reveal sub-surface damage in sapphire substrates[J]. Applied surface science, 2013, 69(1-4): 277-290.

[10] BLACK D R, POLVANI R S, BRAUN L M, et al. Detec-tion of subsurface damage: studies in sapphire[C]//Aero sense' 97. Florida: Window and dome technologies and materials V, 1997: 102-114.

[11] WANG Jian-bin, WU Ke, MAEZAKI T, et al. Develop-ment of binder-free CMG abrasive pellet and finishing performance on mono-crystal sapphire[J]. Precision engi-neering, 2020, 62: 40-46.

[12] STRACK O D L, CUNDALL P A. The distinct element method as a tool for research in granular media[M]. Min-nesota: University of Minnesota, 1978.

[13] RANDI J A, LAMBROPOULOS J C, JACOBS S D. Sub-surface damage in some single crystalline optical mater-ials[J]. Applied optics, 2005, 44(12): 2241-2249.

[14] 譚援強, 楊冬民, 李才, 等. 單晶硅加工裂紋的離散元仿真研究[J]. 中國機械工程, 2008, 19(21): 2545-2548. TAN Yuan-qiang, YANG Dong-min, LI Cai, et al. Discrete element method simulation of cracks in monocrystalline silicon machining process[J]. China mechanical engineer-ing, 2008, 19(21): 2545-2548.

[15] 朱永偉, 李信路, 王占奎, 等. 光學硬脆材料固結磨料研磨中的亞表面損傷層預測[J]. 光學精密工程, 2017, 25(2): 367-374. Zhu Yong-wei, Li Xin-lu, Wang Zhan-kui, et al. Subsur-face damage prediction for optical hard brittle material in fixed abrasive lapping[J]. Optics and precision engineer-ing, 2017, 25(2): 367-374.

[16] YANG B, JIAO Y, LEI S. A study on the effects of micro-parameters on micro properties for specimens created by bonded particles[J]. Engineering computations, 2006, 23(6): 607-631.

[17] 蔣明鏡, 方威, 司馬軍. 模擬巖石的平行粘結模型微觀參數(shù)標定[J]. 山東大學學報(工學版), 2015, 45(4): 50-56.JIANG Ming-jing, FANG Wei, SIMA Jun. Calibration of micro-parameters of parallel bonded model for rocks[J]. Journal of Shandong University of Technology, 2015, 45(4): 50-56.

[18] 尹小濤, 李春光, 王水林, 等. 巖土材料細觀、宏觀強度參數(shù)的關系研究[J]. 固體力學學報, 2011, 32(S1): 343-351. YIN Xiao-tao, LI Chun-guang, WANG Shui-lin, et al. Study on relationship between micro-parameters and macro- parameters of rock and sold material[J]. Chinese journal of sold mechanics, 2011, 32(S1): 343-351.

[19] 李軍, 王健杰, 郭太煜, 等. 側面逐層拋光腐蝕法研究亞表面損傷[J]. 表面技術, 2019, 48(8): 309-315. LI Jun, WANG Jian-jie, GUO Tai-yu, et al. Subsurface damage studied by side layer-by-layer polishing and etch-ing method[J]. Surface technology, 2019, 48(8): 309-315.

Prediction of Subsurface Damage for Fixed Abrasive Lapping Single Crystal Sapphire

1,2,1,1,1,2,2

(1.School of Mechanical and Automobile Engineering , Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Precision and Microfabrication Technology, School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

The work aims to accurately predict the subsurface damage of the workpiece, reasonably determine the material removal amount, and optimize the process parameters of the single-crystal sapphire with the fixed abrasive. According to the lapping characteristics of fixed abrasives and the properties of single crystal sapphire, the discrete element model of single crystal sapphire was established by discrete element method, the dynamic process of lapping the material by fixed abrasive was simulated, the generation and propagation of cracks between element particles under load were analyzed, the effect of cut depth of abrasive grains on subsurface damage was studied, the number and depth of subsurface cracks of single crystal sapphire lapped by fixed abrasives were predicted, and the prediction results were verified by chemical corrosion method. The results indicated that with the fixed abrasive pads with particle sizes of W14, W28, W50 and W65, the corresponding predicted depth of the lapped sapphire subsurface damage layers was 3.75 μm, 5.28 μm, 7.62 μm and 10.92 μm; the predicted number of cracks was 199, 236, 526 and 981; and the corresponding experimental values were 3.79 μm, 5.88 μm, 8.76 μm, and 11.44 μm, respectively. As the abrasive particle size in the fixed abrasive pad increased, the depth of the single crystal sapphire subsurface damage layer and the number of cracks also increased. The comparison showed that the measured values and predicted values were basically consistent, and the correctness of the prediction results was verified. Therefore, the discrete element method can quickly and effectively predict the number and depth of cracks in the sapphire subsurface damage layer of the fixed abrasive, and provide guidance for the optimization of the lapping process parameters and the formulation of subsequent polishing process parameters.

single crystal sapphire; subsurface damage; discrete element method; fixed abrasive; lapping; chemical etching

2019-12-31；

2020-02-27

WANG Jian-bin (1982—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: ultra-precision machining technology.

李軍（1979—），男，博士，副教授，主要研究方向為超精密加工技術。郵箱：junli@nuaa.edu.cn

Corresponding author：LI Jun (1979—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: ultra-precision machining technology. E-mail: junli@nuaa.edu.cn

王建彬, 馬睿, 江本赤, 等. 固結磨料研磨單晶藍寶石亞表面損傷的預測[J]. 表面技術, 2020, 49(6): 345-351.

TG365.28

A

1001-3660(2020)06-0345-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.042

2019-12-31；

2020-02-27

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目（gxyqZD2019051）；安徽省自然科學基金資助項目（1708085QE127）；校國家基金預研項目（2017yyzr06）；安徽省人才項目（Z175050020001）；安徽工程大學2018年度中青年拔尖人才培養(yǎng)計劃；南京航空航天大學江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室開放基金

Fund：Supported by the Key Project of Excellent Young Talents Support Program of Anhui Province (gxyqZD2019051); Funded by the Natural Science Foundation of Anhui Province (1708085QE127); National Fund Pre-research Project of the University (2017yyzr06); Talent Project of Anhui Province (Z175050020001); Anhui Engineering University's 2018 Young Talent Training Program; Nanjing Aerospace University Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro Manufacturing Technology Open Fund

王建彬（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向為超精密加工技術。

WANG Jian-bin, MA Rui, JIANG Ben-chi, et al. Prediction of subsurface damage for fixed abrasive lapping single crystal sapphire[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 345-351.