PVA/PF復(fù)合凝膠磨具精密磨削碳化硅陶瓷工藝實驗研究

馮凱萍，呂冰海，朱國旗，趙天晨，周兆忠

PVA/PF復(fù)合凝膠磨具精密磨削碳化硅陶瓷工藝實驗研究

馮凱萍1,2，呂冰海2，朱國旗3，趙天晨1，周兆忠1

（1.衢州學(xué)院 機械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，杭州 310014；3.浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，杭州 310012）

針對傳統(tǒng)粉末熱壓成形細(xì)粒度金剛石磨具存在顆粒團聚、磨削碳化硅陶瓷容易在表面產(chǎn)生較深劃痕的問題，提出一種基于冷凍-解凍凝膠成形的細(xì)粒度金剛石磨具，用于精密磨削碳化硅陶瓷，并研究其加工工藝。制備聚乙烯醇-酚醛樹脂復(fù)合凝膠膠水，將金剛石和填料在凝膠膠水中剪切分散，得到的漿料澆筑在模具中，在–20 ℃低溫條件下反復(fù)冷凍，形成膠體，再經(jīng)干燥、燒結(jié)，得到粒度為2.5 μm的細(xì)粒度金剛石磨削磨具。采用制備的金剛石凝膠磨具磨削碳化硅平面反射鏡，對比不同磨具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度工藝條件下的表面磨削質(zhì)量。在低溫條件下，聚乙烯醇-酚醛樹脂分子鏈發(fā)生了物理交聯(lián)，形成凝膠體，凝膠結(jié)合劑結(jié)合強度高，且分布均勻，所制備的凝膠磨具強度高于熱壓磨具，該方法可以解決傳統(tǒng)粉料壓制成形方法容易出現(xiàn)物相團聚、微觀結(jié)構(gòu)不一致的問題。磨削結(jié)果顯示，當(dāng)磨削進(jìn)給速度為0.008 mm/min、磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min、磨削深度為0.016 mm、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為60 r/min時，獲得了表面粗糙度低于3.5 nm的鏡面磨削效果，表面質(zhì)量好于熱壓磨具磨削效果，3個100 mm區(qū)域平面度PV值均小于0.5 μm。采用聚乙烯醇-酚醛樹脂復(fù)合凝膠成功制備了細(xì)粒度金剛石磨削磨具，通過優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，為碳化硅平面反射鏡鏡面加工提供了一種新的加工工藝。

凝膠磨具；碳化硅陶瓷；精密磨削；表面質(zhì)量；超細(xì)金剛石；磨損

碳化硅陶瓷具有高的彈性模量、熱穩(wěn)定性、比剛度、導(dǎo)熱系數(shù)和低的熱膨脹系數(shù)，適用于制造精密結(jié)構(gòu)件，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、精細(xì)化工、精密儀器、微電子工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。作為精密結(jié)構(gòu)件，要求具有超光滑、超平坦、無損傷表面，加工質(zhì)量直接決定著碳化硅陶瓷應(yīng)用價值的高低和器件性能的優(yōu)劣[3]。硬脆材料CMP拋光方法是一種常用的拋光方法。吉林大學(xué)劉思明[4]采用二氧化硅拋光液和聚氨酯拋光墊獲得了表面粗糙度≤17 nm的表面質(zhì)量。Gao等[5]在CMP拋光的基礎(chǔ)上，開發(fā)了光催化輔助化學(xué)機械拋光（PCMP），PS/CeO2-TiO2磨料在紫外光照射下獲得了最佳的拋光性能（=0.497 nm）。由于SiC鍵長短，鍵能強，是一種高硬度和脆性的共價鍵化合物，CMP拋光加工難度大、效率低。為了實現(xiàn)SiC陶瓷表面高效加工，Gu等[6]采用振動輔助拋光，但表面粗糙度只能達(dá)到47 nm。此外，Yi等[7]采用應(yīng)力盤拋光非球面碳化硅反射鏡。Zheng等[8]提出了一種水下飛秒激光拋光SiC陶瓷的新方法，此類方法存在加工成本高的問題。有學(xué)者[9]提出了超精密磨削碳化硅陶瓷材料。Wu等[10]認(rèn)為，磨削加工已成為處理硬脆工程陶瓷加工缺陷和改善表面完整性最有效的精密加工方法之一。Dai等[11]在不同最大未變形切屑厚度的SiC上進(jìn)行了單顆金剛石磨粒實驗，隨著切屑厚度的減小，材料去除由脆性去除向韌性去除轉(zhuǎn)變。Zhang和Li等[12-13]以RB-SiC納米壓痕實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，建立了超精密磨削過程表面粗糙度預(yù)測的理論模型。Feng等[14]分別采用120#、600#、2000#和12000#金剛石杯形砂輪對碳化硅陶瓷進(jìn)行粗磨、半精磨、精磨和超精磨，獲得了納米級加工表面質(zhì)量。

超細(xì)金剛石微粉是硬脆材料超精密磨削的理想磨料，具有比表面積大、表面能高、體系熱力學(xué)不穩(wěn)定的特點[15]。傳統(tǒng)的磨具制作方法為粉料混合→過篩→干燥→壓制→燒結(jié)[16]，容易出現(xiàn)物相團聚、形成較大尺寸的二次顆粒、顯微硬度不一致的問題，這導(dǎo)致在精密磨削過程中對工件表面產(chǎn)生劃痕，影響工件表面質(zhì)量[17]。因此，如何減少磨具內(nèi)部缺陷，保證內(nèi)部組織均勻性，是制造超精密磨削磨具的關(guān)鍵[18]。雖然超細(xì)金剛石與粉狀結(jié)合劑的相容性不佳，很難干法混合均勻，制成精密磨削工具，但能在液體中濕法混合，通過添加分散劑、潤濕劑，改變顆粒表面結(jié)構(gòu)，得到分散均勻漿料，用于制造超細(xì)金剛石工具。陸靜等[19]利用海藻酸鈉的溶膠凝膠特性制備了W5金剛石凝膠磨具，加工硅片和大理石等硬脆材料，獲得了納米級無損傷加工表面。張俊等[20]將木質(zhì)素、糠醇與乙二醛在酸性條件下凝膠反應(yīng)，制備出了具有較高硬度及切割強度的砂輪片。Wu等[21]開發(fā)了基于“混料-凝膠化-冷藏-干燥”工藝路線的預(yù)糊化多糖結(jié)合劑磨具，利用軟質(zhì)SiO2磨粒和藍(lán)寶石摩擦產(chǎn)生的固相反應(yīng)，實現(xiàn)低損傷表面拋光。Yu等[22]將金剛石凝膠體鑲嵌在環(huán)氧樹脂蜂窩結(jié)構(gòu)中，制備半固結(jié)磨具，實現(xiàn)對SiC單晶基片進(jìn)行加工，獲得了較好的襯底表面質(zhì)量。Wang等[23]通過原位聚合法，制備了金剛石/環(huán)氧樹脂磨料工具，通過添加氧化石墨烯，提高了磨具的耐磨性。上述凝膠磨具制作方法以凝膠樹脂作為結(jié)合劑，解決了超細(xì)磨料分散問題，但以上樹脂并不是常用的樹脂磨具結(jié)合劑，耐熱溫度、抗沖擊強度以及摩擦系數(shù)穩(wěn)定性均低于酚醛樹脂和聚酰亞胺樹脂。

本文通過聚乙烯醇（PVA）和水溶性酚醛樹脂（PF）混合膠水凝膠制作精密磨削磨具，對比了凝膠磨具和熱壓磨具在微觀形貌、結(jié)構(gòu)強度上的差異，研究磨具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度等磨削工藝參數(shù)對碳化硅陶瓷表面磨削質(zhì)量的影響，揭示磨具在不同磨削階段的磨損現(xiàn)象，提出修整方法，優(yōu)化磨削工藝條件。

1 凝膠磨具制備與性能表征

在低溫下，聚乙烯醇高分子長鏈相互纏繞卷曲，分子間氫鍵交聯(lián)，形成立體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)凝膠[24-25]。同時，聚乙烯醇中的羥基可以和酚醛樹脂發(fā)生接枝反應(yīng)[26]。因此，本方法一方面利用聚乙烯醇具有的低溫冷凍物理凝膠能力，濕法混合金剛石磨料和填料，固結(jié)后，將顆粒物包埋固定在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，形成凝膠素坯，避免了粉末成形分散不均勻的問題；另一方面，聚乙烯醇的加入增加了酚醛樹脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和塑性變形能力[27]，提高了酚醛樹脂與金剛石磨料的包裹性能。180 ℃燒結(jié)后，PF固化，PVA分子間脫水醚化，失去溶解性，保證了磨具強度。凝膠磨具的成形原理如圖1所示。

圖1 樹脂凝膠過程及凝膠磨具成形原理

凝膠磨具的成分見表1。樹脂結(jié)合劑磨具常加入填料以改善其力學(xué)性能與拋光性能，銅粉導(dǎo)熱性好，可以減輕磨削區(qū)的局部過熱現(xiàn)象；氧化鋁微粉能增加耐磨性，同時減輕磨具堵塞；石墨是一種固體潤滑劑，在摩擦過程中能沿著晶體層間滑移，形成一層潤滑層；氧化鋅在磨削過程中能阻止磨屑對樹脂磨削犁切產(chǎn)生連續(xù)犁溝；潤濕劑和增韌劑的作用分別是提高膠水對無機顆粒的浸潤性和提高凝膠坯體韌性。制備過程：將金剛石微粉、填料、添加劑分散在水中，制備出懸浮液；配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%的聚乙烯醇-酚醛樹脂共混膠水，其中聚乙烯醇與酚醛樹脂的質(zhì)量比為1︰5，將PVA/PF混合膠水加入到金剛石懸浮液中，混合得到漿料；將漿料過篩后，倒入環(huán)形模具中，置于–20 ℃下循環(huán)冷凍5次；解凍后，自然干燥，放入烘箱中180 ℃燒結(jié)固化。

表1 凝膠磨具的主要成分

Tab.1 Main components of sol-gel abrasive tool

凝膠磨具和熱壓磨具的表面SEM微觀形貌對比如圖2所示。從圖2中可以看出，凝膠磨具表面物相分布均勻，而熱壓磨具表面微觀尺度上分布不均，磨粒有明顯的團聚現(xiàn)象，且團聚體之間的顆粒排列疏松。這主要是因為干法混合物料，其粉末流動性比漿料差，不同密度物料混合度不佳，且原料的結(jié)塊在混料桶中很難被打碎。濕法混合在球磨打散團聚粉體的同時，通過添加分散劑和潤濕劑，改變了顆粒表面的電化學(xué)結(jié)構(gòu)，避免了顆粒再次團聚，提高了分散性。孔隙結(jié)構(gòu)也是磨具的一個重要特征[28]，其目的是為了提高磨具的容屑空間和修整能力，改善自銳性。凝膠磨具內(nèi)部形成了大量毛細(xì)微孔，孔隙之間相互交錯和聯(lián)通。這是因為凝膠磨具的孔隙是由于干燥過程中水分從相互交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)狀樹脂中流失產(chǎn)生，而熱壓磨具表面為零散分布的孔隙，儲水性能差，磨削過程容易局部過熱，對工件表面產(chǎn)生熱損傷。

圖2 兩種磨具表面的SEM微觀形貌

磨具結(jié)合劑強度將會直接影響磨具的耐磨性、自銳性、面型保持性等，使用沖擊試驗機、拉伸試驗機和彎折試驗機對比了兩種磨具的強度，如圖3所示。相比熱壓磨具，凝膠磨具的抗沖擊強度高8.3%，抗拉強度高23.5%，抗折強度高28.2%。一方面，因為熱壓磨具中的粉末一般是微米級顆粒，顆粒之間的內(nèi)摩擦大，流動性差，導(dǎo)致壓力傳遞不暢而出現(xiàn)成形密度不均勻的問題，而凝膠樹脂形成的網(wǎng)絡(luò)狀凝膠結(jié)構(gòu)，粘結(jié)性能好，可以較好地包覆磨粒，毛細(xì)微孔分布均勻，避免了微觀缺陷對磨具強度的影響；另一方面，因為熱壓磨具通過添加造孔劑來造孔，孔隙大小不一、分布不均勻等因素都會降低磨具中結(jié)合劑連接橋的強度，并導(dǎo)致磨具整體強度降低。從磨具截面斷裂形貌可以看出，凝膠磨具斷裂面粗糙，發(fā)生了韌性斷裂，而熱壓磨具斷裂面較為光滑，發(fā)生了脆性斷裂，說明加入PVA后對酚醛樹脂有一定的增韌作用。

圖3 凝膠磨具和熱壓磨具力學(xué)性能對比

2 碳化硅陶瓷磨削實驗

實驗使用碳化硅平面反射鏡作為磨削對象。磨削前，采用800目樹脂金屬復(fù)合金剛石磨具粗磨，使其表面粗糙度達(dá)到65 nm，平面度PV小于5 μm，粗磨后試樣的表面形貌如圖4所示，存在明顯的耕犁現(xiàn)象。精密磨削實驗在日本SPG750精密磨床上進(jìn)行，磨床增加了Beckhoff控制系統(tǒng)，進(jìn)給精度達(dá)到0.001 mm/min。將直徑為11 mm的凝膠磨具修形后，粘貼在磨具座上，加工設(shè)備和制備好的凝膠磨具如圖4所示。為了驗證凝膠磨削磨具的效果，設(shè)計了對比實驗對碳化硅平面反射鏡進(jìn)行磨削，對比組采用與傳統(tǒng)粉末熱壓成形相同形狀的金剛石磨具，結(jié)合劑為酚醛樹脂粉末，其他成分與凝膠磨具一致。對應(yīng)的加工參數(shù)見表2。

采用KLA Tencor MicroXAM 1200白光干涉儀測試工件磨削后的微觀形貌和表面粗糙度，長軸方向等間距測7個點，短軸方向測4個點。采用HSINTEK AK100F3激光干涉平面度儀測量平面度，由于工件面型尺寸超過干涉儀測量口徑，因此選擇在長軸方向測3個區(qū)域，測量方法如圖5所示。采用基恩士CL-3000激光位移傳感器（精度為0.25 μm），實現(xiàn)工件磨削深度的精密測量。

圖4 碳化硅陶瓷加工和凝膠磨具、磨床實物

表2 磨削實驗條件

Tab.2 Grinding test conditions

圖5 工件表面粗糙度、激光干涉面型測量

3 結(jié)果與討論

3.1 磨具轉(zhuǎn)速對碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響

在凝膠磨具轉(zhuǎn)速單因素實驗中，取磨削深度為0.016 mm，磨具進(jìn)給速度為0.008 mm/min，粗糙度隨磨具轉(zhuǎn)速增大的變化趨勢如圖6所示。由圖6可知，在低轉(zhuǎn)速（850～1450 r/min）區(qū)，隨著磨具轉(zhuǎn)速的增加而減小。當(dāng)磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min時，平均值達(dá)到最小值，為3.5 nm。隨著磨具轉(zhuǎn)速的持續(xù)增加，又呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。這是因為當(dāng)其他條件不變時，提高磨具轉(zhuǎn)速，磨具每一轉(zhuǎn)的進(jìn)給量就會減小，使得最大未變形切屑厚度減小，單顆金剛石磨粒磨削力減小，比磨削能增加，磨削時塑性去除所占比例隨之增加，而脆性去除減少，磨粒在磨削表面留下的痕跡變淺。此外，提高磨具轉(zhuǎn)速可以使磨削液更新速度變快，磨削區(qū)域溫度降低，減輕磨削燒傷。因此，在一定磨具轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，工件表面粗糙度隨磨具轉(zhuǎn)速的增大而減小。當(dāng)磨具轉(zhuǎn)速增至1450 r/min后，單位時間內(nèi)經(jīng)過工件表面的有效磨粒數(shù)增多，磨削產(chǎn)生的磨屑增多，磨削液無法及時將磨屑帶出，即發(fā)生黏附，堵塞磨具表面氣孔，致使磨具去除力下降，磨粒機械去除所占比例隨之減少，而摩擦增加，粘著磨損降低了磨削表面質(zhì)量。另外，高速狀態(tài)下，磨具的振動增加，磨具與碳化硅陶瓷的接觸面積容易發(fā)生變化，導(dǎo)致磨削力不穩(wěn)定，工件表面磨痕增多，表面質(zhì)量變差，如圖7所示。由此可見，適當(dāng)提高磨具轉(zhuǎn)速，可以獲得較好的工件表面質(zhì)量。

圖6 不同磨具轉(zhuǎn)速對碳化硅陶瓷表面粗糙度的影響

圖7 不同磨具轉(zhuǎn)速對碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響

3.2 進(jìn)給速度對碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響

在凝膠磨具進(jìn)給速度單因素實驗中，取磨削深度為0.016 mm，磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min，粗糙度隨磨具進(jìn)給速度增大的變化趨勢如圖8所示。在低進(jìn)給速度（0.004～0.008 mm/min）下，隨著磨具進(jìn)給速度的增加而減小。當(dāng)磨具進(jìn)給速度為0.008 mm/min時，達(dá)到最小值。當(dāng)磨具進(jìn)給速度超過0.008 mm/min時，有略微增大的趨勢。這是因為當(dāng)磨具進(jìn)給速度較小時，磨粒磨削力較小，磨具與工件間摩擦生熱較少，磨削區(qū)溫度較低，材料去除效率較低。隨著磨具進(jìn)給速度增大到0.008 mm/min，工件表面同一位置點處被磨削的頻率變高，材料去除速率提高，同時磨具發(fā)生一定程度的鈍化，材料還是以塑性變形方式去除，磨具與工件發(fā)生拋光磨損，有利于獲得較低的表面粗糙度。當(dāng)磨具進(jìn)給速度超過0.008 mm/min時，一方面，因為進(jìn)給速度的增加使單顆磨粒的未變形磨削厚度變大，材料脆性去除占比增加，粗糙度變差；另一方面，由于進(jìn)給速度增大，磨具摩擦磨損加劇，磨削熱增多，聚乙烯醇熱解，樹脂結(jié)合劑結(jié)合力下降，導(dǎo)致部分磨粒過早脫落，表面鈍化嚴(yán)重，氣孔堵塞，磨削過程滑擦力增大，從而使表面粗糙度變大，如圖9所示。進(jìn)給速度為0.01～0.014 mm/min時，表面出現(xiàn)了劃痕。因此，合適的進(jìn)給速度有助于降低凝膠磨具磨損，并獲得較好的工件表面質(zhì)量。

圖8 不同磨具進(jìn)給速度對碳化硅陶瓷表面粗糙度的影響

圖9 不同磨具進(jìn)給速度對碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響

3.3 磨削深度對碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響

在凝膠磨具磨削深度單因素實驗中，取磨削進(jìn)給速度為0.008 mm/min，磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min，粗糙度隨磨削深度的變化趨勢如圖10所示。隨著磨削深度的增加，呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢。磨削深度從0.004 mm增加到0.016 mm時，粗糙度隨著磨削深度的增加逐漸減小。這是因為當(dāng)磨削深度較小時，凝膠磨具與碳化硅陶瓷之間的接觸壓力較小，磨粒切入工件表面較淺，因而金剛石磨粒對表面微突峰的機械作用力弱，磨削后表面粗糙度改善效果不佳。增大設(shè)定磨削深度，由于凝膠磨具具有一定彈性，凝膠磨具與工件的接觸弧長隨之增大，磨削區(qū)接觸面積增大，熱量積累使得磨削區(qū)溫度迅速升高。一定磨削溫度條件下，碳化硅材料發(fā)生水合反應(yīng)，表面生成軟質(zhì)變質(zhì)層，增加了塑性去除所占比例，材料去除損傷層深度變淺，表面質(zhì)量逐漸得到改善。當(dāng)磨削深度超過0.016 mm時，表面粗糙度值緩慢上升，這是因為凝膠磨具采用2.5 μm金剛石微粉，磨粒細(xì)而密，磨具孔隙率小，在磨削過程中產(chǎn)生的碎屑相對細(xì)小，孔隙很快被碎屑填滿，產(chǎn)生的熱量更難分散，從而加快了磨削熱的增加，產(chǎn)生粘著磨損，工件表面產(chǎn)生輕微的滑擦現(xiàn)象，如圖11所示。當(dāng)磨削深度為0.028～0.034 mm時，表面微觀晶相結(jié)構(gòu)變得不明顯，材料去除以熱磨損去除為主，表面質(zhì)量變差。因此，最佳設(shè)定磨削深度為0.016 mm。

圖10 不同磨削深度對碳化硅陶瓷表面粗糙度的影響

圖11 不同磨削深度對碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響

3.4 凝膠磨具磨損與修整

使用修整后的金剛石凝膠磨具對碳化硅平面反射鏡進(jìn)行磨削加工，取磨削進(jìn)給速度為0.008 mm/min，磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為60 r/min，磨削12個行程，每個行程0.01 mm，即磨具進(jìn)給深度每達(dá)到0.01 mm就對金剛石磨具表面的形貌進(jìn)行1次觀測，新型凝膠磨具表面形貌隨磨削行程的變化如圖12所示。當(dāng)磨削到第6個行程時，氣孔周圍結(jié)合劑會有部分塑性流動，磨具表面孔隙逐漸發(fā)生堵塞。當(dāng)磨削到第9個行程時，磨具表面發(fā)生大面積堵塞現(xiàn)象，裸露磨粒急劇減少。當(dāng)磨削到第12個行程時，大量磨屑粘附在磨具表面，磨具發(fā)生嚴(yán)重釉化現(xiàn)象，需要進(jìn)行修整。這是因為磨具經(jīng)過長時間滑擦、耕犁，積累了大量磨屑，磨屑在磨削區(qū)域高溫條件下相互粘附，形成微粒球體，堵塞氣孔。氣孔中磨屑等雜質(zhì)的累積，使氣孔失去容屑及儲存冷卻液的作用，磨具會破壞自銳作用，影響磨削效率，同時表面粗糙度增大。因此，一般累計磨削深度超過0.06 mm就要對磨具進(jìn)行修整。采用氧化鋁陶瓷修整環(huán)進(jìn)行修整，修整前后的磨具表面如圖13所示。修整前表面有一圈釉化層，修整后，釉化層消失。

圖12 磨削深度與磨具表面形貌關(guān)系

圖13 陶瓷修整環(huán)修整金剛石磨具

3.5 凝膠磨具和熱壓磨具磨削碳化硅平面反射鏡對比實驗

分別采用凝膠磨具和熱壓磨具進(jìn)行碳化硅平面反射鏡磨削對比實驗。為了驗證凝膠磨具與熱壓磨具在不同工藝條件下磨削性能的差異，選取上述單因素實驗部分參數(shù)進(jìn)行8組對比實驗。磨具轉(zhuǎn)速分別為1450、1850 r/min，磨削進(jìn)給量分別為0.008、0.014 mm/min，磨削深度分別為0.016、0.034 mm。從表3中可以看出，在相同工藝參數(shù)條件下，凝膠磨具磨削表面質(zhì)量都優(yōu)于熱壓磨具。當(dāng)磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min、磨削進(jìn)給速度為0.008 mm/min、磨削深度為0.016 mm時，凝膠磨具和熱壓磨具均表現(xiàn)出最佳的磨削效果。這是因為凝膠磨具配方接近于熱壓磨具，熱壓磨具和凝膠磨具表現(xiàn)出接近的磨削表面質(zhì)量變化趨勢。因此，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步對比實驗，取磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min，磨削進(jìn)給速度為0.008 mm/min，磨削深度為0.016 mm，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為60 r/min。碳化硅陶瓷磨削前后的微觀形貌如圖14所示。經(jīng)凝膠磨具加工后，碳化硅表面劃痕輕微、均勻，沒有大的劃傷；用熱壓磨具磨削后，碳化硅陶瓷表面產(chǎn)生少量劃痕。這是因為粉末成形金剛石磨具內(nèi)部顆粒粉體極易發(fā)生團聚，團聚體的“耕犁”作用容易在工件表面引起劃痕，極大地影響了陶瓷的表面質(zhì)量，所以對金剛石磨料進(jìn)行有效分散是非常必要的。另一方面，使用凝膠磨具的磨削過程平穩(wěn)，沒有發(fā)生摩擦異響。這是因為聚乙烯醇將具有韌性的柔性長鏈分子接枝到酚醛樹脂的主鏈上，能夠有效調(diào)節(jié)酚醛樹脂的柔韌性。增韌后的酚醛樹脂在摩擦發(fā)熱時產(chǎn)生一定塑性形變的能力，降低了硬質(zhì)金剛石顆粒對工件的沖擊作用。當(dāng)摩擦熱達(dá)到一定程度時，表面少量PVA樹脂由于耐熱性差，會分解成一層有韌性的炭化膜，有助于提高熱衰退溫度，從而保證金剛石磨具摩擦系數(shù)的相對穩(wěn)定。測量碳化硅平面反射鏡表面11個點的表面粗糙度，結(jié)果見表4。凝膠磨具磨削后，平均值為3.38 nm，小于熱壓磨具磨削后平均值（5.35 nm）。凝膠磨具磨削碳化硅平面反射鏡實物如圖15所示，達(dá)到了鏡面的磨削效果。凝膠磨具磨削碳化硅平面反射鏡后的面型如圖16所示，3個區(qū)域的平面度PV值均小于0.5 μm。由此可見，采用凝膠法制備磨具磨削碳化硅陶瓷同樣會改善面型。

表3 兩種磨具在不同磨削工藝條件下磨削碳化硅反射鏡表面質(zhì)量對比

Tab.3 Comparison of surface quality of SiC mirror grinding by two kinds of abrasive tools in different process conditions

圖14 兩種磨具磨削碳化硅平面反射鏡后的微觀形貌

表4 碳化硅平面反射鏡不同點粗糙度測量值

Tab.4 Surface roughness Ra measurement of different points on SiC plane mirror 　nm

圖15 凝膠磨具磨削碳化硅平面反射鏡實物效果

圖16 凝膠磨具磨削后碳化硅平面反射鏡后3個區(qū)域的?100 mm面型

4 結(jié)論

1）聚乙烯醇和酚醛樹脂混合后，膠水可以冷凍物理凝膠，形成凝膠體。在混合液中通過添加分散劑和潤濕劑，得到金剛石磨料和填料均勻分散漿料，用于制造細(xì)粒度金剛石磨料磨具，能有效避免傳統(tǒng)干粉混合細(xì)粒度金剛石磨料產(chǎn)生二次團聚顆粒的問題，磨料和孔隙分布均勻性遠(yuǎn)好于粉末壓制成形磨具。同時，凝膠結(jié)合劑表現(xiàn)出良好的結(jié)合性能。

2）在改造后的磨床上進(jìn)行碳化硅平面反射鏡磨削實驗，使用粒度為2.5 μm的金剛石凝膠磨具實驗對比不同磨具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度工藝條件下的表面磨削質(zhì)量。工件表面粗糙度值隨著設(shè)定磨具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度的增加呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢。因此，復(fù)合凝膠磨具的加工工藝參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)磨削進(jìn)給速度為0.008 mm/min、磨具轉(zhuǎn)速為1450 r/min、磨削深度為0.016 mm、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為60 r/min時，獲得了表面粗糙度小于3.5 nm的鏡面磨削效果，表面質(zhì)量好于熱壓磨具磨削效果，3個100 mm區(qū)域的平面度PV值均小于0.5 μm，改善了面型精度。

3）磨具使用一段時間后，表面發(fā)生堵塞和鈍化，為了保持形成良好的表面狀態(tài)和磨削性能，需要定時對磨具進(jìn)行修整。新型凝膠磨具磨削到第6個行程，即磨削深度達(dá)到0.06 mm時，磨具表面孔隙逐漸發(fā)生堵塞現(xiàn)象，表面鈍化，去除力下降，需要使用陶瓷修整環(huán)對磨具進(jìn)行修整。

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Study on Precision Grinding of SiC Ceramic by PVA/PF Composite Sol-Gel Grinding Abrasive Tool

1,2,2,3,1,1

(1. College of Mechanical Engineering, Quzhou University, Quzhou 324000, China; 2. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 3. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310012, China)

Aiming at the problem of particle agglomeration in traditional powder hot pressing fine-grained diamond grinding tools, which is easy to produce deep scratches on the surface of grinding SiC ceramics, a sol-gel forming fine-grained diamond abrasive tool for precision grinding of SiC ceramics is proposed, and grinding process is studied. Diamonds and fillers are sheared and dispersed to prepare polyvinyl alcohol-phenolic resin composite gel glue in the gel glue, and the obtained slurry is poured into a mold, repeatedly frozen at a low temperature of –20℃ to gel, then dried and sintered to obtain 2.5 μm diamond sol-gel abrasive tools. Grinding SiC plane mirror with the prepared diamond sol-gel grinding tool, the surface grinding quality under different grinding speed, feed speed and grinding depth was compared. The molecular chain of polyvinyl alcohol phenol-formaldehyde resin has formed physical gel at a low temperature. The strength of the gel binder with uniform distribution is high. The strength of the gel grinder is higher than that of the hot pressing abrasive tool. This method can solve the problem of phase agglomeration and microstructure inconsistency in the traditional powder compaction process. The grinding results show that when the grinding feed speed is 0.008 mm/min, the grinding speed of the tool is 1450 r/min, the grinding depth is 0.016 mm, and the rotation speed of the rotary table is 60 r/min, the surface roughness is lower than3.5 nm, and the surface quality is better than that of the hot press grinding tool. The Flatness PV values of three areas with a diameter of 100 mm are all less than 0.5 μm. Fine-grained diamond grinding tools are successfully prepared by using polyvinyl alcohol phenolic resin composite gel. By optimizing the grinding parameters, new processing technology is provided for the surface processing of the SiC flat mirrors.

sol-gel abrasive tool; SiC ceramic; precision grinding; surface quality; ultrafine diamond; abrasion

TG580.6

A

1001-3660(2022)02-0347-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.035

2021-03-11；

2021-08-30

2021-03-11；

2021-08-30

浙江省自然科學(xué)基金（LZY21E050004）；衢州市科技項目（2019K10）

The Zhejiang Provincial Natural Science Foundation (LZY21E050004); Quzhou Science and Technology Project (2019K10)

馮凱萍（1987—），男，博士生，主要研究方向為精密加工技術(shù)及其裝備。

FENG Kai-ping (1987—), Male, Doctoral candidate, Research focus: precision machining technology and equipment.

周兆忠（1968—），男，博士，教授，主要研究方向為精密加工技術(shù)及其裝備。

ZHOU Zhao-zhong (1968—), Male, Doctor, Professor, Research focus: precision machining technology and equipment.

馮凱萍, 呂冰海, 朱國旗, 等. PVA/PF復(fù)合凝膠磨具精密磨削碳化硅陶瓷工藝實驗研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 347-357.

FENG Kai-ping, LYU Bing-hai, ZHU Guo-qi, et al. Study on Precision Grinding of SiC Ceramic by PVA/PF Composite Sol-Gel Grinding Abrasive Tool[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 347-357.