固結(jié)磨料研磨在脆硬材料加工中的應(yīng)用

王光祖，崔仲鳴

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

研磨拋光加工是一種傳統(tǒng)精密、超精密的磨粒加工技術(shù)，通常用于對磨削加工后的表面進(jìn)一步提高加工表面精度的工序，將平面度降低至微米或亞微米，去除前道工序產(chǎn)生的損傷層，為化學(xué)機械研磨、拋光獲得超光滑表面做準(zhǔn)備[1-3]。

傳統(tǒng)的研磨加工是采用游離磨料研磨方法，通過自由磨粒在研磨盤和工件之間的作用，通過劃擦、滾壓去除材料。傳統(tǒng)研磨是采用進(jìn)化法形成加工表面的，可以取得非常高的形面精度和極低粗糙度的超光滑表面，但是由于游離磨粒的運動有很大的隨機性，存在研磨過程中磨粒團(tuán)聚、磨粒運動不可控等因素，容易造成切削量的不均勻、磨粒嵌入等現(xiàn)象，影響工件被加工表面質(zhì)量，同時，游離磨料研磨存在效率比較低、磨粒利用率低、工藝成本高、污染工件和環(huán)境等問題[4]。

把研磨系統(tǒng)中的研磨盤換成像固結(jié)磨料磨具那樣的盤，就形成了固結(jié)磨料研磨拋光技術(shù)[5-6]，可以通過對磨粒排布的控制實現(xiàn)有規(guī)則分布，實現(xiàn)研磨過程均勻切削，同時磨粒固結(jié)在基體中，提高了脫落的難度，雖然降低了研磨盤的自修整能力，但提高了研磨盤的精度保持性，另外最大的優(yōu)勢是大大提高了研磨效率，近年來在一些難加工材料的加工應(yīng)用中得到了快速發(fā)展。

1 固結(jié)磨料研磨原理及優(yōu)勢

研磨是一種傳統(tǒng)的磨粒加工方法，與磨削相比磨粒切削工件的速度比較低，通常速度只有幾米/秒，屬于低速磨削范疇。由于切削速度低，產(chǎn)生的切削熱量少，可以獲得更好的表面質(zhì)量。傳統(tǒng)研磨原理如圖1所示，磨粒采用游離非約束狀態(tài)進(jìn)入研磨區(qū)，通過研磨盤、工件和游離磨粒之間的相互作用去除材料。由于研磨盤和工件的材料硬度都低于游離磨粒，所以在研磨過程中研磨盤和工件能形成互相修正的進(jìn)化式加工，向提高加工精度方向發(fā)展。由于游離磨粒研磨過程中，在研磨盤的滑壓下多以滾壓形態(tài)作用于材料表面，以壓裂方式去除材料，因此容易造成硬脆材料工件表面裂紋、凹坑等缺陷。

圖1 傳統(tǒng)自由磨粒研磨拋光原理[7]

固結(jié)磨料研磨是將研磨盤表面采用結(jié)合劑固結(jié)磨粒形成研磨工作層(圖2)，通過研磨盤中的固結(jié)磨粒切削工件形成加工。由于研磨盤中有硬質(zhì)點的磨料，所以研磨盤不易被修整，不能形成進(jìn)化式加工系統(tǒng)，研磨盤的精度需要靠專門的修整工序維持。但是固結(jié)研磨盤磨粒粒度比較粗，切削能力比較強，研磨效率可以大幅度提高。

圖2 固結(jié)磨料研磨拋光原理[7]

固結(jié)磨料研磨拋光技術(shù)適合應(yīng)用于加工一些比較容易粘黏堵塞磨具、易嵌入的金屬和硬脆性高的材料，以及要求加工效率比較高的場合。如目前光學(xué)元件、半導(dǎo)體、精細(xì)陶瓷、藍(lán)寶石等工件的超精密加工。

通過應(yīng)用表明[7-8]，相比傳統(tǒng)游離磨料研磨加工，固結(jié)磨料研磨技術(shù)具有更高的磨削效率和更低的成本。此外固結(jié)磨料研磨研拋過程中，研磨盤表面磨粒有一定的凸起裸露高度，除了增加磨粒的鋒利性之外，還可以起到容屑輸送研磨液排屑的作用，也有效避免了傳統(tǒng)游離磨料拋光中常見的釉化現(xiàn)象，研拋液中不需要配置磨粒，加工表面不容易嵌入磨粒等異物，廢液處理簡單，符合綠色環(huán)保的要求。

2 固結(jié)磨料的應(yīng)用

2.1 用于石英玻璃的研磨

石英玻璃在光譜中具有更好的滲透性、可透射的光譜頻帶寬、熱膨脹系數(shù)低、優(yōu)良的電絕緣性、抗腐蝕等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于航天、光電、激光、通訊等工業(yè)領(lǐng)域[9-10]。石英玻璃屬于高硬度的硬脆材料，磨粒加工技術(shù)是石英玻璃器件的表面精密超精密加工的主要方法。但是由于石英玻璃這類材料具有脆性大、斷裂強度和屈服強度比較接近的特點, 在對其表面采用傳統(tǒng)的游離磨料超精密研磨過程中，由于游離磨料的滾壓效應(yīng)，容易在其表面一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生裂紋、凹坑等缺陷。此外由于自由磨粒粒度非常細(xì)，導(dǎo)致研磨拋光效率極低[11]。

由于固結(jié)磨料研磨加工硬脆材料時具有很多優(yōu)點，所以在很多難加工材料特別是光學(xué)玻璃加工中得到了廣泛應(yīng)用[12]。在選用合適的磨粒粒度和組織結(jié)構(gòu)時，固結(jié)磨料研磨相比于游離磨料研磨可顯著提高石英玻璃加工的材料去除率，同時獲得質(zhì)量更好的納米級光滑表面[13-14]。固結(jié)磨粒的研磨盤通常采用樹脂結(jié)合劑，磨料采用單顆粒磨料或多顆粒磨粒團(tuán)結(jié)構(gòu)磨料，如圖3所示。多顆粒團(tuán)狀磨料磨具也可以稱之為團(tuán)族式磨粒超硬磨料磨具[15]，這種磨具制造過程中利用陶瓷結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑結(jié)合強度差異，采用團(tuán)族式構(gòu)造磨粒技術(shù)制造超硬磨料磨具，先采用脆性的陶瓷結(jié)合劑將數(shù)粒超硬磨粒黏結(jié)成大一點粒度的團(tuán)族式構(gòu)造磨粒，再采用柔性的樹脂結(jié)合劑與團(tuán)族式構(gòu)造磨粒混合制造樹脂結(jié)合劑團(tuán)族式構(gòu)造磨粒超硬磨料磨具(圖4)，這種多顆粒團(tuán)磨料相比于單晶磨料具有更大的磨粒裸露高度和微細(xì)的磨刃，既提高了磨具的磨削能力，同時又保持了磨削的精密性。

圖3 固結(jié)磨料研磨拋光系統(tǒng)[14]

圖4 多顆粒團(tuán)狀磨粒磨具[15]

由于固結(jié)磨料研磨拋光中的材料去除機理是磨粒對工件的切削作用實現(xiàn)了材料去除，因此磨料的類型和粒徑直接影響著加工效果。因此為提高石英玻璃加工材料的去除率、改善其表面質(zhì)量，研磨墊的固結(jié)磨粒種類、粒度、結(jié)合劑以及磨料層的組織等因素是影響其加工效率和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

王文澤等[16]對單晶磨料固結(jié)研磨墊的磨粒粒徑對加工石英玻璃的效率和表面質(zhì)量進(jìn)行了試驗研究，采用不同粒度的的金剛石均勻分布固結(jié)磨料研磨墊加工石英玻璃，結(jié)果表明，磨料的粒度對研磨效率和表面粗糙度均有顯著影響(圖5)，研磨效率和磨料粒徑成正比，磨粒粒度越細(xì)粗糙度越低，其中用粒徑14 μm的金剛石固結(jié)磨料研磨墊加工石英玻璃，獲得材料去除率為5.65 μm/min、表面粗糙度值Ra為66.8 nm的結(jié)果。

圖5 固結(jié)磨料研磨粒度對效率和粗糙度的影響[16]

朱永偉等[17]對單顆粒和多顆粒磨粒團(tuán)結(jié)構(gòu)磨料式磨粒固結(jié)研磨進(jìn)行了對比研究，將3～5 μm的單晶金剛石和由3～5 μm制成的(類)多晶金剛石(粒度270/300目)用同樣的配方分別制成固結(jié)磨料研磨墊對石英玻璃進(jìn)行精研。試驗結(jié)果表明，多顆粒聚集磨粒的研磨效率和表面質(zhì)量優(yōu)于單顆磨粒固結(jié)研磨墊(圖6)，獲得了材料去除率為2.5～3.0 μm/min、表面粗糙度Ra為26.6 nm的良好表面。

圖6 不同磨粒固結(jié)研磨墊的效率比較[17]

2.2 用于高效研磨氟化鈣晶體

CaF2晶體是典型的螢石型的立方結(jié)構(gòu)(圖7)，具有良好的光學(xué)性能、機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性, 是一種非常重要的光功能晶體,可以用做光學(xué)晶體、激光晶體和無機閃爍晶體。因而被廣泛應(yīng)用于航空航天，光刻、激光等領(lǐng)域[18-19]。

圖7 CaF2晶體結(jié)構(gòu)示意圖

CaF2晶體的熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)高、硬度低，加工過程中容易邊緣碎裂和整體斷裂，表面拋光困難，容易殘留拋光痕跡[20-21]。目前CaF2的加工流程：切割、粗磨和研拋，其中研磨拋光是CaF2材料表面精密超精密加工的主要方法。

沈功明等[22]較為系統(tǒng)地研究了采用單晶金剛石磨料和多顆粒磨粒團(tuán)金剛石磨料研磨CaF2晶體。試驗中采用樹脂結(jié)合劑制成單顆粒和多顆粒磨粒團(tuán)兩種固結(jié)金剛石磨料研磨盤，其中采用單晶金剛石磨粒的研磨墊中磨粒的粒徑3～5 μm；多顆磨粒團(tuán)顆粒直徑為50～75 μm，磨粒團(tuán)由3～5 μm的單晶金剛石加結(jié)合劑燒結(jié)形成，采用相同的工藝參數(shù)對試件進(jìn)行研磨。結(jié)果表明兩種FAP的性能差異很大，比如單晶金剛石固結(jié)磨料墊的材料去除率隨著加工時間的延長有持續(xù)走低的現(xiàn)象，且總體效率低。

對比單晶金剛石FAP和多顆粒金剛石磨粒團(tuán)與CaF2工件的接觸模型(圖8和圖9)，可以看出，在研磨過程中多顆粒團(tuán)金剛石 FAP中，每顆有效磨粒球所承受的研磨壓力遠(yuǎn)高于單晶磨料的 FAP中每顆磨粒所承受的壓力，所以多顆粒團(tuán)狀磨粒研磨墊研磨時，磨粒有更深的切深和更高的突出高度, 因此具有更高的切削效率，這也是多顆粒團(tuán)狀磨粒固結(jié)研磨盤在加工中的優(yōu)勢。

圖8 單晶金剛石FAP與工件的接觸模型

圖9 聚集體金剛石FAP與工件的接觸模型

研究結(jié)果顯示：采用初始粒徑3～5 μm 的單晶金剛石制備磨粒30～75 μm多顆粒金剛石磨粒團(tuán)FAP，與粒徑3～5 μm的單晶金剛石磨粒制備的FAP對比研磨CaF2晶體，前者具備較高的材料去除率，且去除效率穩(wěn)定。在100 N壓力下，用多顆粒金剛石團(tuán)FAP研磨CaF2晶體時，材料去除率穩(wěn)定在13.0 μm/min，表面粗糙度Ra為130 nm，且可以實現(xiàn)FAP的自修整過程。但無論是50 N還是100 N壓力下，多顆粒體金剛石磨粒團(tuán)FAP加工CaF2晶體表面粗糙度均遠(yuǎn)高于單晶金剛石FAP所加工的粗糙度。

2.3 用于研磨TC4鈦合金

鈦材料主要指鈦合金、鈦鋁金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料，鈦合金具有彈性模量低、密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，同時具備優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，耐高溫腐蝕性能等。目前鈦合金材料的表面精密制造的主要加工方法是刀具切削和磨粒研削，在傳統(tǒng)加工中，容易出現(xiàn)加工變形、刀具損耗快、表面熱損傷、表面污染和殘余拉應(yīng)力等問題[23-26]。

TC4鈦合金強度≥895 MPa，密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低，抗腐蝕與蠕變性能好，工作溫度400℃，是航空發(fā)動機輪葉片的主要材料之一[27-28]。目前的加工方法主要是切削和磨削[29]，由于鈦合金較低的熱導(dǎo)率使切削熱很難傳出，彈性模量低使工件材料彈性變形大，這些會造成刀具的加速磨損和工件表面熱影響層變厚，降低零件的力學(xué)性能。研削的切削低速特性，有利于鈦合金加工表面質(zhì)量，是一個值得探索的領(lǐng)域[30]。

王健杰等[31]開展TC4鈦合金研磨實驗，利用球形固結(jié)磨料磨頭開展了不同粒徑以及磨料種類對TC4鈦合金研磨材料去除率及表面質(zhì)量的影響試驗研究。圖10為球頭研磨試驗原理，球形研磨頭上磨粒露出結(jié)合劑層的部位與工件產(chǎn)生機械作用，對工件材料產(chǎn)生塑性或類塑性去除，由于研磨時磨粒切削速度低，切削應(yīng)力小，可以顯著降低材料表面及亞表面損傷，可有效解決 TC4鈦合金難切削、工件表面易燒傷等問題。

圖10 球頭研磨工具和研磨原理

試驗分別采用粒徑1～3 μm、5～10 μm、20～30 μm的碳化硅以及粒徑12～22 μm、20～30 μm的金剛石磨粒制作球形固結(jié)磨料磨頭。磨頭轉(zhuǎn)速ω：1500 r/min；研磨夾角θ：30 r/min；研磨時間t：1 min；研磨進(jìn)給量δ：0.3 mm。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，隨著磨料粒徑增大，工件表面磨痕的寬度及深度逐漸增加。金剛石磨頭研磨后工件表面劃痕的寬度更寬，且工件表面存在一定的研磨凹坑，金剛石磨料粒徑越大，工件表面凹坑越明顯。圖11為不同磨粒的磨頭研磨TC4鈦合金工件時去除率及表面粗糙度。從圖11a中也可以看出，金剛石與碳化硅磨料的粒徑越大，材料去除率越高。因為磨料粒徑越大，研磨時磨粒切入工件表面的深度越大，磨粒單次刻劃所造成的材料去除越多，在磨頭轉(zhuǎn)速相同的情況下，其材料去除率也就越髙。從圖11b可以看出，金剛石與碳化硅磨料的粒徑越大，研磨后工件表面的粗糙度值越大。這是因為磨料粒徑越大，研磨時磨粒的壓入深度越深，研磨的劃痕也越寬，因此粗糙度值也越大。同時，相同金剛石粒徑的磨粒引起的表面粗糙度值較大，表面質(zhì)量差，由于金剛石磨頭研磨后工件表面除了線磨痕，還有一些滾壓形成的凹坑，所以表面粗糙度值偏大。工藝優(yōu)化后獲得采用20～30 μm 碳化硅磨料，可以得到最佳的材料去除率以及較好的表面質(zhì)量，此時材料去除率為6.7 mg/min，表面粗糙度Ra值為0.876 μm。

圖11 不同磨粒對材料去除率及表面粗糙度的影響

2.4 用于硅晶線切割

硅片切割是大面積薄硅片制造過程中的關(guān)鍵工序，硅片的切割成本一直居高不下,占總制造成本的 30%左右。硅片切割的主要方法有金剛石外圓和內(nèi)圓切割，隨著近年來對硅片的直徑不斷擴大和厚度不斷變薄的需求，線鋸切割技術(shù)成為切割大直徑、薄硅片最常用的方法。線切割技術(shù)具有切縫窄、效率高、切片質(zhì)量好、可進(jìn)行曲線切割等優(yōu)點[32-33]。

傳統(tǒng)的線切割技術(shù)是采用游離磨料線切割技術(shù)，其原理是線鋸的切割線多使用表面鍍Cu的不銹鋼絲，以一定的走絲速度切割硅錠，同時將細(xì)粒度的SiC或者金剛石的漿料送入切割區(qū)域，磨料在鋼絲的壓力和速度的帶動下進(jìn)行硅片的切割(圖12)[34]。游離磨料線切割的材料去除機理被認(rèn)為磨料在鋸絲的壓力下通過“滾壓入”方式使硅表面產(chǎn)生塑性變形區(qū)以及橫向裂紋和中間裂紋,從而使硅不斷去除。但是，由于游離磨料切割線走絲速度低，切割能力和效率比較低，存在切割大尺寸坯料時磨料難以進(jìn)到長而深的切縫以及磨漿的處理和回收成本高等缺點。

圖12 游離磨料線切割原理

近年來，人們發(fā)展了固結(jié)磨料的金剛石線鋸，正在替代游離磨料線鋸，固結(jié)磨料線鋸的主要特點是通常使用一定的固結(jié)方法把金剛石磨料直接固著在不銹鋼細(xì)絲表面(圖13),隨著鋸運動鋸絲上的金剛石直接獲得運動速度和一定的壓力對硅材料進(jìn)行研削加工。目前將磨粒固結(jié)在線鋸鋸絲上的方法主要有電鍍法、樹脂法、機械嵌入法和釬焊法等，其中電鍍法和樹脂法比較常用[35]。

圖13 固結(jié)磨料線鋸結(jié)構(gòu)

電鍍金剛石線鋸是采用電鍍的方法將磨料固結(jié)到鋸絲上，金屬線芯有冷拉鋼絲、琴鋼絲、不銹鋼絲和鍍銅高碳鋼絲[36]。電鍍制備金剛石線鋸的一般工藝流程：基體預(yù)處理→預(yù)鍍→上砂→加厚→鍍后處理。電鍍金剛石線鋸具有耐磨、耐高溫等優(yōu)點，并且有切割效率高、鋸縫小且整齊、切面表面精度高、低能耗等特點。

樹脂結(jié)合劑固結(jié)磨料線鋸是采用樹脂結(jié)合劑固結(jié)金剛石磨料，通常使用酚醛類的樹脂,把樹脂、溶劑和金剛石混合后涂覆在不銹鋼絲表面,經(jīng)固化后就可以將金剛石固著。與其他方法相比，樹脂法可以制造更細(xì)的絲鋸，通?？梢灾圃?.13～0.15 mm,可以進(jìn)行更精細(xì)的切割工作，但是由于樹脂的結(jié)合強度較弱，容易造成金剛石磨粒的過早脫落。

固結(jié)磨料金剛石線鋸切割技術(shù)的主要研究發(fā)展方向[37]：

(1)在寶石切割過程中，有時要求線鋸的長度在幾十千米，因此，提高線鋸的制造效率對降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要。

(2)提高線鋸的使用壽命，尤其要解決金剛石磨料層與鋸絲基體結(jié)合強度不高、導(dǎo)致鋸絲的壽命短的問題。

(3)提高切割質(zhì)量，環(huán)形線鋸較往復(fù)式線鋸切削速度高、質(zhì)量好，因此提高環(huán)形線鋸制造水平將是金剛石線鋸的研究熱點。

3 結(jié)語

研磨拋光屬于磨粒加工技術(shù)，但其加工時磨粒切削速度相比磨削低得多，屬于低速磨削領(lǐng)域。由于研削速度低，產(chǎn)生的熱量也比較低，不但可以獲得光滑精密的加工表面精度，同時也可以獲得好的表面加工質(zhì)量。固結(jié)磨料磨具研磨技術(shù)是近年來在研拋領(lǐng)域興起的新加工方法，在去除材料的機理方面，改變了傳統(tǒng)游離磨料研磨拋光滾壓去除的機理，取而代之的是磨粒劃擦切削的機理。通過應(yīng)用證明，在加工效率和表面質(zhì)量方面具有顯著的優(yōu)勢，特別適用于對一些硬脆材料和容易堵塞砂輪的易粘黏材料的高效高精密加工。