碳化硅材料磨削技術基礎研究

劉國敬，劉宇光，賀東葛，劉婷婷

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

碳化硅是現代社會發展中出現的一種新型材料，其具有比剛度大、穩定性好、質地輕等優點，國際上已將其作為空間光學遙感器中的反射鏡材料進行研究。現階段，隨著技術水平的不斷提高，碳化硅材料得到了迅速的發展，并在工業領域內得到了廣泛的應用，但要想完全體現出其優異的性能，加工技術是我們必須攻克的“堡壘”，針對碳化硅硬度大，機械加工難的特點，本文進行了碳化硅材料磨削技術的基礎研究，并取得了較好的實驗結果。

1　碳化硅材料性能

碳化硅成型使用反應燒結法，也稱為自結合法或滲硅法，它是用Q-SiC和石墨按一定比例混合壓成坯體，加熱到1 650℃左右，通過液相或氣相將Si滲入坯體，使之完成。碳化硅反應燒結的原理使SiC具有許多其它材質所沒有的優良特性：(1)比剛度大，單位載荷引起結構的變形小，尺寸穩定性好，可以降低反射鏡的厚度，做成蜂窩狀結構起到減重的目的，反射鏡與框一體化，減少裝調誤差；(2)熱變形系數小，抗熱震性性能優越，可使鏡體在較寬的溫度范圍內具有良好的熱穩定性，降低對熱控系統的要求，減少熱控系統的質量和功耗；(3)良好的熱傳導性能，當環境溫度變化時，材料內部很容易達到溫度平衡，不會引起很大的內應力，對環境適應能力強，壽命長。

2　碳化硅材料的磨削工藝

2.1　碳化硅材料的磨削加工

需要加工碳化硅工件的工藝要求：表面TTV（平面度）為5 μm，表面粗糙度小于40 nm，首先設計使用樹脂結合劑金剛石砂輪，為了實現晶圓的延性域磨削，提高磨削質量，通過減小砂輪軸向進給速度實現微小磨削深度，因此，要求設備的進給運動分辨率小于0.1 μm，進給速度最小0.1 μm/s。另外，為了提高減薄工藝的效率，進給系統在滿足低速進給的前提下，盡可能實現高速返回。磨削加工原理圖如圖1所示。

圖1　磨削加工原理

磨削加工使用目前的主流In-feed磨削原理，在磨削過程中，砂輪和碳化硅工件同時旋轉，砂輪高速旋轉，旋轉速度保持不變，工件低速旋轉，磨輪進給速度和工件旋轉速度在磨削過程中根據階段不同，實現變速。一般磨削加工過程分以下幾個階段，分別是高速進給階段，空進給階段，P1階段，P2階段，P3階段，高速返回階段，磨削過程的各階段設定的砂輪進給速度和進給量都是不同的，使用5組參數對加工件進行了磨削，進給量與表面粗糙度的試驗結果如圖2所示。

圖2　砂輪進給量與粗糙度關系

從圖2可以得出，砂輪的進給量越小，工件的表面粗糙度越好，面形精度越高，在加工過程中，可以根據要達到的表面粗糙度，選擇合適的進給量。

在磨削過程中，即使表面粗糙度較低，但每次切削量也不能太大，要有一定限度。最大切削厚度：

式中：vc為砂輪速度；vw為工件速度；fr為徑向進給量；do為砂輪直徑；e為砂輪的粒度號。

根據公式(1)可以看出，切削量與砂輪速度、直徑及粒度、工件轉速和進給量均有關。當h太大時，砂輪會突然停止磨削，工件局部去除量太大，工件表面也會出現凹陷，導致工件報廢。

經過在顯微鏡下觀察砂輪的面形得出：去除量太大時，由于碳化硅材料硬度太大，砂輪片的磨粒在摩擦、擠壓的作用下，它的棱角逐漸磨圓變鈍，磨屑嵌在砂輪表面的孔隙中，會造成金剛石砂輪堵塞，導致砂輪磨削能力和磨削效率下降，工件表面出現凹凸不平。為了解決此問題，改進了磨削加工工藝，增加了油石在線修整工藝。

2.2　油石在線修整的磨削加工

油石在線修整技術專門應用于超硬的材料磨削，在磨削工件的同時利用油石有效去除附著于砂輪上的顆粒，修銳砂輪，保持砂輪有很好的磨削能力，同時保證了磨削加工的效率。具體加工過程如下圖3所示。

圖3　油石修整加工原理圖

油石在線修整系統包括：承片臺機構、主軸砂輪磨削機構、油石修整機構。油石在線修整的基本原理：主軸磨削機構先運動到相對承片臺機構標定的第一預定位置，同時油石修整機構也運動至相對于承片臺機構標定的第二預定位置，此時砂輪表面同時與油石表面和承片臺表面相接觸，實現邊磨削碳化硅材料邊修整砂輪的目的，增加碳化硅材料的去除量，提高碳化硅材料的加工效率和表面加工精度，同時保證砂輪的磨削能力。

采用油石在線修整的加工方法一方面可以去除堵塞在砂輪表面的磨屑，使磨粒凸出到砂輪表面，另外一方面，當磨輪變鈍時，通過修銳使其重新鋒利，使磨削切入過程更加容易。通過實驗證明，在磨削去除量大的情況下，使用油石在線修整的方式磨削工件可以達到工藝要求。

3　結論

通過對碳化硅材料磨削工藝的研究，摸索出適合碳化硅材料的磨削加工工藝方法和工藝參數，根據磨削過程中遇到的技術難題，開展了油石在線修整的磨削加工技術研究。本文介紹的油石在線修整的加工方法不僅適用于碳化硅超硬材料，對于藍寶石，陶瓷等硬材料的磨削加工也同樣適用。

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