研磨壓力對固結聚集體磨料墊自修正影響

牛鳳麗，朱永偉，沈功明，王子琨，王科榮

(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實驗室，江蘇 南京 210016)

1 引 言

固結磨料墊是將結合劑、磨料以及其它功能填充劑等以一定的方式混合經熱固化制備而成，使磨料在研拋過程中的位置始終保持一致的研磨拋光工具[1]。與游離磨料拋光相比，固結磨料墊具有研拋效率高、亞表面損傷小、加工均勻性等優點[2-3]，廣泛應用于硅片、微晶玻璃、藍寶石晶體等硬脆性材料和鈮酸鋰、CaF2、硫化鋅等軟脆材料的研磨拋光[4-6]。

傳統樹脂基固結磨料墊在研磨拋光過程中，因磨料鈍化、磨屑細化等多種原因，造成亞表層磨粒無法出露，加工效率及加工穩定性下降。為了改善固結磨料墊的自修正能力，國內外學者提出制備具有自修正的固結磨料墊。Choi和Kim等人[2,7-8]采用光固化方法制備了親水性固結磨料墊，通過親水性樹脂的溶脹特性，使聚合物基體膨脹變軟在研磨拋光過程中易被去除，實現了固結磨料墊的自修正。朱永偉[9-10]探索了親水性固結磨料墊中孔隙、研磨壓力和研磨介質對親水性固結磨料墊自修正性能的影響，得到了較高的材料去除率和優良的表面質量。李軍[11-12]通過砂漿輔助固結磨料拋光石英玻璃，獲得了穩定的材料去除特性和良好的自修正特性。

另一方面，磨粒的磨損方式也是影響固結磨具加工性能的重要因素。Yoshio[13]采用亞微米級多晶CBN作為磨粒制備PCBN砂輪，通過對比單晶CBN砂輪，PCBN砂輪的磨損率降低，使用壽命延長。Ding[14-15]分析了PCBN磨粒在研磨過程中主要的磨損行為，指出了磨粒發生大面積破碎時PCBN砂輪的材料去除率大大提高，并得到磨粒發生微破碎時的最佳工藝參數。朱永偉[16-17]采用化學鍍鎳的方法在金剛石表面鍍覆一層Ni-P，增強了金剛石磨粒與樹脂基體的結合力，并通過改變鍍層增重率來優化固結磨料墊的加工特性。另外，朱永偉[18]還提出采用燒結法制備聚集體金剛石磨料，并用于石英玻璃的研磨，利用聚集體金剛石的微破碎提高磨粒的自銳性，獲得了穩定的材料去除效率和優異的表面質量。

固結磨料墊研磨過程中，大量磨粒同時參與微切削，單顆磨粒受力小，其磨損行為主要表現為磨粒的磨鈍、磨平和脫落，磨粒的微破碎幾乎不能實現，而磨粒的微破碎恰恰是影響固結磨料墊加工穩定性的關鍵因素。本文比較了單晶金剛石和聚集體金剛石作為磨粒在親水性固結磨料墊中的加工特性；利用陶瓷結合劑的含量調節聚集體金剛石的結合強度，并探索不同研磨壓力下，不同結合劑含量的固結聚集體磨料墊的加工特性，從而為不同研磨壓力下聚集體金剛石的設計與制備提供參考依據。

2 實 驗

2.1 聚集體金剛石制備

金剛石聚集體是用陶瓷結合劑將微納金剛石顆粒(一次顆粒)經過高溫燒結制成一定粒徑的聚集體金剛石顆粒(二次顆粒)。它的制備過程包括混料、造粒、燒結及篩分等過程(圖1)。混料是將單晶金剛石和結合劑按照一定比例充分混合均勻，通過黏結劑將它制成大小適當的球體，再經過高溫燒結、篩分等工序得到實驗用聚集體金剛石。其他工藝條件如表1所示。

圖1 聚集體金剛石制備流程Fig.1 Preparation process of agglomerated diamond abrasives

Tab.1 Preparation parameters of agglomerated diamond abrasives

表1 聚集體金剛石制備工藝參數

圖2 固結磨料墊制備流程Fig.2 Preparation process of fixed abrasive pad

2.2 親水性固結磨料墊制備

親水性固結磨料墊是利用親水基樹脂結合劑將一定粒徑的金剛石磨粒或聚集體金剛石磨粒通過熱固化方法制備而成，其制備過程及結構組成如圖2所示。磨料層表面凸起之間的溝槽，便于研磨液的流動和研磨碎屑的排出。

2.3 研磨實驗

研磨對象是直徑25 mm，厚度5 mm的石英玻璃片，研磨實驗在環拋機上進行，分別采用3.5，7，15，21 kPa 4種研磨壓力研磨石英玻璃，每組實驗連續研磨180 min，每30 min對樣品進行一次測量，期間固結磨料墊不經任何形式的修正。磨粒采用單顆粒金剛石和聚集體金剛石，其余實驗參數見表2。圖3是固結磨料研磨原理示意圖。

表2 固結磨料墊研磨石英玻璃實驗工藝參數

Tab.2 Processing parameters for fine lapping of quartz glass

參 數參數值粒徑/μm40～50 主軸轉速/(r·min-1)85工件轉速/(r·min-1)80研磨壓力/kPa3.5,7,15,21拋光液流量/(mL·min-1)80研磨時間/min180

圖3 固結磨料墊研磨示意圖Fig.3 Schematic diagram of fixed abrasive pad lapping

2.4 測量與表征

2.4.1 材料去除率和表面粗糙度

工件的初始厚度由千分尺(分辨率為0.01 mm)測得，工件加工前后的質量由精密天平計量，通過式(1)計算得到材料去除速率(Material Removal Rate, MRR)為：

(1)

其中：Δm為兩個研磨時間段的質量差，s為工件與工具接觸面積；t為研磨時間。

采用Nanomap500LS測量工件表面粗糙度Ra，掃描長度為1 500 μm，掃描速度為50 μm/s，采樣頻率為60 point/s。

2.4.2 表面微觀形貌觀察

將制備的4種陶瓷結合劑含量的金剛石聚集體，采用掃描電子顯微鏡觀察其微觀表面形貌。

研磨實驗后，采用白光干涉儀觀察研磨后的工件表面微觀形貌。

3 結果與討論

3.1 金剛石類型對磨料墊加工性能的影響

固結單晶金剛石磨料墊和固結聚集體金剛石磨料墊在14 kPa的研磨壓力下研磨180 min，得到MRR隨時間的變化曲線，如圖4所示。在前30 min內固結單晶金剛石磨料墊的MRR值為3.31 μm/min左右，高于固結聚集體金剛石磨料墊(MRR在1.91 μm/min左右)；隨著研磨時間的增加，固結單晶金剛石磨料墊的MRR急劇下降，在180 min后，下降至0.25 μm/min，而固結聚集體金剛石磨料墊的MRR呈起伏狀，180 min后，MRR穩定在1.62 μm/min左右。

圖4 材料去除率隨時間的變化曲線Fig.4 Variation of material removal rate with lapping time

圖5為研磨后工件的表面粗糙度Ra值，圖6是研磨后石英表面微觀形貌圖。綜合圖5和圖6可以得到，采用固結單晶金剛石磨料墊加工后的工件表面有較明顯的劃痕，表面粗糙度Ra為101.2 nm，采用固結聚集體金剛石磨料墊加工后的表面劃痕減少，表面粗糙度Ra值達到50.8 nm，研磨質量得到明顯提高。

圖5 石英玻璃研磨后的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of lapped quartz glass

圖6 研磨后石英表面微觀形貌Fig.6 Surface morphology of lapped quartz glass

3.2 研磨壓力對固結磨料墊加工性能的影響

3.2.1 材料去除率

圖7是不同研磨壓力條件下，MRR隨研磨時間的變化曲線。圖7(a)在3.5 kPa研磨壓力下，結合劑含量較高的AD-1和AD-2固結聚集體金剛石磨料墊，其MRR值較低(低于1 μm/min)；而結合劑含量較低的AD-3和AD-4固結聚集體金剛石磨料墊，其MRR值較高，尤其是結合劑量次低的AD-3，其MRR最高(由2.67 μm/min降至2.12 μm/min)。圖7(b)在研磨壓力7 kPa的條件下，經由結合劑含量次低的AD-3固結聚集體金剛石磨料墊研磨后MRR值最高(由3.13 μm/min左右降至2.49 μm/min左右)，其余依次為AD-1，AD-2，而AD-4固結聚集體金剛石磨料墊的MRR起伏較大，性能不穩定(2.93 μm/min降至0.77 μm/min)。圖7(c)在研磨壓力15 kPa的條件下，結合劑含量次高的AD-2固結聚集體金剛石磨料墊研磨后的MRR值最高(開始8.94 μm/min，而后穩定在8.05 μm/mim左右)，其余MRR值依次按照結合劑含量減少呈下降趨勢。圖7(d)在研磨壓力21 kPa的條件下，結合劑含量次高的AD-2固結聚集體金剛石磨料墊，其MRR最高(由12.43 μm/min降至8.2 μm/min)，其余依次分別是AD-1，AD-3和AD-4。

圖7 不同壓力下材料去除率隨時間的變化Fig.7 Variation of material removal rate with lapping time under different presures

對比4種研磨壓力可以得到以下結論：在低研磨壓力下，采用陶瓷結合劑含量低的固結聚集體金剛石磨料墊的MRR較高且相對較穩定，隨著研磨壓力的增加，采用陶瓷結合劑含量次高的固結聚集體金剛石磨料墊的MRR值偏高且相對較穩定。

3.2.2 工件表面粗糙度和表面形貌

圖8是研磨后的石英玻璃表面粗糙度Ra值。總體上，采用4種固結聚集體金剛石磨料墊研磨后的工件表面粗糙度Ra值均隨著研磨壓力的增加而增大；相同研磨壓力下，次高結合劑含量和次低結合劑含量的固結聚集體金剛石磨料墊研磨后的表面粗糙度較低。低研磨壓力下(3.5 kPa和7 kPa)，次低結合劑含量的AD-3固結聚集體金剛石磨料墊研磨后工件的表面粗糙度Ra最低(分別為31.9 nm和38.0 nm)，高研磨壓力下(15 kPa和21 kPa)，次高結合劑含量的AD-2固結聚集體金剛石磨料墊研磨后工件的表面粗糙度Ra最低(分別為48.8 nm和55. 9 nm)。結合劑含量最低的AD-4固結聚集體金剛石磨料墊，無論是在高研磨壓力，還是在低研磨壓力下，研磨后工件的表面粗糙度均最高。

圖8 研磨后石英玻璃表面粗糙度Fig.8 Surface roughness of quartz glass after lapping with fixed agglomerated abrasive pad

圖9是聚集體金剛石在21 kPa壓力下研磨后石英玻璃的表面微觀形貌。從圖中可以看到，聚集體金剛石AD-1制備的固結磨料墊研磨后的石英玻璃表面有較深劃痕出現。隨著結合劑含量減少，工件表面劃痕減少(AD-2和AD-3)。當結合劑含量降低至AD-4時，工件表面劃痕又開始增多，出現該現象的原因可能是因為結合劑含量過少，聚集體金剛石的結合強度不足，在研磨過程中，微細金剛石易發生疲勞破壞，磨粒過早脫落，使固結磨料研磨形成具有鋒利棱角的游離磨料研磨，加劇了石英玻璃表面損傷。

圖9 研磨后石英玻璃表面微觀形貌Fig.9 Surface morphology of quartz glass after lapping with fixed agglomerated abrasive pads

3.3 聚集體金剛石微觀表面形貌

圖10是單晶金剛石和聚集體金剛石的SEM圖。從圖10(a)中可以看到，單晶金剛石顆粒呈不規則狀且有鋒利的切削刃；圖10(b)～10(e)為聚集體金剛石，它們的結合劑含量分別是AD-1>AD-2> AD-3>AD-4。

圖10 金剛石磨粒SEM圖Fig.10 Micro-morphology of diamond abrasive

AD-1聚集體金剛石(見圖10(b))陶瓷結合劑含量最高，微細金剛石之間有明顯的結合橋相連，微細金剛石的棱角被陶瓷結合劑包裹完全，微刃難以出露，另外，聚集體金剛石表面孔隙極少，聚集體金剛石的結合強度最高。AD-2聚集體金剛石(見圖10(c))陶瓷結合劑含量次高，聚集體表面的微細金剛石大部分被結合劑包裹，有明顯的結合橋相連，部分金剛石微刃出露，此外微細金剛石之間存在一定的孔隙，其結合強度次之。AD-3聚集體金剛石(見圖10(d))陶瓷結合劑含量次低，微細金剛石之間的結合橋縮小，金剛石表面棱角清晰，微刃出露明顯，但孔隙較多，聚集體金剛石的結合強度次低。AD-4 聚集體金剛石(見圖10(e))陶瓷結合劑最低，微細金剛石之間的結合橋變少，大部分微細金剛石微刃裸露在表面，且微細金剛石之間的孔隙增多，其結合強度最低。

3.4 研磨壓力對聚集體磨粒微破碎的影響

在研磨過程中，研磨壓力P通過工件傳遞給磨粒，磨粒的磨損主要是由工件施加給磨粒的切向力引起。圖11為固結磨料磨料墊中磨粒磨損過程示意圖。圖11(a)為單晶金剛石磨損過程示意圖。圖中可得到，由外部載荷通過工件傳遞給磨粒的力F為：

(2)

其中：P為外加載荷；A為磨粒與工件接觸面積；θ為F與垂直方向夾角。

考慮到研磨過程中磨粒主要是來自剪切破壞，則磨粒的切向力Ft-SD為：

Ft-SD=P·A·cotθ.

(3)

研磨初期單顆粒磨粒在切向力Ft-SD作用下鋒利切削刃出現磨鈍；隨著研磨時間的增加，磨粒磨損加劇，棱角逐漸磨平，無法參與有效切削，固結磨料墊的研磨效率開始下降，加工穩定性變差；同時，研磨產生的碎屑對固結磨料墊基體產生沖刷磨損，磨料墊表層鈍化的磨粒因其出露高度過高(據文獻[19]中所述，磨粒的出露高度臨界值為1/3磨粒直徑)而產生脫落，影響固結磨料墊的MRR。

圖11 固結磨料墊中磨粒磨損過程Fig.11 Wear process of an abrasive in fixed abrasive pad

圖11(b)為聚集體金剛石磨粒磨損過程示意圖。若單顆粒金剛石所受法向壓力為F1，F2，…Fm，聚集體金剛石與工件接觸是多刃接觸，則其所承受切向力Ft-AD為：

(4)

研磨初期，在同樣外載荷P的作用下，聚集體金剛石中微細金剛石的粒徑(3～5 μm)遠小于單晶金剛石的粒徑(40～50 μm)，單顆微細金剛石的Fn也遠小于單顆單晶金剛石顆粒，在保證其他參數(外載荷、工件硬度、磨料墊彈性模量和磨粒濃度等)一致的情況下，磨粒切入工件的深度與磨粒的出露高度和直徑有關，故聚集體金剛石的MRR低于單晶金剛石。隨著研磨過程的進行，單晶金剛石棱角不斷磨損，盡管磨粒的出露高度和切深大，但其切削能力下降，MRR持續降低，并在一定研磨時間后低于聚集體金剛石的MRR(見圖4)。

對于聚集體金剛石，其剪切強度τc-AD為：

τc-AD=τc-dVd+τc-cVc+τc-pVp,

(5)

其中：τc-d為金剛石剪切強度；τc-c為陶瓷結合劑剪切強度；τc-p為孔隙剪切強度；Vd為金剛石體積濃度；Vc為陶瓷結合劑體積濃度；Vp為孔隙體積濃度。

研磨時金剛石在剪切力作用下，有：

(6)

當τc<τc-AD時，聚集體金剛石磨粒可以順利完成多刃切削。當τc>τc-AD時，聚集體金剛石磨粒在剪切力作用下發生破碎，部分小粒徑磨粒脫落，新鮮磨粒露出繼續參與研磨。該現象稱之為聚集體磨粒的微破碎。

由式(5)可知，在金剛石體積濃度不變的前提下，聚集體金剛石強度和陶瓷結合劑體積濃度Vc有關，即結合劑濃度Vc增加，孔隙濃度Vp減少，則聚集體金剛石強度τc-AD增加。由此得到2.1節中4種結合劑含量的聚集體金剛石的強度大小依次為：τc-AD1>τc-AD2>τc-AD3>τc-AD4。

在低研磨壓力下，高陶瓷結合劑含量的聚集體金剛石的剪切強度大，微細金剛石磨粒所受的剪切力不易超過其剪切強度，即在磨粒的棱角已發生了嚴重磨損后，也不易發生剪切破壞，磨粒更新速度緩慢，在一定程度上影響加工效率。低陶瓷結合劑含量的聚集體金剛石，剪切強度低，微細金剛石在相同剪切力作用下易發生剪切破壞，磨粒更新速度快，即聚集體金剛石的微破碎速度快，以保證材料去除穩定進行。但聚集體金剛石的微破碎速度過快仍然會影響加工效率及加工過程的穩定性。

在高研磨壓力下，低陶瓷結合劑含量的聚集體金剛石受到的剪切力增加，微細金剛石發生嚴重的剪切破壞，磨粒磨損嚴重，加工效率低。高陶瓷結合劑含量的聚集體金剛石在較大剪切力作用下，微細金剛石發生剪切破壞的程度低于前者，磨粒磨損緩慢，聚集體金剛石微破碎速度能夠維持加工過程的穩定性。

4 結 論

本文比較了固結單晶金剛石磨料墊和固結聚集體磨料墊的加工特性，探索了研磨壓力對固結磨聚集體磨料墊的加工性能的影響。實驗結果表明，在相同研磨壓力下，對比固結單晶金剛石磨料墊，固結聚集體金剛石磨料墊能有效地提高MRR，保證研磨過程中的穩定性。經過固結聚集體金剛石磨料墊研磨90～180 min后的MRR提高了50%～80%，研磨后的表面粗糙度Ra降低，表面劃痕減少，表面質量得到改善。聚集體金剛石結合強度隨著陶瓷結合劑含量的增加而增強。在低研磨壓力下，高結合劑含量的聚集體金剛石，其結合強度高，微破碎速度慢，加工效率低(MRR低于1 μm/min)；低結合劑含量的聚集體金剛石可以有效地完成新舊磨粒的更替，加工效率高(MRR在2～3 μm/min左右)，且加工穩定。在高研磨壓力下，高結合劑含量的聚集體金剛石具有良好的結合強度，其微破碎速度適中，適當的磨粒磨損能夠保證研磨加工的穩定進行，且材料去除率高(MRR在8～12 μm/min)；低結合劑含量的聚集體金剛石其結合強度較弱，在高壓下微破碎速度加快，磨粒磨損加劇，導致加工效率低，加工穩定性差(MRR由6 μm/min降至2 μm/min)。