天然金剛石的超聲輔助研磨工藝仿真與實驗

裴雷鋼　石廣豐　陳嘉增　姚棟　楊永明　李俊燁

關鍵詞 天然金剛石；超聲研磨；正交實驗；表面粗糙度

中圖分類號 TQ164; TG58 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）06-0720-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0060

收稿日期 2023-03-14 修回日期 2023-03-29

金剛石，亦稱鉆石，是自然界最硬的單晶礦物，因高硬高脆特性而著名。天然金剛石在航空航天、精密機械、醫療器械、光學電子、生活裝飾等領域中應用廣泛[1]。目前，金剛石的主要加工方法有傳統的機械研磨、激光輔助加工、聚焦離子束加工和超聲振動研磨[2-4] 等，其中超聲振動研磨對硬脆材料的表面加工具有高光整性、低損傷等特點。

KOBAYASHI 等[5] 對玻璃進行了超聲輔助研磨，結果表明加工后的玻璃表面質量能提升1～2 倍。劉鴻智等[6] 的研究結果表明超聲復合研磨的去除率明顯是單一機械研磨的2～3 倍。郝曉麗等[7] 針對單晶碳化硅晶片進行了超聲振動輔助研磨，分析了研磨盤轉速、磨料粒度等因素的影響。韓磊[8] 以硅材為對象進行研磨，結果表明超聲研磨區別于常規研磨，超聲研磨能提高材料去除率，降低其表面粗糙度，改善材料表面形貌。楊小慶[9] 針對聚晶金剛石開展了超聲實驗，結果表明加入超聲不會對工件表面產生損傷。目前，國內外學者沒有對超聲輔助研磨天然金剛石進行系統性研究，且未考慮超聲振幅對其表面質量的影響。因此，對天然金剛石表面開展超聲輔助研磨工藝研究，確定其不同晶面易磨方向的超聲振幅及（100）晶面研磨的最佳工藝參數，并對其表面研磨質量進行對比。

1 超聲輔助研磨振幅理論計算

超聲輔助研磨過程中磨料對金剛石表面產生切削和撞擊的復合作用。其中顆粒較大的磨粒在沒有被振碎前，對金剛石表面形成較深劃痕，加速了金剛石材料的去除；顆粒較小的磨粒在研磨過程中，對金剛石表面產生拋光作用。同時，由于磨料持續性地旋轉和撞擊，磨粒直徑趨于穩定，使金剛石表面變的光滑平整。

金剛石作為各向異性材料，有（110）、（100）和（111）3 個典型晶面。其中金剛石的（111）晶面容易發生解理現象，且研磨困難，故選擇（100）和（110）晶面作為研究對象。天然金剛石加工時（100）晶面的對角線方向<100>為易磨方向，邊的方向<110>為難磨方向；（110）晶面的長對角線方向<100>為易磨方向，短對角線方向<110>為難磨方向。金剛石的易難磨方向如圖1 所示[10]，圖中的紅色代表易磨方向，藍色代表難磨方向。

2 仿真與實驗結果及分析

2.1 仿真條件

研究單顆磨粒的運動軌跡是認識超聲輔助研磨的重要手段，能夠獲得實際加工中無法測量的數據。天然金剛石具有各向異性，故利用二維平面單向切削來規避其影響，采用數學極限思維將其圓周運動視為直線運動。研磨時用研磨膏由單晶金剛石微粉與橄欖油混制而成， 可不間斷地添加。仿真設置磨粒頂角為120°[14]。研磨壓力會影響切削力大小和切削熱高低，仿真分析中磨粒的壓力本質是金剛石磨粒在嵌入天然金剛石工件的深度[15]。仿真結果的精度由網格數量決定，網格數量增加將導致計算規模擴大，所以利用拆分面選項卡對網格接觸區域進行細化處理，其他區域網格進行稀疏處理，達到了既保證精度同時又減小計算量的作用。對工件底部及側方采用固定約束。超硬材料切削仿真最常用模型為JH-2 本構模型[16]，選擇天然金剛石（100）晶面為仿真對象，其參數如表3 所示。金剛石磨粒與金剛石間的作用時間非常短，鑄鐵研磨盤轉速一般為2 600～3 000 r/min[17]，本次選用的研磨速度為2 800 r/min；磨粒與金剛石接觸深度為7.7 nm。由表2 可知： 金剛石（ 100） 晶面的超聲振幅范圍為2.9～9.1 μm，故選取3.0、6.0 和9.0 μm 的超聲振幅進行研究。

2.2 仿真結果及分析

圖3 為（100）晶面不同超聲振動幅度下的應力與溫度變化。由圖3 可知：在3.0 μm 超聲振幅條件下，金剛石表面最大應力為4.162 × 10³MPa，最高溫度為575.8 K（302.65 ℃）；在6.0 μm 超聲振幅條件下，金剛石表面最大應力為5.567 × 10⁴MPa， 最高溫度為538.5 K（265.35 ℃）；在超聲振幅為9.0 μm 的條件下，金剛石最大應力為8.442 × 10³MPa， 最高溫度為453.7 K（180.55 ℃），但工件表面出現邊角崩壞現象。因此，超聲輔助研磨去除材料過程中最大應力隨超聲振幅的增大呈現逐漸遞增的趨勢，而最高溫度隨超聲振幅的增大呈現出逐漸遞減的趨勢。同時， 天然金剛石的（100）晶面在振幅為6.0 μm、研磨轉速為2 800 r/min時的研磨切屑較為細碎，有效減少了切屑堆積現象，避免了金剛石的邊角崩壞，保證了其研磨質量。

2.3 正交實驗結果及分析

圖4 為超聲輔助研磨實驗平臺。由圖4 可知，超聲輔助研磨實驗平臺主要由研磨盤、超聲研磨夾持裝置和聲發射系統組成。

超聲研磨夾持裝置主要由彈簧施壓機構、超聲振動機構、緊固機構3 部分裝置組成。彈簧施壓機構為金剛石研磨提供加載壓力，超聲振動機構中的超聲振子改變金剛石運動軌跡，緊固機構起到固定天然金剛石作用。需研磨的天然金剛石工件直徑為50 mm。

以天然金剛石研磨表面粗糙度為指標，選取超聲振幅、研磨盤轉速、磨粒粒度代號 3 工藝參數進行實驗，尋求最優工藝參數組合。確定的影響因素及水平見表4。為提高研磨效率通常采用基本顆粒尺寸>1.0 μm的金剛石微粉，粗顆粒的金剛石研磨粉可以提高研磨效率，因此選取磨粒粒度代號為M1/2（基本顆粒尺寸為1.0～2.5 μm）、M2/4（基本顆粒尺寸為1.5～3.5 μm）、M3/6（基本顆粒尺寸為2.5～5.0 μm）的金剛石微粉，在超聲振幅為3.0、6.0、9.0 μm 時選取天然金剛石（100）晶面的易磨方向進行L₉（3⁴）正交實驗，實驗結果如表5 所示。

通過Veeco 公司的NT1100 光柵表面粗糙度測量儀對研磨后的天然金剛石表面粗糙度進行測量，結果如圖5 所示。由圖5 可知：在B₁C₁D₁的條件1 下超聲振動研磨的表面粗糙度R_a為28.02 nm，在B₁C₂D₂的條件2 下的表面粗糙度R_a 為32.24 nm。依次類推，在B、C、D 不同組合的條件3～ 9 下的表面粗糙度R_a分別為25.73，19.44，22.03，24.46，18.04，32.76 和28.25 nm。

通過對表5 的正交實驗結果進行極差分析，得到其極差分析結果表6。由表6 可知：對金剛石表面粗糙度影響的主次關系為超聲振幅（B）>磨料粒度代號（D）>研磨盤轉速（C）；且以金剛石表面粗糙度最低為目標，其最佳工藝參數組合為B₂C₂D₃，即超聲振幅為6.0 μm，研磨盤轉速為2 800 r/min，磨粒粒度代號為M3/6。

采用最佳工藝參數組合進行實驗研究，研磨時間為30 min。圖6 為傳統和超聲研磨的天然金剛石表面粗糙度，其中的傳統研磨是指超聲振幅為0，其他條件與超聲研磨時的相同。由圖6 可知：傳統研磨后的金剛石表面粗糙度R_a 為44.81 nm，超聲輔助研磨后的天然金剛石表面粗糙度R_a為16.21 nm，后者相對前者同比下降了63.83%。

通過SEM 對天然金剛石表面進行檢測，其表面微觀形貌如圖7 所示。由圖7 可知：傳統機械研磨的表面光滑處有裂紋、劃痕等損傷；采用最優工藝參數研磨的金剛石表面質量良好，沒有裂紋、斷層等缺陷。由此可知，采用最佳研磨工藝參數進行研磨，可明顯降低天然金剛石的表面粗糙度，提高天然金剛石的表面質量。

3 結論

進行超聲輔助研磨天然金剛石的工藝仿真與實驗，得出結論如下：

（1）理論計算出天然金剛石（110）晶面易磨方向的超聲振幅取值范圍為3.1～8.7 μm，（100）晶面易磨方向的超聲振幅取值范圍為2.9～9.1 μm。

（2）通過對（100）晶面進行切削仿真模擬后發現，工件與磨粒所受到的應力隨著振幅的增大而增加，溫度隨著振幅的增大而減小，說明選擇超聲加工能夠有效降低切削溫度、減小切屑堆積。

（3）由超聲振動研磨實驗可知，材料整體的表面質量優于傳統機械研磨的；在研磨三要素中，影響程度依次為超聲振幅>磨粒粒度代號>研磨盤轉速。通過正交實驗獲得的（100）晶面最優工藝參數組合是超聲振幅為6.0 μm，研磨盤轉速為2 800 r/min，磨粒粒度代號為M3/6。在此最優參數條件下研磨金剛石（100）晶面，其表面粗糙度最低為16.21 nm，比傳統機械研磨的下降了63.83%。

作者簡介

通信作者： 石廣豐，男，1981 年生，博士、教授、博士生導師。主要研究方向：精密與超精密加工檢測及裝備。

E-mail：shiguangfeng@cust.edu.cn

（編輯：周萬里）