張紅軒，閻秋生，陳海陽

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣東納諾格萊科技有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

藍(lán)寶石具有優(yōu)良的物理性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于窗口、照明和半導(dǎo)體襯底等領(lǐng)域[1-3]。同時(shí)作為氮化鎵外延生長的襯底材料，在完成電極制備工藝后，需要對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行背面減薄，以提高器件的散熱性能，超精密磨削技術(shù)在快速減薄中具有去除速率高及可控性好等優(yōu)勢[4]。藍(lán)寶石快速減薄磨削主要使用金剛石砂輪，其中樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪因其原料來源豐富、成型簡單、自銳性好、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)在金屬、樹脂、陶瓷3大種類砂輪中占60%～70%份額[5]。砂輪的性能一定程度上決定了藍(lán)寶石減薄磨削中的磨削效率及磨削后藍(lán)寶石表面質(zhì)量，而砂輪的磨損形式及砂輪的磨損過程決定磨削過程的穩(wěn)定性。

為了改善金剛石砂輪的性能及磨削后藍(lán)寶石的表面質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者對藍(lán)寶石磨削過程及砂輪的性能做了很多研究。對于樹脂金剛石砂輪的研發(fā)及性能的提高，國內(nèi)外的研究主要集中在超硬磨料的處理、樹脂改性、性能對比以及磨削機(jī)理等學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域[6]。楊海成等[7]認(rèn)為，樹脂結(jié)合劑砂輪藍(lán)寶石表面質(zhì)量優(yōu)于金屬結(jié)合劑砂輪加工的表面質(zhì)量，且磨削速度為10.5 m/s時(shí)更易獲得質(zhì)量較高的磨削表面。Zhiqiang Liang[8]和Dongxi Lv等[9]研究了樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪在單晶藍(lán)寶石超聲輔助磨削（EUAG）中的磨損機(jī)理。關(guān)昂[10]通過制作MgO、Fe2O3軟磨料樹脂結(jié)合劑砂輪，使磨削后藍(lán)寶石可以獲得更加低的表面粗糙度且沒有裂紋、崩邊以及磨痕現(xiàn)象。但是，缺乏以藍(lán)寶石為磨削對象的樹脂金剛石砂輪的磨損機(jī)理、磨損過程以及對藍(lán)寶石表面質(zhì)量的影響的相關(guān)研究。

本文以研制高性能樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪為目標(biāo)，通過使用AM41113T顯微鏡實(shí)現(xiàn)磨削過程中砂輪磨粒的在線觀測，追蹤砂輪磨削藍(lán)寶石過程中磨粒的變化過程，分析了樹脂金剛石砂輪磨削藍(lán)寶石過程中砂輪的磨耗磨損、磨粒破碎、磨粒脫落、黏附磨損及氣孔堵塞的磨損形式，以及不同磨損形式在砂輪初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和急速磨損階段的比例變化，為改善砂輪性能提供了依據(jù)。同時(shí)對砂輪各磨損階段的藍(lán)寶石表面粗糙度進(jìn)行測量，分析了樹脂金剛石砂輪的磨損對藍(lán)寶石表面粗糙度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 砂輪的制備

以酚醛樹脂、鍍鎳金剛石、造孔劑（石墨）、銅粉為主要原料按一定比例攪拌混合，采用熱壓燒結(jié)工藝制備出樹脂結(jié)合劑砂輪長方體塊。其中金剛石粒度為170-200#，砂輪塊中金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，磨粒面密度為35粒/mm2，燒制的砂輪塊為長方體，尺寸為30 mm×5 mm×7 mm。砂輪塊經(jīng)環(huán)氧樹脂按一定規(guī)律的粘結(jié)于45鋼基體上制成端面磨削砂輪。制備的砂輪節(jié)塊、砂輪實(shí)物及砂輪截面如圖1所示。

圖1 金剛石砂輪塊、砂輪及砂輪截面

砂輪塊斷面微觀形貌采用OLS4000激光共聚焦顯微鏡檢測，其表面形態(tài)如圖1（c）所示，可以看到砂輪塊表面由鍍鎳金剛石、造孔劑、樹脂結(jié)合劑、結(jié)合劑4個(gè)部分組成。金剛石磨粒在砂輪的表面具有較好的均勻性，砂輪表面氣孔由造孔劑石墨脫落、金剛石磨粒脫落而形成。樹脂結(jié)合劑占比最大，保證了結(jié)合劑對磨粒的把持力。

1.2 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)使用的磨床為KJ200W高速精密減薄機(jī)，采用單軸臥式結(jié)構(gòu)，為轉(zhuǎn)臺式端面磨削。磨床實(shí)物及磨削運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示。

圖2 高速精密減薄機(jī)及其磨削運(yùn)動(dòng)簡圖

該磨床采用工件橫向進(jìn)給的磨削形式，工件盤為中心抽真空的形式固定工件。試驗(yàn)中，將藍(lán)寶石片用蠟固定于陶瓷盤，陶瓷盤通過真空吸盤吸附于工件盤，藍(lán)寶石材料的性能參數(shù)如表1所示。砂輪修整采用綠色碳化硅油石（80#）對磨修整，利用碳化硅去除金剛石砂輪的結(jié)合劑使金剛石磨粒出刃的同時(shí)對磨粒修銳，修整器通過真空吸盤安裝于工件主軸，砂輪修整參數(shù)如表2所示，磨削藍(lán)寶石時(shí)磨削加工參數(shù)如表3所示。研制了機(jī)上觀測裝置，采用微迪光學(xué)有限公司AM41113T顯微鏡進(jìn)行磨粒狀態(tài)的在機(jī)檢測，砂輪磨損量利用磨床自帶位移傳感器進(jìn)行測量，采用MarwinXT20型表面粗糙度儀對工件表面粗糙度進(jìn)行了檢測，工件的去除厚度利用數(shù)顯千分尺進(jìn)行定點(diǎn)測量。磨削過程中采用“砂輪檢測、工件檢測—定量磨削—砂輪檢測、工件檢測……”的循環(huán)試驗(yàn)方案。

表1 藍(lán)寶石性能參數(shù)

表2 砂輪修整參數(shù)

表3 藍(lán)寶石磨削加工參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金剛石砂輪的修整及磨損形式

在砂輪安裝于磨床后，為了消除砂輪安裝誤差以及形成良好的表面狀態(tài)和精度，需要對砂輪進(jìn)行修整，修整前后的砂輪表面如圖3所示，修整后可以看到金剛石磨粒良好的出刃狀態(tài)。

圖3 修整前后砂輪表面變化

修整后的金剛石砂輪對藍(lán)寶石進(jìn)行磨削加工，工件主軸每進(jìn)給切深達(dá)到100 μm（17 min）就對金剛石砂輪表面的形貌進(jìn)行1次測量和統(tǒng)計(jì)。跟蹤記錄砂輪上標(biāo)記區(qū)域（1.7 mm×1.4 mm）內(nèi)的36粒金剛石磨粒的變化過程，可以觀察到金剛石砂輪的磨損形式為：磨耗磨損、磨粒脫落及破碎、粘附磨損以及氣孔的堵塞現(xiàn)象。圖4所示為試驗(yàn)中觀察到的5種砂輪磨損形式圖。

從圖4（a）可以看到磨削過程磨粒的脫落，磨粒脫落主要是由于磨粒受到的作用力大于結(jié)合劑對磨粒的保持力時(shí)，金剛石磨粒周圍的的結(jié)合劑橋斷裂而形成的的磨粒從砂輪上脫落。鈍化的磨粒脫落可以在砂輪表面形成新的氣孔同時(shí)也是砂輪的自銳現(xiàn)象，但未鈍化的磨粒脫落會使砂輪損耗過快而導(dǎo)致較低的磨削比。圖4（b）為磨粒磨耗磨損，磨耗磨損的主要原因是磨粒與工件相互作用時(shí)發(fā)生的機(jī)械磨損和化學(xué)磨損后形成磨損面，磨耗磨損是砂輪磨損的主要形式。圖4（c）為粘附磨損，黏附磨損是在磨削中產(chǎn)生的高溫下，磨屑在砂輪的擠壓力作用下粘附在砂輪表面將磨粒覆蓋，嚴(yán)重影響砂輪的銳利度進(jìn)而導(dǎo)致砂輪失效，藍(lán)寶石磨削過程中的粘附磨損也說明存在材料的塑性去除過程。圖4（d）為磨粒破碎，磨粒破碎一方面因?yàn)闃渲Y(jié)合劑金剛石（RVD）具有一定的自身破碎自銳性，另一方面因?yàn)楦咚倌ハ鬟^程中當(dāng)磨粒與工件接觸時(shí)會產(chǎn)生瞬間的高磨削熱，又在冷卻液的作用下迅速冷卻，反復(fù)多次后金剛石在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生破碎。圖4（e）為氣孔堵塞，氣孔堵塞是磨屑或其他微小顆粒機(jī)械堆積于氣孔的結(jié)果，氣孔在磨削中起容納磨削液和磨屑的作用，氣孔堵塞嚴(yán)重時(shí)，砂輪的磨削能力會下降，需要對砂輪進(jìn)行修整。

圖4 砂輪磨損形式

2.2 金剛石砂輪的磨損過程

在實(shí)驗(yàn)中對跟蹤記錄的36粒金剛石磨粒進(jìn)行各個(gè)磨削階段的統(tǒng)計(jì)，磨耗磨損、磨粒破碎、磨粒脫落、黏附磨損及氣孔堵塞這5種砂輪失效形式隨著時(shí)間會有不同的變化，同時(shí)根據(jù)砂輪的磨損量隨時(shí)間變化的趨勢不同，將砂輪的磨損過程分為3個(gè)階段：初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和急劇磨損階段。

（1）金剛石磨粒的初期磨損

磨削進(jìn)給100 μm后，砂輪的表面形貌如圖5所示，統(tǒng)計(jì)砂輪表面磨粒的磨損形式，砂輪的主要磨損形式為磨耗磨損及磨粒破碎。這是因?yàn)樯拜喸趧傂拚螅拜啽砻嬗休^多的出刃體積大且大負(fù)前角的金剛石磨粒，磨粒的銳利度較好。在磨削初期，磨粒與工件接觸過程中磨粒受到較大的沖擊作用力，因而磨粒容易產(chǎn)生裂紋以致破碎。少量出刃體積較大的磨粒會因磨粒與結(jié)合劑之間結(jié)合力不足導(dǎo)致金剛石磨粒的脫落。剛修銳的砂輪也因磨粒出刃體積較大、氣孔多很少發(fā)生粘附磨損。

圖5 磨削進(jìn)給100 μm后的砂輪表面及磨粒磨損形式統(tǒng)計(jì)圖

（2）金剛石磨粒的穩(wěn)定期磨損

磨削進(jìn)給200 μm后，砂輪的表面形貌如圖6所示，隨著磨削過程的進(jìn)行，金剛石磨粒的磨損平面不斷擴(kuò)大并開始鈍化，較多的磨粒逐漸變鈍甚至在磨粒上出現(xiàn)磨鈍的小平面，此時(shí)磨削力不斷增大，當(dāng)磨削力超過結(jié)合劑對磨粒的把持力時(shí)，磨粒會產(chǎn)生脫落。并且因磨粒出刃體積的減小，磨粒開始出現(xiàn)黏附磨損，但是這個(gè)階段磨粒磨耗磨損為砂輪磨損的主要形式。

圖6 磨削進(jìn)給200 μm后的砂輪表面及磨粒磨損形式統(tǒng)計(jì)圖

（3）金剛石磨粒的急劇磨損

磨削進(jìn)給300 μm后（即磨削50 min），如圖7所示，磨粒黏附磨損以及磨粒脫落的比例增幅明顯。這是因?yàn)殡S著磨粒進(jìn)一步被磨平，砂輪鈍化情況嚴(yán)重，磨削過程中的磨屑與金剛石磨粒及樹脂結(jié)合劑結(jié)合在一起形成嚴(yán)重的黏附磨損。鈍化的砂輪磨粒和結(jié)合劑會受到較大的磨削力及摩擦力，而且氣孔內(nèi)存充滿著磨屑進(jìn)一步惡化砂輪的鋒銳度，因此磨粒脫落在砂輪磨損中的占比也增大。此時(shí)砂輪需要進(jìn)行修整。

圖7 磨削進(jìn)給300 μm后的砂輪表面及磨粒磨損形式統(tǒng)計(jì)圖

（4）砂輪氣孔的堵塞率變化

從圖5～7的過程可以觀察到金剛石砂輪表面明顯的氣孔堵塞現(xiàn)象。隨著磨削深度的增加、磨削時(shí)間的延長，通過造孔劑以及磨粒脫落形成的氣孔會逐漸發(fā)生堵塞現(xiàn)象。這是因?yàn)闅饪字心バ嫉入s質(zhì)的累積以及磨削過程中的高溫導(dǎo)致氣孔周圍結(jié)合劑會有部分塑性流動(dòng)。當(dāng)氣孔堵塞率過高時(shí)，氣孔失去容屑及儲存冷卻液的作用，砂論需要進(jìn)行修整。圖8為統(tǒng)計(jì)的氣孔堵塞的變化規(guī)律。

圖8 樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪表面氣孔堵塞率趨勢圖

2.3 砂輪磨損量的變化

樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的磨損量如圖9所示，在磨削初期砂輪的磨損量呈現(xiàn)急速的上升規(guī)律，由前面分析可知砂輪在剛修整后砂輪表面有出刃體積大且大負(fù)前角的金剛石磨粒，磨削初期磨粒破碎為砂輪磨損的主要形式，磨粒破碎會導(dǎo)致砂輪磨損量的快速變化，因此砂輪磨損增長較為明顯。在穩(wěn)定磨損階段，磨粒磨耗磨損為砂輪磨損的主要形式，此時(shí)磨粒與工件接觸面積呈現(xiàn)緩慢增大過程，砂輪磨損量比較平穩(wěn)。繼續(xù)磨削則磨粒的粘附磨損、磨粒脫落在砂輪磨損中的比例越來越大，這2種砂輪砂輪磨損形式會加劇砂輪的磨損量，因此砂輪的磨損又呈現(xiàn)出快速上升趨勢。

圖9 砂輪磨損量與工件去除量的關(guān)系

圖10 工件軸扭矩與工件去除量的關(guān)系

2.4 藍(lán)寶石表面粗糙度的變化

磨床自帶的工件軸扭矩實(shí)時(shí)記錄功能可以記錄在磨削過程中的工件軸扭矩。如圖10所示，隨著工件去除量的增大工件軸扭矩呈增大趨勢，因?yàn)榻饎偸粩喟l(fā)生鈍化會導(dǎo)致磨削力呈增大趨勢，當(dāng)工件軸扭矩大于1 N·m時(shí)，因磨削力過大會導(dǎo)致磨床不穩(wěn)定，此時(shí)需要對砂輪進(jìn)行修整。

由加工表面粗糙度與工件去除量曲線圖11可以看出，磨削初期粗糙度比較大，因?yàn)槟ハ鞒跗谀チ５哪ニ閷?dǎo)致參與磨削的有效磨粒始終保持鋒利，會在金剛石表面形成較深的劃痕與凹坑，并且破碎的金剛石在砂輪與工件表面形成三體摩擦，在快速去除工件材料的同時(shí)加工表面粗糙度也較大。隨著磨削過程的進(jìn)行，砂輪進(jìn)入正常磨損階段，磨耗磨損成為砂輪磨損的主要形式。金剛石磨粒與藍(lán)寶石接觸的小平面逐漸增大，甚至金剛石磨粒出現(xiàn)被磨平現(xiàn)象，砂輪與工件材料出現(xiàn)較為激烈的摩擦擠壓作用，工件表面會出現(xiàn)較少的劃痕與凹坑，藍(lán)寶石粗糙度與去除速率也因此會出現(xiàn)小幅度下降。當(dāng)砂輪的主要磨損形式為黏附磨損和磨粒脫落時(shí)，磨粒對工件的去除方式發(fā)生變化，脫落的磨粒和結(jié)合劑會使工件表面形成凹坑或較深的劃痕，因此粗糙度和去除量會有增大趨勢。

圖11 藍(lán)寶石粗糙度與工件去除量關(guān)系

圖12 藍(lán)寶石去除量與工件去除量的關(guān)系

3 結(jié)論

通過研制樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪并實(shí)現(xiàn)磨削過程中砂輪及藍(lán)寶石磨削表面粗糙度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，研究了樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪在磨削藍(lán)寶石過程中的磨損形式，不同磨損階段中各種磨損形式的占比及藍(lán)寶石表面粗糙變化規(guī)律，得出如下結(jié)論。

（1）自行研制樹脂金剛石砂輪需要協(xié)調(diào)砂輪硬度和磨粒自銳性，達(dá)到砂輪有效磨削周期50 min左右，通過改變砂輪氣孔率控制其有效磨削周期。

（2）樹脂金剛石砂輪在磨削藍(lán)寶石時(shí)主要磨損形式為：磨耗磨損、磨粒破碎、磨粒脫落、黏附磨損，磨耗磨損，各種磨損形式在砂輪初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和急劇磨損階段都存在，但初期磨損階段磨粒破碎較為明顯，后期磨損階段磨粒脫落、黏附磨損占比較大達(dá)到45%。

（3）隨著工件去除量的增大，砂輪磨損速率增大，藍(lán)寶石去除率、加工表面粗糙度呈先減小后增大趨勢。砂輪穩(wěn)定的損耗速率為0.027 3 mm3/s，磨耗比為17.37，藍(lán)寶石最低粗糙度可以達(dá)到Ra0.260 μm。