張嘉倩, 沈功明, 唐 超, 朱永偉

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210016)

固結(jié)磨料研磨是一種基于二體磨損的精密加工手段，常用于實(shí)現(xiàn)高效低損傷的加工要求[1-2]。在加工過程中，由于固結(jié)磨料墊和工件相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦接觸區(qū)，會(huì)導(dǎo)致局部溫度升高[3]。樹脂基體作為固結(jié)磨料墊的黏結(jié)劑，其物理與化學(xué)特性對熱敏感，摩擦溫升易引起樹脂基體特性的動(dòng)態(tài)變化，會(huì)使固結(jié)磨料墊的去除效率等加工性能發(fā)生改變[4]。

由于接觸區(qū)域溫度分布很難直接測量，可以通過對研磨加工溫度場的建模和仿真來解決，有限元分析結(jié)果表明：在不同工藝參數(shù)下，研磨溫度場的分布狀態(tài)基本相同[5-7]。有學(xué)者嘗試通過仿真建立溫度與加工性能的聯(lián)系，F(xiàn)ERGANI等[2]建立了溫度分布對殘余應(yīng)力影響的理論模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；KWON等[4]認(rèn)為溫度變化會(huì)使研磨墊第二彈性模量降低，同時(shí)提出了聚合物基體熱相關(guān)特性研究對深入理解化學(xué)機(jī)械拋光的必要性。

固結(jié)磨料墊加工性能有多種評(píng)價(jià)手段，包括加工效率、損傷、效率穩(wěn)定、自修整性、表面均勻性、表面粗糙度等。一般根據(jù)加工需求采用其中的一種或多種指標(biāo)對固結(jié)磨料墊進(jìn)行評(píng)價(jià)。CHOI等[8]以溶脹率和磨耗比對親水性黏結(jié)劑的自修整特性與壓力轉(zhuǎn)移能力進(jìn)行評(píng)估，并據(jù)此得到了研磨墊的最優(yōu)基體配比。VELDEN[9]分析了多層拋光墊層厚度與剛性對晶圓去除均勻性和邊緣去除的影響，具有厚硬聚碳酸酯層和軟泡沫層的拋光墊可以實(shí)現(xiàn)晶圓拋光的均勻性。CHO等[10]發(fā)現(xiàn)只考慮機(jī)械作用時(shí)，基底材料的硬度與去除速率不匹配，但與SiO2的含量有關(guān)，提出了基于SiO2含量的材料去除機(jī)制。

上述研究均未從樹脂基體的角度考慮高聚物黏結(jié)劑的熱敏感性對固結(jié)磨料墊加工性能的影響。由于加工中溫度處于動(dòng)態(tài)變化中，很難對某一溫度狀態(tài)的加工性能進(jìn)行表征。通過改變研磨液溫度，估算固結(jié)磨料墊的溫度分布區(qū)間，利用樹脂基體的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能曲線，定量分析研磨溫度升高引起的樹脂基體模量的動(dòng)態(tài)變化對固結(jié)磨料墊加工性能的影響。

1 溫度場模擬設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置

采用ANSYS Workbench有限元軟件，建立非對稱三維模型，模擬研磨加工過程中固結(jié)磨料墊的溫度場。

1.1 基本假設(shè)

研磨溫度場的仿真計(jì)算中涉及瞬態(tài)分析、熱分析及材料變形等共同作用，計(jì)算量龐大且具有高度非線性，因此要在保證仿真實(shí)際意義的前提下，對實(shí)際研磨過程做出簡化，并提出假設(shè)[6,11]：

(1)假定所有的摩擦功都轉(zhuǎn)換為摩擦熱；

(2)傳熱過程中輻射到環(huán)境中的熱量很少，因此將其忽略；

(3)研磨過程中，摩擦系數(shù)保持不變，所有材料各向同性，材料的熱物性參數(shù)不隨溫度發(fā)生改變；

(4)工件和研磨墊互相摩擦而產(chǎn)生的熱量分配原則僅與兩者的熱物理屬性相關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)。

1.2 有限元模型與網(wǎng)格劃分

研磨墊黏結(jié)在支撐盤上，通過在被加工工件表面施加研磨壓力，使工件與研磨墊圓形凸起保持接觸，實(shí)現(xiàn)材料去除的目的。在一次加工中，工件偏心距一般保持不變，因此忽略非加工區(qū)域的凸起。幾何模型的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 幾何模型的尺寸參數(shù)

將研磨墊凸起與研磨墊基底進(jìn)行分割，以盡可能獲得六面體網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.3 材料特性

固結(jié)磨料墊是由親水性樹脂基體作為黏結(jié)劑將磨粒固結(jié)在一起制成的復(fù)合材料，其熱物性參數(shù)可以根據(jù)樹脂基體和磨粒的熱物性參數(shù)理論計(jì)算得到[12]。工件為石英玻璃，支撐盤材料為結(jié)構(gòu)鋼，有限元模型材料參數(shù)如表2。

表2 幾何與材料參數(shù)

1.4 摩擦系數(shù)

通過在UMT-2MT型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上用固結(jié)磨料球研磨工件，得到摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢，如圖2在2 000 ms后，摩擦系數(shù)震蕩穩(wěn)定在0.5左右，故取摩擦系數(shù)0.5。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與表征

2.1 樹脂特性表征

動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能測試：樣品尺寸為50 mm×15 mm×4 mm，使用DMS6100動(dòng)態(tài)機(jī)械黏彈性分析儀，三點(diǎn)彎模式，升溫速率為3 ℃/min，升溫區(qū)間為20 ℃～170 ℃，頻率1 Hz，測試氣氛為空氣。

溶脹率測試：樣品尺寸為45 mm×70 mm×1 mm，將試樣置于25 ℃和50 ℃的恒溫介質(zhì)中，采用梅特勒托利多ME104E精密分析天平測量浸泡前后的質(zhì)量，試樣的溶脹率定義為試樣浸泡前后的質(zhì)量變化率：

(1)

其中：m0，m1為試樣浸泡前后的質(zhì)量。

砂漿磨損試驗(yàn)：將試樣裝夾在如文獻(xiàn)[13]所示的夾具上，并置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的W50碳化硅顆粒的砂漿中，砂漿恒溫25 ℃和50 ℃，磨損時(shí)間為7 h，分別測量試樣磨損前后的質(zhì)量，溶脹補(bǔ)償?shù)纳皾{磨損量δ表征為相同時(shí)間內(nèi)溶脹量與溶脹磨損量的質(zhì)量差：

δ=m1-m2=m0(η+1)-m2

(2)

其中：m2為試樣溶脹磨損后的質(zhì)量。

2.2 研磨試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研磨過程中，環(huán)境溫度約為25 ℃，根據(jù)仿真結(jié)果，50 ℃研磨時(shí)局部溫度可達(dá)到69 ℃，而固結(jié)磨料墊的熱固化溫度為80 ℃，當(dāng)溫度分布超過研磨墊的固化溫度，基體性質(zhì)將發(fā)生變化[14]，故將研磨液溫度定為25 ℃和50 ℃。

研磨加工試驗(yàn)在南京利生光學(xué)機(jī)械有限公司的環(huán)拋機(jī)上進(jìn)行。將基體與磨粒按照文獻(xiàn)[15]的制備工藝制成固結(jié)磨料墊，其中磨粒粒徑為45～60 μm。為保證初始條件一致，加工前用油石對研磨墊進(jìn)行修平與開刃處理，研磨過程中不再修盤。加工對象為直徑25.4 mm的石英玻璃，加工前統(tǒng)一用磨粒粒徑20 μm的固結(jié)磨料墊預(yù)磨10 min，待加工表面粗糙度Ra為125 nm，研磨工藝參數(shù)如表3所示。

表3 研磨工藝參數(shù)

2.3 加工性能表征

表面形貌表征：用ADE MicroXAM 3D Profiler白光干涉儀測量研磨后石英玻璃的三維形貌與表面粗糙度，用XJX-200金相顯微鏡觀察工件的表面形貌。

材料去除速率：以30 min為一個(gè)加工周期，對石英玻璃進(jìn)行5個(gè)周期的持續(xù)加工。每個(gè)加工周期間隙，采用精密分析天平測量其質(zhì)量變化，材料去除速率由式(3)表示：

(3)

其中：M0，M1為石英玻璃加工前后的質(zhì)量，h為石英玻璃加工前的厚度，t為加工時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度場分析

研磨過程中的摩擦生熱與對流換熱受到研磨時(shí)間的影響，從而影響固結(jié)磨料墊表面的溫度場，在如表3的研磨參數(shù)、研磨液及環(huán)境溫度為25 ℃條件下對固結(jié)磨料墊的溫度場進(jìn)行仿真分析。圖3為不同研磨時(shí)刻(30 s、90 s、180 s、1 800 s)的溫度場云圖。

在研磨墊凸起表面首先形成溫度較高的環(huán)狀區(qū)，靠近工件邊緣的凸起向外傳熱較快。隨著研磨進(jìn)行，環(huán)狀高溫區(qū)中心處溫度比邊緣處更高，研磨180 s后，研磨墊表面溫度場趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)溫升速度明顯降低，研磨墊上表面溫度幾乎保持一致，研磨墊基底溫度與研磨液溫度相近，在25 ℃左右。在一次研磨的大部分時(shí)間里，研磨墊溫度基本保持在25 ～ 45 ℃，發(fā)生接觸并產(chǎn)生去除的表面溫度多在40～45 ℃。

圖3表明，研磨液溫度一定時(shí)，系統(tǒng)溫度場最終會(huì)穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)。為探索不同研磨液溫度下的溫度分布區(qū)間，將研磨液溫度設(shè)定為50 ℃，對加工溫度場進(jìn)行模擬，其余參數(shù)如表3，研磨時(shí)間1 800 s時(shí)的溫度場如圖4。

從圖3d中可以看出，當(dāng)研磨液溫度為25 ℃時(shí)，研磨墊凸起溫度分布區(qū)間為24.1～44.5 ℃。從圖4可看出：研磨液溫度為50 ℃時(shí)，研磨墊凸起溫度分布區(qū)間為46.7～68.7 ℃，表明樹脂基體大部分時(shí)間工作在不同的溫度區(qū)間。研磨墊溫度分布最高點(diǎn)，基本都在加工接觸面處，并由溫度較高的環(huán)狀區(qū)中心向兩側(cè)擴(kuò)散，溫度逐漸降低，研磨墊基底處溫度最低。這是由于摩擦熱流經(jīng)過研磨墊凸起在研磨墊內(nèi)向下傳導(dǎo)，使研磨墊溫度升高，而研磨液起到降溫的作用，使研磨墊溫度降低，兩者共同作用使研磨墊表面溫度場實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，而研磨墊凸起表面摩擦生熱作用為主導(dǎo)，研磨墊基底處與研磨液的對流換熱起主要作用。由于研磨墊表面最低溫度與研磨液溫度接近，因此可以用溫度分布區(qū)間代替溫升區(qū)間。同時(shí)，研磨液溫度為50 ℃時(shí)，研磨墊最高溫度為68 ℃，低于樹脂基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(圖6)，可以保證基體正常工作。

提取研磨墊表面不同時(shí)刻的溫度最高點(diǎn)，得到溫度-時(shí)間曲線如圖5。

在研磨液溫度為25 ℃時(shí)，研磨墊最高點(diǎn)溫度在研磨300 s時(shí)達(dá)到最大，之后幾乎不發(fā)生改變。當(dāng)研磨液溫度為50 ℃時(shí)，研磨墊升溫更快，在研磨200 s時(shí)升溫速率逐漸放緩，但在整個(gè)加工階段仍保持上升狀態(tài)。在研磨墊完成升溫階段后，研磨墊溫度分布變化較小，可以實(shí)現(xiàn)對研磨墊加工性能的進(jìn)一步分析。

3.2 親水性樹脂基體特性

溫度場仿真結(jié)果表明，研磨墊存在一定的溫度分布范圍。親水性樹脂基體是一種交聯(lián)高聚物，溫度變化會(huì)使基體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的模量變化與力學(xué)耗散，即在同一工藝參數(shù)下，溫度升高會(huì)導(dǎo)致聚合物基體更大的變形。基體的這一性能可以通過動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析來表征，測得親水性樹脂基體的儲(chǔ)能模量與損耗角正切曲線如圖6。

從圖6中可以看出，親水性樹脂基體的工作區(qū)間為玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，儲(chǔ)能模量在測溫范圍內(nèi)一直處于下降狀態(tài)，以tanδ峰所對應(yīng)的溫度定義為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg[16]，因此親水性樹脂基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是76.6 ℃。根據(jù)圖4，研磨液溫度為25 ℃時(shí)，研磨墊的溫度分布范圍約為25～45 ℃，如圖6虛線所示，此時(shí)親水性樹脂的儲(chǔ)能模量范圍約為0.80～1.15 GPa。在研磨液溫度為50 ℃時(shí)，研磨墊的溫度分布范圍為50～69 ℃，親水性樹脂的儲(chǔ)能模量范圍為0.51～0.72 GPa。研磨墊最高溫度低于基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，基體并未轉(zhuǎn)變成高彈態(tài)，同時(shí)在2種研磨液溫度下，研磨墊具有不同的儲(chǔ)能模量，因此選取25 ℃與50 ℃作為研磨溫度進(jìn)行對比試驗(yàn)。

親水性樹脂基體分別在25 ℃和50 ℃的溶脹介質(zhì)中浸泡一定時(shí)間后，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出其溶脹率，如圖7所示。親水性樹脂基體的溶脹率曲線可由二次函數(shù)進(jìn)行擬合，在一定溫度下，樹脂基體的溶脹率隨時(shí)間逐漸增大，但是增長速度隨著時(shí)間延長逐漸減慢。這是因?yàn)榫酆衔镂饕?個(gè)途徑：一是水分子自由擴(kuò)散進(jìn)入聚合物內(nèi)部，占據(jù)其自由體積；二是水分子與聚合物內(nèi)部的親水性基團(tuán)相結(jié)合[17]。在樹脂基體溶脹初期，內(nèi)部自由體積與親水性基團(tuán)較多，吸引水分子大量進(jìn)入，隨著水分子量的增多，自由體積與親水性基團(tuán)都大量減少，使得溶脹速率減緩。

溶脹介質(zhì)溫度為50 ℃時(shí)，樹脂基體的溶脹率約為25 ℃時(shí)的2.5倍，表明溫度對樹脂基體的溶脹特性會(huì)產(chǎn)生較大的影響，這主要是由于溫度升高，水分子能量增大，在樹脂基體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的躍遷運(yùn)動(dòng)更加強(qiáng)烈，宏觀表現(xiàn)為溶脹率的升高[18]。

砂漿磨損主要是碳化硅顆粒將溶脹軟化的樹脂基體沖蝕磨損掉的過程，由于碳化硅粒徑、轉(zhuǎn)速、磨損時(shí)長等因素的影響，實(shí)際磨損量極少，根據(jù)式(2)計(jì)算出溶脹7 h后的砂漿磨損量如表4。

表4 樹脂基體在不同研磨溫度下的特性

隨著研磨液溫度升高，砂漿磨損量由1.6 mg增加至2.5 mg，約為原來的1.5倍。溫度升高對砂漿磨損量的促進(jìn)作用主要與樹脂基體的溶脹有關(guān)，50 ℃下樹脂基體具有更高的溶脹率，從而形成更厚的膨脹層和軟化層，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)間隙顯著增大，碳化硅顆粒在沖蝕過程中，容易去除掉更多的表層質(zhì)量。

3.3 材料去除速率

采用不同溫度的研磨液對石英玻璃進(jìn)行研磨試驗(yàn)，根據(jù)式(3)可以計(jì)算出研磨墊在不同時(shí)間段研磨石英的材料去除率，結(jié)果如圖8所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在50 ℃研磨石英的材料去除率略高于在25 ℃下試驗(yàn)得到的材料去除率，30 min時(shí)約為8.2 μm/min。對比基體的砂漿磨損量可以看出，砂漿磨損量較大時(shí)材料去除率也有所提高。主要是由于基體溶脹后形成軟化層，當(dāng)研磨液溫度升高時(shí)，基體溶脹吸收了更多的研磨液，形成了更厚的軟化層，使基體在沖蝕作用下更容易被磨損，新的磨粒從基體表面出露；同時(shí)研磨墊與工件之間接觸更為充分，更多磨粒與工件接觸并參與材料去除。

隨著研磨試驗(yàn)的進(jìn)行，基體溶脹軟化與接觸磨粒磨鈍等因素的共同作用，使得材料去除率下降。但是在90 min后基體的磨損與磨粒磨鈍后的脫落，使材料去除率下降速度有所減緩，且研磨液50 ℃時(shí)的下降速率略低于25 ℃時(shí)，體現(xiàn)出更優(yōu)異的自修整性能。這是由于研磨液50 ℃時(shí)，基體的磨損速率高，對加工效率的維持作用更明顯。

3.4 工件表面形貌

觀察研磨加工后石英玻璃的表面形貌，如圖9所示。其中圖9a和圖9b為石英玻璃表面的二維形貌。

從圖9中可以看出：研磨液為25 ℃時(shí)，表面有較為明顯的劃痕，研磨液50 ℃時(shí)的表面仍有劃痕存在，但劃痕較淺。通過圖9c和圖9d石英玻璃的三維形貌可以看出：研磨液25 ℃時(shí)，表面粗糙度為102 nm，研磨液50 ℃時(shí)，石英玻璃表面更為平緩，尖銳凸起峰數(shù)量較少，表面粗糙度為69.9 nm，比25 ℃時(shí)下降了約30%。其表面質(zhì)量的改善主要與基體的溶脹有關(guān)，溫度升高會(huì)產(chǎn)生更厚的溶脹層，同時(shí)基體的彈性模量下降，允許磨粒在工件作用下產(chǎn)生更大的退讓，使磨粒切入工件的切深有所減小，工件表面劃痕深度變淺，從而獲得更為優(yōu)異的表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過對不同研磨液溫度下基體特性與研磨墊加工性能的研究，得到如下結(jié)論：

(1)基體工作溫度在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，當(dāng)研磨液溫度在一定范圍內(nèi)升高時(shí)，會(huì)使基體儲(chǔ)能模量減小。不同溫度段引起的基體的動(dòng)態(tài)模量變化的差異會(huì)影響材料去除率的變化。

(2)研磨溫度50 ℃較25℃條件下，基體的溶脹特性與砂漿磨損特性都有明顯提高，溶脹率提高了約2.5倍，砂漿磨損量提高了約1.5倍。

(3)研磨液溫度升高，材料去除率有所增加，約為8.2 μm/min，同時(shí)劃痕深度變淺，加工工件表面質(zhì)量得到改善，表面粗糙度下降了大約30%，為69.9 nm。