牛鳳麗，朱永偉，沈功明，王子琨，王科榮

(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，江蘇 南京 210016)

1 引 言

固結(jié)磨料墊是將結(jié)合劑、磨料以及其它功能填充劑等以一定的方式混合經(jīng)熱固化制備而成，使磨料在研拋過(guò)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(jié)磨料墊具有研拋效率高、亞表面損傷小、加工均勻性等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，廣泛應(yīng)用于硅片、微晶玻璃、藍(lán)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(tǒng)樹(shù)脂基固結(jié)磨料墊在研磨拋光過(guò)程中，因磨料鈍化、磨屑細(xì)化等多種原因，造成亞表層磨粒無(wú)法出露，加工效率及加工穩(wěn)定性下降。為了改善固結(jié)磨料墊的自修正能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出制備具有自修正的固結(jié)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(jié)磨料墊，通過(guò)親水性樹(shù)脂的溶脹特性，使聚合物基體膨脹變軟在研磨拋光過(guò)程中易被去除，實(shí)現(xiàn)了固結(jié)磨料墊的自修正。朱永偉[9-10]探索了親水性固結(jié)磨料墊中孔隙、研磨壓力和研磨介質(zhì)對(duì)親水性固結(jié)磨料墊自修正性能的影響，得到了較高的材料去除率和優(yōu)良的表面質(zhì)量。李軍[11-12]通過(guò)砂漿輔助固結(jié)磨料拋光石英玻璃，獲得了穩(wěn)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(jié)磨具加工性能的重要因素。Yoshio[13]采用亞微米級(jí)多晶CBN作為磨粒制備PCBN砂輪，通過(guò)對(duì)比單晶CBN砂輪，PCBN砂輪的磨損率降低，使用壽命延長(zhǎng)。Ding[14-15]分析了PCBN磨粒在研磨過(guò)程中主要的磨損行為，指出了磨粒發(fā)生大面積破碎時(shí)PCBN砂輪的材料去除率大大提高，并得到磨粒發(fā)生微破碎時(shí)的最佳工藝參數(shù)。朱永偉[16-17]采用化學(xué)鍍鎳的方法在金剛石表面鍍覆一層Ni-P，增強(qiáng)了金剛石磨粒與樹(shù)脂基體的結(jié)合力，并通過(guò)改變鍍層增重率來(lái)優(yōu)化固結(jié)磨料墊的加工特性。另外，朱永偉[18]還提出采用燒結(jié)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(wěn)定的材料去除效率和優(yōu)異的表面質(zhì)量。

固結(jié)磨料墊研磨過(guò)程中，大量磨粒同時(shí)參與微切削，單顆磨粒受力小，其磨損行為主要表現(xiàn)為磨粒的磨鈍、磨平和脫落，磨粒的微破碎幾乎不能實(shí)現(xiàn)，而磨粒的微破碎恰恰是影響固結(jié)磨料墊加工穩(wěn)定性的關(guān)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(jié)磨料墊中的加工特性；利用陶瓷結(jié)合劑的含量調(diào)節(jié)聚集體金剛石的結(jié)合強(qiáng)度，并探索不同研磨壓力下，不同結(jié)合劑含量的固結(jié)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(shè)計(jì)與制備提供參考依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 聚集體金剛石制備

金剛石聚集體是用陶瓷結(jié)合劑將微納金剛石顆粒(一次顆粒)經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)制成一定粒徑的聚集體金剛石顆粒(二次顆粒)。它的制備過(guò)程包括混料、造粒、燒結(jié)及篩分等過(guò)程(圖1)。混料是將單晶金剛石和結(jié)合劑按照一定比例充分混合均勻，通過(guò)黏結(jié)劑將它制成大小適當(dāng)?shù)那蝮w，再經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)、篩分等工序得到實(shí)驗(yàn)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(shù)

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

2.2 親水性固結(jié)磨料墊制備

親水性固結(jié)磨料墊是利用親水基樹(shù)脂結(jié)合劑將一定粒徑的金剛石磨?；蚓奂w金剛石磨粒通過(guò)熱固化方法制備而成，其制備過(guò)程及結(jié)構(gòu)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(dòng)和研磨碎屑的排出。

2.3 研磨實(shí)驗(yàn)

研磨對(duì)象是直徑25 mm，厚度5 mm的石英玻璃片，研磨實(shí)驗(yàn)在環(huán)拋機(jī)上進(jìn)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(shí)驗(yàn)連續(xù)研磨180 min，每30 min對(duì)樣品進(jìn)行一次測(cè)量，期間固結(jié)磨料墊不經(jīng)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(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。圖3是固結(jié)磨料研磨原理示意圖。

表2 固結(jié)磨料墊研磨石英玻璃實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

Tab.2 Processing parameters for fine lapping of quartz glass

參 數(shù)參數(shù)值粒徑/μm40～50 主軸轉(zhuǎn)速/(r·min-1)85工件轉(zhuǎn)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(shí)間/min180

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

2.4 測(cè)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(cè)得，工件加工前后的質(zhì)量由精密天平計(jì)量，通過(guò)式(1)計(jì)算得到材料去除速率(Material Removal Rate, MRR)為：

(1)

其中：Δm為兩個(gè)研磨時(shí)間段的質(zhì)量差，s為工件與工具接觸面積；t為研磨時(shí)間。

采用Nanomap500LS測(cè)量工件表面粗糙度Ra，掃描長(zhǎng)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(jié)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(shí)驗(yàn)后，采用白光干涉儀觀察研磨后的工件表面微觀形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 金剛石類型對(duì)磨料墊加工性能的影響

固結(jié)單晶金剛石磨料墊和固結(jié)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(shí)間的變化曲線，如圖4所示。在前30 min內(nèi)固結(jié)單晶金剛石磨料墊的MRR值為3.31 μm/min左右，高于固結(jié)聚集體金剛石磨料墊(MRR在1.91 μm/min左右)；隨著研磨時(shí)間的增加，固結(jié)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(jié)聚集體金剛石磨料墊的MRR呈起伏狀，180 min后，MRR穩(wěn)定在1.62 μm/min左右。

圖4 材料去除率隨時(shí)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(jié)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(jié)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(dá)到50.8 nm，研磨質(zhì)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(duì)固結(jié)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(shí)間的變化曲線。圖7(a)在3.5 kPa研磨壓力下，結(jié)合劑含量較高的AD-1和AD-2固結(jié)聚集體金剛石磨料墊，其MRR值較低(低于1 μm/min)；而結(jié)合劑含量較低的AD-3和AD-4固結(jié)聚集體金剛石磨料墊，其MRR值較高，尤其是結(jié)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(jīng)由結(jié)合劑含量次低的AD-3固結(jié)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(jié)聚集體金剛石磨料墊的MRR起伏較大，性能不穩(wěn)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(jié)合劑含量次高的AD-2固結(jié)聚集體金剛石磨料墊研磨后的MRR值最高(開(kāi)始8.94 μm/min，而后穩(wěn)定在8.05 μm/mim左右)，其余MRR值依次按照結(jié)合劑含量減少呈下降趨勢(shì)。圖7(d)在研磨壓力21 kPa的條件下，結(jié)合劑含量次高的AD-2固結(jié)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(shí)間的變化Fig.7 Variation of material removal rate with lapping time under different presures

對(duì)比4種研磨壓力可以得到以下結(jié)論：在低研磨壓力下，采用陶瓷結(jié)合劑含量低的固結(jié)聚集體金剛石磨料墊的MRR較高且相對(duì)較穩(wěn)定，隨著研磨壓力的增加，采用陶瓷結(jié)合劑含量次高的固結(jié)聚集體金剛石磨料墊的MRR值偏高且相對(duì)較穩(wěn)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(jié)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(jié)合劑含量和次低結(jié)合劑含量的固結(jié)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(jié)合劑含量的AD-3固結(jié)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(jié)合劑含量的AD-2固結(jié)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(jié)合劑含量最低的AD-4固結(jié)聚集體金剛石磨料墊，無(wú)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(jié)磨料墊研磨后的石英玻璃表面有較深劃痕出現(xiàn)。隨著結(jié)合劑含量減少，工件表面劃痕減少(AD-2和AD-3)。當(dāng)結(jié)合劑含量降低至AD-4時(shí)，工件表面劃痕又開(kāi)始增多，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)榻Y(jié)合劑含量過(guò)少，聚集體金剛石的結(jié)合強(qiáng)度不足，在研磨過(guò)程中，微細(xì)金剛石易發(fā)生疲勞破壞，磨粒過(guò)早脫落，使固結(jié)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(guī)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(jié)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(jiàn)圖10(b))陶瓷結(jié)合劑含量最高，微細(xì)金剛石之間有明顯的結(jié)合橋相連，微細(xì)金剛石的棱角被陶瓷結(jié)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(jié)合強(qiáng)度最高。AD-2聚集體金剛石(見(jiàn)圖10(c))陶瓷結(jié)合劑含量次高，聚集體表面的微細(xì)金剛石大部分被結(jié)合劑包裹，有明顯的結(jié)合橋相連，部分金剛石微刃出露，此外微細(xì)金剛石之間存在一定的孔隙，其結(jié)合強(qiáng)度次之。AD-3聚集體金剛石(見(jiàn)圖10(d))陶瓷結(jié)合劑含量次低，微細(xì)金剛石之間的結(jié)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(jié)合強(qiáng)度次低。AD-4 聚集體金剛石(見(jiàn)圖10(e))陶瓷結(jié)合劑最低，微細(xì)金剛石之間的結(jié)合橋變少，大部分微細(xì)金剛石微刃裸露在表面，且微細(xì)金剛石之間的孔隙增多，其結(jié)合強(qiáng)度最低。

3.4 研磨壓力對(duì)聚集體磨粒微破碎的影響

在研磨過(guò)程中，研磨壓力P通過(guò)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(jié)磨料磨料墊中磨粒磨損過(guò)程示意圖。圖11(a)為單晶金剛石磨損過(guò)程示意圖。圖中可得到，由外部載荷通過(guò)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(guò)程中磨粒主要是來(lái)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(xiàn)磨鈍；隨著研磨時(shí)間的增加，磨粒磨損加劇，棱角逐漸磨平，無(wú)法參與有效切削，固結(jié)磨料墊的研磨效率開(kāi)始下降，加工穩(wěn)定性變差；同時(shí)，研磨產(chǎn)生的碎屑對(duì)固結(jié)磨料墊基體產(chǎn)生沖刷磨損，磨料墊表層鈍化的磨粒因其出露高度過(guò)高(據(jù)文獻(xiàn)[19]中所述，磨粒的出露高度臨界值為1/3磨粒直徑)而產(chǎn)生脫落，影響固結(jié)磨料墊的MRR。

圖11 固結(jié)磨料墊中磨粒磨損過(guò)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(guò)程示意圖。若單顆粒金剛石所受法向壓力為F1，F(xiàn)2，…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(xì)金剛石的粒徑(3～5 μm)遠(yuǎn)小于單晶金剛石的粒徑(40～50 μm)，單顆微細(xì)金剛石的Fn也遠(yuǎn)小于單顆單晶金剛石顆粒，在保證其他參數(shù)(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(guān)，故聚集體金剛石的MRR低于單晶金剛石。隨著研磨過(guò)程的進(jìn)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(xù)降低，并在一定研磨時(shí)間后低于聚集體金剛石的MRR(見(jiàn)圖4)。

對(duì)于聚集體金剛石，其剪切強(qiáng)度τc-AD為：

τc-AD=τc-dVd+τc-cVc+τc-pVp,

(5)

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

研磨時(shí)金剛石在剪切力作用下，有：

(6)

當(dāng)τc<τc-AD時(shí)，聚集體金剛石磨?？梢皂樌瓿啥嗳星邢鳌．?dāng)τc>τc-AD時(shí)，聚集體金剛石磨粒在剪切力作用下發(fā)生破碎，部分小粒徑磨粒脫落，新鮮磨粒露出繼續(xù)參與研磨。該現(xiàn)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(qiáng)度和陶瓷結(jié)合劑體積濃度Vc有關(guān)，即結(jié)合劑濃度Vc增加，孔隙濃度Vp減少，則聚集體金剛石強(qiáng)度τc-AD增加。由此得到2.1節(jié)中4種結(jié)合劑含量的聚集體金剛石的強(qiáng)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(jié)合劑含量的聚集體金剛石的剪切強(qiáng)度大，微細(xì)金剛石磨粒所受的剪切力不易超過(guò)其剪切強(qiáng)度，即在磨粒的棱角已發(fā)生了嚴(yán)重磨損后，也不易發(fā)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(jié)合劑含量的聚集體金剛石，剪切強(qiáng)度低，微細(xì)金剛石在相同剪切力作用下易發(fā)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(wěn)定進(jìn)行。但聚集體金剛石的微破碎速度過(guò)快仍然會(huì)影響加工效率及加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

在高研磨壓力下，低陶瓷結(jié)合劑含量的聚集體金剛石受到的剪切力增加，微細(xì)金剛石發(fā)生嚴(yán)重的剪切破壞，磨粒磨損嚴(yán)重，加工效率低。高陶瓷結(jié)合劑含量的聚集體金剛石在較大剪切力作用下，微細(xì)金剛石發(fā)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(guò)程的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文比較了固結(jié)單晶金剛石磨料墊和固結(jié)聚集體磨料墊的加工特性，探索了研磨壓力對(duì)固結(jié)磨聚集體磨料墊的加工性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同研磨壓力下，對(duì)比固結(jié)單晶金剛石磨料墊，固結(jié)聚集體金剛石磨料墊能有效地提高M(jìn)RR，保證研磨過(guò)程中的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)固結(jié)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(zhì)量得到改善。聚集體金剛石結(jié)合強(qiáng)度隨著陶瓷結(jié)合劑含量的增加而增強(qiáng)。在低研磨壓力下，高結(jié)合劑含量的聚集體金剛石，其結(jié)合強(qiáng)度高，微破碎速度慢，加工效率低(MRR低于1 μm/min)；低結(jié)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(wěn)定。在高研磨壓力下，高結(jié)合劑含量的聚集體金剛石具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，其微破碎速度適中，適當(dāng)?shù)哪チＤp能夠保證研磨加工的穩(wěn)定進(jìn)行，且材料去除率高(MRR在8～12 μm/min)；低結(jié)合劑含量的聚集體金剛石其結(jié)合強(qiáng)度較弱，在高壓下微破碎速度加快，磨粒磨損加劇，導(dǎo)致加工效率低，加工穩(wěn)定性差(MRR由6 μm/min降至2 μm/min)。