王建彬，馬睿，江本赤，王剛，李軍，朱永偉

固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石亞表面損傷的預(yù)測(cè)

王建彬1,2，馬睿1，江本赤1，王剛1，李軍2，朱永偉2

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.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)試驗(yàn)室，南京 210016）

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工件亞表面損傷，合理確定材料去除量，優(yōu)化固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石的工藝參數(shù)。針對(duì)固結(jié)磨料研磨特點(diǎn)和單晶藍(lán)寶石特性，采用離散元模擬技術(shù)，建立單晶藍(lán)寶石材料的離散元模型，仿真固結(jié)磨料對(duì)材料研磨的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析載荷作用下材料單元顆粒間裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律，研究磨粒切入深度對(duì)亞表面損傷的影響，預(yù)測(cè)固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石亞表面裂紋的數(shù)量和深度，并借助化學(xué)腐蝕法驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果。采用粒度分別為W14、W28、W50、W65的金剛石固結(jié)磨料墊，其對(duì)應(yīng)的研磨單晶藍(lán)寶石亞表面損傷層深度預(yù)測(cè)值分別為3.75、5.28、7.62、10.92 μm，預(yù)測(cè)的裂紋數(shù)量分別為199、236、526、981條，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值分別為3.79、5.88、8.76、11.44 μm。固結(jié)磨料墊中的磨料粒徑越大，單晶藍(lán)寶石亞表面損傷層的深度越大，裂紋數(shù)量越密集。對(duì)比發(fā)現(xiàn)腐蝕實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值和理論預(yù)測(cè)值基本一致，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果模型的正確性。采用離散元法可以快速有效地預(yù)測(cè)固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石亞表面損傷層的裂紋數(shù)量和深度，為研磨工藝參數(shù)的優(yōu)化和后續(xù)拋光工藝參數(shù)的制定提供指導(dǎo)。

單晶藍(lán)寶石；亞表面損傷；離散元法；固結(jié)磨料；研磨；化學(xué)腐蝕法

單晶藍(lán)寶石因具有較高的硬度、優(yōu)異的透光性及良好的耐磨和耐腐蝕性能，而被廣泛應(yīng)用于固態(tài)照明LED襯底、智能電子觸摸屏及軍事紅外探測(cè)窗口等[1-4]。隨著單晶藍(lán)寶石應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)其表面/亞表面質(zhì)量的加工要求也越來(lái)越高。但由于單晶藍(lán)寶石的硬脆特性，導(dǎo)致其加工難度大、加工工藝復(fù)雜，尤其是作為最終工序的拋光，其去除效率和材料表層的整體去除量均較小，很難在短時(shí)間內(nèi)獲得優(yōu)質(zhì)的加工表面。因此，作為前道工序的研磨成為決定后續(xù)拋光時(shí)間和成本的關(guān)鍵工序[5-7]，開(kāi)展針對(duì)單晶藍(lán)寶石研磨加工的亞表面損傷研究，對(duì)于合理確定研磨去除量、優(yōu)化研磨工藝參數(shù)、高效獲得超光滑表面具有重要意義。

研磨后單晶藍(lán)寶石工件的亞表面損傷一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。依據(jù)檢測(cè)工件是否受到破壞，可把單晶藍(lán)寶石亞表面損傷的檢測(cè)分為破壞性檢測(cè)和非破壞性檢測(cè)。其中，利用高溫KOH與單晶藍(lán)寶石的化學(xué)反應(yīng)測(cè)算腐蝕速率的高溫腐蝕法[6-8]，以及通過(guò)調(diào)節(jié)腐蝕液配比和溫度的低溫濕法刻蝕均都屬于破壞性檢測(cè)[9]。該方法雖然能夠精確地檢測(cè)出藍(lán)寶石亞表面損傷層深度，但由于腐蝕液的破壞作用，試樣的亞表面損傷特征不能完全反映出來(lái)，且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)后樣件難以繼續(xù)使用。而利用光學(xué)原理借助TEM、X射線衍射和拉曼光譜技術(shù)呈現(xiàn)單晶藍(lán)寶石亞表面損傷的非破壞性檢測(cè)[10-11]，檢測(cè)結(jié)果過(guò)分依賴于操作者，且存在檢測(cè)系統(tǒng)成本高、測(cè)量精度低、測(cè)量結(jié)果不直觀等缺陷。綜上所述，目前對(duì)單晶藍(lán)寶石亞表面損傷研究較多地關(guān)注于事后的深度檢測(cè)，而對(duì)于亞表面損傷的產(chǎn)生機(jī)制及事前的深度預(yù)測(cè)還很少涉及。

形成于20世紀(jì)70年代的離散元法，其原理是以顆粒集合系統(tǒng)為載體模擬非線性作用下的材料流動(dòng)和混合，解決不連續(xù)離散介質(zhì)的數(shù)值仿真。該方法通過(guò)一系列模擬實(shí)驗(yàn)建立微觀參數(shù)與材料宏觀力學(xué)性能間的映射關(guān)系，將空間離散轉(zhuǎn)換為離散單元陣，建立仿真樣本[12]。離散元法中空間顆粒離散單元間的連接和流動(dòng)特性與研磨加工中材料分子顆粒受磨粒作用而產(chǎn)生的滑移較為類似，故近年來(lái)有專家嘗試?yán)秒x散元法分析硅片、石英玻璃、鎂鋁尖晶石等材料加工時(shí)的裂紋特性[13-15]。由于離散元法在研磨加工中的應(yīng)用研究還處于起步階段，尤其是在固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石的亞表面預(yù)測(cè)方面尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)單晶藍(lán)寶石的材料特性，首先，利用離散元軟件建立單晶藍(lán)寶石的二維離散元模型，模擬金剛石固結(jié)磨料研磨時(shí)的磨粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分析離散球形顆粒單元間裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律。依據(jù)固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石的磨粒切入深度，研究不同粒度的金剛石固結(jié)磨料對(duì)單晶藍(lán)寶石的亞表面損傷規(guī)律，預(yù)測(cè)亞表面損傷的裂紋數(shù)量和深度，揭示亞表面損傷的產(chǎn)生機(jī)制；其次，采用化學(xué)腐蝕法測(cè)量固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石的亞表面損傷層深度；最后，對(duì)比離散元模型的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)得值，確定合理的材料去除深度，為單晶藍(lán)寶石研磨工藝參數(shù)的制定提供參考。

1 單晶藍(lán)寶石離散元模型的構(gòu)建

1.1 離散元模型的建立

單晶藍(lán)寶石是由氧原子和鋁原子組成的配位型氧化物晶體，晶體結(jié)構(gòu)中的原子類似于球體，通過(guò)共價(jià)鍵形式連接，因此可以將單晶藍(lán)寶石原子假定為離散的球形單元顆粒體。采用離散元軟件PFC建立二維離散元模型如圖1所示，圖中離散的球形顆粒為獨(dú)立剛性單元體，顆粒間呈現(xiàn)緊密排列，并在一定強(qiáng)度連接鍵的約束下形成集合體。為了使理論模型參數(shù)與實(shí)際宏觀力學(xué)參數(shù)相匹配，對(duì)離散元模型進(jìn)行虛擬的單軸壓縮、巴西圓盤拉伸、單邊切口校核。校核后的模型參數(shù)與實(shí)測(cè)力學(xué)參數(shù)對(duì)比如表1所示[16-18]。由表1可知，離散元模型中的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)和實(shí)測(cè)參考值基本一致，故該模型具有可靠的理論基礎(chǔ)。

圖1 單晶藍(lán)寶石的二維離散元模型

表1 模型校核參數(shù)與實(shí)測(cè)力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比

Tab.1 Comparison between model checking parameters and measured mechanical properties

1.2 亞表面裂紋的形成

離散的剛性顆粒單元集合體受到外加載荷作用時(shí)，顆粒單元間連接鍵的鍵能因接觸力作用而減弱，距離接觸力作用點(diǎn)越近，鍵能的減弱程度越大，反之則越小。顆粒單元間連接鍵的連接強(qiáng)度因鍵能的改變而變化，在接觸點(diǎn)下方的顆粒單元體出現(xiàn)滑移，連接鍵呈現(xiàn)出類似于微裂紋的狀態(tài)，如圖2a所示。當(dāng)接觸力作用足夠大時(shí)，距離作用點(diǎn)最近的顆粒單元間連接鍵斷裂，部分顆粒單元脫離集合體，如圖2b所示。

a 微裂紋的形成

b 顆粒分離

圖2 微裂紋的形成與顆粒分離

Fig.2 Formation of microcracks and particle separation: (a) formation of microcracks; (b) particle separation

在固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石過(guò)程中，材料表層受到接觸磨粒的機(jī)械作用，在接觸點(diǎn)下方形成一定數(shù)量的亞表面裂紋。實(shí)際加工中，磨粒與材料間接觸力的大小通過(guò)磨粒的切入深度來(lái)表示，故單晶藍(lán)寶石的亞表面損傷與磨粒的切入深度直接相關(guān)[6,15]。固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石的磨粒切入深度除了和磨料粒徑尺寸有關(guān)外，還受制于固結(jié)磨料墊的結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)由樹(shù)脂基體包裹的磨粒為球形剛體，均布在固結(jié)磨料墊表面，其在高度方向的出露也是均勻的，則固結(jié)磨料墊表面理論磨粒個(gè)數(shù)0和單顆磨粒對(duì)單晶藍(lán)寶石樣件的最大切深分別為[6]：

式中：0為工件的面積，0為固結(jié)墊凸起面積與總面積的比值，為磨粒的體積濃度，為研磨壓力，s為單晶藍(lán)寶石樣件的屈服強(qiáng)度，max為磨粒的最大出露高度取粒徑的1/3，為磨粒直徑，為實(shí)際接觸的磨粒組數(shù)。

依據(jù)固結(jié)磨料墊特性和研磨壓力等工藝參數(shù)，利用公式（1）—（3）可獲得不同粒徑金剛石固結(jié)磨料對(duì)單晶藍(lán)寶石的切入深度（表2），把切深代入離散元模型即可對(duì)單晶藍(lán)寶石亞表面損傷層裂紋進(jìn)行模擬。

表2 不同粒徑固結(jié)磨料墊對(duì)應(yīng)單晶藍(lán)寶石的最大切深

Tab.2 Maximum cutting depth of sapphire under fixed pads with different diameter

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣件的制備

實(shí)驗(yàn)采用的樣件為直徑50.8 mm、厚度0.5 mm左右的C向單晶藍(lán)寶石片。在腐蝕實(shí)驗(yàn)前，利用金剛石固結(jié)磨料墊研磨加工樣件，固結(jié)磨料墊中的金剛石粒徑分別為W65、W50、W28、W14。研磨時(shí)采用相同的研磨液和工藝參數(shù)，其中研磨液為去離子水+ 0.3%OP-10乳化劑，研磨工藝參數(shù)如表3所示。

表3 固結(jié)磨料研磨藍(lán)寶石工藝參數(shù)

Tab.3 Lapping process parameters of lapping sapphire with fixed abrasive

2.2 亞表面損傷層深度的檢測(cè)

采用箱式電阻爐加熱固態(tài)KOH至300 ℃，使其處于高溫熔融狀態(tài)，把不同固結(jié)磨料墊研磨后的單晶藍(lán)寶石樣件超聲清洗干凈，放入熔融態(tài)高溫KOH進(jìn)行腐蝕。腐蝕后待樣件冷卻至室溫，用去離子水沖洗5 min，并用0.5%稀鹽酸浸泡20 min，再用去離子水清洗5 min，用無(wú)水乙醇超聲清洗20 min，電吹風(fēng)吹干。采用精密天平FA1604（220 g/0.1 mg）分別計(jì)量腐蝕前后的質(zhì)量變化，以5次測(cè)量的均值作為測(cè)量結(jié)果，每次腐蝕時(shí)間為10 min。由于樣件的厚度相對(duì)于直徑尺寸，其數(shù)值較小，故厚度方向腐蝕前后的質(zhì)量變化可忽略不計(jì)，假定單晶藍(lán)寶石樣件的密度恒定且雙面被均勻腐蝕，則可依據(jù)公式（4）測(cè)算腐蝕深度Δ式中和分別表示單晶藍(lán)寶石腐蝕前的厚度和質(zhì)量，m和m-1分別為第次腐蝕前后的質(zhì)量。腐蝕速率和腐蝕加速度分別為Δ/(2)和Δ，Δ為時(shí)間腐蝕前后的腐蝕速度差。實(shí)驗(yàn)采用金相顯微鏡ZL200JT觀測(cè)腐蝕前后單晶藍(lán)寶石樣件的表面形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同粒徑下的亞表面損傷深度仿真

仿真過(guò)程中，利用表2中不同粒徑金剛石固結(jié)磨料墊研磨單晶藍(lán)寶石樣件的最大切深，假設(shè)磨粒以20 m/s的速度在工件表面作直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)定相同的時(shí)步為80 000步，利用離散元模型即可仿真出相同工藝參數(shù)下，不同粒徑單顆金剛石磨粒研磨單晶藍(lán)寶石過(guò)程中的亞表面裂紋分布和擴(kuò)散深度如圖3所示。隨著金剛石粒徑增大，磨粒切入深度增加，模型中裂紋分布深度和密集程度不斷加大。當(dāng)磨料粒徑為W14時(shí)，磨粒的切入深度相對(duì)較小，亞表面裂紋的分布深度僅在顆粒單元體的1~2層，仿真得出亞表面損傷深度為3.75 μm，裂紋數(shù)量為199條。而當(dāng)磨料粒徑增大到W65時(shí)，由圖3d中可以看出亞表面裂紋的分布深度和密集程度明顯增大，其數(shù)值分別為10.92 μm和981條。

圖3 單顆磨粒仿真研磨后亞表面損傷模型圖

從仿真模型得出的磨粒粒徑與亞表面損傷深度及裂紋數(shù)量關(guān)系如圖4所示。亞表面損傷深度隨著磨料粒徑的變大而加深，裂紋數(shù)量隨著磨料粒徑的變大而增多。這可能是由于粒徑較小的磨粒切入單晶藍(lán)寶石樣件表層的深度較淺，不易造成表層單元顆粒間連接健的破壞，其亞表面損傷的深度和數(shù)量相對(duì)較小。而當(dāng)采用W65的金剛石磨料時(shí)，磨粒的切入深度最大，磨粒接觸處的作用力最大，工件表層材料顆粒體由于受到較大的法向載荷作用，深度方向形成密致交錯(cuò)的微裂紋，顆粒體間的連接鍵強(qiáng)度減弱，并擴(kuò)展至一定深度。同時(shí)，由于磨料與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力加劇了亞表面裂紋的擴(kuò)展，并使表層部分顆粒體脫離，其過(guò)程與磨粒加工宏觀呈現(xiàn)的刮擦、耕犁和切削相對(duì)應(yīng)。

圖4 磨粒粒徑與亞表面損傷深度及裂紋數(shù)量

3.2 不同粒徑下的亞表面損傷實(shí)驗(yàn)研究

利用化學(xué)腐蝕法測(cè)得不同粒徑下固結(jié)磨料墊研磨單晶藍(lán)寶石的表面/亞表面腐蝕速度和加速度曲線如圖5所示。隨著腐蝕時(shí)間的增加，不同粒徑下固結(jié)磨料墊研磨后，單晶藍(lán)寶石腐蝕速度和加速度的變化趨勢(shì)基本一致，其數(shù)值不斷減小，經(jīng)過(guò)一定的腐蝕時(shí)間后，工件的腐蝕速度基本不變，腐蝕的加速度趨近于零。這主要是因?yàn)楦g初期，樣件表面/亞表面損傷層較大，裂紋的深度和數(shù)量較多，化學(xué)腐蝕液較易滲入，從而與更大面積的表層原子接觸發(fā)生化學(xué)腐蝕作用，導(dǎo)致較高的腐蝕速率，而隨著腐蝕時(shí)間的增加，樣件表面/亞表面被損傷的部分逐漸被腐蝕掉，腐蝕速率必然趨緩[6,19]。當(dāng)樣件的亞表面損傷被完全去除后，樣件的基體層與腐蝕液接觸，腐蝕速率保持恒定且與腐蝕時(shí)間無(wú)關(guān)。

進(jìn)一步分析不同粒徑作用下單晶藍(lán)寶石腐蝕前后的表面形貌如圖6所示，其中圖6a—d為腐蝕前的表面形貌，可以看出腐蝕前的樣件表面布滿不規(guī)則凹坑。隨著磨料粒徑的增大，其對(duì)應(yīng)樣件表面逐漸出現(xiàn)較為明顯的劃痕，粒徑為W65作用后的樣件表面劃痕最為顯著。圖6e—h分別為樣件腐蝕50、40、30、20 min后的表面形貌，可以看出腐蝕后的樣件表面均呈現(xiàn)出較為規(guī)則的形狀，且形狀基本類似，從而推斷樣件的亞表面損傷層已經(jīng)完全被腐蝕液去除。依據(jù)不同樣件腐蝕形貌呈現(xiàn)規(guī)則形狀所需的腐蝕時(shí)間，再次分析圖5可知，當(dāng)腐蝕速率基本恒定、腐蝕加速度基本為零時(shí)，腐蝕速率曲線在此時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。假定單晶藍(lán)寶石密度不變，則可由腐蝕前后的質(zhì)量差和累計(jì)腐蝕時(shí)間，推斷出其亞表面損傷層深度。故當(dāng)磨料粒徑分別為W65、W50、W28、W14時(shí)，其對(duì)應(yīng)的樣件亞表面損傷層深度分別為11.44、8.76、5.88、3.79 μm。

當(dāng)磨料粒徑相對(duì)較大時(shí)，固結(jié)磨料墊上凸起的金剛石磨粒與單晶藍(lán)寶石樣件表面接觸，由于磨料顆粒的非均勻性，導(dǎo)致單位面積上的接觸壓強(qiáng)隨粒徑的增大而增大，易形成較大切深，加劇亞表面損傷，宏觀上在樣件表面呈現(xiàn)出明顯的劃痕。而隨著磨料粒徑的減小，在樹(shù)脂中包裹的金剛石磨粒不易出露，導(dǎo)致樹(shù)脂基體承擔(dān)部分研磨壓力，一定程度上減緩了磨粒的切入深度，形成較小的亞表面損傷。也可以進(jìn)一步解釋圖3中腐蝕速率曲線斜率的變化，大粒徑作用下導(dǎo)致單晶藍(lán)寶石樣件亞表面損傷較大，故其腐蝕速率的曲線斜率變化較大，反之則腐蝕速率的曲線斜率變化較小。

圖6 不同粒徑作用下單晶藍(lán)寶石腐蝕前后的形貌

3.3 亞表面損傷的仿真預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

采用不同粒度的金剛石固結(jié)磨料墊研磨單晶藍(lán)寶石樣件，加工后樣件亞表面損傷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真預(yù)測(cè)對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯?，在仿真預(yù)測(cè)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，磨粒粒徑從W14、W28、W50增大到W65時(shí)，隨著磨粒切入深度的增加，工件表面/亞表面的裂紋深度和密度也相應(yīng)增加，且仿真預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明通過(guò)建立離散元模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石樣件的亞表面損傷層深度。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)仿真預(yù)測(cè)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間也存在一定的差別，表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果普遍大于仿真模型的預(yù)測(cè)。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是：首先，仿真預(yù)測(cè)模型中材料假設(shè)為均勻的理想球狀密排堆積，而實(shí)際單晶藍(lán)寶石的原子大小和間距均有差異，連結(jié)原子的鍵長(zhǎng)和鍵能也不盡相同，故磨粒壓入時(shí)若以均勻密排的仿真模型預(yù)測(cè)切入深度，必然與實(shí)際情況有所出入；其次，仿真模型中，為了便于計(jì)算僅假設(shè)磨粒大小均勻且為勻速直線運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了實(shí)際加工的復(fù)雜性；再次，固結(jié)磨料墊中的磨粒大小具有一定范圍，加工時(shí)部分顆粒較大的磨粒易脫落，在工件表面間以一定的速度進(jìn)行滾軋，必然會(huì)造成較大的亞表面損傷；最后，采用化學(xué)腐蝕法僅以質(zhì)量變化測(cè)算亞表面損傷，忽略了藍(lán)寶石樣件表面/亞表面損傷的非均勻性和厚度方向的腐蝕量，故腐蝕法測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果必然大于仿真預(yù)測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)論

1）采用離散元法仿真固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石的力學(xué)行為，預(yù)測(cè)樣件亞表面裂紋數(shù)量和損傷層深度，當(dāng)磨料粒徑分別為W14、W28、W50、W65時(shí)，其對(duì)應(yīng)的裂紋數(shù)量分別為199條、236條、526條、981條，亞表面損傷層深度分別為3.75、5.28、7.62、10.92 μm，亞表面裂紋數(shù)量和損傷層深度均隨著磨料粒徑的增大而增加。

2）采用化學(xué)腐蝕法對(duì)研磨后的單晶藍(lán)寶石樣件進(jìn)行亞表面損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，磨料粒徑分別為W14、W28、W50、W65的固結(jié)磨料作用下的亞表面損傷層深度分別為3.79、5.88、8.76、11.44 μm。

3）磨料粒徑對(duì)固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石亞表面裂紋的密集程度和損傷層深度影響顯著，控制磨料粒徑是改善亞表面損傷的有效途徑。

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Prediction of Subsurface Damage for Fixed Abrasive Lapping Single Crystal Sapphire

1,2,1,1,1,2,2

(1.School of Mechanical and Automobile Engineering , Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Precision and Microfabrication Technology, School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

The work aims to accurately predict the subsurface damage of the workpiece, reasonably determine the material removal amount, and optimize the process parameters of the single-crystal sapphire with the fixed abrasive. According to the lapping characteristics of fixed abrasives and the properties of single crystal sapphire, the discrete element model of single crystal sapphire was established by discrete element method, the dynamic process of lapping the material by fixed abrasive was simulated, the generation and propagation of cracks between element particles under load were analyzed, the effect of cut depth of abrasive grains on subsurface damage was studied, the number and depth of subsurface cracks of single crystal sapphire lapped by fixed abrasives were predicted, and the prediction results were verified by chemical corrosion method. The results indicated that with the fixed abrasive pads with particle sizes of W14, W28, W50 and W65, the corresponding predicted depth of the lapped sapphire subsurface damage layers was 3.75 μm, 5.28 μm, 7.62 μm and 10.92 μm; the predicted number of cracks was 199, 236, 526 and 981; and the corresponding experimental values were 3.79 μm, 5.88 μm, 8.76 μm, and 11.44 μm, respectively. As the abrasive particle size in the fixed abrasive pad increased, the depth of the single crystal sapphire subsurface damage layer and the number of cracks also increased. The comparison showed that the measured values and predicted values were basically consistent, and the correctness of the prediction results was verified. Therefore, the discrete element method can quickly and effectively predict the number and depth of cracks in the sapphire subsurface damage layer of the fixed abrasive, and provide guidance for the optimization of the lapping process parameters and the formulation of subsequent polishing process parameters.

single crystal sapphire; subsurface damage; discrete element method; fixed abrasive; lapping; chemical etching

2019-12-31；

2020-02-27

WANG Jian-bin (1982—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: ultra-precision machining technology.

李軍（1979—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槌芗庸ぜ夹g(shù)。郵箱：junli@nuaa.edu.cn

Corresponding author：LI Jun (1979—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: ultra-precision machining technology. E-mail: junli@nuaa.edu.cn

王建彬, 馬睿, 江本赤, 等. 固結(jié)磨料研磨單晶藍(lán)寶石亞表面損傷的預(yù)測(cè)[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 345-351.

TG365.28

A

1001-3660(2020)06-0345-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.042

2019-12-31；

2020-02-27

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（gxyqZD2019051）；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1708085QE127）；校國(guó)家基金預(yù)研項(xiàng)目（2017yyzr06）；安徽省人才項(xiàng)目（Z175050020001）；安徽工程大學(xué)2018年度中青年拔尖人才培養(yǎng)計(jì)劃；南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金

Fund：Supported by the Key Project of Excellent Young Talents Support Program of Anhui Province (gxyqZD2019051); Funded by the Natural Science Foundation of Anhui Province (1708085QE127); National Fund Pre-research Project of the University (2017yyzr06); Talent Project of Anhui Province (Z175050020001); Anhui Engineering University's 2018 Young Talent Training Program; Nanjing Aerospace University Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro Manufacturing Technology Open Fund

王建彬（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槌芗庸ぜ夹g(shù)。

WANG Jian-bin, MA Rui, JIANG Ben-chi, et al. Prediction of subsurface damage for fixed abrasive lapping single crystal sapphire[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 345-351.