莊朋,張幼軍,馮雙,胡濤

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院,遼寧沈陽 110870）

現(xiàn)階段精加工領(lǐng)域?qū)δハ骷庸ず蟮谋砻尜|(zhì)量要求越來越高,如與現(xiàn)在科技發(fā)展密切相關(guān)的半導體行業(yè),硬脆材料中的玻璃、陶瓷和單晶硅等材料使用磨削加工為最后的材料加工成型步驟,將加工后的表面粗糙度,單位面積內(nèi)的崩邊數(shù)量等損傷參數(shù)作為評價參數(shù)[1].氧化鋁陶瓷是典型的硬脆材料[2],因其具有高強度、高耐磨性、良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,在機械、電子、國防和航空航天等領(lǐng)域應用廣泛[3],而且氧化鋁陶瓷是目前世界上使用范圍最廣、產(chǎn)量巨大,應用范圍最廣的陶瓷之一.氧化鋁陶瓷主要成分以α-Al2O3粉體為主,并且其備料簡單,原料充足，對于鋼鐵而言其重量輕、密度較小[4-8].

在國內(nèi)熊萬里等學者對氧化鋁陶瓷進行了高速磨削實驗,其實驗結(jié)果說明在提高砂輪線速度的同時,加工過程中的磨削力更為平穩(wěn),相較于以往傳統(tǒng)工藝的表面質(zhì)量比較,磨削完的表面質(zhì)量較高[9].黃含在進行同樣的磨削實驗時使用了樹脂金剛石劃片,對氧化鋁陶瓷進行了高速精密切割實驗，揭示了氧化鋁陶瓷等硬脆材料的磨削機理,在此基礎(chǔ)上還研究了高效率磨削氧化鋁陶瓷的力學公式[10-12].謝桂芝等學者對氧化鋁陶瓷加工進行了工藝參數(shù)的分析,對包括表面質(zhì)量,磨削溫度等性能進行了表征[13].對磨削氧化鋁陶瓷的刀具進行研究發(fā)現(xiàn),磨粒等脫落程度對金剛石砂輪的使用壽命影響更大[14].李曙生對金剛石磨粒的排布問題進行了研究,從金剛石刀具角度研究了磨削機理[15].

氧化鋁陶瓷作為一種重要的超硬材料，其應用極為廣泛,在結(jié)構(gòu)陶瓷、電子陶瓷、光學陶瓷中都有著舉足輕重的地位[16].氧化鋁陶瓷由于性能優(yōu)良、密度小質(zhì)量輕、加工精度高等特性且具備形成薄膜涂層優(yōu)勢,在半導體基板、封裝材料、介電元件和絕緣膜等方面被廣泛應用[17].由于其自身特性導致傳統(tǒng)加工工藝方法難以滿足現(xiàn)階段的精度要求,所以氧化鋁陶瓷加工需要一種新的方法.

超薄金剛石砂輪切割片作為新興的磨削工具,其磨削過程主要通過磨粒的二面角在工件的表面進行劃擦去除材料,利用其去除材料少的特點,得到符合加工要求的表面質(zhì)量.

本文研究超薄金剛石切割片表面的三維建模,通過ABAQUS 軟件對氧化鋁陶瓷進行磨削仿真[4],最后進行磨削實驗驗證三維模型的準確性.

1 超薄金剛石砂輪切割片表面的三維建模

1.1 砂輪表面的微觀形貌

使用掃描電鏡對超薄金剛石砂輪切割片進行微觀形貌觀察,圖1 為200 μm 單位下微觀形貌,砂輪表面的磨粒是隨機分布的,其刃露出量也各不相同,在建立模型時需要考慮磨粒在表面排布的隨機性[18],可以看出在200 μm 單位面積內(nèi),同一行參與磨削的磨粒數(shù)多為3～4 顆,圖2 為50 μm 單位下微觀形貌,可以明顯看出金剛石磨粒,且形狀為不規(guī)則的多面體.說明經(jīng)過后期研磨,去除毛刺,切割片外圓修整效果優(yōu)異,金剛石磨粒明顯露出,隨機分布在結(jié)合劑之上,形貌較為完整.

圖1 砂輪200 μm 微觀形貌Fig.1 Micromorphology of grinding wheel at 200 μm

圖2 砂輪50 μm 微觀形貌Fig.2 Micromorphology of grinding wheel at 50 μm

1.2 磨粒幾何參數(shù)的確定

結(jié)合磨粒形狀表面形貌觀測,由于磨粒形狀具有一定的不規(guī)則性,提高了模擬的難度.本文簡化金剛石磨粒為多面體形狀,實驗采用的超薄金剛石砂輪切割片中磨粒目數(shù)為400 N,換算得出其單顆磨粒直徑大約為37 μm 左右,使用Python 語言對ABAQUS 軟件進行二次開發(fā),首先建立一定范圍直徑的磨粒,規(guī)定磨粒最大與最小直徑使用[Dmax,Dmin]代替,利用Python 語言中的random.uniform 函數(shù)生成[Dmax,Dmin]內(nèi)的隨機數(shù),保證其磨粒粒徑在合理范圍,利用圓外切線生成不同菱形缺口的切割件,對正方體進行不同方向、不同次數(shù)的隨機切割,進而生成不同形狀的磨粒,其流程大體如下:

(1)在全局坐標系原點建立直徑在[Dmax,Dmin]范圍內(nèi)的圓.

(2)利用Python 語言中的random.randin 函數(shù)選取輸入直徑圓上[45°,89]任一角度,設(shè)角度為θ,使用X=sin(θ),Y=cos(θ)確定圓上的一點,通過切線方程求出交于Y 軸的點,利用這兩點確定一條直線,同理選取[91-149]圓上的一點,確定切線方程,利用幾何關(guān)系求出兩條切線的交點,利用此原理,接著選出4 個交點.

(3)在ABAQUS 后臺程序中使用s.Line(point1=(x,y),point2=(x,y))命令給串聯(lián)取出的四個交點形成菱形.

(4)利用ABAQUS 內(nèi)核rectangle 語句生成矩形,拉伸形成切割件.

(5)建立Dmax 為邊長的正方體.

(6)將切割件與被切割件拉進裝配模塊,進行中心移動Dmax/2 的距離,使兩個部件中心在坐標原點處,使用PYTHON 中的random 函數(shù),讓切割件分別繞X,Y,Z 軸進行隨機角度的旋轉(zhuǎn),確定切割位置.

(7)切割后的磨粒如圖3 所示.

圖3 不同切割次數(shù)、不同形狀的磨粒Fig.3 Abrasive particles with different cutting times and shapes

1.3 砂輪幾何參數(shù)的確定

在二次發(fā)開的程序中使用For 循環(huán)函數(shù)中的for i in range(N),N 代表磨粒數(shù)目,跟據(jù)實際情況輸入相應的磨粒數(shù)進行備用.使用s1.Circle By Center Perimeter(center=(x,y),point1=(x,y))中心為原點,點1 中的X 坐標為砂輪半徑,依據(jù)命令建立砂輪基體,將兩者放進裝配模塊,確定磨粒位置前使用PYTHON 中的|[0|360°]函數(shù)確定隨機角度,使磨粒分別繞自身的X,Y,Z 軸進行隨機角度的旋轉(zhuǎn),模擬磨粒與結(jié)合劑反應時自身位置.為簡化模擬磨粒在砂輪表面位置的隨機性,避免磨粒相互重疊,采用前文中在圓上取點命令(X=sin(θ),Y=cos(θ))進行類似斜齒輪的磨粒排布,接著采用固定磨粒中心在砂輪外表圓的方法,即在砂輪外表面選取的圓上均勻布點[19],并隨機選取磨粒放置在相應的點上,實現(xiàn)砂輪的三維建模,如圖4 所示.由于仿真實驗條件限制,簡化建立寬度為100 μm,截取外徑為58 mm 模型中的1°為磨削工具,結(jié)果如圖5 所示.

圖4 整體砂輪建模Fig.4 Modeling of integral grinding wheel

圖5 外徑(58 mm)的1°砂輪Fig.5 1° grinding wheel with outer diameter (58 mm)

2 切割氧化鋁陶瓷仿真實驗與設(shè)置條件

研究所采用試驗材料為氧化鋁陶瓷材料,模擬切削試驗條件如表1 所示.砂輪整體設(shè)置為剛體,氧化鋁陶瓷在磨削時呈現(xiàn)脆性斷裂,因此,在目前的有限元分析中采用ABAQUS 顯式脆性開裂本構(gòu)模型,當材料中的最大主應力超過其抗拉強度時,材料發(fā)生分離[20-21].如圖6 所示,實驗部分采用DS610 精密劃片切割機,此機型主要用于硅集成電路,纖維復合材料,氧化鋁等類型的陶瓷,藍寶石等硬脆性材料的精密切割,其技術(shù)性能如下,控制系統(tǒng)由工業(yè)計算機和軸卡安裝組成,由于轉(zhuǎn)臺為圓形,其最大加工尺寸為6英寸.轉(zhuǎn)臺經(jīng)過磨床加工,平整度在±0.006 mm,X 軸采用伺服電機驅(qū)動,調(diào)速范圍為0.1～500 mm/s,Y 軸采用直線導軌,滾珠絲杠和光柵反饋閉環(huán)控制,全程定位精度<0.004 mm/160 mm.Z 軸采用直線導軌和滾珠絲杠傳動方式,重復定位精度0.003 mm.θ 軸采用伺服電機驅(qū)動,精密360°轉(zhuǎn)角機構(gòu),其分辨率可以達到0.000 5°.高清的CCD 與高倍顯微鏡組成圖像系統(tǒng),狀態(tài)實時顯示,操作方便.如表2 所示,實驗采用SDC400N25M超薄金剛石砂輪切割片用作切削工具,結(jié)合劑為銅錫組合,采用熱壓方式進行壓制,然后經(jīng)過修磨成型.工件單片規(guī)格為5*40*40 mm 尺寸的氧化鋁陶瓷.

圖6 實驗工作臺Fig.6 Experimental bench

表1 氧化鋁陶瓷仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of alumina ceramics

3 氧化鋁陶瓷切割仿真與實驗結(jié)果分析

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對氧化鋁陶瓷切割力的影響

圖7 為不同主軸轉(zhuǎn)速切割氧化鋁陶瓷的實驗與仿真磨削力點線圖,由圖可知,五種不同轉(zhuǎn)速下磨削力整體趨于下降,隨著主軸轉(zhuǎn)速增加,磨削所需要的磨削力越來越小,主軸轉(zhuǎn)速由20 000 r/min 增加到30 000 r/min 時,磨削力下降幅度變小,但在25 000 r/min 主軸轉(zhuǎn)速后磨削力稍微上升,結(jié)合圖8 磨削力起伏程度,分析原因主軸轉(zhuǎn)速的提高及主軸振動增加及切割片離心力的作用造成砂輪本身的彈性變形,最終導致磨削力的增加,仿真由于邊界條件的設(shè)定導致整體磨削力比實驗中的磨削力高,因為忽略振動與溫度影響導致在30 000 r/min 時實驗的磨削力高于仿真的磨削力.

圖7 不同轉(zhuǎn)速下實驗與仿真磨削力對比Fig.7 Comparison of experimental and simulated grinding forces at different speeds

圖8 不同轉(zhuǎn)速下磨削力波動過程Fig.8 Grinding force fluctuation process at different speeds

3.2 主軸轉(zhuǎn)速對氧化鋁陶瓷切割表面質(zhì)量的影響

圖9 為氧化鋁陶瓷在主軸轉(zhuǎn)速20 000 r/min,進給量4 mm/s,切深0.2 mm 的磨削條件下的材料斷裂情況.很明顯,隨著磨粒施加力逐漸增強,磨粒楔入能有效地去除斷裂的材料,并且將斷裂的材料沿切線方向推出，不會造成磨削區(qū)域發(fā)生明顯的彎曲,但對鄰近的材料影響范圍較大.由于砂輪表面磨粒的刃露出量不同,造成硬脆材料的崩邊,顯示切口不平整,磨削完的表面高度不同,與圖10 同等實驗條件的現(xiàn)實結(jié)果相似,驗證了三維模型的準確性.

圖9 仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results

圖10 實驗結(jié)果Fig.10 Experimental results

如圖11 所示,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,材料邊緣大于25 μm 背崩邊數(shù)逐漸下降,當轉(zhuǎn)速達到25 000 r/min時,背崩邊數(shù)達到最少,但之后繼續(xù)增加主軸轉(zhuǎn)速,崩邊數(shù)反而增加.分析原因是轉(zhuǎn)速增加,切割片與工件之間磨削熱的積累降低切割片鋒利程度.說明在主軸轉(zhuǎn)速為25 000 r/min 時氧化鋁陶瓷表面質(zhì)量最好,對應圖8 主軸轉(zhuǎn)速下切割力較為穩(wěn)定.

圖11 大于25 μm 背崩邊數(shù)Fig.11 >25 μm back edge collapse number

3.3 進給速度對氧化鋁陶瓷切割力與表面質(zhì)量的影響

如圖12 所示,固定主軸轉(zhuǎn)速為24 000 r/min,切割深度0.2 mm.隨著進給速度的增加,磨削力大小從0.24 N 左右上升到0.5 N 左右,但當進給速度達到6 mm/s 時,磨削力下降為0.3 N 左右.并且可以看到進給速度為4 mm/s 時,磨削力波動程度更大,結(jié)合圖13 其崩邊數(shù)量也是最多,表面質(zhì)量最差.分析原因除卻材料本身的不均勻因素,可以得出金屬金剛石切割片在4 mm/s 進給速度下進行磨削時,刀具與工件之間的磨削熱積累更快,磨粒脫落程度更高,造成整體磨削力變大,并且波動程度最大.

圖12 不同進給速度磨削力變化Fig.12 Grinding force changes at different feed rates

圖13 邊緣大于25μm 背崩邊數(shù)Fig.13 Back edge collapse greater than 25 μm

3 結(jié)論

通過圓外切線的方法建立多面體磨粒,使用掃描電鏡觀察切割片表面形貌,利用PYTHON 語言中的隨機函數(shù)確定磨粒最終角度,采用均勻布點的方式確定磨粒的排布,可以建立較為準確的三維模型.

進行氧化鋁陶瓷的仿真實驗,磨削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小,由于邊界條件影響,相同條件下的仿真結(jié)果大于實驗結(jié)果,但與同等實驗條件的現(xiàn)實結(jié)果相似,驗證了仿真模型的準確性.

結(jié)合仿真,主軸轉(zhuǎn)速在25 000 r/min 時磨削力最小,波動也最平穩(wěn),觀察實驗后的崩邊情況,證明此轉(zhuǎn)速下切割氧化鋁陶瓷效果最好,與其他工藝相比,利用超薄金剛石砂輪切割片加工氧化鋁陶瓷更加容易滿足精度要求.