周 渝，黃國(guó)欽

（華僑大學(xué) 制造工程研究院,福建 廈門(mén) 361021）

3C 產(chǎn)品是計(jì)算機(jī)(computer)、通信(communication)及消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品（consumerelectronics）的統(tǒng)稱(chēng)[1]。隨著5G 時(shí)代的到來(lái)，5G 通信由于采用3 GHz 以上的無(wú)線頻譜，信號(hào)傳輸量大，對(duì)應(yīng)用此技術(shù)的手機(jī)等3C電子產(chǎn)品性能提出了更高的要求[2]。而以氧化鋯陶瓷為代表的3C陶瓷，對(duì)信號(hào)屏蔽較小，且在力學(xué)、光電、絕緣等方面都具有優(yōu)異的性能，所以逐漸取代金屬、塑料等成為電子元件、光纖連接器等3C 產(chǎn)品所使用的重要材料[3-5]。

氧化鋯陶瓷具有較高的硬度、較好的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性以及耐磨性等，屬于難加工材料，一般主要采用磨削方式進(jìn)行加工[6]。在硬脆材料加工領(lǐng)域中，以金剛石磨料為代表的金剛石工具，因其較高的加工效率及較長(zhǎng)的加工壽命，已逐步取代傳統(tǒng)的普通磨料工具，成為陶瓷加工工具中不可或缺的部分[7]。目前，金剛石工具制備方式主要分為電鍍、燒結(jié)和釬焊3 種，其中的電鍍制備工藝較為成熟穩(wěn)定，且對(duì)工具形狀沒(méi)有限制。但電鍍金剛石工具對(duì)磨粒僅有簡(jiǎn)單的機(jī)械把持力，加工過(guò)程中磨粒易脫落；同時(shí)，電鍍過(guò)程使用的電解液含有大量難處理的有害雜質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染較大[8-9]。燒結(jié)方式制備的金剛石工具，由于在胎體中添加了一定的活性元素，使得金剛石磨粒與胎體之間可以形成一定程度的化學(xué)冶金結(jié)合，對(duì)磨粒有較高的把持力；但工具中金剛石的出刃高度較低，加工時(shí)工具表面易產(chǎn)生堵塞，造成工件表面燒傷等而影響工件加工質(zhì)量[10-11]。而釬焊金剛石工具，由于金剛石、釬料、基體之間形成化學(xué)冶金結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度較高，較薄的釬料層即可較好地把持金剛石磨粒，同時(shí)獲得較大的容屑空間，提高了工具加工效率，改善了其使用壽命[12-13]，已成為金剛石磨粒工具制備研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)氧化鋯陶瓷的加工進(jìn)行了深入的研究。XU 等[14]使用單點(diǎn)釬焊金剛石對(duì)氧化鋯陶瓷磨削加工，發(fā)現(xiàn)切深小于臨界值時(shí)，材料的去除方式為粉末化去除，且單點(diǎn)金剛石磨削過(guò)程中的材料會(huì)側(cè)向流動(dòng)，在凹槽的兩側(cè)形成堆積；MOHAMMAD 等[15]采用新型混合結(jié)合劑金剛石刀具切削氧化鋯陶瓷，發(fā)現(xiàn)最大未變形切屑厚度較小時(shí)材料以延性去除為主，并可獲得較好的表面質(zhì)量；董光耀[16]通過(guò)埋砂法釬焊-電鍍制作了細(xì)粒度金剛石磨頭，并用該工具加工了軸對(duì)稱(chēng)非球面工件；王陽(yáng)光[17]通過(guò)搭建細(xì)粒度金剛石涂覆設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)粒度金剛石銑磨頭中金剛石的釬料涂覆，并通過(guò)檢測(cè)銑磨頭加工的氧化鋯陶瓷表面粗糙度來(lái)評(píng)價(jià)銑磨頭的磨削性能；王宗偉等[18]通過(guò)旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削加工氧化鋯陶瓷小孔，發(fā)現(xiàn)超聲輔助加工時(shí)的小孔表面質(zhì)量有較大提高，其亞表面損傷等缺陷有所減小，但超聲振動(dòng)會(huì)降低工件加工的精度。

由于國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究大多集中在氧化鋯陶瓷加工的磨削機(jī)理及表面質(zhì)量上，而對(duì)氧化鋯陶瓷加工工具的研究較少。隨著3C 產(chǎn)品外觀尺寸的微小化，其陶瓷構(gòu)件上有大量小尺寸的溝槽、小孔等需要進(jìn)行高精加工[19]，給金剛石磨粒工具帶來(lái)苛刻的需求及挑戰(zhàn)，即工具尺寸的微小化和磨粒的細(xì)粒度化[20]。鑒于金剛石小磨頭是3C陶瓷構(gòu)件槽、孔等加工的最常用工具，嘗試用銅基和鎳基釬料制作細(xì)粒度金剛石微銑磨頭，以3C產(chǎn)品中最常用的氧化鋯陶瓷為工件，通過(guò)其磨削試驗(yàn)，觀察微銑磨頭表面的形貌變化，分析磨頭磨粒的磨損特性以及2 種釬料對(duì)微銑磨頭壽命的影響。

1 試驗(yàn)條件及方案

1.1 試驗(yàn)條件

磨頭所用磨料為長(zhǎng)沙晶峰金剛石材料有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為JFD10 的金剛石，其粒度代號(hào)為230/270；磨頭基體材料為45#鋼。磨頭基體形狀及尺寸如圖1所示。試驗(yàn)采用鎳基和銅基2 種釬料，其基本顆粒尺寸均為48 μm，商用牌號(hào)分別為BNi76CrP 和CuSn19Ti10。磨頭磨削的材料是規(guī)格為10 mm×10 mm×7 mm 的氧化鋯陶瓷。

圖1 基體尺寸Fig.1 Base size

釬焊磨頭制備過(guò)程為：先對(duì)磨頭基體去除表面氧化層和油污，然后超聲清洗基體并晾干，再在基體上粘一層黏結(jié)劑用于涂覆釬料層，最后粘一層釬料層并均勻涂覆金剛石顆粒，涂覆過(guò)程中將釬料層厚度控制在約50%金剛石顆粒粒徑的厚度；再將涂覆好的樣本放入沈陽(yáng)威泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的VSF200 型真空釬焊爐內(nèi)釬焊，銅基、鎳基磨頭以3～5 ℃/min 的升溫速度分別加熱至880 ℃、950 ℃，保溫15 min 后隨爐冷卻至室溫即可得到所需金剛石磨頭。磨頭實(shí)物圖如圖2所示。試驗(yàn)中每種釬料制作1 個(gè)磨頭，為減小磨粒密度對(duì)磨頭壽命的影響，嚴(yán)格控制磨頭端面的磨粒數(shù)量，如表1所示，其中端面磨粒密度為磨頭端面的磨粒數(shù)量與端面面積之比。

圖2 磨頭Fig.2 Grinding head

表1 2 種磨頭端面的磨粒數(shù)及密度Tab.1 Number and density of abrasive grains on the end face of two kinds of grinding heads

1.2 試驗(yàn)方案

磨削試驗(yàn)前，先用日本HIROX 公司的KH-8700 三維視頻顯微鏡觀察記錄各個(gè)磨頭磨削前的原始表面形貌。

磨削試驗(yàn)時(shí)，將磨頭裝在北京精雕科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的JD LVG600E_A10 型精雕機(jī)上，對(duì)氧化鋯陶瓷塊的10 mm×10 mm 平面進(jìn)行磨削。磨削試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，陶瓷磨削參數(shù)如表2所示。為了觀察磨頭磨削過(guò)程中的磨粒磨損變化，每加工0.2 mm 的工件深度，就對(duì)磨頭進(jìn)行超聲清洗、晾干，并采用三維視頻顯微鏡對(duì)加工后的磨頭端面形貌進(jìn)行觀察并記錄。根據(jù)磨頭端面形狀特點(diǎn)，將磨頭端面劃分為3 個(gè)區(qū)域，如圖4所示，靠近磨頭端面圓周邊緣的區(qū)域?yàn)锳區(qū)，磨頭端面中心的區(qū)域?yàn)镃區(qū)，A區(qū)與C區(qū)之間的區(qū)域?yàn)锽區(qū)。選取100 顆分布于A、B、C區(qū)固定位置的金剛石磨粒進(jìn)行觀察，統(tǒng)計(jì)其完整、磨平、破碎、脫落磨粒的數(shù)量，直到磨頭完全磨損至不能工作為止。

圖4 磨頭端面區(qū)域劃分Fig.4 Division of grinding head end face area

表2 陶瓷磨削參數(shù)Tab.2 Parameters for grinding ceramic

圖3 磨削試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Grinding test system

通過(guò)分析陶瓷材料累計(jì)去除體積與磨粒磨損數(shù)量之間的關(guān)系，探究2 種釬料磨頭的耐磨性和磨粒磨損特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別在表2 條件下進(jìn)行銅基和鎳基磨頭磨削氧化鋯陶瓷工件試驗(yàn)，磨頭在磨削時(shí)打滑而不能磨削材料時(shí)試驗(yàn)終止，也即試驗(yàn)完成。然后，分別對(duì)2 種磨頭的陶瓷累計(jì)去除體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)銅基磨頭的陶瓷累計(jì)去除體積為440 mm3，鎳基磨頭的陶瓷累計(jì)去除體積為360 mm3，銅基磨頭的去除體積約是鎳基磨頭的1.2 倍，因此銅基磨頭壽命是鎳基磨頭的1.2 倍，銅基釬料對(duì)金剛石磨粒把持力較好。

2.1 銅基磨頭端面形貌變化

銅基磨頭磨削不同體積材料前后的端面形貌變化如圖5所示。其中：圖5a 是銅基磨頭磨削前的端面形貌，圖5b～圖5f 分別為去除陶瓷體積分別為60,100,300,420 和440 mm3時(shí)的磨頭端面形貌。由圖5 可知：磨頭磨削前，除個(gè)別磨粒存在破碎外，其他金剛石磨粒都為完整磨粒；陶瓷磨削體積達(dá)60 mm3時(shí)，A區(qū)少量金剛石出現(xiàn)以磨平為主的磨損情況。隨著磨削過(guò)程的進(jìn)行，B區(qū)較為突出的磨粒也開(kāi)始逐漸出現(xiàn)磨損；當(dāng)陶瓷磨削體積為100 mm3時(shí)，A區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)少許磨粒的脫落和破碎，C區(qū)中少量磨粒出現(xiàn)磨損，同時(shí)B區(qū)中已經(jīng)磨損的磨粒磨損加?。划?dāng)陶瓷磨削體積為300 mm3時(shí)，A區(qū)與B區(qū)內(nèi)大量磨粒被磨平，同時(shí)A區(qū)域邊緣大量磨粒脫落，且銅基釬料開(kāi)始被磨削，但C區(qū)磨粒只有少量磨粒磨損；當(dāng)磨削量達(dá)到420 mm3時(shí)，A區(qū)磨粒磨損最嚴(yán)重，大量磨粒脫落，銅基釬料磨損嚴(yán)重。B區(qū)次之，磨粒主要以磨平和脫落2 種形式磨損。但C區(qū)僅有少量磨粒磨損；當(dāng)陶瓷磨削量達(dá)到440 mm3時(shí)，基體翹起導(dǎo)致磨頭失效。

圖5 銅基磨頭磨削前后表面形貌變化Fig.5 Changes of surface topography before and after grinding with copper-based grinding head

通過(guò)對(duì)銅基磨頭磨削過(guò)程的端面形貌觀察，可以發(fā)現(xiàn)：銅基磨頭的磨損主要從磨頭邊緣開(kāi)始，然后逐步向中心擴(kuò)散，但磨損區(qū)域主要位于磨頭邊緣，磨粒的磨損開(kāi)始時(shí)主要以磨平形式為主。

2.2 鎳基磨頭端面形貌變化

鎳基磨頭磨削不同體積材料前后的磨頭端面形貌變化如圖6所示。其中：圖6a 是鎳基磨頭磨削前的端面形貌，圖6b～圖6e 分別為去除陶瓷體積分別為60,100,340 和360 mm3時(shí)的磨頭端面形貌。如圖6所示：磨頭磨削前，除個(gè)別磨粒存在破碎外，其他金剛石磨粒都為完整磨粒；陶瓷磨削體積達(dá)60 mm3時(shí)，A區(qū)少量磨粒脫落，隨后A區(qū)和B區(qū)都有少許磨粒開(kāi)始被磨平；當(dāng)陶瓷磨削量達(dá)到100 mm3時(shí)，A區(qū)磨粒脫落情況加劇，A區(qū)和B區(qū)中磨平磨粒數(shù)量增多，C區(qū)中少量磨粒出現(xiàn)脫落。在隨后的磨削過(guò)程中，磨頭的磨損形式主要以磨粒脫落為主，其中A區(qū)內(nèi)磨粒脫落最嚴(yán)重。而在未脫落的磨粒中，A區(qū)和B區(qū)的磨粒磨損形式主要以磨平為主，C區(qū)磨粒磨損較小，只有少數(shù)磨粒脫落；當(dāng)陶瓷磨削量達(dá)到約340 mm3時(shí)，A區(qū)磨粒脫落數(shù)量接近50%，少數(shù)磨粒脫落時(shí)在釬料上留下脫落痕跡，可以看出其脫落方向與磨頭旋轉(zhuǎn)方向相反；當(dāng)陶瓷磨削量達(dá)到360 mm3時(shí)，A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的磨粒都出現(xiàn)大量脫落，磨頭無(wú)法工作。

圖6 鎳基磨頭磨削前后表面形貌變化Fig.6 Changes of surface topography before and after grinding with nickel-based grinding head

通過(guò)對(duì)鎳基磨頭磨削過(guò)程的形貌觀察，可以發(fā)現(xiàn)：鎳基磨頭的磨損也主要是從磨頭的邊緣開(kāi)始的，然后逐步向中心擴(kuò)散，最后以大量磨粒脫落的形式造成磨頭失效，其中磨頭邊緣磨損最嚴(yán)重。

2.3 磨頭的磨損特性及原因分析

2.3.1 磨頭的磨損特性

銅基磨頭磨削陶瓷時(shí)的磨粒數(shù)量隨累計(jì)去除體積的變化如圖7所示。由圖7 可知：從整個(gè)磨削過(guò)程看，磨頭端面的磨粒依次經(jīng)歷從完整到磨平、脫落和破碎等的主要順序過(guò)程，其磨粒磨平數(shù)量全程最高，同時(shí)磨粒磨平的速度呈現(xiàn)先快后慢再變快的趨勢(shì)。在陶瓷磨削體積達(dá)300 mm3之前，磨粒破碎的數(shù)量高于磨粒脫落的數(shù)量，而之后則相反。說(shuō)明磨削體積達(dá)到300 mm3時(shí)是銅基磨頭加工的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而此轉(zhuǎn)折點(diǎn)與磨粒磨平速度的最低點(diǎn)接近，使磨削時(shí)銅基磨頭一部分磨粒依次經(jīng)歷了破碎、磨平、脫落的過(guò)程。因而可以推斷，在磨粒磨損過(guò)程中，一部分金剛石磨粒出現(xiàn)了破碎自銳，自銳的金剛石將更有利于磨削氧化鋯陶瓷，這可能是銅基磨頭耐磨性較好的原因。

圖7 銅基磨頭磨粒數(shù)量隨磨削材料累計(jì)去除體積的變化Fig.7 Variation of abrasive particle numbers of copper-based grinding head with cumulative material removal volumes

鎳基磨頭磨粒數(shù)量隨陶瓷材料累計(jì)去除體積的變化如圖8所示。由圖8 可知：磨頭端面磨粒同樣也是由完整、磨平、破碎和脫落構(gòu)成。磨頭上金剛石磨粒的磨損形式按照主次排列依次為脫落、破碎和磨平，說(shuō)明鎳基磨頭的磨粒失效形式主要為磨粒脫落；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)：鎳基磨頭的磨損在前期都比較穩(wěn)定，當(dāng)材料累計(jì)去除體積達(dá)360 mm3時(shí)，破碎和磨平的磨粒數(shù)從前期的增長(zhǎng)變?yōu)橄陆?，而磨頭磨粒脫落數(shù)量則出現(xiàn)了爆炸式增長(zhǎng)，減少的破碎、磨平的磨粒都在最后一次磨削過(guò)程中脫落，說(shuō)明鎳基磨頭加工過(guò)程的緩慢磨損積累到最后會(huì)以磨粒脫落的形式使其失效。

圖8 鎳基磨頭磨粒數(shù)量隨磨削材料累計(jì)去除體積的變化Fig.8 Variation of abrasive particle numbers of nickel-based grinding head with cumulative material removal volumes

2.3.2 磨頭的磨損原因分析

通過(guò)圖5 和圖6 對(duì)磨頭磨削過(guò)程端面形貌變化的觀察，可以發(fā)現(xiàn)：銅基、鎳基2 種釬料磨頭的磨損都是從磨頭邊緣開(kāi)始，然后逐步向中心擴(kuò)散，直至磨粒磨損嚴(yán)重而失效無(wú)法工作。同時(shí)，觀察圖7 和圖8 可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)完整磨粒數(shù)量占比低于40%，即磨粒磨損數(shù)量達(dá)到或超過(guò)60%時(shí)，2 種釬料的磨頭都接近失效。

究其原因，如圖9所示：磨頭工作時(shí)，與工件首先接觸的只有磨頭端面的磨粒；且在橫向進(jìn)給過(guò)程中，最先磨削工件的磨粒為磨頭端面邊緣的磨粒，磨頭端面內(nèi)靠近中心部分的磨粒在磨削過(guò)程起輔助磨削作用，這導(dǎo)致磨頭端面邊緣磨粒比靠近中心的磨粒更快磨損。

圖9 磨頭磨削過(guò)程示意圖Fig.9 Schematic diagram of grinding process of grinding head

當(dāng)磨頭端面邊緣磨粒大部分磨損時(shí)，剩下的完整磨粒幾乎都位于磨頭端面中心處，由于離磨頭中心越近磨粒線速度越低，磨粒越難去除工件材料，從而導(dǎo)致靠近磨頭中心的磨粒受到擠壓而滑移脫落，使得磨頭快速失效，最后造成圖5f、圖6e所示的結(jié)果。

圖10 為磨粒的脫落過(guò)程。在磨粒磨損過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不論磨粒開(kāi)始以何種形式磨損，隨著材料累計(jì)去除體積的增加，最終磨粒幾乎都會(huì)以脫落的形式失效。推測(cè)其原因可能為：磨頭制備時(shí)，由于磨粒粒度較小，為保證磨粒的等高性而控制了釬料厚度，導(dǎo)致磨粒的釬料支撐壁較薄，如圖10a所示。磨削時(shí)，隨著磨粒磨損，磨粒所受載荷增加，當(dāng)磨粒所受載荷大于釬料支撐壁可承受載荷時(shí)，釬料支撐壁隨即破裂，磨粒從釬料支撐壁的一側(cè)脫落，其脫落方向與磨頭旋轉(zhuǎn)方向相反，從而形成磨粒的脫落軌跡，如圖10b、圖10c所示。

圖10 磨粒脫落過(guò)程Fig.10 Abrasive particle shedding process

3 結(jié)論

在相同工藝條件下，對(duì)比了銅基和鎳基2 種釬料制備的細(xì)粒度尺寸金剛石釬焊金剛石磨頭磨削氧化鋯陶瓷的耐磨性，并同時(shí)分析其磨頭的磨損特性及原因。得出如下結(jié)論：

（1）2 種釬料的磨頭都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋯陶瓷的平面磨削。銅基磨頭的陶瓷累計(jì)去除體積為440 mm3，鎳基磨頭的陶瓷累計(jì)去除體積為360 mm3，銅基磨頭壽命是鎳基磨頭的1.2 倍。銅基釬料磨頭的陶瓷累計(jì)去除體積高，銅基釬料對(duì)金剛石把持力較好。

（2）銅基釬料的磨頭金剛石磨粒磨損的順序?yàn)槟テ?、脫落和破碎，而鎳基釬料的金剛石磨頭磨粒的磨損形式順序?yàn)槊撀?、破碎和磨平?/p>

（3）2 種釬料磨頭的磨損都主要從磨頭端面邊緣開(kāi)始，逐步向中心擴(kuò)散，直至磨粒磨損嚴(yán)重而導(dǎo)致磨頭失效。