BCB砂轮ELID磨削单晶硅工艺实验研究

李　伟，戴　杰

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

BCB砂轮ELID磨削单晶硅工艺实验研究

李伟，戴杰

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：ELID磨削主要采用铸铁结合剂砂轮，但是该砂轮在使用过程中有明显的弊端，如砂轮难以制造，价格也比较高，且无法保证加工表面的清洁度.将新型环保型竹炭结合剂砂轮(BCB砂轮)与ELID磨削技术相结合，可开发一种使用简便、制作简易、并且可以达到优良的加工表面质量的新型超精密加工方法与技术.通过BCB砂轮进行单晶硅ELID磨削工艺实验，研究磨削参数对单晶硅ELID磨削表面质量，切向磨削力的影响.实验结果显示：BCB砂轮进行单晶硅ELID磨削加工过程中磨削性能良好，可获得高效率、高质量表面加工效果.

关键词：ELID磨削；BCB砂轮；表面质量；切向磨削力

单晶硅材料具有高硬度、高脆性、耐高温等诸多优点，广泛应用于信息技术产业以及太阳能产业，随着这两个产业的快速发展，其对单晶硅的质和量的要求都大大提高，相应的对加工要求也明显提高：高精度、高表面质量，加工后可以达到镜面效果，同时单晶硅又属于典型的硬脆难加工材料，对于传统的机械加工方式来说是很大的挑战[1].

在磨削加工中，影响磨削加工表面质量和加工效率的两个重要原因就是砂轮易堵塞和磨粒易变钝，解决单晶硅、蓝宝石等硬脆材料的磨削加工的关键技术之一就是在磨削过程中保持砂轮磨粒的锋利状态[2].在线电解修整(Electrolytic in-process dressing,简称ELID)磨削技术利用电化学原理可以电解腐蚀砂轮表面铸铁结合剂，使得磨粒露出结合剂表面，在磨削过程中始终保持锋利状态，在对硬脆材料进行磨削加工时，可获得高效率超精密磨削加工效果[3-4].目前，铸铁结合剂砂轮广泛地运用在ELID磨削加工中，但是该砂轮有明显的不足：难加工，价格高，且加工时易造成二次污染[5].因此，此次试验将竹炭结合剂(BCB)砂轮与ELID磨削加工技术相结合，通过改变相关参数进行单晶硅加工实验，来研究磨削参数对单晶硅ELID磨削加工中的切向磨削力、表面粗糙度的影响规律，并研究单晶硅ELID磨削加工原理.

1磨削试验条件

1.1试验装置

本次实验装置主要是由ELID脉冲电源、ELID平面磨床及BCB砂轮等组成，检测装置包括：钳形电流探、示波器以及粗糙度测量仪等.实验中采用的BCB砂轮主要由酚醛树脂固化剂、热固性酚醛树脂、磨料及竹炭粉四部分组成.它的原材料主要是竹炭材料，利用酚醛树脂进行粘结，再经高温炭化获得BCB砂轮[6].磨削加工实验装置如图1所示.

图1　单晶硅 ELID 磨削加工系统图Fig.1　ELID grinding system

1.2磨削力测量装置及方法

本次实验利用CP8100L钳形电流探头测量磨削加工过程中砂轮电机的电流，该钳形电流探头其工作原理是测量导线中干扰电流信号的磁环，根据该磁环可以间接算出电机中电流的大小.使用时将它固定在砂轮电机的导线上，便可以收集砂轮电机中的电流信号，通过与示波器的相连便可以实时存储和记录ELID磨削加工过程中砂轮电机中电流大小.实验采用Agilent Technologies DSO6014A的存储示波器进行磨削过程中主轴电机电流信号存储，储存示波器采集记录的电信号可计算出切向磨削力，为磨削力分析提供准确的数据基础[7-8].

通过测算出电流大小可以算出电机消耗的功率，并且可以使用功率法来测量切向磨削力.功率法的原理是通过磨削加工过程中驱动砂轮主轴电机的实际的消耗功率来计算得出磨削过程中砂轮磨削力的大小[9].由于磨床砂轮的主轴与主轴电机之间直接通过联轴器相连，所以驱动砂轮的动力由主轴电机单独提供，测出电机的功率也就得到了砂轮在磨削过程中消耗的功率.通过测量的电流数据可以得到主轴电机的功率Ph，然后乘以机械传动效率(取0.7)算出砂轮实际消耗的功率P0，再根据关系式计算可得

(1)

式中：P0为砂轮实际消耗的功率；ns为砂轮转速；Ft为切向磨削力；ds为砂轮外直径.

功率计算方法使用简便，通过测量相关数据便可以算出磨削力的大小，在磨削加工中都可适用，但是不同的磨削系统会对测量以及计算的结果产生影响，所以利用功率法计算磨削力时，要在磨削加工的现场进行，并依据具体情况排除干扰因素，测算各种因素的影响以便得到更加精确的磨削力的数据[10].

1.3粗糙度测量装置

本实验中对磨削加工后的单晶硅表面进行粗糙度的检测主要是使用Mahr perthometer S2表面粗糙度测量仪，其简单便捷的使用方法有利于准确快速地测出工件表面的粗糙度.

2电源参数对表面粗糙度和磨削力的影响

本实验是将新型环保型竹炭结合剂砂轮(BCB砂轮)以及ELID磨削技术相结合，利用开发的ELID磨床以及相关的检测设备进行单晶硅ELID磨削工艺实验研究，实验装置主要包括：侧卧矩形台平面磨床、竹炭结合剂氧化铝砂轮、高频直流脉冲电源、自制的磨削液等，其中磨削与电解电源参数如表1所示.

表1　磨削及ELID电源参数表

2.1电解电压对单晶硅表面粗糙度和切向磨削力的影响

其他实验条件以及参数不变的情况下，分别在60，90，120 V三挡不同电压下，进行单晶硅的ELID磨削加工实验.图2，3为电解电压对于加工表面粗超度与切向磨削力影响的实验结果.

由图2，3可得出：当其他的实验条件参数不变的情况下，电解电压上升则带来ELID磨削加工后单晶硅表面粗糙度随之增加，尤其是将电解电压由90 V上升到120 V，表面粗糙度大幅增加，相比之下对切向磨削力的影响没有那么明显，电压增大时，切向磨削力只是略微地减小.其主要原因是当提高ELID磨削的电解电压时，电解砂轮结合剂的速度也相应变快，带来的结果是：砂轮上的磨粒出刃的高度就会增大，其中参与磨削的磨粒数量就会增大，砂轮的容屑空间也会相应增大，所以就会导致ELID磨削过程中磨削力的减小.当电解电压增大时，氧化膜的生成速度会变快，其厚度相对也会加大，这样就会导致氧化膜变得疏松质量变差，同时过厚的氧化膜造成了磨削力不足，单晶硅表面加工时未能得到充分磨削，致使单晶硅表面的粗糙度也随之增大.

图2　电解电压与表面粗糙度的关系Fig.2　Electrical voltage VS surface roughness

图3　电解电压与切向磨削力的关系Fig.3　Electrical voltage VS Grinding force

综上可知：当ELID磨削加工过程中电解电压较高时，电解砂轮的速度就会过快，从而导致氧化膜质量较差，加工后的工件表面质量也较差；当电解电压较低时，氧化膜质量会较好有利于提高加工表面质量，但是这样会导致氧化膜生成速率慢，切削效率偏低，所以兼顾各方面因素，决定在后续加工过程中主要采用90 V电解电压.

2.2占空比对单晶硅表面粗糙度和切向磨削力的影响

其他实验参数及条件不变并采用90 V电解电压，分别调节占空比为1/4，2/4，3/4进行ELID磨削单晶硅实验，占空比变化对于单晶硅表面粗糙度和切向磨削力的影响结果分别如图4，5所示.

由图4，5得知：当占空比由1/4增大到3/4时，加工后单晶硅表面粗糙度刚开始减小随后增大，而切向磨削力刚开始增大随后减小.其原因主要是：占空比增大时，就意味着在一个周期内电解时间变长，间歇时间变短，这样会使砂轮的电解速率提高，有利于提高氧化膜的质量，单晶硅的磨削加工表面质量也会较好.但是占空比过大时就会使结合剂长时间处于电解状态，就会致使氧化膜的质量变差，最终导致单晶硅的加工表面精度变差. 因此，为了均衡经济性和加工表面质量，取占空比为2/4较好.

图4　占空比与表面质量的关系Fig.4　Electrical duty ratio VS surface roughness

图5　占空比与切向磨削力的关系Fig.5　Electrical duty ratio VS Grinding force

3磨削参数对表面粗糙度和切向磨削力的影响

3.1水平进给速度对表面粗糙度和切向磨削力的影响

在其他实验参数及条件相同的情况下并采用90 V电解电压与2/4的占空比，分别在不同的工作台水平进给速度下进行对单晶硅进行ELID磨削加工，其实验结果如图6，7所示.

图6　水平进给速度与表面粗糙度关系Fig.6　Relationship of feed rate and surface roughness

图7　水平进给速度与切向磨削力关系Fig.7　Relationship of feed speed and tangential grinding force

由图6可知：当工作台水平进给速度增大时，无论是ELID还是非ELID磨削，单晶硅加工表面的粗糙度都会随之增大.这是由于：增加水平进给速度，单颗磨粒切深就会增加，进而导致磨削力增大以及机床主轴振动加强，从而造成表面粗糙度增大.上述实验结果表明了ELID磨削表面粗糙度与切向磨削力相比非ELID磨削均降低很多.

由图7可知：切向磨削力的变化趋势与表面粗糙度的变化趋势非常相似.当水平进给速度增加时，在ELID与非ELID两种磨削状态下切向磨削力均增大，这是因为增大水平进给速度增加了单个磨粒所要磨削的厚度，致使每个磨粒上切向磨削力都相应增大，故导致整个加工过程中切向磨削力的增大.

3.2砂轮转速对表面粗糙度和切向磨削力的影响

在与上述相同的实验参数及条件下，分别在1 500 r/min和3 000 r/min的砂轮转速下对单晶硅进行磨削加工，其结果如图8， 9所示.

由图8知：当增大砂轮转速时，无论是ELID磨削还是非ELID磨削，其切向磨削力都会随之减小，但ELID磨削力减小相对较少，造成这种现象的原因是砂轮转速的增大使得单位时间参与磨削的磨粒数量增加，使得单颗磨粒需要切削的厚度变小，故单个磨粒上产生的切向磨削力减小，导致整体切向磨削力相应减小.但ELID磨削情况下 增大了砂轮转速则缩短了砂轮表面电解时间，导致砂轮表面氧化膜不易充分生成，影响了砂轮部分磨削性能.

由图9可知：当砂轮转速增大时，ELID与非ELID磨削后的单晶硅表面的粗糙度都相应减小，但是非ELID磨削中表面粗糙度的降低较为明显，而ELID磨削过程中表面粗糙度的降低变化表现较平缓.造成这种现象的主要原因是增大了砂轮转速则缩短了砂轮表面电解时间，导致砂轮表面氧化膜不易充分生成，所以其加工表面质量提高相对不明显.

图8　砂轮转速与切向磨削力关系Fig.8　Grinding wheel rotation speed and the tangential grinding force

图9　砂轮转速与表面粗糙度的关系Fig.9　Grinding wheel speed and surface roughness

4结论

通过磨削实验研究了ELID磨削以及非ELID磨削加工下磨削参数变化对于单晶硅材料切向磨削力、表面粗糙度的影响，实验结果表明：切向磨削力随着水平进给速度以及砂轮转速的增大而减小；表面粗糙度随着砂轮转速的增大而减小，随着水平进给速度的增大而增大，过高的砂轮转速会使砂轮表面电解时间缩短从而导致ELID磨削的部分磨削性能降低.在单晶硅的ELID和非ELID磨削过程中切向磨削力和表面粗糙度变化规律相同，但ELID磨削加工的磨削性能明显优于非ELID磨削加工，并且单晶硅加工表面质量依靠ELID磨削加工得到了明显提高.采用BCB砂轮ELID磨削技术可以避免生较大的切向磨削力，尤其对于单晶硅，蓝宝石等功能材料超精密加工具有重要意义.

参考文献：

[1]张春河.在线电解修整砂轮精密镜面磨削理论及应用技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，1996.

[2]金卫东.硬脆材料氮化硅陶瓷的ELID超精密磨削技术研究[D].天津：天津大学，2005.

[3]KIM H Y, AHN J H, SEO Y H. Study on the estimation of wheel state in electrolytic in-process dressing(ELID) grinding[J]. ISIE，2001(3):1615-1618.

[4]袁立伟，任成祖，舒展，等.ELID超精密镜面磨削钝化膜状态变化的研究[J].航空精密制造技术，2006，42(2):5-8.

[5]李伟，于天明.环保型BCB砂轮烧结工艺及其磨削性能研究[J].浙江工业大学学报，2009(5):8-13.

[6]陈晓.利用木材介空结构制备新型复合材料研究进展[J].高分子材料科学与工程,2003,19(6):32-36.

[7]李伟，马明明.单晶硅的ELID磨削原理与技术研究[D].杭州：浙江工业大学，2012.

[8]王树启，黄红武.砂轮在线电解修锐(ELID)技术在工程陶瓷高速磨削中的应用研究[D].长沙：湖南大学，2006.

[9]李伟，詹方勇.ELID磨削智能能加工技术[J].浙江工业大学学报，2015，43(1):39-43.

[10]庄司克雄.磨削加工技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

(责任编辑：刘岩)

Study on ELID grinding of single crystal silicon with BCB grinding wheel

LI Wei, DAI Jie

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Electrolysis In-process Dressing(ELID) grinding mainly uses the cast iron bonded grinding wheel, however it is expensive for manufacturing, and the making process is complex and difficult. During the grinding process of silicon, sapphire and other functional materials, it is easy to cause pollution to the ground surface of these materials. This paper proposed a new kind of grinding wheel, which uses the bamboo charcoal bonded (BCB) grinding wheel, and applied to ELID grinding for single crystal silicon. Based on the ELID grinding experiments, the grinding parameters (electrolytic voltage, duty ratio and vertical feed, and grinding wheel rotation speed etc.) influence of the tangential grinding force, and ground surface roughness have been studied, the experimental results showed that, the ELID grinding process has the excellent grinding performance, a precision and efficient grinding process for silicon has been gained by the ELID grinding with BCB grinding wheel.

Keywords:ELID grinding; BCB grinding wheel; surface quality of the workpiece; tangential grinding force

收稿日期：2015-12-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50775207)

作者简介：李伟(1961—)，男，吉林梅河口人，教授，研究方向为超精密加工技术，E-mail：weilihz@163.com.

中图分类号：TH161+.1

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)03-0275-04