固结磨料研磨在脆硬材料加工中的应用

王光祖，崔仲鸣

(1.郑州磨料磨具磨削研究所，河南 郑州 450001；2.河南工业大学 机电学院，河南 郑州 450001)

0 引言

研磨抛光加工是一种传统精密、超精密的磨粒加工技术，通常用于对磨削加工后的表面进一步提高加工表面精度的工序，将平面度降低至微米或亚微米，去除前道工序产生的损伤层，为化学机械研磨、抛光获得超光滑表面做准备[1-3]。

传统的研磨加工是采用游离磨料研磨方法，通过自由磨粒在研磨盘和工件之间的作用，通过划擦、滚压去除材料。传统研磨是采用进化法形成加工表面的，可以取得非常高的形面精度和极低粗糙度的超光滑表面，但是由于游离磨粒的运动有很大的随机性，存在研磨过程中磨粒团聚、磨粒运动不可控等因素，容易造成切削量的不均匀、磨粒嵌入等现象，影响工件被加工表面质量，同时，游离磨料研磨存在效率比较低、磨粒利用率低、工艺成本高、污染工件和环境等问题[4]。

把研磨系统中的研磨盘换成像固结磨料磨具那样的盘，就形成了固结磨料研磨抛光技术[5-6]，可以通过对磨粒排布的控制实现有规则分布，实现研磨过程均匀切削，同时磨粒固结在基体中，提高了脱落的难度，虽然降低了研磨盘的自修整能力，但提高了研磨盘的精度保持性，另外最大的优势是大大提高了研磨效率，近年来在一些难加工材料的加工应用中得到了快速发展。

1 固结磨料研磨原理及优势

研磨是一种传统的磨粒加工方法，与磨削相比磨粒切削工件的速度比较低，通常速度只有几米/秒，属于低速磨削范畴。由于切削速度低，产生的切削热量少，可以获得更好的表面质量。传统研磨原理如图1所示，磨粒采用游离非约束状态进入研磨区，通过研磨盘、工件和游离磨粒之间的相互作用去除材料。由于研磨盘和工件的材料硬度都低于游离磨粒，所以在研磨过程中研磨盘和工件能形成互相修正的进化式加工，向提高加工精度方向发展。由于游离磨粒研磨过程中，在研磨盘的滑压下多以滚压形态作用于材料表面，以压裂方式去除材料，因此容易造成硬脆材料工件表面裂纹、凹坑等缺陷。

图1 传统自由磨粒研磨抛光原理[7]

固结磨料研磨是将研磨盘表面采用结合剂固结磨粒形成研磨工作层(图2)，通过研磨盘中的固结磨粒切削工件形成加工。由于研磨盘中有硬质点的磨料，所以研磨盘不易被修整，不能形成进化式加工系统，研磨盘的精度需要靠专门的修整工序维持。但是固结研磨盘磨粒粒度比较粗，切削能力比较强，研磨效率可以大幅度提高。

图2 固结磨料研磨抛光原理[7]

固结磨料研磨抛光技术适合应用于加工一些比较容易粘黏堵塞磨具、易嵌入的金属和硬脆性高的材料，以及要求加工效率比较高的场合。如目前光学元件、半导体、精细陶瓷、蓝宝石等工件的超精密加工。

通过应用表明[7-8]，相比传统游离磨料研磨加工，固结磨料研磨技术具有更高的磨削效率和更低的成本。此外固结磨料研磨研抛过程中，研磨盘表面磨粒有一定的凸起裸露高度，除了增加磨粒的锋利性之外，还可以起到容屑输送研磨液排屑的作用，也有效避免了传统游离磨料抛光中常见的釉化现象，研抛液中不需要配置磨粒，加工表面不容易嵌入磨粒等异物，废液处理简单，符合绿色环保的要求。

2 固结磨料的应用

2.1 用于石英玻璃的研磨

石英玻璃在光谱中具有更好的渗透性、可透射的光谱频带宽、热膨胀系数低、优良的电绝缘性、抗腐蚀等优点，因而被广泛应用于航天、光电、激光、通讯等工业领域[9-10]。石英玻璃属于高硬度的硬脆材料，磨粒加工技术是石英玻璃器件的表面精密超精密加工的主要方法。但是由于石英玻璃这类材料具有脆性大、断裂强度和屈服强度比较接近的特点, 在对其表面采用传统的游离磨料超精密研磨过程中，由于游离磨料的滚压效应，容易在其表面一定深度范围内产生裂纹、凹坑等缺陷。此外由于自由磨粒粒度非常细，导致研磨抛光效率极低[11]。

由于固结磨料研磨加工硬脆材料时具有很多优点，所以在很多难加工材料特别是光学玻璃加工中得到了广泛应用[12]。在选用合适的磨粒粒度和组织结构时，固结磨料研磨相比于游离磨料研磨可显著提高石英玻璃加工的材料去除率，同时获得质量更好的纳米级光滑表面[13-14]。固结磨粒的研磨盘通常采用树脂结合剂，磨料采用单颗粒磨料或多颗粒磨粒团结构磨料，如图3所示。多颗粒团状磨料磨具也可以称之为团族式磨粒超硬磨料磨具[15]，这种磨具制造过程中利用陶瓷结合剂和树脂结合剂结合强度差异，采用团族式构造磨粒技术制造超硬磨料磨具，先采用脆性的陶瓷结合剂将数粒超硬磨粒黏结成大一点粒度的团族式构造磨粒，再采用柔性的树脂结合剂与团族式构造磨粒混合制造树脂结合剂团族式构造磨粒超硬磨料磨具(图4)，这种多颗粒团磨料相比于单晶磨料具有更大的磨粒裸露高度和微细的磨刃，既提高了磨具的磨削能力，同时又保持了磨削的精密性。

图3 固结磨料研磨抛光系统[14]

图4 多颗粒团状磨粒磨具[15]

由于固结磨料研磨抛光中的材料去除机理是磨粒对工件的切削作用实现了材料去除，因此磨料的类型和粒径直接影响着加工效果。因此为提高石英玻璃加工材料的去除率、改善其表面质量，研磨垫的固结磨粒种类、粒度、结合剂以及磨料层的组织等因素是影响其加工效率和表面质量的关键因素。

王文泽等[16]对单晶磨料固结研磨垫的磨粒粒径对加工石英玻璃的效率和表面质量进行了试验研究，采用不同粒度的的金刚石均匀分布固结磨料研磨垫加工石英玻璃，结果表明，磨料的粒度对研磨效率和表面粗糙度均有显著影响(图5)，研磨效率和磨料粒径成正比，磨粒粒度越细粗糙度越低，其中用粒径14 μm的金刚石固结磨料研磨垫加工石英玻璃，获得材料去除率为5.65 μm/min、表面粗糙度值Ra为66.8 nm的结果。

图5 固结磨料研磨粒度对效率和粗糙度的影响[16]

朱永伟等[17]对单颗粒和多颗粒磨粒团结构磨料式磨粒固结研磨进行了对比研究，将3～5 μm的单晶金刚石和由3～5 μm制成的(类)多晶金刚石(粒度270/300目)用同样的配方分别制成固结磨料研磨垫对石英玻璃进行精研。试验结果表明，多颗粒聚集磨粒的研磨效率和表面质量优于单颗磨粒固结研磨垫(图6)，获得了材料去除率为2.5～3.0 μm/min、表面粗糙度Ra为26.6 nm的良好表面。

图6 不同磨粒固结研磨垫的效率比较[17]

2.2 用于高效研磨氟化钙晶体

CaF2晶体是典型的萤石型的立方结构(图7)，具有良好的光学性能、机械性能和化学稳定性, 是一种非常重要的光功能晶体,可以用做光学晶体、激光晶体和无机闪烁晶体。因而被广泛应用于航空航天，光刻、激光等领域[18-19]。

图7 CaF2晶体结构示意图

CaF2晶体的热导率低、热膨胀系数高、硬度低，加工过程中容易边缘碎裂和整体断裂，表面抛光困难，容易残留抛光痕迹[20-21]。目前CaF2的加工流程：切割、粗磨和研抛，其中研磨抛光是CaF2材料表面精密超精密加工的主要方法。

沈功明等[22]较为系统地研究了采用单晶金刚石磨料和多颗粒磨粒团金刚石磨料研磨CaF2晶体。试验中采用树脂结合剂制成单颗粒和多颗粒磨粒团两种固结金刚石磨料研磨盘，其中采用单晶金刚石磨粒的研磨垫中磨粒的粒径3～5 μm；多颗磨粒团颗粒直径为50～75 μm，磨粒团由3～5 μm的单晶金刚石加结合剂烧结形成，采用相同的工艺参数对试件进行研磨。结果表明两种FAP的性能差异很大，比如单晶金刚石固结磨料垫的材料去除率随着加工时间的延长有持续走低的现象，且总体效率低。

对比单晶金刚石FAP和多颗粒金刚石磨粒团与CaF2工件的接触模型(图8和图9)，可以看出，在研磨过程中多颗粒团金刚石 FAP中，每颗有效磨粒球所承受的研磨压力远高于单晶磨料的 FAP中每颗磨粒所承受的压力，所以多颗粒团状磨粒研磨垫研磨时，磨粒有更深的切深和更高的突出高度, 因此具有更高的切削效率，这也是多颗粒团状磨粒固结研磨盘在加工中的优势。

图8 单晶金刚石FAP与工件的接触模型

图9 聚集体金刚石FAP与工件的接触模型

研究结果显示：采用初始粒径3～5 μm 的单晶金刚石制备磨粒30～75 μm多颗粒金刚石磨粒团FAP，与粒径3～5 μm的单晶金刚石磨粒制备的FAP对比研磨CaF2晶体，前者具备较高的材料去除率，且去除效率稳定。在100 N压力下，用多颗粒金刚石团FAP研磨CaF2晶体时，材料去除率稳定在13.0 μm/min，表面粗糙度Ra为130 nm，且可以实现FAP的自修整过程。但无论是50 N还是100 N压力下，多颗粒体金刚石磨粒团FAP加工CaF2晶体表面粗糙度均远高于单晶金刚石FAP所加工的粗糙度。

2.3 用于研磨TC4钛合金

钛材料主要指钛合金、钛铝金属间化合物和钛基复合材料，钛合金具有弹性模量低、密度低、导热系数低等特点，同时具备优良的综合力学性能，耐高温腐蚀性能等。目前钛合金材料的表面精密制造的主要加工方法是刀具切削和磨粒研削，在传统加工中，容易出现加工变形、刀具损耗快、表面热损伤、表面污染和残余拉应力等问题[23-26]。

TC4钛合金强度≥895 MPa，密度低、导热系数低，抗腐蚀与蠕变性能好，工作温度400℃，是航空发动机轮叶片的主要材料之一[27-28]。目前的加工方法主要是切削和磨削[29]，由于钛合金较低的热导率使切削热很难传出，弹性模量低使工件材料弹性变形大，这些会造成刀具的加速磨损和工件表面热影响层变厚，降低零件的力学性能。研削的切削低速特性，有利于钛合金加工表面质量，是一个值得探索的领域[30]。

王健杰等[31]开展TC4钛合金研磨实验，利用球形固结磨料磨头开展了不同粒径以及磨料种类对TC4钛合金研磨材料去除率及表面质量的影响试验研究。图10为球头研磨试验原理，球形研磨头上磨粒露出结合剂层的部位与工件产生机械作用，对工件材料产生塑性或类塑性去除，由于研磨时磨粒切削速度低，切削应力小，可以显著降低材料表面及亚表面损伤，可有效解决 TC4钛合金难切削、工件表面易烧伤等问题。

图10 球头研磨工具和研磨原理

试验分别采用粒径1～3 μm、5～10 μm、20～30 μm的碳化硅以及粒径12～22 μm、20～30 μm的金刚石磨粒制作球形固结磨料磨头。磨头转速ω：1500 r/min；研磨夹角θ：30 r/min；研磨时间t：1 min；研磨进给量δ：0.3 mm。

通过实验发现，随着磨料粒径增大，工件表面磨痕的宽度及深度逐渐增加。金刚石磨头研磨后工件表面划痕的宽度更宽，且工件表面存在一定的研磨凹坑，金刚石磨料粒径越大，工件表面凹坑越明显。图11为不同磨粒的磨头研磨TC4钛合金工件时去除率及表面粗糙度。从图11a中也可以看出，金刚石与碳化硅磨料的粒径越大，材料去除率越高。因为磨料粒径越大，研磨时磨粒切入工件表面的深度越大，磨粒单次刻划所造成的材料去除越多，在磨头转速相同的情况下，其材料去除率也就越髙。从图11b可以看出，金刚石与碳化硅磨料的粒径越大，研磨后工件表面的粗糙度值越大。这是因为磨料粒径越大，研磨时磨粒的压入深度越深，研磨的划痕也越宽，因此粗糙度值也越大。同时，相同金刚石粒径的磨粒引起的表面粗糙度值较大，表面质量差，由于金刚石磨头研磨后工件表面除了线磨痕，还有一些滚压形成的凹坑，所以表面粗糙度值偏大。工艺优化后获得采用20～30 μm 碳化硅磨料，可以得到最佳的材料去除率以及较好的表面质量，此时材料去除率为6.7 mg/min，表面粗糙度Ra值为0.876 μm。

图11 不同磨粒对材料去除率及表面粗糙度的影响

2.4 用于硅晶线切割

硅片切割是大面积薄硅片制造过程中的关键工序，硅片的切割成本一直居高不下,占总制造成本的 30%左右。硅片切割的主要方法有金刚石外圆和内圆切割，随着近年来对硅片的直径不断扩大和厚度不断变薄的需求，线锯切割技术成为切割大直径、薄硅片最常用的方法。线切割技术具有切缝窄、效率高、切片质量好、可进行曲线切割等优点[32-33]。

传统的线切割技术是采用游离磨料线切割技术，其原理是线锯的切割线多使用表面镀Cu的不锈钢丝，以一定的走丝速度切割硅锭，同时将细粒度的SiC或者金刚石的浆料送入切割区域，磨料在钢丝的压力和速度的带动下进行硅片的切割(图12)[34]。游离磨料线切割的材料去除机理被认为磨料在锯丝的压力下通过“滚压入”方式使硅表面产生塑性变形区以及横向裂纹和中间裂纹,从而使硅不断去除。但是，由于游离磨料切割线走丝速度低，切割能力和效率比较低，存在切割大尺寸坯料时磨料难以进到长而深的切缝以及磨浆的处理和回收成本高等缺点。

图12 游离磨料线切割原理

近年来，人们发展了固结磨料的金刚石线锯，正在替代游离磨料线锯，固结磨料线锯的主要特点是通常使用一定的固结方法把金刚石磨料直接固着在不锈钢细丝表面(图13),随着锯运动锯丝上的金刚石直接获得运动速度和一定的压力对硅材料进行研削加工。目前将磨粒固结在线锯锯丝上的方法主要有电镀法、树脂法、机械嵌入法和钎焊法等，其中电镀法和树脂法比较常用[35]。

图13 固结磨料线锯结构

电镀金刚石线锯是采用电镀的方法将磨料固结到锯丝上，金属线芯有冷拉钢丝、琴钢丝、不锈钢丝和镀铜高碳钢丝[36]。电镀制备金刚石线锯的一般工艺流程：基体预处理→预镀→上砂→加厚→镀后处理。电镀金刚石线锯具有耐磨、耐高温等优点，并且有切割效率高、锯缝小且整齐、切面表面精度高、低能耗等特点。

树脂结合剂固结磨料线锯是采用树脂结合剂固结金刚石磨料，通常使用酚醛类的树脂,把树脂、溶剂和金刚石混合后涂覆在不锈钢丝表面,经固化后就可以将金刚石固着。与其他方法相比，树脂法可以制造更细的丝锯，通常可以制造0.13～0.15 mm,可以进行更精细的切割工作，但是由于树脂的结合强度较弱，容易造成金刚石磨粒的过早脱落。

固结磨料金刚石线锯切割技术的主要研究发展方向[37]：

(1)在宝石切割过程中，有时要求线锯的长度在几十千米，因此，提高线锯的制造效率对降低生产成本至关重要。

(2)提高线锯的使用寿命，尤其要解决金刚石磨料层与锯丝基体结合强度不高、导致锯丝的寿命短的问题。

(3)提高切割质量，环形线锯较往复式线锯切削速度高、质量好，因此提高环形线锯制造水平将是金刚石线锯的研究热点。

3 结语

研磨抛光属于磨粒加工技术，但其加工时磨粒切削速度相比磨削低得多，属于低速磨削领域。由于研削速度低，产生的热量也比较低，不但可以获得光滑精密的加工表面精度，同时也可以获得好的表面加工质量。固结磨料磨具研磨技术是近年来在研抛领域兴起的新加工方法，在去除材料的机理方面，改变了传统游离磨料研磨抛光滚压去除的机理，取而代之的是磨粒划擦切削的机理。通过应用证明，在加工效率和表面质量方面具有显著的优势，特别适用于对一些硬脆材料和容易堵塞砂轮的易粘黏材料的高效高精密加工。