天然金刚石的超声辅助研磨工艺仿真与实验

裴雷钢　石广丰　陈嘉增　姚栋　杨永明　李俊烨

关键词 天然金剛石；超声研磨；正交实验；表面粗糙度

中图分类号 TQ164; TG58 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）06-0720-07

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0060

收稿日期 2023-03-14 修回日期 2023-03-29

金刚石，亦称钻石，是自然界最硬的单晶矿物，因高硬高脆特性而著名。天然金刚石在航空航天、精密机械、医疗器械、光学电子、生活装饰等领域中应用广泛[1]。目前，金刚石的主要加工方法有传统的机械研磨、激光辅助加工、聚焦离子束加工和超声振动研磨[2-4] 等，其中超声振动研磨对硬脆材料的表面加工具有高光整性、低损伤等特点。

KOBAYASHI 等[5] 对玻璃进行了超声辅助研磨，结果表明加工后的玻璃表面质量能提升1～2 倍。刘鸿智等[6] 的研究结果表明超声复合研磨的去除率明显是单一机械研磨的2～3 倍。郝晓丽等[7] 针对单晶碳化硅晶片进行了超声振动辅助研磨，分析了研磨盘转速、磨料粒度等因素的影响。韩磊[8] 以硅材为对象进行研磨，结果表明超声研磨区别于常规研磨，超声研磨能提高材料去除率，降低其表面粗糙度，改善材料表面形貌。杨小庆[9] 针对聚晶金刚石开展了超声实验，结果表明加入超声不会对工件表面产生损伤。目前，国内外学者没有对超声辅助研磨天然金刚石进行系统性研究，且未考虑超声振幅对其表面质量的影响。因此，对天然金刚石表面开展超声辅助研磨工艺研究，确定其不同晶面易磨方向的超声振幅及（100）晶面研磨的最佳工艺参数，并对其表面研磨质量进行对比。

1 超声辅助研磨振幅理论计算

超声辅助研磨过程中磨料对金刚石表面产生切削和撞击的复合作用。其中颗粒较大的磨粒在没有被振碎前，对金刚石表面形成较深划痕，加速了金刚石材料的去除；颗粒较小的磨粒在研磨过程中，对金刚石表面产生抛光作用。同时，由于磨料持续性地旋转和撞击，磨粒直径趋于稳定，使金刚石表面变的光滑平整。

金刚石作为各向异性材料，有（110）、（100）和（111）3 个典型晶面。其中金刚石的（111）晶面容易发生解理现象，且研磨困难，故选择（100）和（110）晶面作为研究对象。天然金刚石加工时（100）晶面的对角线方向<100>为易磨方向，边的方向<110>为难磨方向；（110）晶面的长对角线方向<100>为易磨方向，短对角线方向<110>为难磨方向。金刚石的易难磨方向如图1 所示[10]，图中的红色代表易磨方向，蓝色代表难磨方向。

2 仿真与实验结果及分析

2.1 仿真条件

研究单颗磨粒的运动轨迹是认识超声辅助研磨的重要手段，能够获得实际加工中无法测量的数据。天然金刚石具有各向异性，故利用二维平面单向切削来规避其影响，采用数学极限思维将其圆周运动视为直线运动。研磨时用研磨膏由单晶金刚石微粉与橄榄油混制而成， 可不间断地添加。仿真设置磨粒顶角为120°[14]。研磨压力会影响切削力大小和切削热高低，仿真分析中磨粒的压力本质是金刚石磨粒在嵌入天然金刚石工件的深度[15]。仿真结果的精度由网格数量决定，网格数量增加将导致计算规模扩大，所以利用拆分面选项卡对网格接触区域进行细化处理，其他区域网格进行稀疏处理，达到了既保证精度同时又减小计算量的作用。对工件底部及侧方采用固定约束。超硬材料切削仿真最常用模型为JH-2 本构模型[16]，选择天然金刚石（100）晶面为仿真对象，其参数如表3 所示。金刚石磨粒与金刚石间的作用时间非常短，铸铁研磨盘转速一般为2 600～3 000 r/min[17]，本次选用的研磨速度为2 800 r/min；磨粒与金刚石接触深度为7.7 nm。由表2 可知： 金刚石（ 100） 晶面的超声振幅范围为2.9～9.1 μm，故选取3.0、6.0 和9.0 μm 的超声振幅进行研究。

2.2 仿真结果及分析

图3 为（100）晶面不同超声振动幅度下的应力与温度变化。由图3 可知：在3.0 μm 超声振幅条件下，金刚石表面最大应力为4.162 × 10³MPa，最高温度为575.8 K（302.65 ℃）；在6.0 μm 超声振幅条件下，金刚石表面最大应力为5.567 × 10⁴MPa， 最高温度为538.5 K（265.35 ℃）；在超声振幅为9.0 μm 的条件下，金刚石最大应力为8.442 × 10³MPa， 最高温度为453.7 K（180.55 ℃），但工件表面出现边角崩坏现象。因此，超声辅助研磨去除材料过程中最大应力随超声振幅的增大呈现逐渐递增的趋势，而最高温度随超声振幅的增大呈现出逐渐递减的趋势。同时， 天然金刚石的（100）晶面在振幅为6.0 μm、研磨转速为2 800 r/min时的研磨切屑较为细碎，有效减少了切屑堆积现象，避免了金刚石的边角崩坏，保证了其研磨质量。

2.3 正交实验结果及分析

图4 为超声辅助研磨实验平台。由图4 可知，超声辅助研磨实验平台主要由研磨盘、超声研磨夹持装置和声发射系统组成。

超声研磨夹持装置主要由弹簧施压机构、超声振动机构、紧固机构3 部分装置组成。弹簧施压机构为金刚石研磨提供加载压力，超声振动机构中的超声振子改变金刚石运动轨迹，紧固机构起到固定天然金刚石作用。需研磨的天然金刚石工件直径为50 mm。

以天然金刚石研磨表面粗糙度为指标，选取超声振幅、研磨盘转速、磨粒粒度代号 3 工艺参数进行实验，寻求最优工艺参数组合。确定的影响因素及水平见表4。为提高研磨效率通常采用基本颗粒尺寸>1.0 μm的金刚石微粉，粗颗粒的金刚石研磨粉可以提高研磨效率，因此选取磨粒粒度代号为M1/2（基本颗粒尺寸为1.0～2.5 μm）、M2/4（基本颗粒尺寸为1.5～3.5 μm）、M3/6（基本颗粒尺寸为2.5～5.0 μm）的金刚石微粉，在超声振幅为3.0、6.0、9.0 μm 时选取天然金刚石（100）晶面的易磨方向进行L₉（3⁴）正交实验，实验结果如表5 所示。

通过Veeco 公司的NT1100 光栅表面粗糙度测量仪对研磨后的天然金刚石表面粗糙度进行测量，结果如图5 所示。由图5 可知：在B₁C₁D₁的条件1 下超声振动研磨的表面粗糙度R_a为28.02 nm，在B₁C₂D₂的条件2 下的表面粗糙度R_a 为32.24 nm。依次类推，在B、C、D 不同组合的条件3～ 9 下的表面粗糙度R_a分别为25.73，19.44，22.03，24.46，18.04，32.76 和28.25 nm。

通過对表5 的正交实验结果进行极差分析，得到其极差分析结果表6。由表6 可知：对金刚石表面粗糙度影响的主次关系为超声振幅（B）>磨料粒度代号（D）>研磨盘转速（C）；且以金刚石表面粗糙度最低为目标，其最佳工艺参数组合为B₂C₂D₃，即超声振幅为6.0 μm，研磨盘转速为2 800 r/min，磨粒粒度代号为M3/6。

采用最佳工艺参数组合进行实验研究，研磨时间为30 min。图6 为传统和超声研磨的天然金刚石表面粗糙度，其中的传统研磨是指超声振幅为0，其他条件与超声研磨时的相同。由图6 可知：传统研磨后的金刚石表面粗糙度R_a 为44.81 nm，超声辅助研磨后的天然金刚石表面粗糙度R_a为16.21 nm，后者相对前者同比下降了63.83%。

通过SEM 对天然金刚石表面进行检测，其表面微观形貌如图7 所示。由图7 可知：传统机械研磨的表面光滑处有裂纹、划痕等损伤；采用最优工艺参数研磨的金刚石表面质量良好，没有裂纹、断层等缺陷。由此可知，采用最佳研磨工艺参数进行研磨，可明显降低天然金刚石的表面粗糙度，提高天然金刚石的表面质量。

3 结论

进行超声辅助研磨天然金刚石的工艺仿真与实验，得出结论如下：

（1）理论计算出天然金刚石（110）晶面易磨方向的超声振幅取值范围为3.1～8.7 μm，（100）晶面易磨方向的超声振幅取值范围为2.9～9.1 μm。

（2）通过对（100）晶面进行切削仿真模拟后发现，工件与磨粒所受到的应力随着振幅的增大而增加，温度随着振幅的增大而减小，说明选择超声加工能够有效降低切削温度、减小切屑堆积。

（3）由超声振动研磨实验可知，材料整体的表面质量优于传统机械研磨的；在研磨三要素中，影响程度依次为超声振幅>磨粒粒度代号>研磨盘转速。通过正交实验获得的（100）晶面最优工艺参数组合是超声振幅为6.0 μm，研磨盘转速为2 800 r/min，磨粒粒度代号为M3/6。在此最优参数条件下研磨金刚石（100）晶面，其表面粗糙度最低为16.21 nm，比传统机械研磨的下降了63.83%。

作者简介

通信作者： 石广丰，男，1981 年生，博士、教授、博士生导师。主要研究方向：精密与超精密加工检测及装备。

E-mail：shiguangfeng@cust.edu.cn

（编辑：周万里）