樹脂結合劑金剛石砂輪磨削藍寶石的磨損過程研究*

張紅軒，閻秋生，陳海陽

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006；2.廣東納諾格萊科技有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

藍寶石具有優良的物理性能、光學性能、電學性能和力學性能，廣泛應用于窗口、照明和半導體襯底等領域[1-3]。同時作為氮化鎵外延生長的襯底材料，在完成電極制備工藝后，需要對藍寶石襯底進行背面減薄，以提高器件的散熱性能，超精密磨削技術在快速減薄中具有去除速率高及可控性好等優勢[4]。藍寶石快速減薄磨削主要使用金剛石砂輪，其中樹脂結合劑金剛石砂輪因其原料來源豐富、成型簡單、自銳性好、效率高、成本低等優點在金屬、樹脂、陶瓷3大種類砂輪中占60%～70%份額[5]。砂輪的性能一定程度上決定了藍寶石減薄磨削中的磨削效率及磨削后藍寶石表面質量，而砂輪的磨損形式及砂輪的磨損過程決定磨削過程的穩定性。

為了改善金剛石砂輪的性能及磨削后藍寶石的表面質量，國內外學者對藍寶石磨削過程及砂輪的性能做了很多研究。對于樹脂金剛石砂輪的研發及性能的提高，國內外的研究主要集中在超硬磨料的處理、樹脂改性、性能對比以及磨削機理等學術研究領域[6]。楊海成等[7]認為，樹脂結合劑砂輪藍寶石表面質量優于金屬結合劑砂輪加工的表面質量，且磨削速度為10.5 m/s時更易獲得質量較高的磨削表面。Zhiqiang Liang[8]和Dongxi Lv等[9]研究了樹脂結合劑金剛石砂輪在單晶藍寶石超聲輔助磨削（EUAG）中的磨損機理。關昂[10]通過制作MgO、Fe2O3軟磨料樹脂結合劑砂輪，使磨削后藍寶石可以獲得更加低的表面粗糙度且沒有裂紋、崩邊以及磨痕現象。但是，缺乏以藍寶石為磨削對象的樹脂金剛石砂輪的磨損機理、磨損過程以及對藍寶石表面質量的影響的相關研究。

本文以研制高性能樹脂結合劑金剛石砂輪為目標，通過使用AM41113T顯微鏡實現磨削過程中砂輪磨粒的在線觀測，追蹤砂輪磨削藍寶石過程中磨粒的變化過程，分析了樹脂金剛石砂輪磨削藍寶石過程中砂輪的磨耗磨損、磨粒破碎、磨粒脫落、黏附磨損及氣孔堵塞的磨損形式，以及不同磨損形式在砂輪初期磨損階段、穩定磨損階段和急速磨損階段的比例變化，為改善砂輪性能提供了依據。同時對砂輪各磨損階段的藍寶石表面粗糙度進行測量，分析了樹脂金剛石砂輪的磨損對藍寶石表面粗糙度的影響規律。

1 試驗裝置及方法

1.1 砂輪的制備

以酚醛樹脂、鍍鎳金剛石、造孔劑（石墨）、銅粉為主要原料按一定比例攪拌混合，采用熱壓燒結工藝制備出樹脂結合劑砂輪長方體塊。其中金剛石粒度為170-200#，砂輪塊中金剛石質量分數為30%，磨粒面密度為35粒/mm2，燒制的砂輪塊為長方體，尺寸為30 mm×5 mm×7 mm。砂輪塊經環氧樹脂按一定規律的粘結于45鋼基體上制成端面磨削砂輪。制備的砂輪節塊、砂輪實物及砂輪截面如圖1所示。

圖1 金剛石砂輪塊、砂輪及砂輪截面

砂輪塊斷面微觀形貌采用OLS4000激光共聚焦顯微鏡檢測，其表面形態如圖1（c）所示，可以看到砂輪塊表面由鍍鎳金剛石、造孔劑、樹脂結合劑、結合劑4個部分組成。金剛石磨粒在砂輪的表面具有較好的均勻性，砂輪表面氣孔由造孔劑石墨脫落、金剛石磨粒脫落而形成。樹脂結合劑占比最大，保證了結合劑對磨粒的把持力。

1.2 試驗條件與方法

試驗使用的磨床為KJ200W高速精密減薄機，采用單軸臥式結構，為轉臺式端面磨削。磨床實物及磨削運動原理如圖2所示。

圖2 高速精密減薄機及其磨削運動簡圖

該磨床采用工件橫向進給的磨削形式，工件盤為中心抽真空的形式固定工件。試驗中，將藍寶石片用蠟固定于陶瓷盤，陶瓷盤通過真空吸盤吸附于工件盤，藍寶石材料的性能參數如表1所示。砂輪修整采用綠色碳化硅油石（80#）對磨修整，利用碳化硅去除金剛石砂輪的結合劑使金剛石磨粒出刃的同時對磨粒修銳，修整器通過真空吸盤安裝于工件主軸，砂輪修整參數如表2所示，磨削藍寶石時磨削加工參數如表3所示。研制了機上觀測裝置，采用微迪光學有限公司AM41113T顯微鏡進行磨粒狀態的在機檢測，砂輪磨損量利用磨床自帶位移傳感器進行測量，采用MarwinXT20型表面粗糙度儀對工件表面粗糙度進行了檢測，工件的去除厚度利用數顯千分尺進行定點測量。磨削過程中采用“砂輪檢測、工件檢測—定量磨削—砂輪檢測、工件檢測……”的循環試驗方案。

表1 藍寶石性能參數

表2 砂輪修整參數

表3 藍寶石磨削加工參數

2 試驗結果

2.1 金剛石砂輪的修整及磨損形式

在砂輪安裝于磨床后，為了消除砂輪安裝誤差以及形成良好的表面狀態和精度，需要對砂輪進行修整，修整前后的砂輪表面如圖3所示，修整后可以看到金剛石磨粒良好的出刃狀態。

圖3 修整前后砂輪表面變化

修整后的金剛石砂輪對藍寶石進行磨削加工，工件主軸每進給切深達到100 μm（17 min）就對金剛石砂輪表面的形貌進行1次測量和統計。跟蹤記錄砂輪上標記區域（1.7 mm×1.4 mm）內的36粒金剛石磨粒的變化過程，可以觀察到金剛石砂輪的磨損形式為：磨耗磨損、磨粒脫落及破碎、粘附磨損以及氣孔的堵塞現象。圖4所示為試驗中觀察到的5種砂輪磨損形式圖。

從圖4（a）可以看到磨削過程磨粒的脫落，磨粒脫落主要是由于磨粒受到的作用力大于結合劑對磨粒的保持力時，金剛石磨粒周圍的的結合劑橋斷裂而形成的的磨粒從砂輪上脫落。鈍化的磨粒脫落可以在砂輪表面形成新的氣孔同時也是砂輪的自銳現象，但未鈍化的磨粒脫落會使砂輪損耗過快而導致較低的磨削比。圖4（b）為磨粒磨耗磨損，磨耗磨損的主要原因是磨粒與工件相互作用時發生的機械磨損和化學磨損后形成磨損面，磨耗磨損是砂輪磨損的主要形式。圖4（c）為粘附磨損，黏附磨損是在磨削中產生的高溫下，磨屑在砂輪的擠壓力作用下粘附在砂輪表面將磨粒覆蓋，嚴重影響砂輪的銳利度進而導致砂輪失效，藍寶石磨削過程中的粘附磨損也說明存在材料的塑性去除過程。圖4（d）為磨粒破碎，磨粒破碎一方面因為樹脂結合劑金剛石（RVD）具有一定的自身破碎自銳性，另一方面因為高速磨削過程中當磨粒與工件接觸時會產生瞬間的高磨削熱，又在冷卻液的作用下迅速冷卻，反復多次后金剛石在熱應力的作用下發生破碎。圖4（e）為氣孔堵塞，氣孔堵塞是磨屑或其他微小顆粒機械堆積于氣孔的結果，氣孔在磨削中起容納磨削液和磨屑的作用，氣孔堵塞嚴重時，砂輪的磨削能力會下降，需要對砂輪進行修整。

圖4 砂輪磨損形式

2.2 金剛石砂輪的磨損過程

在實驗中對跟蹤記錄的36粒金剛石磨粒進行各個磨削階段的統計，磨耗磨損、磨粒破碎、磨粒脫落、黏附磨損及氣孔堵塞這5種砂輪失效形式隨著時間會有不同的變化，同時根據砂輪的磨損量隨時間變化的趨勢不同，將砂輪的磨損過程分為3個階段：初期磨損階段、穩定磨損階段和急劇磨損階段。

（1）金剛石磨粒的初期磨損

磨削進給100 μm后，砂輪的表面形貌如圖5所示，統計砂輪表面磨粒的磨損形式，砂輪的主要磨損形式為磨耗磨損及磨粒破碎。這是因為砂輪在剛修整后，砂輪表面有較多的出刃體積大且大負前角的金剛石磨粒，磨粒的銳利度較好。在磨削初期，磨粒與工件接觸過程中磨粒受到較大的沖擊作用力，因而磨粒容易產生裂紋以致破碎。少量出刃體積較大的磨粒會因磨粒與結合劑之間結合力不足導致金剛石磨粒的脫落。剛修銳的砂輪也因磨粒出刃體積較大、氣孔多很少發生粘附磨損。

圖5 磨削進給100 μm后的砂輪表面及磨粒磨損形式統計圖

（2）金剛石磨粒的穩定期磨損

磨削進給200 μm后，砂輪的表面形貌如圖6所示，隨著磨削過程的進行，金剛石磨粒的磨損平面不斷擴大并開始鈍化，較多的磨粒逐漸變鈍甚至在磨粒上出現磨鈍的小平面，此時磨削力不斷增大，當磨削力超過結合劑對磨粒的把持力時，磨粒會產生脫落。并且因磨粒出刃體積的減小，磨粒開始出現黏附磨損，但是這個階段磨粒磨耗磨損為砂輪磨損的主要形式。

圖6 磨削進給200 μm后的砂輪表面及磨粒磨損形式統計圖

（3）金剛石磨粒的急劇磨損

磨削進給300 μm后（即磨削50 min），如圖7所示，磨粒黏附磨損以及磨粒脫落的比例增幅明顯。這是因為隨著磨粒進一步被磨平，砂輪鈍化情況嚴重，磨削過程中的磨屑與金剛石磨粒及樹脂結合劑結合在一起形成嚴重的黏附磨損。鈍化的砂輪磨粒和結合劑會受到較大的磨削力及摩擦力，而且氣孔內存充滿著磨屑進一步惡化砂輪的鋒銳度，因此磨粒脫落在砂輪磨損中的占比也增大。此時砂輪需要進行修整。

圖7 磨削進給300 μm后的砂輪表面及磨粒磨損形式統計圖

（4）砂輪氣孔的堵塞率變化

從圖5～7的過程可以觀察到金剛石砂輪表面明顯的氣孔堵塞現象。隨著磨削深度的增加、磨削時間的延長，通過造孔劑以及磨粒脫落形成的氣孔會逐漸發生堵塞現象。這是因為氣孔中磨屑等雜質的累積以及磨削過程中的高溫導致氣孔周圍結合劑會有部分塑性流動。當氣孔堵塞率過高時，氣孔失去容屑及儲存冷卻液的作用，砂論需要進行修整。圖8為統計的氣孔堵塞的變化規律。

圖8 樹脂結合劑金剛石砂輪表面氣孔堵塞率趨勢圖

2.3 砂輪磨損量的變化

樹脂結合劑金剛石砂輪的磨損量如圖9所示，在磨削初期砂輪的磨損量呈現急速的上升規律，由前面分析可知砂輪在剛修整后砂輪表面有出刃體積大且大負前角的金剛石磨粒，磨削初期磨粒破碎為砂輪磨損的主要形式，磨粒破碎會導致砂輪磨損量的快速變化，因此砂輪磨損增長較為明顯。在穩定磨損階段，磨粒磨耗磨損為砂輪磨損的主要形式，此時磨粒與工件接觸面積呈現緩慢增大過程，砂輪磨損量比較平穩。繼續磨削則磨粒的粘附磨損、磨粒脫落在砂輪磨損中的比例越來越大，這2種砂輪砂輪磨損形式會加劇砂輪的磨損量，因此砂輪的磨損又呈現出快速上升趨勢。

圖9 砂輪磨損量與工件去除量的關系

圖10 工件軸扭矩與工件去除量的關系

2.4 藍寶石表面粗糙度的變化

磨床自帶的工件軸扭矩實時記錄功能可以記錄在磨削過程中的工件軸扭矩。如圖10所示，隨著工件去除量的增大工件軸扭矩呈增大趨勢，因為金剛石不斷發生鈍化會導致磨削力呈增大趨勢，當工件軸扭矩大于1 N·m時，因磨削力過大會導致磨床不穩定，此時需要對砂輪進行修整。

由加工表面粗糙度與工件去除量曲線圖11可以看出，磨削初期粗糙度比較大，因為磨削初期磨粒的磨碎導致參與磨削的有效磨粒始終保持鋒利，會在金剛石表面形成較深的劃痕與凹坑，并且破碎的金剛石在砂輪與工件表面形成三體摩擦，在快速去除工件材料的同時加工表面粗糙度也較大。隨著磨削過程的進行，砂輪進入正常磨損階段，磨耗磨損成為砂輪磨損的主要形式。金剛石磨粒與藍寶石接觸的小平面逐漸增大，甚至金剛石磨粒出現被磨平現象，砂輪與工件材料出現較為激烈的摩擦擠壓作用，工件表面會出現較少的劃痕與凹坑，藍寶石粗糙度與去除速率也因此會出現小幅度下降。當砂輪的主要磨損形式為黏附磨損和磨粒脫落時，磨粒對工件的去除方式發生變化，脫落的磨粒和結合劑會使工件表面形成凹坑或較深的劃痕，因此粗糙度和去除量會有增大趨勢。

圖11 藍寶石粗糙度與工件去除量關系

圖12 藍寶石去除量與工件去除量的關系

3 結論

通過研制樹脂結合劑金剛石砂輪并實現磨削過程中砂輪及藍寶石磨削表面粗糙度的動態監測，研究了樹脂結合劑金剛石砂輪在磨削藍寶石過程中的磨損形式，不同磨損階段中各種磨損形式的占比及藍寶石表面粗糙變化規律，得出如下結論。

（1）自行研制樹脂金剛石砂輪需要協調砂輪硬度和磨粒自銳性，達到砂輪有效磨削周期50 min左右，通過改變砂輪氣孔率控制其有效磨削周期。

（2）樹脂金剛石砂輪在磨削藍寶石時主要磨損形式為：磨耗磨損、磨粒破碎、磨粒脫落、黏附磨損，磨耗磨損，各種磨損形式在砂輪初期磨損階段、穩定磨損階段和急劇磨損階段都存在，但初期磨損階段磨粒破碎較為明顯，后期磨損階段磨粒脫落、黏附磨損占比較大達到45%。

（3）隨著工件去除量的增大，砂輪磨損速率增大，藍寶石去除率、加工表面粗糙度呈先減小后增大趨勢。砂輪穩定的損耗速率為0.027 3 mm3/s，磨耗比為17.37，藍寶石最低粗糙度可以達到Ra0.260 μm。