鐵基金剛石砂輪生物在線修整加工性能的試驗研究*

林煒民, 黃 輝, 馬 飛

(華僑大學 制造工程研究院， 福建 廈門 361021)

隨著金剛石砂輪在脆性材料精密加工中的廣泛應用，金剛石砂輪的修整技術備受人們關注，鐵基金剛石砂輪在精密加工中的修整技術是其中的熱點之一[1-2]。目前，鐵基金剛石砂輪的修整技術有在線電解修整(ELID)[3]、電火花修整(EDD)[4]、激光修整[5]以及一些復合修整方法等[6-7]。鐵基金剛石砂輪的ELID由OHMORI等[3]提出，哈爾濱工業大學首先引進。徐志強等[8-9]研究了ELID技術的機理，并研制了專用磨削液和專用電源；WU等[10-11]研究了ELID的成膜機理；CHEN等[6,12]研究了超聲輔助ELID復合技術的磨削性能。鐵基金剛石砂輪的EDD由SUZUKI等[4]提出。單子昭等[13-14]對不同電極材料進行了對比；劉忠德等[15-16]對比了不同介質中EDD技術對金屬基金剛石砂輪的修整效果。激光修整技術是BABU等[5]于1986年提出的，近年來對該技術的研究熱點主要在工藝優化、有限元數值分析以及激光超聲復合修整3個方面[7,17-21]。

上述鐵基金剛石砂輪的修整方法雖然都取得了較好的修整效果，但也存在一定局限性，都需要消耗大量的電能，且ELID電源價格昂貴，應用成本高；EDD方法容易對金剛石顆粒造成熱損傷；而激光修整一般是單束光修整，效率有限且僅適用于粗粒度砂輪等。

近年來，將含Fe3+的A.f菌菌液用于金屬材料去除的研究取得重要進展[22]，A.f菌最初是由SILVERMAN等[23]從酸性礦坑水體分離得來。該技術主要基于A.f菌的催化氧化作用，通過配制一定質量濃度的Fe3+溶液來氧化金屬材料，其還原產物Fe2+在菌株的作用下又可轉化為Fe3+，從而實現菌液循環使用，且去除過程無須消耗大量電能，還具有減少污染物排放等優點，因而具有廣闊的應用前景。馮雅麗等[24]研究發現：菌株載體活性炭的含量大于100 g/L時，會促進菌株的生長，Fe2+會被快速轉化為Fe3+。MA等[25]應用該技術成功地去除了Cu、Co金屬及Cu-Co合金，其去除量與時間呈線性關系。金屬基砂輪在線修整的根本就是金屬結合劑的去除，但有關A.f菌應用于金屬基砂輪在線修整的研究尚未見報道。因此，提出一種生物修整方法對鐵基砂輪進行在線修整，對比分析采用不同Fe3+質量濃度進行在線修整時的磨削力、加工質量及砂輪磨粒出露高度等，同時分析生物在線修整鐵基金剛石砂輪的機理。

1 材料與方法

1.1 磨削試驗平臺及參數

磨削試驗在MSG-250超精密成形平面磨床上完成，如圖1所示。試驗中使用的砂輪為鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產的鑄鐵基金剛石砂輪，結合劑的主要成分有鑄鐵、銅、鈷等，砂輪尺寸為φ150.00 mm×10.00 mm×31.25 mm。金剛石濃度為100%，磨粒粒度代號為M10/20。試驗前用M1/2的油石修整20 min，再進行5 min的生物預修整，隨后進行生物在線修整。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗的工件為單晶SiC晶圓，直徑為φ50 mm，厚度為7 mm。試驗前磨削SiC晶圓分碳面硅面，其表面粗糙度為92 nm。將工件用酒精超聲清洗后烘干，用HM-301型石英晶體專用膠粘在不銹鋼底座上。修整時砂輪線速度為22 m/s，工件進給速度為169 mm/s，磨削切深為2 μm，重復50次，總切入深度為100 μm。將工件表面劃分為上、中、下3個部分，如圖2所示。每個部分對應不同的生物修整參數。

圖2 工件加工面示意圖

1.2 生物在線修整方法

試驗中的生物在線修整見圖1所示，主要包括生物反應、離子交換、修整加工3個環節。在生物反應環節，通過氣泵和培養液循環泵在生物反應器中創造一個流動、氧氣充足的環境，大量A.f菌被吸附在固定化載體上并對被蠕動泵抽入的溶液中的Fe2+進行氧化，生成富含Fe3+的菌液；在離子交換環節，紗網用于回收過濾磨削廢液，廢液和菌液通過微濾孔膜進行離子交換，菌液中的少量A.f菌將被過濾并和富含Fe2+的回收液一同抽回生物反應器中繼續反應，而富含Fe3+的溶液將被用于修整加工；在修整加工環節，離子交換塔中的上清液通過輸送泵輸送到磨床的磨削液系統中，進行砂輪在線修整，使用過的溶液通過導管回流至離子交換塔中。

試驗使用的菌株由東華理工大學提供。采用9K培養基活化、培養[26]：采用20 mL菌種混合80 mL 9K培養基，用體積比1∶1的硫酸調節pH至1.8，放入250 mL錐形瓶中，置于30 ℃恒溫搖床(轉速160 r/min)活化，Fe3+質量濃度采用乙二胺四乙酸(EDTA)滴定法進行測定。Fe3+質量濃度達到總Fe質量濃度的95%后，移至生物反應器中，自反應器底部泵入空氣，加速菌株生長和Fe2+氧化，得到用于磨削試驗的Fe3+溶液。

根據前期研究發現[27]，不同質量濃度的A.f菌溶液對結合劑的去除速度有影響，因此本次試驗設計了4種不同Fe3+質量濃度的溶液進行試驗，分別為1.5、3.0、4.5和5.5 g/L，同時設計了1組清水組作為對照組。

1.3 性能檢測方法

磨削過程中采用Kistler 9257B測力儀測定磨削力。利用Zygo NV7300 3D光學輪廓儀測量加工后的工件表面粗糙度，取樣面積分別為0.70 mm×0.53 mm和1.41 mm×1.06 mm，每個面積上取9個測量點進行測量。砂輪表面形貌采用Zeiss LSM700激光共聚焦顯微鏡觀察，測量5顆磨粒的出露高度。測定結果均分別計算其平均值和標準差。

2 試驗結果

2.1 磨削力

采集磨削20 s內30 μm之后的磨削力數據，因磨削切深較小，水平力方向與豎直力方向夾角僅為0.29°，因此可以將所測量的水平力Fy作為切向力，豎直力Fz作為法向力。分別對每種Fe3+質量濃度下的數據截取5個周期進行統計分析，Fy1和Fz1為1個往返周期中第1刀(有進給)時的磨削力平均值，Fy2和Fz2為第2刀(無進給)時的磨削力平均值，其結果如圖3所示。

從圖3a可以看出：隨著Fe3+溶液的加入，工件所受的法向磨削力明顯降低，并且隨著Fe3+質量濃度的增加呈現下降趨勢。與清水組(Fe3+質量濃度為0)相比，其法向磨削力Fz1在1.5 g/L Fe3+溶液時減小了30.5%，Fz2減小了27.5%；到5.5 g/L Fe3+溶液時，Fz1減小了40.0%，Fz2減小了39.6%。且在無進給時的法向磨削力Fz2整體略小于有進給時的法向力Fz1。

從圖3b可看出：工件所受的切向磨削力隨Fe3+溶液的加入而減小，并隨Fe3+質量濃度的增加而呈現下降的趨勢。與清水組相比，使用1.5 g/L Fe3+溶液時，Fy1減小了15.9%，Fy2減小了83.7%；使用3.0 g/L Fe3+溶液時，Fy1減小了21.2%，Fy2減小了95.6%；使用4.5 g/L Fe3+溶液時，Fy1減小了33.7%，Fy2減小了98.6%；使用5.5 g/L Fe3+溶液時，Fy1減小了37.7%，Fy2減小了97.7%。可以看出：在清水組，無進給時的切向力略小于有進給時的切向力，但在生物修整組中，無進給時的切向力明顯小于有進給時的切向力。

磨削力比Fz/Fy是用來判斷砂輪磨削性能的一個參數，通常來說磨削力比小的狀態下砂輪的性能較好[28]。圖4為不同質量濃度下有進給時的磨削力比，從圖中可以看出在試驗條件下，磨削力比在2.93～3.55。清水組的磨削力比最大，為3.55；加入生物修整后磨削力比顯著降低，1.5 g/L時磨削力比最小，為2.93；隨著Fe3+質量濃度上升，磨削力比也緩慢上升，4.5 g/L之后磨削力比停止增加，達到3.42，仍然小于清水組的值。

圖4 不同Fe3+質量濃度下的磨削力比

2.2 工件表面粗糙度

加工后工件表面的粗糙度試驗結果如圖5所示，其中的Ra1值是取樣面積為0.70 mm×0.53 mm時的測量值，Ra2值是取樣面積為1.41 mm×1.06 mm時的測量值。從圖5可看出：使用生物在線修整時的Ra值均低于清水磨削液的。其中：3.0 g/L Fe3+溶液組的Ra值最低，其Ra2值較清水組的下降了59.8%；1.5 g/L Fe3+組的粗糙度Ra2值較清水組的下降了55.6%；4.5 g/L Fe3+組的粗糙度Ra2值較清水組的下降了53.8%；5.5 g/L Fe3+組的粗糙度值較清水組的下降了54.5%。另外，對于生物在線修整時的工件磨削表面Ra，使用不同的測量視場時沒有顯著變化，但是對于清水磨削時，其表面粗糙度隨測量視場大小的不同有顯著差異。

圖5 工件加工表面粗糙度變化

清水組在2個視場下的表面形貌對比如圖6所示。從圖6可看出：在小視野下，工件的表面較為平整，而在大視野下則可以看到明顯的波紋現象。

2.3 砂輪表面的磨粒出露高度

砂輪表面的磨粒出露高度統計結果見圖7所示。由圖7可以看出：隨著Fe3+質量濃度的增加，磨粒的平均出露高度也在增大，清水組的磨粒出露高度為5.0 μm，相對于磨粒的粒徑而言，其出露高度比為24.8%。相比而言，1.5 g/L組的磨粒出露高度為6.2 μm，其出露高度比為31.0%；3.0 g/L組的磨粒出露高度為6.4 μm，其出露高度比為32.0%；4.5 g/L組的磨粒出露高度為7.1 μm，其出露高度比為35.5%；5.5 g/L組的磨粒出露高度為8.1 μm，其出露高度比為40.5%。此外，相較其他幾組，5.5 g/L組的磨粒出露高度的標準差也較大。

圖7 磨粒出露高度

3 分析與討論

生物修整鐵基砂輪的原理是使用含有Fe3+的A.f菌菌液作為磨削液，在降低加工區溫度、帶走磨屑的同時，利用細菌的催化氧化作用去除砂輪的鐵基體。細菌將培養基中的Fe2+氧化成Fe3+，生成的Fe3+再將砂輪基體氧化，此過程在生物反應器中進行，屬于間接氧化，間接氧化過程中Fe3+生成的Fe2+進入生物反應器中被細菌氧化成Fe3+后[29]，再次被投入到加工中使用，形成Fe2+和Fe3+之間不斷循環轉化的過程，如圖8所示。

圖8 生物修整原理圖

圖8的反應過程為：

Fe2+→ Fe3++ e-

(1)

Fe + 2Fe3+→ 3Fe2+

(2)

采用生物在線修整時，Fe3+對鐵基結合劑的氧化去除有2方面的作用：一方面，隨著單位時間內結合劑去除量的增加，金剛石磨粒的出露高度隨之增加(見圖7)；另一方面，隨著單位時間內結合劑去除量的增加，單位時間內出露的新磨粒數也會隨之增加，這就意味著，單位時間內具有切削能力的有效磨粒總數隨之增加。

當去除總量相同時，隨著單位時間內的有效磨粒數增加，單顆磨粒的去除量隨之減小，因此其總的磨削力也會隨之減小。對比往復磨削時，有進給與無進給時的切向力試驗結果也能明顯看出：當采用生物在線修整時，由于磨粒的出露高度高，新鮮磨粒數多，因此材料在有進給時的去除量多，造成的工件回彈量也要小；在無進給時的力由于磨削殘留量小，所以其切向力Fy2相比于清水時，會明顯下降。劉立飛等[28]的研究中也得到了類似的結論。

采用生物修整后，工件表面的粗糙度值也有明顯下降，這也可歸因于生物修整作用，同時參與磨削的磨粒數增加，從而單顆磨粒的去除量減小，從而提高了加工表面質量。2種不同視場下的加工表面質量變化證實了生物修整增加了砂輪表面的有效磨粒數。對于清水加工，由于表面磨粒數較少，所以加工后的表面粗糙度相對不均勻，因此容易受到視場的影響；相比而言，由于生物修整后，砂輪表面的有效磨粒數增加，所以加工后的表面粗糙度更均勻，因此不容易受到視場的影響。

但值得注意的是，Fe3+的質量濃度越高，結合劑被氧化的速率就越快，金剛石磨粒的出露高度隨之增加(見圖7)。此時，由于結合劑的把持力隨著金剛石磨粒出露高度的增加而減弱，因此導致磨粒容易產生非正常脫落。從力比的結果也可以看出，當修整液中Fe3+的質量濃度過高時，力比反而會增加。這表明當修整液中Fe3+的質量濃度過高時會導致砂輪的磨削性能反而有所下降。在取樣面積為120 μm×120 μm時，觀察5.5 g/L組的砂輪表面形貌，如圖9所示。從圖9可看出，砂輪表面存在許多磨粒脫落后留下的孔洞。當整顆磨粒脫落到工件表面，會對工件表面造成劃傷，肖強等[30]的研究中也說明了這種情況。這或許是Fe3+質量濃度上升后工件表面質量變差的主要原因。

圖9 5.5 g/L組砂輪表面形貌圖

4 結論

采用生物在線修整方法進行了單晶碳化硅的磨削試驗，對不同Fe3+質量濃度的溶液對于鐵基金剛石砂輪修整效果的影響進行了研究，主要結論如下：

(1)生物在線修整方法對磨削力也有較為顯著的改善，在有進給法向磨削力Fz1上，1.5 g/L組、3.0 g/L 組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的磨削力較清水組分別減小30.5%、32.5%、37.4%和40.0%；而在無進給切向磨削力Fy2上，則表現更顯著，1.5 g/L組、3.0 g/L組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的磨削力較清水組分別減小83.7%、95.6%、98.6%和97.7%。生物在線修整方法使得工件的回彈現象得到顯著改善，加工殘余量減小。

(2)總體上來看，使用了生物在線修整法磨削的工件表面粗糙度值明顯減小。1.5 g/L組、3.0 g/L組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的粗糙度值Ra2較清水組的分別下降了55.6%、59.8%、53.8%和54.5%。3.0 g/L組的修整加工表面粗糙度最低為259.67 nm，略優于其他幾組的。

(3)清水組的磨削力比最大，加入生物修整后磨削力降低。Fe3+的質量濃度為1.5 g/L時磨削力比最小，繼續上升后磨削力比會緩慢增加至3.42。

(4)生物在線修整使得磨粒保持較高的出露高度比，清水組、1.5 g/L組、3.0 g/L組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的磨粒出露比分別為24.8%、31.0%、32.0%、35.5%和40.5%。5.5 g/L Fe3+組的磨粒更替過快，磨粒出露高度波動大。