淺談化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

黃國鋒

（大慶石化建設(shè)有限公司，黑龍江 大慶 163714）

1 適用于硬脆材料的超精密加工方法

硅的化合物被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，例如單晶硅、碳化硅等，這些硅的化合物因其硬度高、強(qiáng)度大而具有優(yōu)良的耐磨性，同時(shí)具有很好物理穩(wěn)定性，可以抵御高溫和一般性的化學(xué)腐蝕，在航天、軍工、汽車、光電等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，上述行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的性能提出了更高的要求，硅的化合物這種材料的加工精度也進(jìn)入了納米級(jí)，眾所周知，這種高硬度的化合物往往具有較高的脆性，不能適應(yīng)傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式，在外力作用下很容易發(fā)生斷裂和裂紋，不僅妨礙加工的繼續(xù)進(jìn)行，也為企業(yè)帶來很多的材料損失。

針對(duì)這種高硬度的無機(jī)物材料，科學(xué)家們很早就提出了化學(xué)機(jī)械磨削的加工方法，日本學(xué)者周立波對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并提出了基于軟磨料與固相化學(xué)反應(yīng)的表面材料去除方式，使這種高硬度無機(jī)物材料的加工難度進(jìn)一步降低，在這種磨削方式下，軟磨料借助機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)表面的切削，具有非常高的加工精度，可以用于多種硬脆材料的加工，根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料可知，這種加工方法在單晶硅、石英玻璃、藍(lán)寶石等材料的加工中都實(shí)現(xiàn)了非常高的加工精度，材料的表面粗糙度均可達(dá)到納米級(jí)。

關(guān)于化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外的熱門課題，在材料的去除原理、軟磨料砂輪的制備和研磨工藝等方面都取得了較大的進(jìn)展。雖然現(xiàn)有研究成果都證實(shí)了化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)在硬脆材料加工中具有無可替代的優(yōu)勢(shì)，但仍未有研究者能準(zhǔn)確的給出軟磨料與固相反應(yīng)的閾值條件，這也限制了這種新型磨削技術(shù)向其他超精密加工領(lǐng)域拓展。此外，在化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)中，軟磨料的使用也注定了模具的損耗比傳統(tǒng)磨削方式更快，及加工效率仍然無法與傳統(tǒng)磨削方式相比較，這也成為限制這種技術(shù)推廣的又一瓶頸。當(dāng)前急需深入挖掘軟磨料與固相化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的磨削機(jī)理，使這種磨削方式能夠適用于更多種類材料，急需改進(jìn)現(xiàn)有磨削工藝，使軟磨料磨具的加工效率得到大幅度提升，攻克學(xué)術(shù)界研究難點(diǎn)。

本文梳理了現(xiàn)階段化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的研究成果，系統(tǒng)的分析了磨削原理、工藝的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的研究方法，對(duì)現(xiàn)有工藝參數(shù)、軟磨料磨具進(jìn)行了進(jìn)一步探索，力求找到上述因素對(duì)加工效率的影響規(guī)律，為更多研究者指明方向，共同推動(dòng)化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 化學(xué)機(jī)械磨削加工工藝研究

僅僅使用軟磨料模具實(shí)現(xiàn)固相化學(xué)反應(yīng)是非常困難的，要想使磨料與被加工件產(chǎn)生足夠多的化學(xué)反應(yīng)，就需要加入新的物質(zhì)來促進(jìn)各項(xiàng)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，這種被添加的物質(zhì)也稱為添加劑，在化學(xué)機(jī)械磨削加工中，添加劑的使用非常重要，能夠取到?jīng)Q定加工效率的作用。

以氯氧化鎂作為結(jié)合劑的砂輪要比樹脂做結(jié)合劑的砂輪的磨削效果更好，可以實(shí)現(xiàn)更高的表面加工精度，這是因?yàn)槁妊趸V這種結(jié)合劑可以實(shí)現(xiàn)更好的固化作用，如圖1所示在常溫下的氣孔率更高，這也有利于砂輪保持很好的自銳性，從而達(dá)到很好的磨削效果，為了試驗(yàn)這種砂輪的磨削特性，制作了如圖2所示的2種不同形狀的砂輪，通過硅片磨削來測(cè)試二者的磨削性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示截?cái)嘈螤畹纳拜喛梢垣@得更高的磨削效率。為了驗(yàn)證更多種類砂輪的磨削特性，還采取無結(jié)合劑的方式制作了砂輪，并在藍(lán)寶石磨削中對(duì)砂輪性能做進(jìn)一步檢驗(yàn)，結(jié)果表明無結(jié)合劑砂輪磨削效率要高于采用樹脂作為結(jié)合劑的砂輪，但無結(jié)合劑砂輪自身損耗也比較快速，因此得出結(jié)論：燒結(jié)溫度是決定砂輪磨削效率和磨損速度的首要因素。

圖1 不同結(jié)合劑的CMG砂輪

圖2 不同形狀的CMG砂輪

圖3 無結(jié)合劑磨料磨具

由此可見，磨料的選擇和添加劑的使用是決定化學(xué)機(jī)械磨削效率的主要因素，在相同磨料的條件下，模具制作工藝也會(huì)影響磨削效率，因此，要想提高化學(xué)機(jī)械磨削的效率，不僅要關(guān)注不同材料與磨料的化學(xué)反應(yīng)，還需要考慮機(jī)械作用對(duì)化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)性，從磨料配方、模具結(jié)構(gòu)等方面綜合考慮對(duì)磨削性能的影響，才能從根本上提升化學(xué)機(jī)械磨削的效率。

3 化學(xué)機(jī)械磨削復(fù)合加工工藝研究

在化學(xué)機(jī)械磨削中，固定模具的磨削效率雖然高于游離抹料的加工形式，但與實(shí)際生產(chǎn)所需的加工效率還有一定差距。為了進(jìn)一步提高磨削效率，科研人員提出了一種復(fù)合工藝方法，將磨削效率提升到了一個(gè)新的層次。國內(nèi)學(xué)者王振忠等提出了超聲波輔助磨削技術(shù)，并在單晶硅磨削中進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，與沒有采用超聲波輔助磨削技術(shù)相比，磨削效率提高了2倍，表面質(zhì)量也進(jìn)一步提升。學(xué)者LI等將這種超聲波輔助技術(shù)進(jìn)一步推廣到石英石的加工中，與傳統(tǒng)工藝相比加工效率提高了50%，表面粗糙度穩(wěn)定控制在2nm以下。經(jīng)過多方面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，超聲波輔助磨削技術(shù)都能夠顯著提高磨削效率，如圖4所示，通過傳統(tǒng)磨削工藝與超聲波輔助磨削相比可知，超聲波輔助磨削技術(shù)能夠在保障磨削質(zhì)量的前提下大幅提高磨削效率。這也從側(cè)面印證了復(fù)合加工工藝是打破化學(xué)機(jī)械磨削效率瓶頸的突破口。通過深入的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合工藝能夠有效降低固相化學(xué)反應(yīng)的閥值，起到提升反應(yīng)速度的作用，從而提高了化學(xué)機(jī)械磨削的效率。截止目前為止，還沒有其他成熟的復(fù)合加工工藝出現(xiàn)，但磁輔助、電輔助與激光輔助等復(fù)合加工技術(shù)已呈現(xiàn)出很大的研究前景。

圖4 不同振動(dòng)方式對(duì)CMG加工硅片表面形貌的影響

4 結(jié)語

化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)自出現(xiàn)以來就成為超精加工領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)，這種技術(shù)不僅可以獲得優(yōu)異的表面質(zhì)量，還能達(dá)到優(yōu)良的形狀精度，但其磨削效率與傳統(tǒng)的機(jī)械磨削還有較大差距，無法滿足高效生產(chǎn)的要求，隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷努力，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的研究成果，但大多依然處于磨削機(jī)理研究與工藝研究階段，在材料的去除原理、軟磨料磨具的制備、研磨工藝、復(fù)合加工工藝方面還未取得突破性的進(jìn)展。材料去除原理進(jìn)一步掌握化學(xué)機(jī)械磨削規(guī)律的關(guān)鍵，不僅關(guān)系到磨削質(zhì)量，更關(guān)系到磨削效率。在化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)中，材料的去除不僅依靠機(jī)械作用，還要依靠化學(xué)作用，這也導(dǎo)致其技術(shù)原理的研究與現(xiàn)有機(jī)械加工技術(shù)研究有較大的不同，現(xiàn)階段的研究成果主要集中于通過化學(xué)作用弱化被加工材料表面原子勢(shì)能等機(jī)理，對(duì)物質(zhì)間的化學(xué)作用來提升磨削效率的研究也多以動(dòng)力學(xué)模型為參照，通過檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)的生成物來達(dá)到研究目的，對(duì)一些特殊產(chǎn)物的產(chǎn)生原理解釋還不夠透徹，沒有形成相應(yīng)的系統(tǒng)性理論。對(duì)化學(xué)機(jī)械磨削技術(shù)的加工原理、化學(xué)反應(yīng)的過程與誘因、表層物理結(jié)構(gòu)與性狀的改變、磨具的磨損、磨具的制造、復(fù)合工藝等進(jìn)行深入的研究，對(duì)磨削過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，取得詳細(xì)的數(shù)據(jù)與圖像，打造基于大數(shù)據(jù)的智能推理，借助智能技術(shù)研究這一理論的關(guān)鍵點(diǎn)是將來學(xué)術(shù)界的發(fā)展方向。