树脂结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石的磨损过程研究

蓝宝石具有优良的物理性能、光学性能、电学性能和力学性能，广泛应用于窗口、照明和半导体衬底等领域。同时作为氮化镓外延生长的衬底材料，在完成电极制备工艺后，需要对蓝宝石衬底进行背面减薄，以提高器件的散热性能，超精密磨削技术在快速减薄中具有去除速率高及可控性好等优势。蓝宝石快速减薄磨削主要使用金刚石砂轮，其中树脂结合剂金刚石砂轮因其原料来源丰富、成型简单、自锐性好、效率高、成本低等优点在金属、树脂、陶瓷3大种类砂轮中占60%～70%份额。砂轮的性能一定程度上决定了蓝宝石减薄磨削中的磨削效率及磨削后蓝宝石表面质量，而砂轮的磨损形式及砂轮的磨损过程决定磨削过程的稳定性。

为了改善金刚石砂轮的性能及磨削后蓝宝石的表面质量，国内外学者对蓝宝石磨削过程及砂轮的性能做了很多研究。对于树脂金刚石砂轮的研发及性能的提高，国内外的研究主要集中在超硬磨料的处理、树脂改性、性能对比以及磨削机理等学术研究领域。杨海成等认为，树脂结合剂砂轮蓝宝石表面质量优于金属结合剂砂轮加工的表面质量，且磨削速度为10.5 m/s时更易获得质量较高的磨削表面。Zhiqiang Liang和Dongxi Lv等研究了树脂结合剂金刚石砂轮在单晶蓝宝石超声辅助磨削（EUAG）中的磨损机理。关昂[10]通过制作MgO、Fe2O3软磨料树脂结合剂砂轮，使磨削后蓝宝石可以获得更加低的表面粗糙度且没有裂纹、崩边以及磨痕现象。但是，缺乏以蓝宝石为磨削对象的树脂金刚石砂轮的磨损机理、磨损过程以及对蓝宝石表面质量的影响的相关研究。

本文以研制高性能树脂结合剂金刚石砂轮为目标，通过使用AM41113T显微镜实现磨削过程中砂轮磨粒的在线观测，追踪砂轮磨削蓝宝石过程中磨粒的变化过程，分析了树脂金刚石砂轮磨削蓝宝石过程中砂轮的磨耗磨损、磨粒破碎、磨粒脱落、黏附磨损及气孔堵塞的磨损形式，以及不同磨损形式在砂轮初期磨损阶段、稳定磨损阶段和急速磨损阶段的比例变化，为改善砂轮性能提供了依据。同时对砂轮各磨损阶段的蓝宝石表面粗糙度进行测量，分析了树脂金刚石砂轮的磨损对蓝宝石表面粗糙度的影响规律。

1 试验装置及方法

1.1 砂轮的制备

以酚醛树脂、镀镍金刚石、造孔剂（石墨）、铜粉为主要原料按一定比例搅拌混合，采用热压烧结工艺制备出树脂结合剂砂轮长方体块。其中金刚石粒度为170-200#，砂轮块中金刚石质量分数为30%，磨粒面密度为35粒/mm2，烧制的砂轮块为长方体，尺寸为30 mm×5 mm×7 mm。砂轮块经环氧树脂按一定规律的粘结于45钢基体上制成端面磨削砂轮。制备的砂轮节块、砂轮实物及砂轮截面如图1所示。

图1 金刚石砂轮块、砂轮及砂轮截面

砂轮块断面微观形貌采用OLS4000激光共聚焦显微镜检测，其表面形态如图1(c）所示，可以看到砂轮块表面由镀镍金刚石、造孔剂、树脂结合剂、结合剂4个部分组成。金刚石磨粒在砂轮的表面具有较好的均匀性，砂轮表面气孔由造孔剂石墨脱落、金刚石磨粒脱落而形成。树脂结合剂占比最大，保证了结合剂对磨粒的把持力。

1.2 试验条件与方法

试验使用的磨床为KJ200W高速精密减薄机，采用单轴卧式结构，为转台式端面磨削。磨床实物及磨削运动原理如图2所示。

图2 高速精密减薄机及其磨削运动简图

该磨床采用工件横向进给的磨削形式，工件盘为中心抽真空的形式固定工件。试验中，将蓝宝石片用蜡固定于陶瓷盘，陶瓷盘通过真空吸盘吸附于工件盘，蓝宝石材料的性能参数如表1所示。砂轮修整采用绿色碳化硅油石（80#）对磨修整，利用碳化硅去除金刚石砂轮的结合剂使金刚石磨粒出刃的同时对磨粒修锐，修整器通过真空吸盘安装于工件主轴，砂轮修整参数如表2所示，磨削蓝宝石时磨削加工参数如表3所示。研制了机上观测装置，采用微迪光学有限公司AM41113T显微镜进行磨粒状态的在机检测，砂轮磨损量利用磨床自带位移传感器进行测量，采用MarwinXT20型表面粗糙度仪对工件表面粗糙度进行了检测，工件的去除厚度利用数显千分尺进行定点测量。磨削过程中采用“砂轮检测、工件检测—定量磨削—砂轮检测、工件检测……”的循环试验方案。

表1 蓝宝石性能参数

表2 砂轮修整参数

表3 蓝宝石磨削加工参数

2 试验结果

2.1 金刚石砂轮的修整及磨损形式

在砂轮安装于磨床后，为了消除砂轮安装误差以及形成良好的表面状态和精度，需要对砂轮进行修整，修整前后的砂轮表面如图3所示，修整后可以看到金刚石磨粒良好的出刃状态。

图3 修整前后砂轮表面变化

修整后的金刚石砂轮对蓝宝石进行磨削加工，工件主轴每进给切深达到100μm(17 min）就对金刚石砂轮表面的形貌进行1次测量和统计。跟踪记录砂轮上标记区域（1.7 mm×1.4 mm）内的36粒金刚石磨粒的变化过程，可以观察到金刚石砂轮的磨损形式为：磨耗磨损、磨粒脱落及破碎、粘附磨损以及气孔的堵塞现象。图4所示为试验中观察到的5种砂轮磨损形式图。

从图4(a）可以看到磨削过程磨粒的脱落，磨粒脱落主要是由于磨粒受到的作用力大于结合剂对磨粒的保持力时，金刚石磨粒周围的的结合剂桥断裂而形成的的磨粒从砂轮上脱落。钝化的磨粒脱落可以在砂轮表面形成新的气孔同时也是砂轮的自锐现象，但未钝化的磨粒脱落会使砂轮损耗过快而导致较低的磨削比。图4(b）为磨粒磨耗磨损，磨耗磨损的主要原因是磨粒与工件相互作用时发生的机械磨损和化学磨损后形成磨损面，磨耗磨损是砂轮磨损的主要形式。图4(c）为粘附磨损，黏附磨损是在磨削中产生的高温下，磨屑在砂轮的挤压力作用下粘附在砂轮表面将磨粒覆盖，严重影响砂轮的锐利度进而导致砂轮失效，蓝宝石磨削过程中的粘附磨损也说明存在材料的塑性去除过程。图4(d）为磨粒破碎，磨粒破碎一方面因为树脂结合剂金刚石（RVD）具有一定的自身破碎自锐性，另一方面因为高速磨削过程中当磨粒与工件接触时会产生瞬间的高磨削热，又在冷却液的作用下迅速冷却，反复多次后金刚石在热应力的作用下发生破碎。图4(e）为气孔堵塞，气孔堵塞是磨屑或其他微小颗粒机械堆积于气孔的结果，气孔在磨削中起容纳磨削液和磨屑的作用，气孔堵塞严重时，砂轮的磨削能力会下降，需要对砂轮进行修整。

图4 砂轮磨损形式

2.2 金刚石砂轮的磨损过程

在实验中对跟踪记录的36粒金刚石磨粒进行各个磨削阶段的统计，磨耗磨损、磨粒破碎、磨粒脱落、黏附磨损及气孔堵塞这5种砂轮失效形式随着时间会有不同的变化，同时根据砂轮的磨损量随时间变化的趋势不同，将砂轮的磨损过程分为3个阶段：初期磨损阶段、稳定磨损阶段和急剧磨损阶段。

(1）金刚石磨粒的初期磨损

磨削进给100μm后，砂轮的表面形貌如图5所示，统计砂轮表面磨粒的磨损形式，砂轮的主要磨损形式为磨耗磨损及磨粒破碎。这是因为砂轮在刚修整后，砂轮表面有较多的出刃体积大且大负前角的金刚石磨粒，磨粒的锐利度较好。在磨削初期，磨粒与工件接触过程中磨粒受到较大的冲击作用力，因而磨粒容易产生裂纹以致破碎。少量出刃体积较大的磨粒会因磨粒与结合剂之间结合力不足导致金刚石磨粒的脱落。刚修锐的砂轮也因磨粒出刃体积较大、气孔多很少发生粘附磨损。

图5 磨削进给100μm后的砂轮表面及磨粒磨损形式统计图

(2）金刚石磨粒的稳定期磨损

磨削进给200μm后，砂轮的表面形貌如图6所示，随着磨削过程的进行，金刚石磨粒的磨损平面不断扩大并开始钝化，较多的磨粒逐渐变钝甚至在磨粒上出现磨钝的小平面，此时磨削力不断增大，当磨削力超过结合剂对磨粒的把持力时，磨粒会产生脱落。并且因磨粒出刃体积的减小，磨粒开始出现黏附磨损，但是这个阶段磨粒磨耗磨损为砂轮磨损的主要形式。

图6 磨削进给200μm后的砂轮表面及磨粒磨损形式统计图

(3）金刚石磨粒的急剧磨损

磨削进给300μm后（即磨削50 min），如图7所示，磨粒黏附磨损以及磨粒脱落的比例增幅明显。这是因为随着磨粒进一步被磨平，砂轮钝化情况严重，磨削过程中的磨屑与金刚石磨粒及树脂结合剂结合在一起形成严重的黏附磨损。钝化的砂轮磨粒和结合剂会受到较大的磨削力及摩擦力，而且气孔内存充满着磨屑进一步恶化砂轮的锋锐度，因此磨粒脱落在砂轮磨损中的占比也增大。此时砂轮需要进行修整。

图7 磨削进给300μm后的砂轮表面及磨粒磨损形式统计图

(4）砂轮气孔的堵塞率变化

从图5～7的过程可以观察到金刚石砂轮表面明显的气孔堵塞现象。随着磨削深度的增加、磨削时间的延长，通过造孔剂以及磨粒脱落形成的气孔会逐渐发生堵塞现象。这是因为气孔中磨屑等杂质的累积以及磨削过程中的高温导致气孔周围结合剂会有部分塑性流动。当气孔堵塞率过高时，气孔失去容屑及储存冷却液的作用，砂论需要进行修整。图8为统计的气孔堵塞的变化规律。

图8 树脂结合剂金刚石砂轮表面气孔堵塞率趋势图

2.3 砂轮磨损量的变化

树脂结合剂金刚石砂轮的磨损量如图9所示，在磨削初期砂轮的磨损量呈现急速的上升规律，由前面分析可知砂轮在刚修整后砂轮表面有出刃体积大且大负前角的金刚石磨粒，磨削初期磨粒破碎为砂轮磨损的主要形式，磨粒破碎会导致砂轮磨损量的快速变化，因此砂轮磨损增长较为明显。在稳定磨损阶段，磨粒磨耗磨损为砂轮磨损的主要形式，此时磨粒与工件接触面积呈现缓慢增大过程，砂轮磨损量比较平稳。继续磨削则磨粒的粘附磨损、磨粒脱落在砂轮磨损中的比例越来越大，这2种砂轮砂轮磨损形式会加剧砂轮的磨损量，因此砂轮的磨损又呈现出快速上升趋势。

图9 砂轮磨损量与工件去除量的关系

图10 工件轴扭矩与工件去除量的关系

2.4 蓝宝石表面粗糙度的变化

磨床自带的工件轴扭矩实时记录功能可以记录在磨削过程中的工件轴扭矩。如图10所示，随着工件去除量的增大工件轴扭矩呈增大趋势，因为金刚石不断发生钝化会导致磨削力呈增大趋势，当工件轴扭矩大于1 N·m时，因磨削力过大会导致磨床不稳定，此时需要对砂轮进行修整。

由加工表面粗糙度与工件去除量曲线图11可以看出，磨削初期粗糙度比较大，因为磨削初期磨粒的磨碎导致参与磨削的有效磨粒始终保持锋利，会在金刚石表面形成较深的划痕与凹坑，并且破碎的金刚石在砂轮与工件表面形成三体摩擦，在快速去除工件材料的同时加工表面粗糙度也较大。随着磨削过程的进行，砂轮进入正常磨损阶段，磨耗磨损成为砂轮磨损的主要形式。金刚石磨粒与蓝宝石接触的小平面逐渐增大，甚至金刚石磨粒出现被磨平现象，砂轮与工件材料出现较为激烈的摩擦挤压作用，工件表面会出现较少的划痕与凹坑，蓝宝石粗糙度与去除速率也因此会出现小幅度下降。当砂轮的主要磨损形式为黏附磨损和磨粒脱落时，磨粒对工件的去除方式发生变化，脱落的磨粒和结合剂会使工件表面形成凹坑或较深的划痕，因此粗糙度和去除量会有增大趋势。

图11 蓝宝石粗糙度与工件去除量关系

图12 蓝宝石去除量与工件去除量的关系

3 结论

通过研制树脂结合剂金刚石砂轮并实现磨削过程中砂轮及蓝宝石磨削表面粗糙度的动态监测，研究了树脂结合剂金刚石砂轮在磨削蓝宝石过程中的磨损形式，不同磨损阶段中各种磨损形式的占比及蓝宝石表面粗糙变化规律，得出如下结论。

(1）自行研制树脂金刚石砂轮需要协调砂轮硬度和磨粒自锐性，达到砂轮有效磨削周期50 min左右，通过改变砂轮气孔率控制其有效磨削周期。

(2）树脂金刚石砂轮在磨削蓝宝石时主要磨损形式为：磨耗磨损、磨粒破碎、磨粒脱落、黏附磨损，磨耗磨损，各种磨损形式在砂轮初期磨损阶段、稳定磨损阶段和急剧磨损阶段都存在，但初期磨损阶段磨粒破碎较为明显，后期磨损阶段磨粒脱落、黏附磨损占比较大达到45%。

(3）随着工件去除量的增大，砂轮磨损速率增大，蓝宝石去除率、加工表面粗糙度呈先减小后增大趋势。砂轮稳定的损耗速率为0.027 3 mm3/s，磨耗比为17.37，蓝宝石最低粗糙度可以达到Ra0.260μm。