金振弘， 朱永偉， 墨洪磊， 王子琨

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016) (2. 航天八院803研究所， 上海 201109)

SiC材料具有密度適當(dāng)、彈性模量高、耐熱沖擊性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、比剛度高以及各向同性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于兵器、低溫反射鏡、激光鏡等精密儀器中，逐漸發(fā)展成為新一代空間光學(xué)材料[1-2]。

SiC材料超高的硬度，使其成為一種典型的難加工材料。常規(guī)精密加工工藝容易產(chǎn)生裂紋和缺陷，不易得到超光滑表面，限制了其在高性能光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。為此，業(yè)內(nèi)進(jìn)行了許多研究：李寶珠[4]使用碳化硼磨料三級(jí)研磨SiC，去除了不規(guī)則劃痕以及亞損傷層等缺陷；MURATA等[5]使用聚氨酯電化學(xué)機(jī)械拋光獲得了超光滑表面；LI等[6]采用集群磁流變研磨加工得到表面粗糙度Ra為25 nm的SiC，且材料去除率達(dá)到300 mg/h；ZHAO等[7]在研磨中引入超聲振動(dòng)輔助，得到表面粗糙度Ra為4.3 nm的工件；KATAHIRA等[8]用聚晶金剛石工具實(shí)現(xiàn)了碳化硅的延性域加工，工件的表面粗糙度Ra達(dá)到1.7 nm。但固結(jié)磨具研磨墊精密加工SiC的效率不高，如：蘇建修等[9]使用固結(jié)磨具研磨墊研磨單晶SiC，材料去除率為86.07 nm/min，表面粗糙度為13.367 μm；張竹青[10]用固結(jié)磨具研磨墊化學(xué)機(jī)械拋光SiC單晶片，獲得了473 nm/min的材料去除率。

在固結(jié)磨具研磨墊研磨過(guò)程中，磨料研磨墊的自修整能力是影響其加工效率的關(guān)鍵因素。其自修整能力的獲得是通過(guò)磨屑沖蝕磨損樹脂基體使新鮮磨粒出露而實(shí)現(xiàn)的，但碳化硅是硬脆材料，磨削產(chǎn)生的磨屑極小，對(duì)樹脂基體的磨損有限，無(wú)法保證研磨墊的自修整能力。因此，需要使用砂漿輔助以實(shí)現(xiàn)研磨墊的修整。KIM等[11]利用氧化鋁磨粒砂漿輔助金剛石固結(jié)磨具研磨墊雙面研磨藍(lán)寶石工件，獲得了1 μm/min的材料去除率；王凱等[12]利用游離碳化硅砂漿輔助固結(jié)磨具研磨墊研磨藍(lán)寶石工件，可以提高研磨墊的自修整能力，進(jìn)而穩(wěn)定材料去除率。

本研究提出碳化硅砂漿輔助固結(jié)磨具研磨墊精研SiC的思路，利用砂漿對(duì)研磨墊的沖蝕磨損實(shí)現(xiàn)研磨墊的自修整，并探索砂漿的濃度和磨料尺寸對(duì)固結(jié)磨具研磨墊研磨碳化硅性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)設(shè)備

研磨實(shí)驗(yàn)在NANOPOLI-100型環(huán)拋機(jī)上進(jìn)行。通過(guò)稱量工件加工前后的質(zhì)量差來(lái)計(jì)算材料去除率VMRR(μm/min)，其計(jì)算公式如下：

(1)

其中：M0和M1分別為加工前后的工件質(zhì)量，g；h為工件的初始厚度，mm；t為研磨加工時(shí)間，min。

使用梅特勒托利多精密分析天平稱量加工前后工件的質(zhì)量，用NanoMap-500LS表面輪廓儀測(cè)量加工后的表面粗糙度，用金相顯微鏡觀測(cè)研磨后工件的二維形貌，用GTK型布魯克白光干涉儀觀察工件的三維形貌。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)工件為燒結(jié)SiC工件(硬度2902 HV 0.3)，固結(jié)磨具研磨墊(fixed abrasive pad，F(xiàn)AP)[13]基體為親水性樹脂，磨料為單晶金剛石(粒度尺寸20～40 μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%)。研磨砂漿為碳化硅微粉的懸浮液，其中碳化硅微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%。

實(shí)驗(yàn)分2部分：(1)采用相同的研磨墊、不同的研磨液(A組、B組)，探索精研SiC時(shí)砂漿對(duì)固結(jié)磨具研磨墊自修整的影響機(jī)制；(2)用不同SiC尺寸(B組、C組、D組)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B組、E組、F組)的砂漿輔助固結(jié)磨具研磨墊精研SiC，探索輔助效果的影響。各組研磨液的組成見表1。

表1 各組研磨液的組成

為探索固結(jié)研磨墊持續(xù)加工的穩(wěn)定性，保持工藝參數(shù)不變，每組實(shí)驗(yàn)持續(xù)5次，每次研磨時(shí)間30 min。實(shí)驗(yàn)加工工藝如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)加工工藝

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂漿對(duì)加工工藝的影響

2.1.1 材料去除率

SiC是一種典型的耐磨和耐腐蝕材料[14]。添加砂漿對(duì)精研SiC時(shí)材料去除率的影響如圖1所示。

從圖1中可以看出：A組使用未加砂漿的研磨液，材料去除率下降明顯，由0.26 μm/min迅速下降至0.02 nm/min，基本失去研磨能力；B組使用添加砂漿的研磨液，其材料去除率提高了5倍左右，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的材料去除率穩(wěn)定在1.42 μm/min左右。

圖1 添加砂漿對(duì)材料去除率的影響

在使用親水性固結(jié)磨具研磨墊進(jìn)行精研的過(guò)程中，研磨墊上出露磨料與SiC表面接觸，通過(guò)微切削的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的二體磨損去除。研磨墊上的金剛石磨粒尺寸大但出露數(shù)量少，有效切削刃密度低、單顆磨粒受力大。根據(jù)磨耗磨損原理，在研磨過(guò)程中，金剛石磨料會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械磨損，棱角鈍化；同時(shí)，其產(chǎn)生的磨屑尺寸不足以有效磨耗固結(jié)磨具研磨墊，致使磨粒更新緩慢，研磨墊無(wú)法自修整，表現(xiàn)為加工過(guò)程中的材料去除率下降較快(A組)。

在研磨液中加入碳化硅砂漿后，綠碳化硅顆粒沖刷研磨墊的樹脂基體，促進(jìn)磨鈍的金剛石磨粒脫落和新鮮的金剛石磨粒出露，從而保證精研過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行。加工時(shí)間為60～90 min時(shí)，材料去除率下降，說(shuō)明金剛石磨料開始鈍化；此后材料去除率呈上升趨勢(shì)，主要是由于砂漿輔助研磨墊進(jìn)行了自修整，使金剛石出露。既有磨料變鈍然后新磨料出露的過(guò)程循環(huán)往復(fù)，使材料去除率在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)(B組)。

2.1.2 表面質(zhì)量

加工后SiC表面容易產(chǎn)生微裂紋[15]。添加砂漿對(duì)精研SiC時(shí)表面粗糙度的影響如圖2所示。

從圖2中看出：在2組實(shí)驗(yàn)中，工件表面的粗糙度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，A組的表面粗糙度從開始的75.3 nm下降到了64.1 nm，B組的表面粗糙度從開始的93.2 nm下降到81.5 nm：A組的表面質(zhì)量比B組的好。這是因?yàn)槲醇由皾{的研磨墊，其金剛石磨料磨鈍后切入深度小，造成的劃痕淺，鈍化的金剛石磨粒起到部分拋光效果，得到的工件表面粗糙度??；而添加砂漿精研的過(guò)程中，研磨墊具有自修整能力，金剛石磨料更新快，可有效保持磨粒鋒利，劃痕較深，表面粗糙度較大。當(dāng)受上道工序影響的表面被去除后，工件的表面質(zhì)量基本穩(wěn)定。

圖3所示為有無(wú)砂漿實(shí)驗(yàn)組研磨后工件的表面形貌。對(duì)比圖3a和圖3b可知：2組實(shí)驗(yàn)都有較深的劃痕，但B組工件表面的劃痕更多。這主要是因?yàn)楣探Y(jié)磨具研磨墊采用大尺寸的金剛石，其切入深度大、劃痕深；而B組加入的砂漿有助于研磨墊自修整，固結(jié)磨具研磨墊表面始終有較多的棱角鋒利的金剛石磨粒參與切削過(guò)程，故劃痕較為明顯。

(a) A組-無(wú)砂漿研磨 Group A: lapping without slurry(b) B組-有砂漿研磨Group B: lapping with slurry圖3 有無(wú)SiC研磨后工件的表面形貌Fig. 3 Surface morphology after lapping with or without adding SiC

2.2 碳化硅的尺寸和濃度對(duì)研磨過(guò)程的影響

2.2.1 材料去除率

圖4所示為材料去除率隨時(shí)間的變化。碳化硅尺寸對(duì)精研SiC過(guò)程的材料去除率的影響如圖4a所示。從圖4a可以看出：材料去除率隨SiC尺寸增大而上升。圖4a中，D組材料去除率維持在2.5 μm/min以上，是B組材料去除率的1.5倍左右；而在C組試驗(yàn)中，材料去除率隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，最后幾乎和無(wú)砂漿的A組試驗(yàn)的效果相近。其主要原因在于：砂漿中碳化硅顆粒的尺寸大(5～10 μm和3～5 μm)，則其沖蝕磨損固結(jié)磨具研磨墊基體的作用強(qiáng)，確保了金剛石顆粒的正常出露，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的微切削；研磨液中碳化硅顆粒的尺寸越大，研磨墊基體的磨損就越大，越有利于研磨墊的自修整，但其壽命降低；碳化硅顆粒尺寸較小(1～2 μm)時(shí)，基體會(huì)因其柔性而產(chǎn)生退讓效果，碳化硅顆粒對(duì)研磨墊基體的磨損有限，磨鈍的金剛石無(wú)法及時(shí)脫落，材料去除率小，并呈下降趨勢(shì)。

碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)精研SiC過(guò)程的材料去除率的影響如圖4b所示。從圖4b可以看出：材料去除率隨SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而升高，F(xiàn)組的材料去除率最高，幾乎為B組去除率的1.5倍、E組去除率的2.5倍。從圖4b還可以看出：所有材料去除率基本穩(wěn)定，說(shuō)明碳化硅尺寸為3～5 μm時(shí)有利于研磨墊的自修整，即使碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，也能保證固結(jié)磨具研磨墊的自修整；SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，越能體現(xiàn)固結(jié)磨具研磨墊的自修整能力，其材料去除率的變化越小。

(a) SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%

(b) SiC顆粒尺寸3～5 μm

2.2.2 表面質(zhì)量

圖5所示為表面粗糙度隨時(shí)間的變化。從圖5a中可以看出：未加砂漿加工后的表面粗糙度最低，且表面粗糙度隨著砂漿中碳化硅顆粒變大而增大。這主要是因?yàn)椋禾蓟桀w粒增大會(huì)加快固結(jié)磨具研磨墊基體的磨損，增加金剛石磨料的出露高度，金剛石磨粒切入工件的深度增加，易造成更深的劃痕和更高的表面粗糙度。

從圖5b中可以看出：工件表面粗糙度隨著SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高，但變化不顯著。

(a) SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%

(b) SiC顆粒尺寸3～5 μm

圖6給出了不同SiC尺寸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的砂漿研磨后的表面形貌。對(duì)比圖6a、圖6b可知：碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%或3%加工后，工件表面均有較深的劃痕；但碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，精研后表面的劃痕數(shù)量相對(duì)較少。這主要是因?yàn)椋汗探Y(jié)磨具研磨墊的金剛石尺寸大、切深大，會(huì)形成較深的劃痕；隨碳化硅含量增多，固結(jié)磨具研磨墊中的金剛石顆粒更多地出露，加工工件表面劃痕數(shù)量增加、劃痕深度深。對(duì)比圖6b、圖6c可知：碳化硅尺寸較大時(shí)其對(duì)研磨墊基體的沖蝕作用更明顯，因此金剛石顆粒切入工件的深度增加，劃痕更深；同時(shí)部分磨粒進(jìn)入了脆性加工區(qū)域，形成凹坑。

(a) SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，尺寸3～5 μm

(b) SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，尺寸3～5 μm

(c) SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，尺寸5～10 μm

2.3 研磨墊的自修整過(guò)程

2.3.1樹脂基體的溶脹率

將不含磨料的純樹脂固化成樹脂片，制備成45 mm×70 mm×1 mm的試樣，用酒精擦拭干凈后干燥稱量；將樹脂片置于各組研磨液中浸泡1 h，然后再次稱量。樹脂基體的溶脹率η按下式計(jì)算：

(2)

其中：M0和M1分別為樹脂基體浸泡前后的質(zhì)量。

計(jì)算出樹脂基體在各砂漿中的溶脹率如表3所示。

表3 樹脂基體在不同砂漿中的溶脹率

由表3可知：樹脂基體在不同粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiC砂漿中的溶脹率相仿。依據(jù)相似相容的原則，樹脂基體中的羥基基團(tuán)能與水分子結(jié)合，使樹脂基體溶脹后變得疏松，有利于自修整，因此溶脹過(guò)程與樹脂基體的結(jié)構(gòu)特性(如孔隙率、基體厚度)和拋光液體系(如拋光液的組分、酸堿度)密切相關(guān)，但是上述研磨液砂漿只有碳化硅微粒不同，所以獲得的溶脹率幾乎相同。

2.3.2 樹脂基體的磨損率

樹脂基體的磨損不僅與基體的結(jié)構(gòu)特性、拋光液的成分和酸堿度相關(guān)，還與砂漿中碳化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸有關(guān)。

將樹脂片試樣放入圖7所示的夾具中，然后將其置于上述砂漿溶液中，用電磁攪拌器磨損5 h。分別測(cè)量磨損前后試樣的質(zhì)量，根據(jù)式(3)計(jì)算出基體磨損率q：

(3)

其中：M0和M1分別為樹脂基體磨損前后的質(zhì)量，t為砂漿磨損時(shí)間。

圖7 砂漿磨損裝置圖

由式(3)可以算出樹脂基體在不同砂漿中的磨損率，其結(jié)果如表4所示。

表4 基體在不同砂漿中的磨損率

由表4和表1可以得出碳化硅尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)樹脂基體溶脹和磨損的影響，如圖8所示。

(a) 不同碳化硅尺寸

(b) 不同碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從圖8a中可以看出：在溶脹率穩(wěn)定的情況下，樹脂的磨損率隨碳化硅尺寸增大而升高，但趨勢(shì)放緩。這是因?yàn)椋禾蓟璩叽巛^小時(shí)，由于樹脂基體的退讓作用，砂漿對(duì)基體的沖刷作用??；增大碳化硅尺寸后，研磨墊表現(xiàn)出自修整效果，磨損率提高；繼續(xù)增大碳化硅尺寸，磨損率提高但提高幅度有限。

從圖8b中可以看出：在溶脹率穩(wěn)定的情況下，樹脂基體磨損率隨碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而升高。這是因?yàn)椋禾蓟璩叽缫欢〞r(shí)，隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，砂漿中碳化硅的顆粒數(shù)增多，對(duì)研磨墊的沖刷次數(shù)增加。由于此時(shí)碳化硅的尺寸足夠大，嵌入深度已經(jīng)大于樹脂基體的退讓能力，所以表現(xiàn)為基體磨損率隨碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而線性增加。

2.3.3 砂漿輔助固結(jié)磨具研磨墊自修整機(jī)理

通常親水性固結(jié)磨具研磨墊研磨拋光時(shí)，其表層樹脂基體遇水溶脹變得疏松；同時(shí)研拋過(guò)程產(chǎn)生的磨屑會(huì)沖刷、磨損表層樹脂基體，使鈍化的金剛石顆粒脫落、新鮮金剛石顆粒出露，繼續(xù)保持微切削。

但由于SiC自身硬度較高，其研磨加工過(guò)程中磨料磨損快，因此要求研磨墊具有更高的自修整能力；另一方面，同樣是由于SiC的高硬度，磨料切入深度淺、產(chǎn)生的磨屑細(xì)小，對(duì)研磨墊基體的沖刷磨損作用小，不利于研磨墊的自修整。因此，其材料去除率快速下降。

在研磨液中加入碳化硅顆粒后，碳化硅顆粒的尺寸遠(yuǎn)大于磨屑尺寸，從而加快溶脹層的樹脂基體磨損過(guò)程，使磨鈍的金剛石磨粒及時(shí)脫落、新鮮的金剛石磨料及時(shí)出露，可以保證研磨過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了親水性固結(jié)磨具研磨墊的自修整。

3 結(jié)論

通過(guò)研究碳化硅顆粒尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)砂漿輔助固結(jié)磨具研磨墊精研SiC工件工藝參數(shù)的影響，得出如下結(jié)論：

(1)采用未添加砂漿的研磨液時(shí)，研磨墊自修整性能差，材料去除率持續(xù)下降。

(2)添加砂漿輔助固結(jié)磨具研磨墊精研時(shí)，砂漿中的碳化硅顆?？蓻_蝕磨損研磨墊的基體，實(shí)現(xiàn)研磨墊的自修整過(guò)程，確保材料去除率穩(wěn)定。

(3)研磨墊的溶脹率與砂漿中碳化硅的尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)。

(4)砂漿中碳化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高、尺寸增大有利于研磨墊的自修整過(guò)程，但會(huì)降低工件表面質(zhì)量。精研階段，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、粒度尺寸3～5 μm的碳化硅砂漿較為合適，得到的平均材料去除率為1.424 6 μm/min，平均表面粗糙度為84.6 nm。