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    影響固結(堆積)磨料性能因素的研究

    關鍵詞 固結磨料|2022-09-19 10:38:32|基礎知識|來源 中國磨料磨具網
    摘要 固結磨料的性能對加工工件的表面粗糙度,均勻一致性,加工效率等都有著重要的影響。而磨粒尺寸、結合劑種類與含量、填充料的種類等又是影響固結磨料的性能的關鍵因素。所以引起了眾多研究者們的...

           固結磨料的性能對加工工件的表面粗糙度,均勻一致性,加工效率等都有著重要的影響。而磨粒尺寸、結合劑種類與含量、填充料的種類等又是影響固結磨料的性能的關鍵因素。所以引起了眾多研究者們的高度關注。

    1、磨料尺寸對石英玻璃加工性能的影響

           當前石英玻璃的研磨加工工序的材料去除效率不穩定,尤其是使用金剛石聚集體固結磨料墊,聚集的粒徑及其加工性能影響的研究仍是空白。于是凌順志等探索金剛石聚集體磨料中一次顆粒尺寸和二次顆粒尺寸,研磨壓力和研磨液流量等對固結磨料研磨石英玻璃特性的影響。

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           為此選取金剛石聚集體磨粒的原始粒徑(一次顆粒尺寸)和燒結后的粒徑(二次顆粒尺寸)兩個影響因素。

           (1)金剛石聚集體磨粒一次尺寸圖1,當金剛石聚集體磨粒一次顆粒尺寸由水平(0.5--1um)變化到水平(1.0--2.0)時,工件材料的去除率由393.2nm/min增加到2541nm/min,去除率提高了5.2倍,表面粗糙度Ra由0.077um增加到0.087um。

           初始顆粒為0.5--1.0um的金剛石是通過破碎工藝制造的,過小的顆粒棱角的穩定性差,雜質含量通常較高,使用該粒度金剛石制備的金剛石聚集磨料墊加工石英玻璃時,對石英玻璃的切削作用弱,工件表面的劃痕較淺,去除量少。當采用初始粒徑為1.0--2.0um的金剛石顆粒時,其棱角和晶體完整性優于前者,用其制備的金剛石聚集體磨料墊加工石英玻璃時,工件的材料去除率顯著增加,同時磨料切入工件的深度增加,工件的表面粗糙度變大。      

           (2)金剛石聚集體磨粒二次顆粒尺寸由圖1a可知,因素B由水平1向水平3變化時,即隨著二次顆粒尺寸的增加,工件的材料去除率先增加后減少。

    2、磨粒對TC4鈦合金研磨的影響

           王健杰等采用不同種類及粒徑磨料制作球形固結磨料磨頭對鈦合金研磨材料去除率及表面質量等的影響進行了研究分析,發現:

           (1)金剛石磨頭研磨后工件表面劃痕的寬度更寬,工件表面存在一定的研磨凹坑,金剛石磨料的粒徑越大,工件表面的凹坑越明顯。由于金剛石的硬度較高,研磨時不易發生磨損及破碎,整顆脫落的金剛石磨粒尺寸較大,容易在工件表面發生滾壓作用,產生一定的研磨凹坑。

           (2)金剛石與碳化硅磨料的粒徑越大,材料的去除率越高,同時相同的粒徑時,金剛石和碳化硅引起的材料的去除率差別不大。

           (3)金剛石與碳化硅磨料粒徑越大,研磨后工件表面的粗糙度值越大。這是因為磨料粒徑越大,研磨時磨粒的壓入深度越深,研磨的劃也越寬,因此粗糙度值也越大。同時相同的粒徑時金剛石引起的表面粗糙度值較大,表面質量差。

           綜合TC4鈦合金研磨后的材料去除率,表面粗糙度等指標,研磨選擇粒徑20--30um的碳化硅磨料較好,此時研磨后工件表面凹坑少,劃痕較細,去除率最高,表面粗糙度較小。

    3、不同拋光液組分對銅加工性能的影響

           銅材的拋光主要有化學拋光,電化學拋光,機械拋光等。

           化學拋光在加工時會出現NO、NO2等有害氣體,對操作人員及環境危害嚴重;電化學拋光后的工件表面光亮度不均勻,表面會殘留有凹坑和條紋;而機械拋光容易引起金屬表面扭曲和組織性,構造性的不規范。

           化學機械拋光技術(CMP)作為新型拋光技術,利用機械與化學的復合作用實現對材料的微量去除?;瘜W機制拋光主要有游離的磨料的拋光和固結磨料的拋光。游離磨料加工過程中磨粒分散不均勻,磨粒運動具有不可控性,造成工件面型精度難以保證;同時,有磨粒利用率低,污染嚴重,加工成本高等缺點。固結磨料加工技術則克服了以上缺點,將磨料固結在拋光盤上,磨料分散均勻,保證了材料去除的均勻性,拋光液中只加少量的簡單化的試劑,大大減少了對環境的污染。

           3.1 雙氧水體積分數對銅材料加工性能的影響

           試驗結果顯示:不加雙氧水時,即加工過程中只有磨粒對工件的機械去除作用,摩擦系數呈現出增大的趨勢并逐漸穩定。

           主要是由于拋光墊表面有大量的細小孔隙,降低了樹脂的連續性,增強了銅屑對拋光墊的磨蝕性,確保拋光過程連續穩定進行,同時,磨鈍的金剛石,由于出露高度過高及時脫落,拋光墊表現出良好的自修整性能。拋光液中加入雙氧水后,摩擦系數隨著時間的變化逐漸減小,且雙氧水體積分數越大摩擦系數越小。

           雙氧水具有較強的氧化性,在銅片表面形成一層氧化膜,在磨粒的剪切作用下被去除的銅的氧化物磨屑較純銅屑對研磨墊的磨蝕性稍差,拋光墊的表面孔隙被一部分廢屑所堵塞,使拋光表面鈍化,當時的切入深度減小,剪切的減小,摩擦系數減小,隨著雙氧水,體積分數在的提高,上述過程得到加強,拋光墊鈍化越嚴重,摩擦系數減小,雙氧水體積分數為0時,材料去除 速率達到了278nm/min,明顯大于添加雙氧水的材料去除率。

           使用雙氧水拋光過程中,拋光墊表面發生了鈍化現象,且金剛石的出露高度減小,材料去除率降低,隨著雙氧水體積的增加,雙氧水體積分數越大,銅片表面氧化物厚度越大,而氧化膜與鋼基體之間的結合力差,且該層氧化物的硬度較基體有較大程度的下降,易于被磨粒去除,因此,去除效率反而有增大趨勢。

           3.2 乙二胺體積分數對材料加工性能的影響

           (1)拋光液中添加乙二胺后表面粗糙度值增大,且隨著乙二胺體積分數的增大略為下降。乙二胺對銅的氧物的腐蝕作用使得工件表面變得凹凸不平;致密的氧化物薄膜變得疏松有孔洞,金剛石磨粒切入工件的深度增大,表面粗糙度增大。不同體積分數乙二胺拋光后銅片表面都有很明顯的劃痕出且凹凸不平,說明乙二胺對銅離子的絡合作用明顯。

           (2)乙二胺體積分數為0.3%和0.5%時,摩擦系數變化趨勢一致。乙二胺體積分數較低時,雙氧水的氧化能力強于乙二胺對銅離子的絡合能力,使得氧化物磨屑的表面變得疏松下,對拋光墊的磨蝕性增強,但仍低于純銅屑對拋光墊的磨蝕性。隨著時間的延長,拋光墊表面出現了鈍化--自修整--鈍化的特點,對應地,摩擦系數呈現出先增大后減小的現象。乙二胺體積分數為0.8%時,摩擦系數隨時間的變化基本趨于穩定。此時,乙二胺對銅離子的絡合作用與雙氧水對銅屑的氧化作用基本保持平衡,使得氧化物磨屑的數量減少,純銅屑的數量遞增,磨屑對樹脂基體的磨蝕性增強,拋光墊表現出優越的自修整性,摩擦系數基本保持穩定。

    4、基體硬度對固結料拋光YAG晶體的影響

           釔鋁石榴石(YAG)晶體的透光性好,熔點高,熱導率高,光轉效率高,長時間工作不產生色心,吸收系數大,可進行高濃度摻雜等。YAG晶體固態激光器在雷達測風,激光測距,導彈攔截,軌道空間碎片清除,氫美能量循環,激光核聚變,激光點火等領域具有廣闊的應用前景。但YAG晶體硬度高,脆性大,是典型的難加工材料,加工過程中易出現去除率低,加工表面不均勻,崩邊等現象。然而,應用于高能激光器的YAG晶體表面則要求超光滑,無損傷。

           固結磨料拋光技術具有選擇性強,平坦化效率高,工件表面不易釉化,環保等優點,代表著光整技術加工未來的發展方向。

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           明舜等對不同基體硬度的固結磨料墊拋光YAG晶體后的材料去除率和表面粗糙度時得到以下結果:由圖2a可以看出,固結磨料墊硬度越大,YAG晶體的材料去除率越高。

           隨著基體硬度的增大,彈性基體的退讓性下降,相同尺寸的金剛石磨粒切入工件的深度變大,同時基體對金剛石的把持力隨之增大,金剛石磨粒脫落減少,拋光中有效磨粒數增加,磨粒對工件表面的機械作用越來越顯著,材料去除率也持續變大。

           由圖2b可以看出,隨著基體硬度的增大,YAG晶體的表面粗糙度先減小后增大。當基體硬度較小時,拋光過程中的機械作用以摩擦和耕犁為主。由于親水性基體的損失,拋光過程中的有效顆粒數量減少,拋光去除不均勻。所以當基體硬度較小時,工件的表面粗糙度Ra值反而不小。當基體硬度偏大時,隨著基體硬度的增大,磨粒切入工件深度增加,工件表面產生脆性斷裂,劃痕和凹坑的數量不斷增加,YAG晶體表面粗糙度變大。當硬度適中時,在磨粒的切削作用下,磨粒切入工件的深度適中,此時工件表面劃痕少且淺,表面粗糙度Ra值最小。

    5、砂漿對研磨SiC工件的影響

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           5.1 材料去除率

           SiC是一種典型的耐磨和耐腐蝕材料。添加砂漿對精研SiC時材料去除率的影響如圖3所示。從圖3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0.26μm/min迅速下降至0.02μm/min基本失去研磨能力:B組使用添加砂漿研磨液,其材料去除率提高了5倍左右,且整個實驗過程的材料去除率穩定在1.42um/min左右。

           5.2 表面質量加工后SiC表面容易產生微裂紋。

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           添加砂漿精研SiC時表面粗糙度的影響如圖4所示。從圖4中可以看出,在2組實驗中,工件表面的粗糙度都呈下降趨勢。其中,A組的表面粗糙度從開始的75.3nm下降到64.1nm。B組的表面粗糙度從開始的93.2nm下降到81.5nm,A組的表面質量比B組的好。這是因為未添加砂漿的研磨墊,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,得到的工件表面的粗糙度小,而加砂漿的精研過程中,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。當受上道工序影響的表面被去除后,工件的表面質量基本上穩定。

           6、對YAG晶體表面質量的影響

           當固結磨料墊基體硬度較小時,在拋光液的浸泡下,親水性樹脂基體網格的結合力偏小,在與工件的摩擦和拋光液的沖刷下,基體磨損的速度較快,基體包裹的磨粒比例下降,此時基體對金剛石磨粒的把持力下降,脫落的金剛石磨粒隨著拋光液直接從拋光的溝槽中流出,使有效磨粒數減少,同時由于彈性基體的退讓性,磨粒在接觸到工件后,會出現下陷和向后傾斜的現象,磨粒切深減小,此時的材料去除以耕犁作用為主,材料在劃痕兩側形成堆積,所以拋光后的表面劃痕數量較多,且較寬?;w硬度適中,基體對磨粒的把持力適中,磨粒對工件表面的機械作用以切削為主,有利于YAG晶體表面軟化層的去除,工作表面劃痕少且淺。當基體硬度較大時,基體不易磨損,對磨粒的把持力變大,磨粒對工件表面的機械作用增強,而被拋光表面的化學軟化層不能及時產生,從而致使YAG晶體表面劃痕變多且深,當基體硬度最大時,磨粒的機械作用進一步增強,磨粒切入工件的深度變深,在拋光過程中,發生脆性去除,部分材料產生崩碎現象,從工件表面剝落,產生小凹坑。

     7、結合劑含量與拋光速率和工件表面粗糙度

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           從圖5可以看出,隨著堆積磨料中結合劑增加,拋光墊的拋光的速率先增大后減小,這是因為結合劑為30%(質量分數)時,磨料顆粒之間主要以點接觸的方式連結,結合劑對磨料的把持力較小,堆積磨料單顆粒靜壓強度比較小,在拋光過程中堆積磨料易破碎,因而拋光速率較小,隨著結合劑量的增加,結合劑量為50%(質量分數)時,磨料顆粒之間主要以面接觸方式連結,結合劑對磨料的把持力隨之增大,堆積磨料單顆粒靜壓強度較大,拋光速率隨增加,結合劑量為55%(質量分數)時,結合劑對磨料的把持力過大,在磨削過中金剛石不能及時脫落,過多的結合劑將代替部分金剛石參與拋光,因此拋光速率會有所減小。

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           從圖6可以看出,當結合劑量較少時,結合劑對磨料的把持力較弱,在拋光過程中堆積磨料易破碎,脫落的磨料會對玻璃表面產生劃痕,使得玻璃表面粗糙度變大,隨著結合劑的增加玻璃表面粗糙度逐漸減小,當結合劑量在55%(質量分數)左右時,所加工的工件表面粗糙度最低,Ra0.095um,隨著結合劑量的繼續增加,達到60%(質量分數),結合劑對磨粒產生較強的包覆,導致堆積磨料的自銳性下降,磨粒被磨鈍后,不能及時破碎出新的切削刃,且過多的結合劑將形成較硬的結合劑層而參與磨削,引起被拋光工件表面粗糙度的增大。

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