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影响固结(堆积)磨料性能因素的研究

关键词 固结磨料|2022-09-19 10:38:32|基础知识|来源 中国磨料磨具网
摘要 固结磨料的性能对加工工件的表面粗糙度,均匀一致性,加工效率等都有着重要的影响。而磨粒尺寸、结合剂种类与含量、填充料的种类等又是影响固结磨料的性能的关键因素。所以引起了众多研究者们的...

       固结磨料的性能对加工工件的表面粗糙度,均匀一致性,加工效率等都有着重要的影响。而磨粒尺寸、结合剂种类与含量、填充料的种类等又是影响固结磨料的性能的关键因素。所以引起了众多研究者们的高度关注。

1、磨料尺寸对石英玻璃加工性能的影响

       当前石英玻璃的研磨加工工序的材料去除效率不稳定,尤其是使用金刚石聚集体固结磨料垫,聚集的粒径及其加工性能影响的研究仍是空白。于是凌顺志等探索金刚石聚集体磨料中一次颗粒尺寸和二次颗粒尺寸,研磨压力和研磨液流量等对固结磨料研磨石英玻璃特性的影响。

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       为此选取金刚石聚集体磨粒的原始粒径(一次颗粒尺寸)和烧结后的粒径(二次颗粒尺寸)两个影响因素。

       (1)金刚石聚集体磨粒一次尺寸图1,当金刚石聚集体磨粒一次颗粒尺寸由水平(0.5--1um)变化到水平(1.0--2.0)时,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。

       初始颗粒为0.5--1.0um的金刚石是通过破碎工艺制造的,过小的颗粒棱角的稳定性差,杂质含量通常较高,使用该粒度金刚石制备的金刚石聚集磨料垫加工石英玻璃时,对石英玻璃的切削作用弱,工件表面的划痕较浅,去除量少。当采用初始粒径为1.0--2.0um的金刚石颗粒时,其棱角和晶体完整性优于前者,用其制备的金刚石聚集体磨料垫加工石英玻璃时,工件的材料去除率显著增加,同时磨料切入工件的深度增加,工件的表面粗糙度变大。      

       (2)金刚石聚集体磨粒二次颗粒尺寸由图1a可知,因素B由水平1向水平3变化时,即随着二次颗粒尺寸的增加,工件的材料去除率先增加后减少。

2、磨粒对TC4钛合金研磨的影响

       王健杰等采用不同种类及粒径磨料制作球形固结磨料磨头对钛合金研磨材料去除率及表面质量等的影响进行了研究分析,发现:

       (1)金刚石磨头研磨后工件表面划痕的宽度更宽,工件表面存在一定的研磨凹坑,金刚石磨料的粒径越大,工件表面的凹坑越明显。由于金刚石的硬度较高,研磨时不易发生磨损及破碎,整颗脱落的金刚石磨粒尺寸较大,容易在工件表面发生滚压作用,产生一定的研磨凹坑。

       (2)金刚石与碳化硅磨料的粒径越大,材料的去除率越高,同时相同的粒径时,金刚石和碳化硅引起的材料的去除率差别不大。

       (3)金刚石与碳化硅磨料粒径越大,研磨后工件表面的粗糙度值越大。这是因为磨料粒径越大,研磨时磨粒的压入深度越深,研磨的划也越宽,因此粗糙度值也越大。同时相同的粒径时金刚石引起的表面粗糙度值较大,表面质量差。

       综合TC4钛合金研磨后的材料去除率,表面粗糙度等指标,研磨选择粒径20--30um的碳化硅磨料较好,此时研磨后工件表面凹坑少,划痕较细,去除率最高,表面粗糙度较小。

3、不同抛光液组分对铜加工性能的影响

       铜材的抛光主要有化学抛光,电化学抛光,机械抛光等。

       化学抛光在加工时会出现NO、NO2等有害气体,对操作人员及环境危害严重;电化学抛光后的工件表面光亮度不均匀,表面会残留有凹坑和条纹;而机械抛光容易引起金属表面扭曲和组织性,构造性的不规范。

       化学机械抛光技术(CMP)作为新型抛光技术,利用机械与化学的复合作用实现对材料的微量去除。化学机制抛光主要有游离的磨料的抛光和固结磨料的抛光。游离磨料加工过程中磨粒分散不均匀,磨粒运动具有不可控性,造成工件面型精度难以保证;同时,有磨粒利用率低,污染严重,加工成本高等缺点。固结磨料加工技术则克服了以上缺点,将磨料固结在抛光盘上,磨料分散均匀,保证了材料去除的均匀性,抛光液中只加少量的简单化的试剂,大大减少了对环境的污染。

       3.1 双氧水体积分数对铜材料加工性能的影响

       试验结果显示:不加双氧水时,即加工过程中只有磨粒对工件的机械去除作用,摩擦系数呈现出增大的趋势并逐渐稳定。

       主要是由于抛光垫表面有大量的细小孔隙,降低了树脂的连续性,增强了铜屑对抛光垫的磨蚀性,确保抛光过程连续稳定进行,同时,磨钝的金刚石,由于出露高度过高及时脱落,抛光垫表现出良好的自修整性能。抛光液中加入双氧水后,摩擦系数随着时间的变化逐渐减小,且双氧水体积分数越大摩擦系数越小。

       双氧水具有较强的氧化性,在铜片表面形成一层氧化膜,在磨粒的剪切作用下被去除的铜的氧化物磨屑较纯铜屑对研磨垫的磨蚀性稍差,抛光垫的表面孔隙被一部分废屑所堵塞,使抛光表面钝化,当时的切入深度减小,剪切的减小,摩擦系数减小,随着双氧水,体积分数在的提高,上述过程得到加强,抛光垫钝化越严重,摩擦系数减小,双氧水体积分数为0时,材料去除 速率达到了278nm/min,明显大于添加双氧水的材料去除率。

       使用双氧水抛光过程中,抛光垫表面发生了钝化现象,且金刚石的出露高度减小,材料去除率降低,随着双氧水体积的增加,双氧水体积分数越大,铜片表面氧化物厚度越大,而氧化膜与钢基体之间的结合力差,且该层氧化物的硬度较基体有较大程度的下降,易于被磨粒去除,因此,去除效率反而有增大趋势。

       3.2 乙二胺体积分数对材料加工性能的影响

       (1)抛光液中添加乙二胺后表面粗糙度值增大,且随着乙二胺体积分数的增大略为下降。乙二胺对铜的氧物的腐蚀作用使得工件表面变得凹凸不平;致密的氧化物薄膜变得疏松有孔洞,金刚石磨粒切入工件的深度增大,表面粗糙度增大。不同体积分数乙二胺抛光后铜片表面都有很明显的划痕出且凹凸不平,说明乙二胺对铜离子的络合作用明显。

       (2)乙二胺体积分数为0.3%和0.5%时,摩擦系数变化趋势一致。乙二胺体积分数较低时,双氧水的氧化能力强于乙二胺对铜离子的络合能力,使得氧化物磨屑的表面变得疏松下,对抛光垫的磨蚀性增强,但仍低于纯铜屑对抛光垫的磨蚀性。随着时间的延长,抛光垫表面出现了钝化--自修整--钝化的特点,对应地,摩擦系数呈现出先增大后减小的现象。乙二胺体积分数为0.8%时,摩擦系数随时间的变化基本趋于稳定。此时,乙二胺对铜离子的络合作用与双氧水对铜屑的氧化作用基本保持平衡,使得氧化物磨屑的数量减少,纯铜屑的数量递增,磨屑对树脂基体的磨蚀性增强,抛光垫表现出优越的自修整性,摩擦系数基本保持稳定。

4、基体硬度对固结料抛光YAG晶体的影响

       钇铝石榴石(YAG)晶体的透光性好,熔点高,热导率高,光转效率高,长时间工作不产生色心,吸收系数大,可进行高浓度掺杂等。YAG晶体固态激光器在雷达测风,激光测距,导弹拦截,轨道空间碎片清除,氢美能量循环,激光核聚变,激光点火等领域具有广阔的应用前景。但YAG晶体硬度高,脆性大,是典型的难加工材料,加工过程中易出现去除率低,加工表面不均匀,崩边等现象。然而,应用于高能激光器的YAG晶体表面则要求超光滑,无损伤。

       固结磨料抛光技术具有选择性强,平坦化效率高,工件表面不易釉化,环保等优点,代表着光整技术加工未来的发展方向。

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       明舜等对不同基体硬度的固结磨料垫抛光YAG晶体后的材料去除率和表面粗糙度时得到以下结果:由图2a可以看出,固结磨料垫硬度越大,YAG晶体的材料去除率越高。

       随着基体硬度的增大,弹性基体的退让性下降,相同尺寸的金刚石磨粒切入工件的深度变大,同时基体对金刚石的把持力随之增大,金刚石磨粒脱落减少,抛光中有效磨粒数增加,磨粒对工件表面的机械作用越来越显著,材料去除率也持续变大。

       由图2b可以看出,随着基体硬度的增大,YAG晶体的表面粗糙度先减小后增大。当基体硬度较小时,抛光过程中的机械作用以摩擦和耕犁为主。由于亲水性基体的损失,抛光过程中的有效颗粒数量减少,抛光去除不均匀。所以当基体硬度较小时,工件的表面粗糙度Ra值反而不小。当基体硬度偏大时,随着基体硬度的增大,磨粒切入工件深度增加,工件表面产生脆性断裂,划痕和凹坑的数量不断增加,YAG晶体表面粗糙度变大。当硬度适中时,在磨粒的切削作用下,磨粒切入工件的深度适中,此时工件表面划痕少且浅,表面粗糙度Ra值最小。

5、砂浆对研磨SiC工件的影响

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       5.1 材料去除率

       SiC是一种典型的耐磨和耐腐蚀材料。添加砂浆对精研SiC时材料去除率的影响如图3所示。从图3可以看出,A组使用未加砂浆的研磨液,材料去除率下降明显,由0.26μm/min迅速下降至0.02μm/min基本失去研磨能力:B组使用添加砂浆研磨液,其材料去除率提高了5倍左右,且整个实验过程的材料去除率稳定在1.42um/min左右。

       5.2 表面质量加工后SiC表面容易产生微裂纹。

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       添加砂浆精研SiC时表面粗糙度的影响如图4所示。从图4中可以看出,在2组实验中,工件表面的粗糙度都呈下降趋势。其中,A组的表面粗糙度从开始的75.3nm下降到64.1nm。B组的表面粗糙度从开始的93.2nm下降到81.5nm,A组的表面质量比B组的好。这是因为未添加砂浆的研磨垫,其金刚石磨料磨钝后切入深度小,造成的划痕浅,钝化的金刚石磨粒起到部分抛光效果,得到的工件表面的粗糙度小,而加砂浆的精研过程中,研磨垫具有自修整能力,金刚石磨料更新快,可有效保持磨粒锋利,划痕较深,表面粗糙度较大。当受上道工序影响的表面被去除后,工件的表面质量基本上稳定。

       6、对YAG晶体表面质量的影响

       当固结磨料垫基体硬度较小时,在抛光液的浸泡下,亲水性树脂基体网格的结合力偏小,在与工件的摩擦和抛光液的冲刷下,基体磨损的速度较快,基体包裹的磨粒比例下降,此时基体对金刚石磨粒的把持力下降,脱落的金刚石磨粒随着抛光液直接从抛光的沟槽中流出,使有效磨粒数减少,同时由于弹性基体的退让性,磨粒在接触到工件后,会出现下陷和向后倾斜的现象,磨粒切深减小,此时的材料去除以耕犁作用为主,材料在划痕两侧形成堆积,所以抛光后的表面划痕数量较多,且较宽。基体硬度适中,基体对磨粒的把持力适中,磨粒对工件表面的机械作用以切削为主,有利于YAG晶体表面软化层的去除,工作表面划痕少且浅。当基体硬度较大时,基体不易磨损,对磨粒的把持力变大,磨粒对工件表面的机械作用增强,而被抛光表面的化学软化层不能及时产生,从而致使YAG晶体表面划痕变多且深,当基体硬度最大时,磨粒的机械作用进一步增强,磨粒切入工件的深度变深,在抛光过程中,发生脆性去除,部分材料产生崩碎现象,从工件表面剥落,产生小凹坑。

 7、结合剂含量与抛光速率和工件表面粗糙度

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       从图5可以看出,随着堆积磨料中结合剂增加,抛光垫的抛光的速率先增大后减小,这是因为结合剂为30%(质量分数)时,磨料颗粒之间主要以点接触的方式连结,结合剂对磨料的把持力较小,堆积磨料单颗粒静压强度比较小,在抛光过程中堆积磨料易破碎,因而抛光速率较小,随着结合剂量的增加,结合剂量为50%(质量分数)时,磨料颗粒之间主要以面接触方式连结,结合剂对磨料的把持力随之增大,堆积磨料单颗粒静压强度较大,抛光速率随增加,结合剂量为55%(质量分数)时,结合剂对磨料的把持力过大,在磨削过中金刚石不能及时脱落,过多的结合剂将代替部分金刚石参与抛光,因此抛光速率会有所减小。

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       从图6可以看出,当结合剂量较少时,结合剂对磨料的把持力较弱,在抛光过程中堆积磨料易破碎,脱落的磨料会对玻璃表面产生划痕,使得玻璃表面粗糙度变大,随着结合剂的增加玻璃表面粗糙度逐渐减小,当结合剂量在55%(质量分数)左右时,所加工的工件表面粗糙度最低,Ra0.095um,随着结合剂量的继续增加,达到60%(质量分数),结合剂对磨粒产生较强的包覆,导致堆积磨料的自锐性下降,磨粒被磨钝后,不能及时破碎出新的切削刃,且过多的结合剂将形成较硬的结合剂层而参与磨削,引起被抛光工件表面粗糙度的增大。

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