精密金刚石砂轮的制造_修整及其磨削机理研究进展
第 20 卷 第 4 期 超 硬 材 料 工 程 Vo l. 20
2008 年 8 月 SU PERHARD MA TER IAL EN G IN EER IN G A ug. 2008
精密金刚石砂轮的制造、修整及其磨削机理研究进展①
何聪华, 袁 慧
(广东工业大学机电工程学院, 广东 广州 510006)
摘 要: 精密金刚石砂轮被广泛应用于各种硬脆性材料, 如石材、玻璃、陶瓷、磁性材料、半导体材料等各种
晶体材料的精密加工。精密金刚石砂轮的制造及其加工各种硬脆材料的磨削机理受到广泛的关注。文章综
述了精密金刚石砂轮的制造、修整和磨削机理的研究状况。
关键词: 精密金刚石砂轮; 制造; 综述; 修整; 磨削机理
中图分类号: TQ 164 文献标识码: A 文章编号: 1673- 1433 (2008) 04- 0030- 07
D evelopmen t of research on the manufactur ing, dressing and
gr inding mechan ism of diamond gr inding wheel
HE Cong2hua, YUAN Hui
(Faculty of M echanical and E lectronic E ng ineering , Guangdong
U niversity of T echnology , Guangz hou 510006, China)
Abstract: D iamond grinding w heel is w idely used fo r p recision grinding various hard and
brittle m aterials such as stone, op tical glass, ceram ics, m agnetic m aterials,
sem iconducto rs and so on. R ecently, the m anufacturing of diamond grinding w heel and
the grinding m echanism of various brittle m aterials have been paid mo re attention to. In
this paper, the m anufacturing, dressing m ethods and grinding m echanism of diamond
grinding w heel are introduced.
Keywords: diamond grinding w heel; m anufacturing; review; dressing; grinding
m echanism
1 前言
各种硬脆材料诸如石材、玻璃、陶瓷、半导体材
料、光学晶体等的加工需要有很高的表面质量以及低
的表面损伤, 因此, 需要各种高性能的精密金刚石砂
轮进行精密磨削加工。但当金刚石的粒度降低到一定
程度, 精密金刚石砂轮的制造就存在很大的困难, 包
括金刚石的分散、结合剂的选择、砂轮的结构设计都
与普通砂轮不同。同样, 精密金刚石砂轮的修整、不同
硬脆材料的磨削机理也受到了广泛的关注。本文总结
了国内外精密金刚石砂轮的制造、修整技术、磨削机
理的最新研究进展。
2 精密金刚石砂轮的制造
以下主要结合精密金刚石砂轮制造中磨料的分
03
① 收稿日期: 2008- 05- 10
作者简介: 何聪华(1983- ) , 男, 硕士研究生。
基金项目: 国家自然科学基金 (50605009)、广东省科技计划 (2005B10201027)、广东省自然科学资金团队项目、广东省科技计划项目
(2004B10301005) 资助项目。
散与表面处理、结合剂的种类、砂轮结构设计进行介
绍。
2. 1 磨料的分散与表面处理
精密金刚石砂轮所用的磨料都是金刚石超细粉
体, 由于静电作用, 在砂轮制造过程中会发生团聚现
象, 使磨料非均匀分布, 以至影响砂轮的磨削质量。此
外, 超细粉体与结合剂的附着能力不强, 导致磨料容
易脱落。为解决这两个问题, 学者们对磨料的分散、增
强磨料与结合剂的附着力分别做了大量的研究。
为了解决金刚石微粉的分散问题, Xu X iang2
yang [1 ] 等人用机械化学方法研究了水介质中纳米金
刚石的分散方法; Xu Kang[2 ] 等人提出了用石墨化-
氧化法来解决纳米金刚石的团聚问题, 他将纳米金
刚石粉在氮气中1 000℃加热1 h, 待纳米颗粒表面和
界面上生成石墨层后, 用在空气中450℃氧化的方法,
将界面上的石墨层除去。将经过处理后的样品放人水
中用超声波分散后, 超过50% (质量百分数) 的金刚石
颗粒可以被分散到直径小于 50 nm; Zhu Yong2w ei
等[3 ] 研 究 了 未 经 CMM (Chem ical M echanical
M odification ) 处理和经过CMM 处理的纳米金刚石
微粉在AD 28 分散剂的分散情况并得到纳米金刚石
悬浮颗粒大小在120nm 范围内的结果; 王柏春[4 ]等利
用超细粉碎机械化学法进行了纳米金刚石硬团聚体
的解聚研究, 最终制得了粒度分布在100 nm 以内、平
均40nm 可长期稳定的水介质纳米金刚石悬浮液。
另外, 学者们发现金刚石磨料经过表面处理后,
可以提高磨粒与结合剂的附着力。Xu X i2peng 等
人[5 ] 分别以镀T i 和不镀T i 金刚石磨粒制造了2 种不
同的金属结合剂金刚石砂轮, 并作了磨削性能对比,
发 现 镀 T i 后 的 金 刚 石 磨 粒 横 向 断 裂 强 度 TR S
(T ransverse R up ture Strength) 提高了 21% , 磨粒消
耗量有所降低; Ihara [6 ] 在镀了金属膜的金刚石微粉
的基础上, 再镀另一层金属膜将几个金刚石颗粒包覆
在一起, 他发现, 后者与树脂的附着力比前者更强;
W ang [6 ] 等人在金刚石微粉 (150～ 850Lm ) 镀上一层
刚玉, 提高了磨料与树脂结合剂的附着力, 砂轮的自
锐性也有所提高, 使砂轮的磨削效率提高 30% 以上,
使用寿命提高30%～ 35%。
2. 2 结合剂
常用的结合剂有树脂、陶瓷、金属结合剂。
树脂结合剂具有自锐性好、有弹性、抛光性能良
等优点, 其种类有环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、氨
基甲酸乙脂树脂等[7 ]。日本三菱马特里阿尔公司[8 ]采
用高流动性耐热树脂, 研制出具有独立气孔的高浓度
(磨粒密度50% ) 低损伤树脂结合剂精密金刚石砂轮。
日本某专利产品中提出以液体环氧树脂作为结合剂,
在搅拌工序卷入空气创成多数气泡, 以气泡代替传统
的气泡材料, 可得到 (40～ 60) vo l% 左右的高气孔率
(气孔大小为 0. 1～ 1mm ) 的多孔树脂结合剂砂轮, 并
使树脂砂轮的磨削性能得到提高[7 ]。
陶瓷结合剂精密金刚石砂轮具有刚性强、耐热性
好、耐腐蚀性好、不易堵塞发热、磨削效率高、修整方
便等优点。Tanaka, T 等人[9 ] 用 0～ 1?8Lm 的金刚石
磨粒, 采用低熔点结合剂通过低温加热来防止金刚石
磨粒在烧结过程中出现石墨化, 成功的制出了多孔陶
瓷结合剂金刚石砂轮。日本某发明专利介绍了高性能
陶瓷结合剂金刚石砂轮的制造方法, 专利指出, 当
SiO 2、A l2O 3、B 2O 3、CaO 等的配比份量恰当时, 在烧结
过程中不需要还原性气氛和非活性气氛, 并可以在
720℃的低温大气中进行烧结, 可不使金刚石磨粒氧
化[10 ]。
金属结合剂精密金刚石砂轮具有硬度高、对磨料
把持力好等优点。W ang Shuang2xi 等人[12 ]在铝基结
合剂中添加不同的元素, 研究了铝基结合剂砂轮的最
佳烧结温度, 他发现,A l2Sn2T i2N i2Co 结合剂金刚石
砂轮磨粒与结合剂的附着力强。S. H. T ruong 等
人[11 ] 用真空烧结方法制造了N i2Cu 和N i2Cu2Sn 结合
剂金刚石砂轮并研究了其机械性能和结合剂的表面
状 态, 他发现在低温烧结N i2Cu 时, 结合剂没形成足
量 的架桥, 在高温烧结N i2Cu 时, 在磨料之间的结合
剂架桥由一些结晶物组成; 在同等烧结情况下,N i2
Cu2Sn 结合剂由于添加了Sn, 使上述现象更为显著。
2. 3 精密金刚石砂轮结构设计
近年来, 学者们为了提高加工效率, 节省生产时
间, 对砂轮的结构作了一些创新设计。在国外, 日本三
菱马特里阿尔公司[8 ]为改善硅片的平面度, 在磨粒层
上设立切缝, 并采用花瓣型磨粒层, 如图1 所示, 从而
改善了磨削过程中硅片中心部分的冷却效果, 提高了
砂轮的使用寿命; Co rbett. J 等人[13 ] 将粗磨和精磨砂
轮组合在一个主轴上以提高磨削效率和加工精度, 减
少粗、精磨砂轮切换时间, 图2 所示为粗、精磨砂轮同
轴整体制造的组合结构; 德国G&N 公司[14 ] 研制了图
3 所示的牙形排列的伸缩式组合砂轮结构,A 和B 分
别是细粒度和粗粒度砂轮块, 通过砂轮块A 的伸缩实
现精磨和粗磨, 相应提高了硅片的加工效率和加工精
度。
13
图 1 花瓣型磨粒层示意图[8 ]
F ig. 1 Sketch of petal type grit layer
图 2 粗、精磨砂轮同轴整体制造
的组合结构示意图
F ig. 2 Schem atic diagram of coaxial grinding
compo site structure of coarse grinding
w heel and fine grinding w heel
3 精密金刚石砂轮的修整技术
在精密磨削中, 常用精密金刚石砂轮加工工件,
使工件达到很高的表面质量。但随着磨粒粒度的减
小, 砂轮的容屑空间变小, 因而在磨削过程中容易发
生容屑孔堵塞, 金刚石磨料变钝, 从而使磨料自锐性
变差, 所承受的磨削力增大, 磨料与工件产生的摩擦
热聚集, 这些严重影响了工件的表面加工质量, 严重
的甚至会烧伤工件表面或造成亚表面损伤[15 ]。为保
证磨削质量和磨削效率, 常常需对精密金刚石砂轮进
行修整。合理的修整方法能使砂轮具有良好的表面形
貌, 而砂轮的表面形貌 (磨粒出刃数量、气孔数量、结
合剂的磨损状况) 又直接影响工件的加工表面质
量[16 ]。以下介绍几种修整方法的研究进展。
3. 1 在线电解修整 EL ID (Electro lytic In2p rocess
D ressing)
在线电解修整加工(EL ID ) 主要应用于金属基结
合剂精密金刚石砂轮的修整。在线电解修整的工作原
理如图 4 所示[17 ] , 砂轮作为正极, 负极安装在砂轮端
面, 并与砂轮端面保持一定的间隙, 在砂轮与工件之
间的间隙供给可溶性化学磨削液, 当两电极通电的时
图 3 牙形排列的伸缩式组合砂轮结构示意图
F ig. 3 Structural diagram of telescop ic compo site grinding w heel
图 4 在线电解修整工作原理示意图[17 ]
F ig. 4 Sketch of EL ID operating p rincip le
候, 产生电解, 把多余的金属腐蚀掉, 从而达到金刚石
磨粒出刃的目的。学者们在EL ID 过程中主要研究砂
轮表面氧化层的形成、氧化层结构与砂轮表面状况以
及砂轮磨削性能和工件加工质量之间的关系。
M. M. Islam [15 ] 等人用粒度为 8000 目铸铁结合
剂精密金刚石砂轮进行在线修整以加工硅片, 他指
出: 电流大小影响着砂轮表面氧化层的厚度, 而氧化
层的结构影响着砂轮的出刃率; 不同的电流负荷比随
着时间增长, 氧化层厚度增加, 最后达到稳定值; 氧化
层厚度几乎与电流负荷比大小无关, 在短时间内, 氧
化层厚度保持恒定, 不再随电流负荷比的增大而增
厚, 气孔分布数量和大小在电流负荷比增大时, 有较
大的降低。K. Fathim a [18 ] 等人研究了 EL ID 电解电
23
压、电流、电解时间对铸铁结合剂精密金刚石砂轮表
面氧化层以及砂轮表面材料去除率的影响, 他指出,
在 EL ID 过程中, 随着结合剂与磨料附着力的降低,
磨粒切削深度减少, 有利于提高工件表面质量; 修整
电流、电压和电流负荷比影响砂轮表面材料去除率;
合适的电解时间有利于延长砂轮的使用寿命。
3. 2 电 火 花 法 修 整 EDM ( Electron D ischarge
M achining)
EDM 通过在电极与旋转的金属结合剂金刚石
砂轮之间利用热能或者电火花来去除砂轮表面多余
的金属材料, 来达到修整砂轮的目的[19, 20 ]。电火花法
修整砂轮切削刃形成原理如图5 所示。
图 5 电火花修整砂轮切削刃形成原理示意图[21 ]
F ig. 5 Princip le diagram of fo rm ation of
grinding w heel cutting edge w ith EDM dressing
Sco tt F. M iller[19 ] 和B rian K. R honey[20 ] 等人采
用EDM 技术修整金属基结合剂金刚石砂轮, 得到了
良好的金刚石磨粒出刃高度; 日本学者岩井田[21 ] 等
人对掺杂硼的金刚石砂轮进行EDM 修整, 提高了砂
轮的磨削性能, 并对BK7 玻璃进行磨削试验, 得到了
R z= 7Lm 的表面粗糙度; 天津大学高大晓[22 ] 等人以
去离子水作为放电介质, 用电火花技术对铸铁基精密
金刚石砂轮进行整形, 得到砂轮的圆度为0. 75Lm , 锥
度误差小于0. 5Lm; 华南理工大学谢晋[23 ]等人用气中
单脉冲电火花放电实现金属结合剂精密金刚石砂轮
的修锐, 产生了较好的砂轮出刃形貌, 改善了磨削表
面质量。
3. 3 软弹性修整
软弹性修整法具有修整效率高、精度高和金刚石
磨粒出刃好等特点, 可以应用于各种结合剂金刚石砂
轮的修整[24 ]。软弹性修整法通常采用砂带作为磨削
工具来修整金刚石砂轮。修整时, 金刚石砂轮高速旋
转, 而砂带缓慢移动使与金刚石砂轮接触处的砂带与
金刚石砂轮有一相对运动, 其加工原理如图 6 所示。
国内相关软弹性修整法的技术专利指出[25 ], 利用软
弹性修整法, 金刚石修整后的圆度误差< 1Lm , 整形
速度可达到每米长的砂带去掉砂轮 10Lm 以上的圆
度误差。
图 6 软弹性修整法原理图
F ig. 6 Princip le diagram of soft2elastic
dressing m ethod
3. 4 其它修整技术
近年来还出现了新的精密金刚石砂轮修整技术,
如激光修整(L aser D ressing) [26- 27 ]、雾喷射放电修整
(M ist2jetting Electrical D ischarge D ressing) [28 ] 等。
M. J. Jackson [26 ] 和湖南大学尤卫民[27 ] 等人分别用激
光修整陶瓷结合剂精密金刚石砂轮和青铜结合剂精
密金刚石砂轮, 使砂轮有良好的表面形貌, 提高了砂
33
轮的磨削性能; Cai L an2rong [28 ] 用雾喷射放电修整金
属基精密金刚石砂轮, 修整效果良好。
4 精密金刚石砂轮磨削机理
对精密金刚石砂轮磨削机理的研究, 目前主要集
中在多颗粒磨削机理的研究、工件表面形成的研究、
影响超精密磨削因素的研究等方面。
4. 1 多颗粒磨削机理和工件表面形成的研究
精密金刚石砂轮在磨削脆性材料时, 由于具有随
机几何形状的磨粒参与磨削, 因而在磨削过程带有随
机性, 故其磨削机理很复杂。工件表面的形成可以看
成是各个独立磨粒参与磨削结果的总和[29, 30 ]。但学
者们一致认为, 脆性材料的材料去除方式可分为两
种: 脆性断裂和延展性磨削。脆性断裂是由于磨粒对
工件表面的挤压使工件表面形成微小的中央裂纹和
侧向裂纹, 侧裂纹的扩展使材料破碎, 从而实现材料
的去除, 如图 7 所示; 延展性磨削所形成的切屑与磨
削金属材料切屑形成类似, 磨削过程包括切屑形成、
耕犁(隆起)、滑擦(滑动和摩擦) 等现象[29, 31 ], 延展性
磨削示意图如图8 所示。上述的各种磨削行为最终构
成了工件的表面状态。此外, 在磨削过程中, 砂轮磨粒
具有随机几何形状和大小, 它们与工件表面接触压力
各不相同, 形成了不同的切削深度。随着切削深度和
磨削力的增加, 晶体位错增多并向工件内部扩展, 从
而产生应力集中, 使亚表面产生微小裂纹, 导致亚表
面损伤SSD (Sub2Surface Dam age) [32 ]。
图 7 脆性断裂示意图
F ig. 7 Sketch of brittle fracture
图 8 延展性磨削示意图
F ig. 8 Sketch of ductile grinding
清华大学王先逵教授[31 ]分析了磨粒在磨削过程
中所发生的现象, 他指出, 由于有些磨粒在砂轮表面
突出比较高, 比较锋利, 当获得足够大的切削深度的
时候, 就可以形成切屑; 有些磨粒在砂轮表面突出不
够高, 不够锋利, 在工件表面产生耕犁, 形成犁沟; 有
些磨粒在砂轮表面突出高度和锋利程度很低, 只能在
工件表面产生滑擦; 分布在砂轮上的有些磨粒, 凸出
高度很小, 且无刃口, 只能挤压工件表面的轮廓尖峰,
形成塑性变形。磨粒切削形态如图9 所示。
图 9 磨粒切削形态示意图
F ig. 9 Sketch of cutting mo rpho logy of grit
T. A. N guyen 等人发现, 在磨削过程中, 只有小
部分磨粒与工件表面接触, 在这小部分磨粒中, 只有
其中一部分磨粒能在工件产生切屑, 其它磨粒在工件
表面产生耕犁或滑擦[29- 30 ]。ChenM ing2jun [33 ]等人根
据动力学磨削理论研究了脆性材料的材料去除方式
从脆性断裂转变成延展性去除的临界条件, 他指出,
这两种现象的转变与压痕的形体尺寸有关, 也就是说
与单颗磨粒切削深度有关。H. T. Young [34 ]在研究硅
片临界切削深度时, 观察了硅片材料从脆性断裂转变
成延展性去除的过程, 如图10 所示, 并指出提高砂轮
转速可以减少硅片表面损伤程度。
图 10 硅片材料从脆性断裂转变
成延展性去除[34 ]
F ig. 10 Sketch of brittle fracture to
ductile removing of silicon w afer
43
D ietm ar Paehler[35 ] 利 用 激 光 声 纳 技 术 ( laser
acoustics) 测量了硅片亚表面损伤的深度, 他认为, 硅
片亚表面损伤可以分为3 个区域, 如图11 所示。区域
é : 厚度只有 10nm 左右, 晶体结构被严重破坏, 多以
破碎材料组成; 区域ê : 由有中等缺陷密度 (m edium
defect density) 的 材 料 组 成, 磨 削 方 向 (grinding
direction) 与晶体排列方向 (crystal direction) 一致,
其厚度与磨削工艺有关; 区域? : 存在少量材料缺陷。
ZHAN G Yin2xia [32 ] 等人研究了硅片的亚表面损伤深
度, 他们发现硅片最上层区域 (top region) 为非晶结
构, 不存在晶体颗粒(crystalline particles); 晶体硅存
在于非晶形层(the amo rphous layer) 下面; 非晶形层
厚度大约 100nm; 硅片加工面 (ground surface) 下面
存在微裂纹、多晶硅、晶体的位错滑移。
图 11 硅片亚表面损伤 3 区域示意图[35 ]
F ig. 11 Sketch of three subsurface dam age
areas of silicon w afer
4. 2 加工工艺对精密磨削的影响
砂轮良好的磨削性能、工件的材质、精密的加工
设备和合适的加工工艺是精密磨削缺一不可的重要
因素。其中, 国内外学者们对磨削工艺进行了深入研
究。
T. A. N guyen 等人建立了磨削点的轨迹方程
(cutting po int trajecto ry) , 并从运动学角度根据砂轮
转速、工件转速、砂轮直径、切削深度等加工工艺参
数, 对砂轮磨削进行仿真, 并研究了磨粒与工件表面
的相互作用, 他指出, 磨粒攻角的临界值, 决定了参与
磨削的磨粒对工件表面的切削形成、耕犁、滑擦现
象[29, 36 ]; D. J. Stephenson 等[37 ] 研究了不同的磨削液
在磨削区域的热传递系数, 他们发现, 在砂轮和工件
的接触区域, 热传递系数与砂轮转速、润滑薄膜厚度
有关, 而润滑薄膜厚度与砂轮转速、气孔、磨粒大小、
磨削液类型、磨削液流量和喷嘴大小有关; Chen
M ing2jun [33 ] 等人研究了影响工件表面质量的因素,
实验表明, 磨粒大小是影响工件表面质量的主要因
素, 其次是砂轮转速和进给率。
5 结束语
精密金刚石砂轮是硬脆材料超精密加工不可缺
少的重要工具, 随着我国经济高速发展和产业升级,
对具有自主知识产权的精密加工工具及工艺技术亟
待突破。因而, 精密金刚石砂轮的制造、修整以及针对
不同硬脆材料磨削机理的不断深入研究, 是提高我国
半导体、精密工具制造产业水平的重要途径。
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精密金刚石砂轮的制造_修整及其磨削机理研究进展.pdf
