BCB砂輪ELID磨削單晶硅工藝實(shí)驗(yàn)研究

李　偉，戴　杰

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

BCB砂輪ELID磨削單晶硅工藝實(shí)驗(yàn)研究

李偉，戴杰

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：ELID磨削主要采用鑄鐵結(jié)合劑砂輪，但是該砂輪在使用過程中有明顯的弊端，如砂輪難以制造，價(jià)格也比較高，且無法保證加工表面的清潔度.將新型環(huán)保型竹炭結(jié)合劑砂輪(BCB砂輪)與ELID磨削技術(shù)相結(jié)合，可開發(fā)一種使用簡便、制作簡易、并且可以達(dá)到優(yōu)良的加工表面質(zhì)量的新型超精密加工方法與技術(shù).通過BCB砂輪進(jìn)行單晶硅ELID磨削工藝實(shí)驗(yàn)，研究磨削參數(shù)對單晶硅ELID磨削表面質(zhì)量，切向磨削力的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：BCB砂輪進(jìn)行單晶硅ELID磨削加工過程中磨削性能良好，可獲得高效率、高質(zhì)量表面加工效果.

關(guān)鍵詞：ELID磨削；BCB砂輪；表面質(zhì)量；切向磨削力

單晶硅材料具有高硬度、高脆性、耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及太陽能產(chǎn)業(yè)，隨著這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其對單晶硅的質(zhì)和量的要求都大大提高，相應(yīng)的對加工要求也明顯提高：高精度、高表面質(zhì)量，加工后可以達(dá)到鏡面效果，同時(shí)單晶硅又屬于典型的硬脆難加工材料，對于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式來說是很大的挑戰(zhàn)[1].

在磨削加工中，影響磨削加工表面質(zhì)量和加工效率的兩個(gè)重要原因就是砂輪易堵塞和磨粒易變鈍，解決單晶硅、藍(lán)寶石等硬脆材料的磨削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在磨削過程中保持砂輪磨粒的鋒利狀態(tài)[2].在線電解修整(Electrolytic in-process dressing,簡稱ELID)磨削技術(shù)利用電化學(xué)原理可以電解腐蝕砂輪表面鑄鐵結(jié)合劑，使得磨粒露出結(jié)合劑表面，在磨削過程中始終保持鋒利狀態(tài)，在對硬脆材料進(jìn)行磨削加工時(shí)，可獲得高效率超精密磨削加工效果[3-4].目前，鑄鐵結(jié)合劑砂輪廣泛地運(yùn)用在ELID磨削加工中，但是該砂輪有明顯的不足：難加工，價(jià)格高，且加工時(shí)易造成二次污染[5].因此，此次試驗(yàn)將竹炭結(jié)合劑(BCB)砂輪與ELID磨削加工技術(shù)相結(jié)合，通過改變相關(guān)參數(shù)進(jìn)行單晶硅加工實(shí)驗(yàn)，來研究磨削參數(shù)對單晶硅ELID磨削加工中的切向磨削力、表面粗糙度的影響規(guī)律，并研究單晶硅ELID磨削加工原理.

1磨削試驗(yàn)條件

1.1試驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)裝置主要是由ELID脈沖電源、ELID平面磨床及BCB砂輪等組成，檢測裝置包括：鉗形電流探、示波器以及粗糙度測量儀等.實(shí)驗(yàn)中采用的BCB砂輪主要由酚醛樹脂固化劑、熱固性酚醛樹脂、磨料及竹炭粉四部分組成.它的原材料主要是竹炭材料，利用酚醛樹脂進(jìn)行粘結(jié)，再經(jīng)高溫炭化獲得BCB砂輪[6].磨削加工實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1　單晶硅 ELID 磨削加工系統(tǒng)圖Fig.1　ELID grinding system

1.2磨削力測量裝置及方法

本次實(shí)驗(yàn)利用CP8100L鉗形電流探頭測量磨削加工過程中砂輪電機(jī)的電流，該鉗形電流探頭其工作原理是測量導(dǎo)線中干擾電流信號的磁環(huán)，根據(jù)該磁環(huán)可以間接算出電機(jī)中電流的大小.使用時(shí)將它固定在砂輪電機(jī)的導(dǎo)線上，便可以收集砂輪電機(jī)中的電流信號，通過與示波器的相連便可以實(shí)時(shí)存儲和記錄ELID磨削加工過程中砂輪電機(jī)中電流大小.實(shí)驗(yàn)采用Agilent Technologies DSO6014A的存儲示波器進(jìn)行磨削過程中主軸電機(jī)電流信號存儲，儲存示波器采集記錄的電信號可計(jì)算出切向磨削力，為磨削力分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[7-8].

通過測算出電流大小可以算出電機(jī)消耗的功率，并且可以使用功率法來測量切向磨削力.功率法的原理是通過磨削加工過程中驅(qū)動砂輪主軸電機(jī)的實(shí)際的消耗功率來計(jì)算得出磨削過程中砂輪磨削力的大小[9].由于磨床砂輪的主軸與主軸電機(jī)之間直接通過聯(lián)軸器相連，所以驅(qū)動砂輪的動力由主軸電機(jī)單獨(dú)提供，測出電機(jī)的功率也就得到了砂輪在磨削過程中消耗的功率.通過測量的電流數(shù)據(jù)可以得到主軸電機(jī)的功率Ph，然后乘以機(jī)械傳動效率(取0.7)算出砂輪實(shí)際消耗的功率P0，再根據(jù)關(guān)系式計(jì)算可得

(1)

式中：P0為砂輪實(shí)際消耗的功率；ns為砂輪轉(zhuǎn)速；Ft為切向磨削力；ds為砂輪外直徑.

功率計(jì)算方法使用簡便，通過測量相關(guān)數(shù)據(jù)便可以算出磨削力的大小，在磨削加工中都可適用，但是不同的磨削系統(tǒng)會對測量以及計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生影響，所以利用功率法計(jì)算磨削力時(shí)，要在磨削加工的現(xiàn)場進(jìn)行，并依據(jù)具體情況排除干擾因素，測算各種因素的影響以便得到更加精確的磨削力的數(shù)據(jù)[10].

1.3粗糙度測量裝置

本實(shí)驗(yàn)中對磨削加工后的單晶硅表面進(jìn)行粗糙度的檢測主要是使用Mahr perthometer S2表面粗糙度測量儀，其簡單便捷的使用方法有利于準(zhǔn)確快速地測出工件表面的粗糙度.

2電源參數(shù)對表面粗糙度和磨削力的影響

本實(shí)驗(yàn)是將新型環(huán)保型竹炭結(jié)合劑砂輪(BCB砂輪)以及ELID磨削技術(shù)相結(jié)合，利用開發(fā)的ELID磨床以及相關(guān)的檢測設(shè)備進(jìn)行單晶硅ELID磨削工藝實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：側(cè)臥矩形臺平面磨床、竹炭結(jié)合劑氧化鋁砂輪、高頻直流脈沖電源、自制的磨削液等，其中磨削與電解電源參數(shù)如表1所示.

表1　磨削及ELID電源參數(shù)表

2.1電解電壓對單晶硅表面粗糙度和切向磨削力的影響

其他實(shí)驗(yàn)條件以及參數(shù)不變的情況下，分別在60，90，120 V三擋不同電壓下，進(jìn)行單晶硅的ELID磨削加工實(shí)驗(yàn).圖2，3為電解電壓對于加工表面粗超度與切向磨削力影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

由圖2，3可得出：當(dāng)其他的實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)不變的情況下，電解電壓上升則帶來ELID磨削加工后單晶硅表面粗糙度隨之增加，尤其是將電解電壓由90 V上升到120 V，表面粗糙度大幅增加，相比之下對切向磨削力的影響沒有那么明顯，電壓增大時(shí)，切向磨削力只是略微地減小.其主要原因是當(dāng)提高ELID磨削的電解電壓時(shí)，電解砂輪結(jié)合劑的速度也相應(yīng)變快，帶來的結(jié)果是：砂輪上的磨粒出刃的高度就會增大，其中參與磨削的磨粒數(shù)量就會增大，砂輪的容屑空間也會相應(yīng)增大，所以就會導(dǎo)致ELID磨削過程中磨削力的減小.當(dāng)電解電壓增大時(shí)，氧化膜的生成速度會變快，其厚度相對也會加大，這樣就會導(dǎo)致氧化膜變得疏松質(zhì)量變差，同時(shí)過厚的氧化膜造成了磨削力不足，單晶硅表面加工時(shí)未能得到充分磨削，致使單晶硅表面的粗糙度也隨之增大.

圖2　電解電壓與表面粗糙度的關(guān)系Fig.2　Electrical voltage VS surface roughness

圖3　電解電壓與切向磨削力的關(guān)系Fig.3　Electrical voltage VS Grinding force

綜上可知：當(dāng)ELID磨削加工過程中電解電壓較高時(shí)，電解砂輪的速度就會過快，從而導(dǎo)致氧化膜質(zhì)量較差，加工后的工件表面質(zhì)量也較差；當(dāng)電解電壓較低時(shí)，氧化膜質(zhì)量會較好有利于提高加工表面質(zhì)量，但是這樣會導(dǎo)致氧化膜生成速率慢，切削效率偏低，所以兼顧各方面因素，決定在后續(xù)加工過程中主要采用90 V電解電壓.

2.2占空比對單晶硅表面粗糙度和切向磨削力的影響

其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件不變并采用90 V電解電壓，分別調(diào)節(jié)占空比為1/4，2/4，3/4進(jìn)行ELID磨削單晶硅實(shí)驗(yàn)，占空比變化對于單晶硅表面粗糙度和切向磨削力的影響結(jié)果分別如圖4，5所示.

由圖4，5得知：當(dāng)占空比由1/4增大到3/4時(shí)，加工后單晶硅表面粗糙度剛開始減小隨后增大，而切向磨削力剛開始增大隨后減小.其原因主要是：占空比增大時(shí)，就意味著在一個(gè)周期內(nèi)電解時(shí)間變長，間歇時(shí)間變短，這樣會使砂輪的電解速率提高，有利于提高氧化膜的質(zhì)量，單晶硅的磨削加工表面質(zhì)量也會較好.但是占空比過大時(shí)就會使結(jié)合劑長時(shí)間處于電解狀態(tài)，就會致使氧化膜的質(zhì)量變差，最終導(dǎo)致單晶硅的加工表面精度變差. 因此，為了均衡經(jīng)濟(jì)性和加工表面質(zhì)量，取占空比為2/4較好.

圖4　占空比與表面質(zhì)量的關(guān)系Fig.4　Electrical duty ratio VS surface roughness

圖5　占空比與切向磨削力的關(guān)系Fig.5　Electrical duty ratio VS Grinding force

3磨削參數(shù)對表面粗糙度和切向磨削力的影響

3.1水平進(jìn)給速度對表面粗糙度和切向磨削力的影響

在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同的情況下并采用90 V電解電壓與2/4的占空比，分別在不同的工作臺水平進(jìn)給速度下進(jìn)行對單晶硅進(jìn)行ELID磨削加工，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6，7所示.

圖6　水平進(jìn)給速度與表面粗糙度關(guān)系Fig.6　Relationship of feed rate and surface roughness

圖7　水平進(jìn)給速度與切向磨削力關(guān)系Fig.7　Relationship of feed speed and tangential grinding force

由圖6可知：當(dāng)工作臺水平進(jìn)給速度增大時(shí)，無論是ELID還是非ELID磨削，單晶硅加工表面的粗糙度都會隨之增大.這是由于：增加水平進(jìn)給速度，單顆磨粒切深就會增加，進(jìn)而導(dǎo)致磨削力增大以及機(jī)床主軸振動加強(qiáng)，從而造成表面粗糙度增大.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了ELID磨削表面粗糙度與切向磨削力相比非ELID磨削均降低很多.

由圖7可知：切向磨削力的變化趨勢與表面粗糙度的變化趨勢非常相似.當(dāng)水平進(jìn)給速度增加時(shí)，在ELID與非ELID兩種磨削狀態(tài)下切向磨削力均增大，這是因?yàn)樵龃笏竭M(jìn)給速度增加了單個(gè)磨粒所要磨削的厚度，致使每個(gè)磨粒上切向磨削力都相應(yīng)增大，故導(dǎo)致整個(gè)加工過程中切向磨削力的增大.

3.2砂輪轉(zhuǎn)速對表面粗糙度和切向磨削力的影響

在與上述相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件下，分別在1 500 r/min和3 000 r/min的砂輪轉(zhuǎn)速下對單晶硅進(jìn)行磨削加工，其結(jié)果如圖8， 9所示.

由圖8知：當(dāng)增大砂輪轉(zhuǎn)速時(shí)，無論是ELID磨削還是非ELID磨削，其切向磨削力都會隨之減小，但ELID磨削力減小相對較少，造成這種現(xiàn)象的原因是砂輪轉(zhuǎn)速的增大使得單位時(shí)間參與磨削的磨粒數(shù)量增加，使得單顆磨粒需要切削的厚度變小，故單個(gè)磨粒上產(chǎn)生的切向磨削力減小，導(dǎo)致整體切向磨削力相應(yīng)減小.但ELID磨削情況下 增大了砂輪轉(zhuǎn)速則縮短了砂輪表面電解時(shí)間，導(dǎo)致砂輪表面氧化膜不易充分生成，影響了砂輪部分磨削性能.

由圖9可知：當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速增大時(shí)，ELID與非ELID磨削后的單晶硅表面的粗糙度都相應(yīng)減小，但是非ELID磨削中表面粗糙度的降低較為明顯，而ELID磨削過程中表面粗糙度的降低變化表現(xiàn)較平緩.造成這種現(xiàn)象的主要原因是增大了砂輪轉(zhuǎn)速則縮短了砂輪表面電解時(shí)間，導(dǎo)致砂輪表面氧化膜不易充分生成，所以其加工表面質(zhì)量提高相對不明顯.

圖8　砂輪轉(zhuǎn)速與切向磨削力關(guān)系Fig.8　Grinding wheel rotation speed and the tangential grinding force

圖9　砂輪轉(zhuǎn)速與表面粗糙度的關(guān)系Fig.9　Grinding wheel speed and surface roughness

4結(jié)論

通過磨削實(shí)驗(yàn)研究了ELID磨削以及非ELID磨削加工下磨削參數(shù)變化對于單晶硅材料切向磨削力、表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：切向磨削力隨著水平進(jìn)給速度以及砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小；表面粗糙度隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨著水平進(jìn)給速度的增大而增大，過高的砂輪轉(zhuǎn)速會使砂輪表面電解時(shí)間縮短從而導(dǎo)致ELID磨削的部分磨削性能降低.在單晶硅的ELID和非ELID磨削過程中切向磨削力和表面粗糙度變化規(guī)律相同，但ELID磨削加工的磨削性能明顯優(yōu)于非ELID磨削加工，并且單晶硅加工表面質(zhì)量依靠ELID磨削加工得到了明顯提高.采用BCB砂輪ELID磨削技術(shù)可以避免生較大的切向磨削力，尤其對于單晶硅，藍(lán)寶石等功能材料超精密加工具有重要意義.

參考文獻(xiàn)：

[1]張春河.在線電解修整砂輪精密鏡面磨削理論及應(yīng)用技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1996.

[2]金衛(wèi)東.硬脆材料氮化硅陶瓷的ELID超精密磨削技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[3]KIM H Y, AHN J H, SEO Y H. Study on the estimation of wheel state in electrolytic in-process dressing(ELID) grinding[J]. ISIE，2001(3):1615-1618.

[4]袁立偉，任成祖，舒展，等.ELID超精密鏡面磨削鈍化膜狀態(tài)變化的研究[J].航空精密制造技術(shù)，2006，42(2):5-8.

[5]李偉，于天明.環(huán)保型BCB砂輪燒結(jié)工藝及其磨削性能研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5):8-13.

[6]陳曉.利用木材介空結(jié)構(gòu)制備新型復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].高分子材料科學(xué)與工程,2003,19(6):32-36.

[7]李偉，馬明明.單晶硅的ELID磨削原理與技術(shù)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

[8]王樹啟，黃紅武.砂輪在線電解修銳(ELID)技術(shù)在工程陶瓷高速磨削中的應(yīng)用研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2006.

[9]李偉，詹方勇.ELID磨削智能能加工技術(shù)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，43(1):39-43.

[10]莊司克雄.磨削加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

(責(zé)任編輯：劉巖)

Study on ELID grinding of single crystal silicon with BCB grinding wheel

LI Wei, DAI Jie

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Electrolysis In-process Dressing(ELID) grinding mainly uses the cast iron bonded grinding wheel, however it is expensive for manufacturing, and the making process is complex and difficult. During the grinding process of silicon, sapphire and other functional materials, it is easy to cause pollution to the ground surface of these materials. This paper proposed a new kind of grinding wheel, which uses the bamboo charcoal bonded (BCB) grinding wheel, and applied to ELID grinding for single crystal silicon. Based on the ELID grinding experiments, the grinding parameters (electrolytic voltage, duty ratio and vertical feed, and grinding wheel rotation speed etc.) influence of the tangential grinding force, and ground surface roughness have been studied, the experimental results showed that, the ELID grinding process has the excellent grinding performance, a precision and efficient grinding process for silicon has been gained by the ELID grinding with BCB grinding wheel.

Keywords:ELID grinding; BCB grinding wheel; surface quality of the workpiece; tangential grinding force

收稿日期：2015-12-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50775207)

作者簡介：李偉(1961—)，男，吉林梅河口人，教授，研究方向?yàn)槌芗庸ぜ夹g(shù)，E-mail：weilihz@163.com.

中圖分類號：TH161+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)03-0275-04