金剛石砂輪的ECD修銳和整形研磨及其對(duì)硬脆材料的加工*

康喜軍, 田牧純一, 久保明彥, 邱亦睿, 黃 鵬

(1. 三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 福建 三明 365004)

(2. 日本北見工業(yè)大學(xué), 微納米加工學(xué)研究室， 日本 北海道 010010)

(3. 廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 廈門 361024)

金屬結(jié)合劑金剛石砂輪因其結(jié)合強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能在磨削領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，影響工件磨削表面質(zhì)量的主要因素是砂輪表面形態(tài)、磨削用量、磨削熱、磨削力、磨削液、工件材料等。金剛石砂輪的表面形態(tài)主要指金剛石砂輪表面修整后的磨粒切削刃狀態(tài)[1]，國(guó)際上目前采用的方法主要有ELID電解法、激光修銳方法等。電解法是蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)40年代最早提出的，日本科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)和提高，成了獨(dú)特的加工技術(shù)，稱之為ELID電解法技術(shù)[2]。其主要原理是，利用正負(fù)電極間放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫，使砂輪結(jié)合劑熔解、分離、去除，從而獲得突出的磨粒切削刃，用其加工Si3N4陶瓷時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高效率的磨削加工。激光脈沖器是20世紀(jì)60年代美國(guó)的科學(xué)家研發(fā)的，所謂的激光修銳方法主要是利用激光的高密度能量，對(duì)金屬結(jié)合劑砂輪進(jìn)行照射從而去除結(jié)合劑，突出磨粒。陳根余等[3]采用這種方法，用德國(guó)生產(chǎn)的波長(zhǎng)為1 064 nm的緊湊型脈沖摻鐿光纖激光器在砂輪的徑向方向?qū)πD(zhuǎn)中的砂輪進(jìn)行照射，得到的結(jié)論是：通過這種激光照射方法，在砂輪表面產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使結(jié)合劑熔解、分離、去除，可以獲得突出的磨粒切削刃，并取得了良好的修銳效果。

通過對(duì)砂輪磨粒切削刃的修銳可改善陶瓷或光學(xué)玻璃等硬脆材料的表面質(zhì)量[4-10]。但這些研究?jī)H演示了針對(duì)特定材料的砂輪磨粒有效修銳方法，但是對(duì)于放電后切削刃高低不規(guī)則的問題都沒有觸及。單粒切削刃如果采用單粒磨削平面的方式，會(huì)在工件表面產(chǎn)生劃痕[11]，切削刃的高低不平會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生深淺不一的劃痕。磨削是由多個(gè)單粒切削刃構(gòu)成的，切削刃的高低不規(guī)則問題就會(huì)嚴(yán)重影響表面的加工質(zhì)量。

為此，本文中提出了一種可以控制整形面平整度的切削刃修銳整形研磨方法。首先，通過接觸放電(electric contact discharge，ECD)法除去金剛石磨粒之間的結(jié)合劑，突出磨粒切削刃；然后，通過整形研磨方法(truncation)法調(diào)整磨粒切削刃的高低不規(guī)則的徑向高度，從而實(shí)現(xiàn)延性磨削，并研究修整研磨后砂輪加工各種光學(xué)材料的表面形態(tài)變化。

1 實(shí)驗(yàn)方法及條件

圖1是金屬結(jié)合劑金剛石砂輪修銳及整形研磨實(shí)驗(yàn)裝置。圖2為金屬結(jié)合劑金剛石砂輪切削刃修銳及整形研磨過程示意圖。

如圖1a和圖2a所示：將需修整的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪通過ECD法除去SD600N100M金屬結(jié)合劑基體中的一部分結(jié)合劑，即利用正負(fù)電極間的空氣中放電所產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫，使結(jié)合劑分離，從而除去一部分結(jié)合劑，以突出磨粒切削刃[12]。利用ECD法進(jìn)行修銳時(shí)，為了使金屬結(jié)合劑金剛石砂輪獲得亞微米級(jí)的修銳精度，采用了包絡(luò)線接觸放電法。

砂輪磨粒修銳后，再對(duì)磨粒切削刃進(jìn)行整形研磨，如圖1b和圖2b所示：采用切削刃整形法，通過樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪研磨修銳后的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，對(duì)其磨粒的切削刃進(jìn)行整形研磨，使金剛石磨粒的切削刃高度在工作面上保持一致，并通過儀器來測(cè)量軸方向上的橫斷面形狀。其中，圖2b中的整形研磨深度Ta定義為砂輪徑向深度的減小量。

整形研磨法的優(yōu)點(diǎn)在于，可以根據(jù)整形研磨深度Ta來控制磨粒切削刃的平整度，使從黏結(jié)基體中伸出的每個(gè)金剛石磨粒在ECD修銳及整形研磨之后都具有鋒利的切削刃。然后，用修銳及整形研磨好的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪加工硼硅玻璃等硬脆材料。

ECD修銳、整形研磨、加工等實(shí)驗(yàn)條件列于表1中。表1中：金屬結(jié)合劑金剛石砂輪型號(hào)為SD600N100M，其中SD表示人造金剛石磨料，其磨粒代號(hào)為M20/30(舊標(biāo)準(zhǔn)600#，磨?；境叽缰睆綖?0 μm)，N表示砂輪硬度為中度，100表示金剛石濃度為100%(工作層內(nèi)磨料所占體積為25%時(shí)，金剛石濃度為100%)，M表示金屬結(jié)合劑；整形砂輪型號(hào)為SDC600N100B，SDC表示鍍金屬人造金剛石磨料，金剛石磨料粒度代號(hào)M20/30，砂輪硬度為中度N，金剛石濃度為100%，B表示樹脂結(jié)合劑。同時(shí)，修銳、整形研磨及加工都使用PSG52DX平面磨床，WS90冷卻劑。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

為了使砂輪實(shí)現(xiàn)具有亞微米級(jí)的軸向輪廓平坦度，在SD600N100M砂輪上采用了包絡(luò)線生成方法[13-14]。其中，砂輪的軸向輪廓度由被圓弧包圍的直線給出，圓弧的半徑由電極環(huán)的傾斜角度確定，砂輪的輪廓精度由切割深度和電極環(huán)的橫向進(jìn)給量這2個(gè)變量確定；且整形研磨深度Ta取決于被修銳及整形研磨砂輪與樹脂金剛石砂輪的轉(zhuǎn)速比及接觸深度[15]。用修銳及整形后的金剛石砂輪對(duì)硼硅玻璃、石英玻璃、石英晶體和藍(lán)寶石4種材料進(jìn)行磨削加工。砂輪修銳及整形研磨后和材料加工后的軸向輪廓度、表面粗糙度、平面度等用NH3SP型非接觸三次元測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)量，并采用日本電子JSM-6701F掃描電子顯微鏡觀察其表面，以評(píng)估磨削效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂輪切削刃尖端修銳及整形

圖3顯示了砂輪ECD放電修銳及整形研磨后的砂輪軸向輪廓度。由圖3可以看出：ECD放電修銳后的輪廓幾乎與輪軸平行，而在砂輪深度方向，由于切削刃位置不規(guī)則而產(chǎn)生1.2 μm的峰谷粗糙度(圖3a)；而整形研磨后砂輪的切削刃尖端工作表面完全消除了其軸向輪廓的不均勻性，形成了亞微米級(jí)(0.1 μm以下)的平面度(圖3b)。

(a) 修銳后的軸向輪廓度

2.2 砂輪的表面形貌及材料表面粗糙度

圖4為金剛石砂輪表面修銳及整形研磨后的SEM圖像。圖4中強(qiáng)調(diào)了特定金剛石晶粒的切削刃在修銳及整形研磨后的進(jìn)展及發(fā)生的變化，即在實(shí)際整形研磨深度Ta分別為 0(整形前)、1和4 μm時(shí)的情況。從圖4中可以看出：盡管磨粒的整形表面上保留有微小凹凸形貌，但金剛石磨粒的切削刃頂部被整形且沒有發(fā)生表面破裂，說明整形效果適當(dāng)。

圖4 金剛石砂輪整形研磨后的SEM

2.3 磨粒的負(fù)荷面積比與實(shí)際整形研磨深度的關(guān)系

隨著實(shí)際整形深度Ta在0～4 μm變化，磨粒頂部的負(fù)荷面積也不斷變化，但具體的量化關(guān)系尚不清楚，須分析負(fù)荷面積與實(shí)際整形深度之間的量化關(guān)系。

圖5所示是砂輪徑向深度Zs= 1 μm時(shí)負(fù)荷面積比與實(shí)際整形深度的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)的負(fù)荷面積比是指采樣面積與間隔面積之比。在實(shí)驗(yàn)中取10 μm×10 μm的區(qū)域作為測(cè)定范圍，間隔面積為100 μm2；最小采樣面積0.01 μm2，因此，最小可測(cè)負(fù)荷面積比Amin為0.01%。

圖5 負(fù)荷面積比與實(shí)際整形深度的關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量負(fù)荷面積的變化來觀察其與實(shí)際整形深度之關(guān)系。在圖5中，通過原點(diǎn)的虛線表示0.01%以下的接觸面積。從圖5可以看到：負(fù)荷面積比隨切削刃整形研磨深度的增大而增大；在整形研磨深度為0～2 μm時(shí)負(fù)荷面積比緩慢增大，在整形研磨深度為2～7 μm時(shí)負(fù)荷面積比基本不變，整形研磨深度超過7 μm后負(fù)荷面積比逐步增大。此規(guī)律和圖4的SEM結(jié)果基本吻合。

2.4 整形研磨力和實(shí)際整形研磨深度的關(guān)系

圖6顯示了整形研磨力Ft和實(shí)際整形研磨深度Ta相對(duì)于整形的累積設(shè)定深度Ts的關(guān)系。

圖6 整形研磨力及實(shí)際整形研磨深度與整形研磨累積深度的關(guān)系

從圖6中可以看出：整形研磨力和實(shí)際整形研磨深度均隨累計(jì)的整形深度非線性增加。這是因?yàn)榻饘俳Y(jié)合劑金剛石砂輪和樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪之間的實(shí)際接觸面積與實(shí)際整形深度的關(guān)系是非線性的。在實(shí)際整形研磨深度Ta為2 μm時(shí)整形研磨力為1.0 N/mm。

從圖6還可以看出：由于受砂輪彈性變形的影響，累積設(shè)定深度Ts很小時(shí)(即整形研磨開始階段)Ft和Ta很小，并沒有產(chǎn)生實(shí)際的整形研磨效果；只有在Ts=4 μm時(shí)才開始發(fā)生實(shí)際整形研磨，然后逐步加快，在Ts= 35 μm后快速增長(zhǎng)。實(shí)際整形研磨深度Ta為1 μm時(shí)，累積設(shè)定深度Ts為25 μm。因此，砂輪的整形研磨過程是一個(gè)逐步加深加快的過程。

圖7為石英玻璃的表面最大粗糙度Ry和平均粗糙度Ra與實(shí)際整形研磨深度Ta的關(guān)系。圖7中的Ry和Ra均隨實(shí)際整形研磨深度Ta的增加而顯著降低，但Ta超過2 μm后，Ry和Ra基本保持不變，Ta增大不會(huì)使表面粗糙度進(jìn)一步降低。因此，在實(shí)際整形研磨深度Ta達(dá)到2 μm后，砂輪表面的金剛石切削刃被整形研磨，金剛石切削刃高度降低，切削刃的平整度進(jìn)一步提高，但工件加工后的表面粗糙度并沒有得到明顯改善。所以，金屬結(jié)合劑金剛石砂輪整形研磨時(shí)選取Ta為2 μm是比較理想的。

圖7 石英玻璃的表面最大粗糙度Ry和平均粗糙度Ra與實(shí)際整形研磨深度Ta的關(guān)系

硼硅玻璃、石英晶體和藍(lán)寶石3種材料的粗糙度隨Ta的變化也有圖6趨勢(shì)。因此，對(duì)4種被加工材料的表面形態(tài)僅討論Ta為2 μm時(shí)的情況。

2.5 被加工材料的表面形態(tài)

用表1的條件對(duì)金剛石砂輪進(jìn)行修銳及整形研磨，并用該砂輪磨削加工表1中的4種硬脆材料。圖8顯示了砂輪整形研磨前后4種材料的表面粗糙度變化。圖8a結(jié)果顯示：每種材料被整形研磨后的金剛石砂輪磨削加工，其表面粗糙度都得到了顯著改善。其中，硼硅玻璃(BK)、石英玻璃(GQ)、石英晶體(CQ)、藍(lán)寶石(SP)的粗糙度Ry分別減少至砂輪整形研磨前的44%、34%、30%、26%。整形研磨后的藍(lán)寶石材料的Ry只有整形研磨前的26%，降幅最為顯著，說明整形研磨方法對(duì)改善藍(lán)寶石的表面粗糙度最有效。但只考慮整形研磨后Ry的絕對(duì)值時(shí)，石英晶體的Ry只有藍(lán)寶石晶體Ry的一半。圖8b的平均表面粗糙度Ra也顯示出了與圖8a的Ry相同的改善趨勢(shì)。

4種被加工材料的基本性質(zhì)如表2所示。從表2可以看到：硼酸玻璃(BK)和石英玻璃(GQ)都是非晶體，而石英晶體(CQ)和藍(lán)寶石(SP)都是單晶體。石英晶體在面方位及OF方位上都顯示了其獨(dú)特的特點(diǎn)。

表2 被加工材料的基本性質(zhì)

圖9所示為砂輪整形研磨前后磨削的4種材料的表面形態(tài)。從圖9a～圖9c中可以看出：在整形研磨之前被加工材料表面上都有脆性斷裂。特別是硼硅玻璃材料(圖9a)，在其整個(gè)表面上觀察到大的貝殼形裂縫。用整形研磨過的砂輪磨削后，硅硼玻璃表面的脆性斷裂幾乎消失。至于石英玻璃和石英晶體，盡管其表面仍有一些小凹坑，但整體表面質(zhì)量更好，基本光滑幾乎無裂紋。認(rèn)為這是延性磨削造成的。硼硅玻璃磨削后表面質(zhì)量最差、粗糙度最高，是因?yàn)榉蔷w結(jié)構(gòu)導(dǎo)致磨削后玻璃表面留有脆性斷裂。該結(jié)果表明：與石英玻璃和石英晶體這2種硅酸鹽的延性磨削相比，硼硅酸鹽玻璃的延性磨削仍較為困難。

考查圖9d中的藍(lán)寶石材料，由于它由Al2O3單晶體構(gòu)成，雖然磨削后表面脆性斷裂消失，但是生成了鱗片狀輪廓。使用掃描激光顯微鏡測(cè)量鱗片狀輪廓的高度，其值為500 nm，這幾乎與圖7的石英玻璃磨削后的最大粗糙度Ry相同。因此，相比而言，石英晶體材料最可能實(shí)現(xiàn)延性磨削。在同樣條件下，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，對(duì)于藍(lán)寶石材料來說，其延性磨削是困難的。

2.6 整形研磨方法的理論探討及脆性延性解析

圖10是砂輪外貌特征圖，一般設(shè)定磨粒的形狀是空間圓錐形[16]，圓錐形切削刃在平面的投影是倒三角形。高低不規(guī)則的磨粒切削刃分布于砂輪表面上。圖10a是整形研磨前的磨粒切削刃形態(tài)，圖10b是整形研磨后磨粒切削刃的形態(tài)。最大磨粒切削深度dm的關(guān)系式[16]如式(1)所示：

(a) 整形研磨前 Before Truncation

(1)

其中：a表示磨粒切削刃的間隔，α表示磨粒切削刃的半頂角，vw/vs表示速度比，t是進(jìn)給量，D是砂輪直徑。最大磨粒切削深度dm與磨粒切削刃間隔a，速度比vw/vs和進(jìn)給量t有關(guān)。

通過圖10可以看到：整形研磨過程中截平了砂輪磨粒尖端。隨整形研磨深度的增大，新的磨粒切削刃露出，使磨粒之間的間隔變小。

另外，實(shí)現(xiàn)延性磨削須滿足dm

2.7 材料被磨削時(shí)的磨削力

圖11所示為Ta=2 μm時(shí)金剛石砂輪整形研磨前后4種材料磨削時(shí)的磨削力變化。從圖11可以看到：整形研磨后，磨削4種材料時(shí)的法向磨削力和切向磨削力都顯著增加。砂輪整形研磨后加工的石英晶體的表面粗糙度最小(圖8)，但其法向和切向磨削力分別增加到整形研磨前的10倍和22倍，為4種材料的磨削力中最高的。切削刃整形研磨程度輕，Ta值小，磨削力??；反之則大。因此，綜合考慮材料磨削加工時(shí)的表面粗糙度和磨削力，并結(jié)合圖6、圖8的結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)Ta=2 μm時(shí)材料的表面粗糙度基本最優(yōu)而又有一定的切削能力，故實(shí)際整形研磨深度為2 μm是最理想的值。

3 結(jié)論

用ECD法對(duì)SD600金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的切削刃進(jìn)行修銳，再用切削刃整形(truncation)方法，通過樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪研磨修銳后的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，對(duì)其磨粒的切削刃進(jìn)行整形研磨，使金剛石磨粒的切削刃高度在工作面上保持一致；最后用該金剛石砂輪磨削硼硅玻璃、石英玻璃、石英晶體和藍(lán)寶石材料，得出如下結(jié)論：

(1)砂輪切削刃尖端整形研磨后的工作表面形成了亞微米級(jí)的平面度(小于0.1 μm)；

(2)Ry和Ra均隨實(shí)際切入深度Ta的增大而顯著減小，但Ta超過2 μm后其值基本保持不變；

(3)硼硅玻璃、石英玻璃、石英晶體、藍(lán)寶石的粗糙度Ry分別減少至砂輪整形研磨前的44%、34%、30%、26%，藍(lán)寶石材料的表面粗糙度改善最顯著，但石英晶體的表面粗糙度絕對(duì)質(zhì)量最好，其粗糙度值僅有藍(lán)寶石材料表面的一半；

(4)在砂輪整形研磨之前，硼硅酸鹽玻璃、石英玻璃和石英晶體的表面上都發(fā)現(xiàn)了脆性斷裂，但砂輪整形研磨后脆性斷裂幾乎消失，表面質(zhì)量提升；石英玻璃和石英晶體通過延性磨削獲得了幾乎無裂紋的光滑表面，且石英晶體的表面質(zhì)量更好；石英晶體最有可能實(shí)現(xiàn)延性磨削，藍(lán)寶石材料的延性磨削困難；

(5)整形研磨后磨削4種材料的法向磨削力和切向磨削力都顯著增加，綜合考慮工件表面粗糙度和磨削力，實(shí)際的整形研磨深度應(yīng)設(shè)定為2 μm。