基于氧化鋁陶瓷磨削實(shí)驗(yàn)的超薄金剛石砂輪三維建模研究

莊朋,張幼軍,馮雙,胡濤

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110870）

現(xiàn)階段精加工領(lǐng)域?qū)δハ骷庸ず蟮谋砻尜|(zhì)量要求越來(lái)越高,如與現(xiàn)在科技發(fā)展密切相關(guān)的半導(dǎo)體行業(yè),硬脆材料中的玻璃、陶瓷和單晶硅等材料使用磨削加工為最后的材料加工成型步驟,將加工后的表面粗糙度,單位面積內(nèi)的崩邊數(shù)量等損傷參數(shù)作為評(píng)價(jià)參數(shù)[1].氧化鋁陶瓷是典型的硬脆材料[2],因其具有高強(qiáng)度、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,在機(jī)械、電子、國(guó)防和航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3],而且氧化鋁陶瓷是目前世界上使用范圍最廣、產(chǎn)量巨大,應(yīng)用范圍最廣的陶瓷之一.氧化鋁陶瓷主要成分以α-Al2O3粉體為主,并且其備料簡(jiǎn)單,原料充足，對(duì)于鋼鐵而言其重量輕、密度較小[4-8].

在國(guó)內(nèi)熊萬(wàn)里等學(xué)者對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行了高速磨削實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在提高砂輪線速度的同時(shí),加工過(guò)程中的磨削力更為平穩(wěn),相較于以往傳統(tǒng)工藝的表面質(zhì)量比較,磨削完的表面質(zhì)量較高[9].黃含在進(jìn)行同樣的磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)使用了樹(shù)脂金剛石劃片,對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行了高速精密切割實(shí)驗(yàn)，揭示了氧化鋁陶瓷等硬脆材料的磨削機(jī)理,在此基礎(chǔ)上還研究了高效率磨削氧化鋁陶瓷的力學(xué)公式[10-12].謝桂芝等學(xué)者對(duì)氧化鋁陶瓷加工進(jìn)行了工藝參數(shù)的分析,對(duì)包括表面質(zhì)量,磨削溫度等性能進(jìn)行了表征[13].對(duì)磨削氧化鋁陶瓷的刀具進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),磨粒等脫落程度對(duì)金剛石砂輪的使用壽命影響更大[14].李曙生對(duì)金剛石磨粒的排布問(wèn)題進(jìn)行了研究,從金剛石刀具角度研究了磨削機(jī)理[15].

氧化鋁陶瓷作為一種重要的超硬材料，其應(yīng)用極為廣泛,在結(jié)構(gòu)陶瓷、電子陶瓷、光學(xué)陶瓷中都有著舉足輕重的地位[16].氧化鋁陶瓷由于性能優(yōu)良、密度小質(zhì)量輕、加工精度高等特性且具備形成薄膜涂層優(yōu)勢(shì),在半導(dǎo)體基板、封裝材料、介電元件和絕緣膜等方面被廣泛應(yīng)用[17].由于其自身特性導(dǎo)致傳統(tǒng)加工工藝方法難以滿足現(xiàn)階段的精度要求,所以氧化鋁陶瓷加工需要一種新的方法.

超薄金剛石砂輪切割片作為新興的磨削工具,其磨削過(guò)程主要通過(guò)磨粒的二面角在工件的表面進(jìn)行劃擦去除材料,利用其去除材料少的特點(diǎn),得到符合加工要求的表面質(zhì)量.

本文研究超薄金剛石切割片表面的三維建模,通過(guò)ABAQUS 軟件對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行磨削仿真[4],最后進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三維模型的準(zhǔn)確性.

1 超薄金剛石砂輪切割片表面的三維建模

1.1 砂輪表面的微觀形貌

使用掃描電鏡對(duì)超薄金剛石砂輪切割片進(jìn)行微觀形貌觀察,圖1 為200 μm 單位下微觀形貌,砂輪表面的磨粒是隨機(jī)分布的,其刃露出量也各不相同,在建立模型時(shí)需要考慮磨粒在表面排布的隨機(jī)性[18],可以看出在200 μm 單位面積內(nèi),同一行參與磨削的磨粒數(shù)多為3～4 顆,圖2 為50 μm 單位下微觀形貌,可以明顯看出金剛石磨粒,且形狀為不規(guī)則的多面體.說(shuō)明經(jīng)過(guò)后期研磨,去除毛刺,切割片外圓修整效果優(yōu)異,金剛石磨粒明顯露出,隨機(jī)分布在結(jié)合劑之上,形貌較為完整.

圖1 砂輪200 μm 微觀形貌Fig.1 Micromorphology of grinding wheel at 200 μm

圖2 砂輪50 μm 微觀形貌Fig.2 Micromorphology of grinding wheel at 50 μm

1.2 磨粒幾何參數(shù)的確定

結(jié)合磨粒形狀表面形貌觀測(cè),由于磨粒形狀具有一定的不規(guī)則性,提高了模擬的難度.本文簡(jiǎn)化金剛石磨粒為多面體形狀,實(shí)驗(yàn)采用的超薄金剛石砂輪切割片中磨粒目數(shù)為400 N,換算得出其單顆磨粒直徑大約為37 μm 左右,使用Python 語(yǔ)言對(duì)ABAQUS 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),首先建立一定范圍直徑的磨粒,規(guī)定磨粒最大與最小直徑使用[Dmax,Dmin]代替,利用Python 語(yǔ)言中的random.uniform 函數(shù)生成[Dmax,Dmin]內(nèi)的隨機(jī)數(shù),保證其磨粒粒徑在合理范圍,利用圓外切線生成不同菱形缺口的切割件,對(duì)正方體進(jìn)行不同方向、不同次數(shù)的隨機(jī)切割,進(jìn)而生成不同形狀的磨粒,其流程大體如下:

(1)在全局坐標(biāo)系原點(diǎn)建立直徑在[Dmax,Dmin]范圍內(nèi)的圓.

(2)利用Python 語(yǔ)言中的random.randin 函數(shù)選取輸入直徑圓上[45°,89]任一角度,設(shè)角度為θ,使用X=sin(θ),Y=cos(θ)確定圓上的一點(diǎn),通過(guò)切線方程求出交于Y 軸的點(diǎn),利用這兩點(diǎn)確定一條直線,同理選取[91-149]圓上的一點(diǎn),確定切線方程,利用幾何關(guān)系求出兩條切線的交點(diǎn),利用此原理,接著選出4 個(gè)交點(diǎn).

(3)在ABAQUS 后臺(tái)程序中使用s.Line(point1=(x,y),point2=(x,y))命令給串聯(lián)取出的四個(gè)交點(diǎn)形成菱形.

(4)利用ABAQUS 內(nèi)核rectangle 語(yǔ)句生成矩形,拉伸形成切割件.

(5)建立Dmax 為邊長(zhǎng)的正方體.

(6)將切割件與被切割件拉進(jìn)裝配模塊,進(jìn)行中心移動(dòng)Dmax/2 的距離,使兩個(gè)部件中心在坐標(biāo)原點(diǎn)處,使用PYTHON 中的random 函數(shù),讓切割件分別繞X,Y,Z 軸進(jìn)行隨機(jī)角度的旋轉(zhuǎn),確定切割位置.

(7)切割后的磨粒如圖3 所示.

圖3 不同切割次數(shù)、不同形狀的磨粒Fig.3 Abrasive particles with different cutting times and shapes

1.3 砂輪幾何參數(shù)的確定

在二次發(fā)開(kāi)的程序中使用For 循環(huán)函數(shù)中的for i in range(N),N 代表磨粒數(shù)目,跟據(jù)實(shí)際情況輸入相應(yīng)的磨粒數(shù)進(jìn)行備用.使用s1.Circle By Center Perimeter(center=(x,y),point1=(x,y))中心為原點(diǎn),點(diǎn)1 中的X 坐標(biāo)為砂輪半徑,依據(jù)命令建立砂輪基體,將兩者放進(jìn)裝配模塊,確定磨粒位置前使用PYTHON 中的|[0|360°]函數(shù)確定隨機(jī)角度,使磨粒分別繞自身的X,Y,Z 軸進(jìn)行隨機(jī)角度的旋轉(zhuǎn),模擬磨粒與結(jié)合劑反應(yīng)時(shí)自身位置.為簡(jiǎn)化模擬磨粒在砂輪表面位置的隨機(jī)性,避免磨粒相互重疊,采用前文中在圓上取點(diǎn)命令(X=sin(θ),Y=cos(θ))進(jìn)行類似斜齒輪的磨粒排布,接著采用固定磨粒中心在砂輪外表圓的方法,即在砂輪外表面選取的圓上均勻布點(diǎn)[19],并隨機(jī)選取磨粒放置在相應(yīng)的點(diǎn)上,實(shí)現(xiàn)砂輪的三維建模,如圖4 所示.由于仿真實(shí)驗(yàn)條件限制,簡(jiǎn)化建立寬度為100 μm,截取外徑為58 mm 模型中的1°為磨削工具,結(jié)果如圖5 所示.

圖4 整體砂輪建模Fig.4 Modeling of integral grinding wheel

圖5 外徑(58 mm)的1°砂輪Fig.5 1° grinding wheel with outer diameter (58 mm)

2 切割氧化鋁陶瓷仿真實(shí)驗(yàn)與設(shè)置條件

研究所采用試驗(yàn)材料為氧化鋁陶瓷材料,模擬切削試驗(yàn)條件如表1 所示.砂輪整體設(shè)置為剛體,氧化鋁陶瓷在磨削時(shí)呈現(xiàn)脆性斷裂,因此,在目前的有限元分析中采用ABAQUS 顯式脆性開(kāi)裂本構(gòu)模型,當(dāng)材料中的最大主應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí),材料發(fā)生分離[20-21].如圖6 所示,實(shí)驗(yàn)部分采用DS610 精密劃片切割機(jī),此機(jī)型主要用于硅集成電路,纖維復(fù)合材料,氧化鋁等類型的陶瓷,藍(lán)寶石等硬脆性材料的精密切割,其技術(shù)性能如下,控制系統(tǒng)由工業(yè)計(jì)算機(jī)和軸卡安裝組成,由于轉(zhuǎn)臺(tái)為圓形,其最大加工尺寸為6英寸.轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)過(guò)磨床加工,平整度在±0.006 mm,X 軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),調(diào)速范圍為0.1～500 mm/s,Y 軸采用直線導(dǎo)軌,滾珠絲杠和光柵反饋閉環(huán)控制,全程定位精度<0.004 mm/160 mm.Z 軸采用直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)方式,重復(fù)定位精度0.003 mm.θ 軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),精密360°轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu),其分辨率可以達(dá)到0.000 5°.高清的CCD 與高倍顯微鏡組成圖像系統(tǒng),狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示,操作方便.如表2 所示,實(shí)驗(yàn)采用SDC400N25M超薄金剛石砂輪切割片用作切削工具,結(jié)合劑為銅錫組合,采用熱壓方式進(jìn)行壓制,然后經(jīng)過(guò)修磨成型.工件單片規(guī)格為5*40*40 mm 尺寸的氧化鋁陶瓷.

圖6 實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)Fig.6 Experimental bench

表1 氧化鋁陶瓷仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of alumina ceramics

3 氧化鋁陶瓷切割仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)氧化鋁陶瓷切割力的影響

圖7 為不同主軸轉(zhuǎn)速切割氧化鋁陶瓷的實(shí)驗(yàn)與仿真磨削力點(diǎn)線圖,由圖可知,五種不同轉(zhuǎn)速下磨削力整體趨于下降,隨著主軸轉(zhuǎn)速增加,磨削所需要的磨削力越來(lái)越小,主軸轉(zhuǎn)速由20 000 r/min 增加到30 000 r/min 時(shí),磨削力下降幅度變小,但在25 000 r/min 主軸轉(zhuǎn)速后磨削力稍微上升,結(jié)合圖8 磨削力起伏程度,分析原因主軸轉(zhuǎn)速的提高及主軸振動(dòng)增加及切割片離心力的作用造成砂輪本身的彈性變形,最終導(dǎo)致磨削力的增加,仿真由于邊界條件的設(shè)定導(dǎo)致整體磨削力比實(shí)驗(yàn)中的磨削力高,因?yàn)楹雎哉駝?dòng)與溫度影響導(dǎo)致在30 000 r/min 時(shí)實(shí)驗(yàn)的磨削力高于仿真的磨削力.

圖7 不同轉(zhuǎn)速下實(shí)驗(yàn)與仿真磨削力對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental and simulated grinding forces at different speeds

圖8 不同轉(zhuǎn)速下磨削力波動(dòng)過(guò)程Fig.8 Grinding force fluctuation process at different speeds

3.2 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)氧化鋁陶瓷切割表面質(zhì)量的影響

圖9 為氧化鋁陶瓷在主軸轉(zhuǎn)速20 000 r/min,進(jìn)給量4 mm/s,切深0.2 mm 的磨削條件下的材料斷裂情況.很明顯,隨著磨粒施加力逐漸增強(qiáng),磨粒楔入能有效地去除斷裂的材料,并且將斷裂的材料沿切線方向推出，不會(huì)造成磨削區(qū)域發(fā)生明顯的彎曲,但對(duì)鄰近的材料影響范圍較大.由于砂輪表面磨粒的刃露出量不同,造成硬脆材料的崩邊,顯示切口不平整,磨削完的表面高度不同,與圖10 同等實(shí)驗(yàn)條件的現(xiàn)實(shí)結(jié)果相似,驗(yàn)證了三維模型的準(zhǔn)確性.

圖9 仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results

如圖11 所示,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,材料邊緣大于25 μm 背崩邊數(shù)逐漸下降,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到25 000 r/min時(shí),背崩邊數(shù)達(dá)到最少,但之后繼續(xù)增加主軸轉(zhuǎn)速,崩邊數(shù)反而增加.分析原因是轉(zhuǎn)速增加,切割片與工件之間磨削熱的積累降低切割片鋒利程度.說(shuō)明在主軸轉(zhuǎn)速為25 000 r/min 時(shí)氧化鋁陶瓷表面質(zhì)量最好,對(duì)應(yīng)圖8 主軸轉(zhuǎn)速下切割力較為穩(wěn)定.

圖11 大于25 μm 背崩邊數(shù)Fig.11 >25 μm back edge collapse number

3.3 進(jìn)給速度對(duì)氧化鋁陶瓷切割力與表面質(zhì)量的影響

如圖12 所示,固定主軸轉(zhuǎn)速為24 000 r/min,切割深度0.2 mm.隨著進(jìn)給速度的增加,磨削力大小從0.24 N 左右上升到0.5 N 左右,但當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到6 mm/s 時(shí),磨削力下降為0.3 N 左右.并且可以看到進(jìn)給速度為4 mm/s 時(shí),磨削力波動(dòng)程度更大,結(jié)合圖13 其崩邊數(shù)量也是最多,表面質(zhì)量最差.分析原因除卻材料本身的不均勻因素,可以得出金屬金剛石切割片在4 mm/s 進(jìn)給速度下進(jìn)行磨削時(shí),刀具與工件之間的磨削熱積累更快,磨粒脫落程度更高,造成整體磨削力變大,并且波動(dòng)程度最大.

圖12 不同進(jìn)給速度磨削力變化Fig.12 Grinding force changes at different feed rates

圖13 邊緣大于25μm 背崩邊數(shù)Fig.13 Back edge collapse greater than 25 μm

3 結(jié)論

通過(guò)圓外切線的方法建立多面體磨粒,使用掃描電鏡觀察切割片表面形貌,利用PYTHON 語(yǔ)言中的隨機(jī)函數(shù)確定磨粒最終角度,采用均勻布點(diǎn)的方式確定磨粒的排布,可以建立較為準(zhǔn)確的三維模型.

進(jìn)行氧化鋁陶瓷的仿真實(shí)驗(yàn),磨削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小,由于邊界條件影響,相同條件下的仿真結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但與同等實(shí)驗(yàn)條件的現(xiàn)實(shí)結(jié)果相似,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性.

結(jié)合仿真,主軸轉(zhuǎn)速在25 000 r/min 時(shí)磨削力最小,波動(dòng)也最平穩(wěn),觀察實(shí)驗(yàn)后的崩邊情況,證明此轉(zhuǎn)速下切割氧化鋁陶瓷效果最好,與其他工藝相比,利用超薄金剛石砂輪切割片加工氧化鋁陶瓷更加容易滿足精度要求.