硬脆材料超精密磨削技術研究進展綜述

夏江南，閻秋生，潘繼生，雒梓源，汪 濤

（廣東工業(yè)大學 機電工程學院, 廣東 廣州 510006）

科技的發(fā)展與技術革新對新材料的性質(zhì)提出了更高的要求[1-2]。硬脆材料如光學玻璃[3-4]、半導體基片[5-6]、工程陶瓷[7]等由于具有高硬度、高耐磨性、低熱膨脹系數(shù)、抗氧化性、抗腐蝕性等良好的物理與化學特性，廣泛應用于航空航天、遠距離通訊、高精度激光元件和電子信息等領域。然而正是因為這些特點，硬脆材料成為了典型的難加工材料，而且要應用于高新領域，需要通過超精密加工的手段使其達到納米級別的表面粗糙度，并要消除凹坑、劃痕和表面/亞表面裂紋等缺陷[8]。目前，在諸多加工方法之中，超精密磨削技術以高效率、低成本的優(yōu)點成為了硬脆材料加工中的重要一環(huán)[9-10]。

超精密磨削是以人造金剛石[11-13]、立方氮化硼[14-15]等超硬磨料砂輪為磨具對氧化鋁、碳化硅等材料進行加工，以獲得納米級粗糙度表面的加工方法。隨著對硬脆材料需求的大幅增加，如何快速獲得高質(zhì)量的材料表面成為研究的重點。為了提高加工效率、縮短工藝流程，以磨代研、以磨代拋、多主軸集成、磨拋一體化等想法不斷被提出，給超精密磨削技術帶來一次次革新與挑戰(zhàn)。

本文圍繞硬脆材料超精密磨削技術，介紹了目前主流磨削方法的原理及所使用磨床的特點，對超硬磨料砂輪的制備、檢測與修整技術進行了詳細說明；從不同研究方法的角度出發(fā)，系統(tǒng)地總結了目前各學者對硬脆材料的材料去除方式及表面層損傷機理的研究進展；最后對硬脆材料表面質(zhì)量控制水平進行分析，指出目前研究中的不足并展望了未來發(fā)展趨勢，為后續(xù)硬脆材料超精密磨削的研究提供指導。

1 硬脆材料磨削裝備

1.1 超精密磨床

1.1.1 自旋轉(zhuǎn)磨削

自旋轉(zhuǎn)磨削[16-18]是目前較為成熟的一種硬脆材料磨削方法，可達到硬脆材料無表面/亞表面損傷、高面形精度、低表面粗糙度的要求，也常用于大尺寸晶圓背面快速減薄，其原理如圖1所示。磨削時，工件吸附于多孔陶瓷真空吸盤上，隨著旋轉(zhuǎn)工作臺做低速轉(zhuǎn)動，杯形砂輪繞自身主軸做自旋轉(zhuǎn)運動，同時進行軸向進給，實現(xiàn)材料去除。旋轉(zhuǎn)工作臺與杯形砂輪呈一定角度，實現(xiàn)半接觸磨削，降低了磨削力與磨削溫度，并且通過調(diào)整主軸角度能夠控制被磨工件的表面形狀，獲得較高的面形精度。

圖1 自旋轉(zhuǎn)磨削原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of self-rotating grinding principle

超精密磨床一般要求有高剛度的主軸與導軌系統(tǒng)、高定位精度與高穩(wěn)定性，這是實現(xiàn)納米磨削的必要條件。日本、德國、法國在超精密磨床的設計與研發(fā)領域處于領先狀態(tài)，而我國尚處于起步階段。如日本Lapmaster SFT Corp公司生產(chǎn)的立式旋軸超精密端面磨床DMG-6011V，該磨床由大剛度主軸系統(tǒng)、IPG在線測量厚度裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺與杯形砂輪等組成，能夠高效率實現(xiàn)硬脆材料平整化加工，滿足使用要求。

1.1.2 雙面磨削

雙面磨削[19-20]可同時對硬脆材料正反兩面進行磨削加工，節(jié)省了二次裝夾所耗費的時間，并且減少了面形誤差，極大提高了加工效率，其原理如圖2所示。磨削時，材料由送料盤夾持，兩杯型砂輪位于送料盤兩面平行放置，做相對旋轉(zhuǎn)運動，通過軸向進給實現(xiàn)材料去除。

圖2 雙面磨削原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of double-sided grinding principle

法國Fives Group工業(yè)集團生產(chǎn)了立式雙端面磨床VDD系列，該系列磨床有多種進給方式，如旋轉(zhuǎn)進給方式、貫穿進給方式、擺動進給方式等，且可自動上下料，通過伺服控制修整定位，實現(xiàn)高精度、高效率磨削加工[21]。

1.1.3 磨拋一體化

隨著工藝水平的進步，對加工的要求越來越高。為了實現(xiàn)硬脆材料的高效高質(zhì)量加工，研究人員提出了磨拋一體化的思路。磨拋一體化主要運用了集成的思想，將磨削砂輪與拋光輪共同用于同一機床上。如溫海浪等[22]提出了使用內(nèi)外圈升降砂輪來實現(xiàn)磨拋一體化的方法，即在主軸位安裝兩個同心砂輪，外圈為拋光輪，內(nèi)圈為磨削砂輪。通過砂輪高度切換，實現(xiàn)磨削-拋光工藝的轉(zhuǎn)變。日本DISCO公司通過在磨床上集成拋光主軸并且添加多工位來實現(xiàn)磨拋一體化，以達到對材料高效高精度的自動化加工的要求，其原理如圖3所示。

圖3 磨拋一體化原理示意圖Fig.3 The schematic diagram of grinding and polishing integration principle

日本DISCO公司生產(chǎn)的全自動晶圓磨拋機DGP8761集成了背面磨削與去應力加工，可實現(xiàn)粗磨、精磨與拋光3道工序，提高了加工效率[23]。

1.2 超硬磨料砂輪

1.2.1 砂輪制備

超硬磨料砂輪在硬脆材料磨削工藝中起著至關重要的作用，直接影響硬脆材料的磨削效果。以金屬、陶瓷、樹脂等作結合劑，以人造金剛石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,CBN)為磨料的超硬磨料砂輪被廣泛應用于超精密磨削中。圖4為#325金屬結合劑杯型金剛石砂輪，由鋁合金基體與金剛石砂輪結塊兩大部分組成。

圖4 #325金屬結合劑金剛石砂輪Fig.4 # 325 metal bond diamond grinding wheel

目前有關金剛石砂輪制備的研究主要集中在造孔劑、結合劑、添加劑等砂輪組織成分的優(yōu)選，以及控制磨粒有序排布、刻劃溝槽等砂輪表面微結構的設計[24]兩大方面。Zhao等[14]制備了多孔金屬結合劑CBN砂輪磨削Ti-6Al-4V合金，通過對磨削過程中孔隙率的檢測，確定了CBN砂輪能夠保證有足夠的空間容納磨屑與磨削液，砂輪有良好的自銳性，磨削材料后能得到較好的表面質(zhì)量。軒闖等[25]制備了一種以空心氧化鋁微球為造孔劑的陶瓷結合劑金剛石砂輪，通過測試其磨削性能，發(fā)現(xiàn)空心微球質(zhì)量分數(shù)與粒徑大小對砂輪的硬度與強度有較明顯的影響。研究表明該砂輪能夠?qū)κ⒉Ａ?SiO2)表面進行磨削，磨削后其表面粗糙度由0.51 μm降低為0.02 μm。陳哲等[12]制備了樹脂結合劑堆積磨料金剛石砂輪，對YG8硬質(zhì)合金開展磨削研究，發(fā)現(xiàn)當金剛石磨粒堆積分數(shù)達到30%時，砂輪硬度最高，達到最佳磨削性能，比單顆磨粒金剛石砂輪磨削效率提高了40%。宋英桃等[26]采用化學鍍覆的方法制備了金屬-陶瓷復合結合劑金剛石砂輪，在沒有破壞陶瓷結合劑砂輪整體結構的情況下，進一步提高了磨削性能。張鈺奇等[27]通過仿真優(yōu)化制備了一種磨粒有序排布的金剛石砂輪，如圖5所示，通過顯微觀察，發(fā)現(xiàn)磨粒出刃情況良好，磨粒呈一定規(guī)律有序分布。滕世國等[28]通過脈沖激光燒蝕砂輪結塊表面，制備出梯形溝槽和直角溝槽兩種砂輪，通過對比普通砂輪，發(fā)現(xiàn)結構化砂輪的磨粒破碎和脫落的情況明顯減少(見圖6)，結果表明微結構有利于提高砂輪的磨削性能，降低磨削損耗。Wu等[29]使用脈沖激光在金剛石砂輪表面生成了形狀精度高、側(cè)壁傾角小的微結構，使用該砂輪磨削SiC后發(fā)現(xiàn)材料脆性去除得到抑制，裂紋數(shù)量減少，獲得了納米級別表面粗糙度。Guo等[30]使用納秒脈沖激光在金剛石砂輪表面燒蝕出不同深度的連續(xù)微凹槽，制備成一種新型微結構砂輪用于光學玻璃磨削，實驗表明微結構砂輪有較好的容屑效果，磨削過程中的法向力和切向力顯著降低，磨粒尖端和微結構側(cè)邊緣均出現(xiàn)了磨平痕跡，證實微結構在磨削過程中起到了有效作用。

圖5 金剛石砂輪表面形貌[27]Fig.5 Surface morphology of diamond grinding wheel

圖6 3種金剛石砂輪磨損對比[28]Fig.6 Comparison of three kinds of diamond grinding wheel wear

1.2.2 砂輪磨損檢測與分析

在磨削過程中，砂輪的磨損對硬脆材料表面質(zhì)量會有較大的影響，因此各學者對砂輪磨損過程、磨損機理等進行了持續(xù)探索。研究砂輪表面形貌，不可避免需要用到檢測設備，檢測主要分為直接檢測和間接檢測兩大類，直接檢測既包括使用微型探針接觸、劃刻等接觸式檢測，也包括使用高清顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、白光干涉儀和掃描電子顯微鏡等非接觸式檢測；間接檢測主要是利用力、溫度、聲信號等指標[31-32]間接反映砂輪磨削情況。

Luo等[33]研究了金屬結合劑金剛石砂輪在磨削藍寶石過程中的磨損機理，發(fā)現(xiàn)在磨削過程中砂輪存在緩慢磨損—快速磨損—緩慢磨損—穩(wěn)定磨損4個階段，金剛石磨粒以磨耗磨損為主，局部區(qū)域出現(xiàn)磨粒破碎、脫落的現(xiàn)象，磨削量達到240 μm時，砂輪需要進行修整以恢復磨削性能。張紅軒等[34]使用高速橫向減薄機，研究了樹脂結合劑金剛石砂輪的磨損過程，使用高清顯微鏡在位跟蹤檢測砂輪磨粒狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，砂輪主要有磨耗磨損、黏附磨損、磨粒破碎、磨粒脫落4種磨損形式，隨著磨削的進行，磨損形式由以破碎磨損為主慢慢變?yōu)橐责じ侥p、磨粒脫落為主。Seongkyul等[35]提出了利用邊緣衍射效應的非接觸式檢測方法，在線監(jiān)測砂輪磨損量，觀察砂輪表面磨粒狀態(tài)，實時對磨削工藝進行補償修正。汪旋等[36]設計了溫度采集系統(tǒng)，通過標定K型熱電偶采樣模塊收集砂輪磨削溫度實現(xiàn)砂輪磨損在線監(jiān)測，確定砂輪失效時的溫度閾值為171 °C。Chen等[37]建立了旋轉(zhuǎn)聲發(fā)射在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對加工過程的實時監(jiān)測，矯正砂輪垂直方向位置誤差，提高了加工效率。石建等[32]通過磨削力與聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)信號相結合的方法，對磨削過程中砂輪磨損情況進行檢測，通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法識別，準確率達到98%以上。母德強等[38]提出了一種基于激光三角法原理的砂輪磨損量檢測方法(見圖7)，對砂輪磨損量進行非接觸式檢測，可實現(xiàn)大范圍、低誤差的整周期測量。

圖7 砂輪磨損量檢測系統(tǒng)原理圖[38]Fig.7 Grinding wheel wear detection system schematic diagram

1.2.3 砂輪修整技術

為了保證磨削效率和磨削質(zhì)量，需要對超硬磨粒砂輪進行修整，去除磨粒外包裹的結合劑，使其露出鋒利的刃角，并提高砂輪尺寸精度與輪廓精度。而由CBN、金剛石等磨粒制成的砂輪硬度高，修整難度較大，選取合適的修整方法極其重要[39]。

機械修整法由于其便捷且低成本的優(yōu)點是最常用的修整方法[40-41]。機械修整法主要包括單點金剛石筆車削修整[42-43]、通過磨石等修整工具的磨削修整[44]以及金剛石滾輪修整[45]。Zhou等[44]提出了一種綠碳化硅滾磨修整金剛石砂輪的方法，建立了運動學軌跡模型，修整后砂輪跳動誤差大幅降低，面形誤差峰谷值（Peak to Valley，PV）和均方根（Root Mean Square，RMS分別降到3.50 μm和0.60 μm。吳玉厚等[46]提出了一種針對大直徑凸弧金剛石砂輪的修整方法，利用凸弧修整輪與砂輪磨粒之間產(chǎn)生的擠壓微磨削作用修整砂輪，通過實驗表明，該修整方法可以實現(xiàn)金剛石砂輪精密修整，修整后金剛石砂輪的磨削性能得到大幅提升。梁志強等[47]提出了一種碳化硅修整輪切向磨削修整方法，對微結構磨削中金剛石砂輪尖端進行修整，使樹脂和金屬結合劑金剛石砂輪的尖端圓弧半徑分別達到3.5 μm和2.0 μm，獲得了較好的修整效果。Wang等[48]研究了電鍍金剛石修整輪修整弧形金剛石砂輪的修整效果，發(fā)現(xiàn)修整輪的粒徑是影響砂輪修整精度的關鍵因素，使用粒徑為213 μm的修整輪將弧形金剛石砂輪的徑向跳動誤差與截面弧輪廓誤差分別降低到1.9 μm和10 μm，磨粒出刃情況良好，顯著提高了砂輪的磨削性能。

除傳統(tǒng)機械修整方法外，各種先進修整技術逐漸被開發(fā)。Guo等[49]提出了一種使用脈沖激光修整V型電鍍CBN砂輪的方法，通過實驗證明激光修整時的磨削力與修整后砂輪表面粗糙度均低于傳統(tǒng)的機械修整方法，且達到同樣修整效果所需時間大幅降低。Yang等[50]使用激光輔助超聲振動修整技術修整CBN砂輪，實驗發(fā)現(xiàn)通過增加激光功率等能夠降低修整力，且修整后砂輪磨粒出刃高度基本一致，具有良好的磨削效果。伍俏平等[51]將碳納米管添加到電解液中，使用電解在線修整(Electrolytic In-process Dressing，ELID)的方法對釬焊金剛石砂輪進行修整，實驗發(fā)現(xiàn)使用含有碳納米管的電解液電解砂輪后，砂輪表面磨損的磨粒被疏松氧化層覆蓋(見圖8)，使其在磨削過程中易于脫落，砂輪自銳性提高。單子昭等[52]研究了不同放電介質(zhì)下電火花修整金屬結合劑金剛石砂輪的修整效果，發(fā)現(xiàn)使用二氧化硅粉末的混粉電火花修整砂輪后，砂輪表面磨粒出刃高度增加，整體較為平整，表面硅元素含量升高(見圖9)，耐磨性更好。

圖8 有無碳納米管的電解液生成氧化膜厚度[51]Fig.8 The thickness of oxide film formed by electrolyte with or without carbon added nanotubes

圖9 砂輪混粉修整前后其表面Si元素的分布與含量[52]Fig.9 Distribution and element content of Si of grinding wheel before and after EDD under condition

綜上所述，磨削裝備是研究磨削過程的基礎，是技術研發(fā)的核心所在，此方面日本、德國和法國較為領先，國內(nèi)尚處于起步階段。超精密磨床未來的研發(fā)將朝著增加系統(tǒng)精度與穩(wěn)定性、提高集成度與自動化水平的方向發(fā)展。超硬磨料砂輪需要詳細研究結合劑種類和砂輪微結構對不同硬脆材料的具體影響，進一步優(yōu)化砂輪磨損檢測與修整的方法，提高磨削水平。

2 硬脆材料磨削機理

研究硬脆材料的材料去除方式與表面層損傷機理對實際加工有重要的指導意義。1991年，Bifano等[53]提出了延性域磨削這一概念，即脆性材料在特定情況下能實現(xiàn)塑性去除，并給出計算材料臨界切削深度的數(shù)學公式，使得磨削機理的研究進入到新的領域。之后，各國學者從不同角度對硬脆材料超精密磨削機理進行探索，大體分為3個方向：壓痕/劃痕實驗、納米磨削實驗、模擬仿真分析。

2.1 壓痕/劃痕實驗

研究者使用單顆磨粒等對硬脆材料開展實驗，分析磨削機理。Ge等[54]通過納米壓痕/劃痕技術確定了單晶硅(Si)實現(xiàn)脆-塑轉(zhuǎn)變的臨界法向力為26 mN，通過控制法向力的大小，能實現(xiàn)單晶Si的無裂紋線鋸切割。潘繼生等[55]設計了6H-SiC納米壓痕/劃痕實驗，發(fā)現(xiàn)在磨粒的作用下SiC存在5種不同的材料去除形式(見圖10)，其中發(fā)生脆-塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷為63 mN。段念等[56]采用不同尖端圓角半徑的金剛石磨粒劃擦單晶SiC，發(fā)現(xiàn)材料去除方式主要由微裂紋與切向滑移組成，隨著圓角半徑的增大，在脆性去除區(qū)域的微裂紋逐漸擴展從而產(chǎn)生崩碎(見圖11)。Guo等[57]通過單晶AlN壓痕實驗，發(fā)現(xiàn)該材料中存在尺寸誘導的脆塑性轉(zhuǎn)變，通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscopy，SEM）與透射電子顯微鏡（Transmission Electron Micros TEM）表征，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)變與位錯、滑移、微裂紋擴展有關。Meng等[58]采用納米劃痕的方法在6H-SiC表面進行實驗，在透射顯微鏡的檢測下，發(fā)現(xiàn)了劃痕底部表面下存在非晶相，推測SiC的塑性去除是由位錯、滑移以及高壓非晶相變組合而成。

圖10 6H-SiC 5種材料去除方式圖[55]Fig.10 Five material removal methods for 6H-SiC

圖11 圓角半徑不同的磨粒劃擦SiC的表面形貌圖[56]Fig.11 The surface topography of SiC scratched by abrasive particles with different fillet radius is obtained.

2.2 納米磨削實驗

單顆磨粒對硬脆材料的壓痕/劃痕實驗簡潔明了地展示了材料去除方式。但在實際磨削時條件更加復雜，由壓痕/劃痕實驗得出的結論未必能直接挪用，因此，更多學者采用磨削實驗的方法對硬脆材料的磨削機理展開研究。

Yan等[59]使用#325金屬結合劑金剛石砂輪對6HSiC開展磨削實驗，通過OLS4000激光共聚焦顯微鏡檢測SiC表面形貌，采用解理截面法對SiC亞表面損傷進行檢測，研究表明當磨粒切削深度較大時，SiC表面多為凹坑、溝壑和破碎塊，亞表面中位裂紋和橫向裂紋多而深，表面粗糙度值較大，脆性去除占主要成分；當磨粒切削深度減小，磨削表面的破碎、凹坑等脆性去除痕跡減少，以耕犁等塑性去除為主，表面粗糙度大幅降低。吳柯等[60]使用不同粒度的金剛石砂輪磨削藍寶石，發(fā)現(xiàn)保持其他工藝參數(shù)不變，#325砂輪磨削藍寶石是以脆性斷裂的方式去除材料；#500砂輪以脆性-塑性相結合的方式去除材料；#1000砂輪以犁耕、劃擦等塑性流動方式去除材料，實現(xiàn)了延性域磨削。周云光等[61]使用電鍍金剛石砂輪對SiC進行磨削實驗，結果表明材料去除形式以裂紋擴展形成的脆性斷裂為主，磨削劃痕、溝槽等塑性去除痕跡較少。Gao等[62]通過納米磨削實驗對β-Ga2O3晶體展開研究，發(fā)現(xiàn)塑性去除由位錯、層錯、納米晶、納米孿晶等損傷構成，且使用細粒度砂輪時能夠減小納米晶層厚度，產(chǎn)生容易去除的非晶層，表面質(zhì)量提高，為后續(xù)拋光工藝打下良好基礎。Li等[63]研究了SiC陶瓷超聲振動輔助磨削機理，借助掃描電鏡等測量出SiC陶瓷脆-塑轉(zhuǎn)變臨界深度為76.304 nm，通過與機械磨削對比發(fā)現(xiàn)，加入超聲振動后，材料表面脆性破壞減少、塑性去除增多，說明加入超聲振動更容易滿足延性域磨削的條件。Chen等[64]進一步通過實驗分析了超聲振動輔助磨削藍寶石的機理，發(fā)現(xiàn)當超聲波方向平行于藍寶石表面時，材料去除以劃擦等塑性去除為主；當超聲波方向垂直于藍寶石表面時，由于超聲波沖擊作用，藍寶石表面/亞表面裂紋快速擴展，材料以脆性破壞的方式被去除，加工效率更高，但表面質(zhì)量較差。納米磨削實驗從宏觀視角分析了材料去除機理，但仍舊難以對加工瞬態(tài)過程進行觀察分析。

2.3 模擬仿真分析

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)字模擬的仿真分析方法被廣泛使用。吳煥杰等[65]通過有限元仿真建模研究了SiC陶瓷的磨削過程，仿真結果表明在磨削時，材料以脆性和塑性方式去除，脆性去除部分受到摩擦、切削兩種力，塑性去除則是多出一種犁削力。蔣培軍等[66]以有限元分析的方法對工件表面/亞表面的溫度場進行模擬，溫度匹配法建立的熱源模型優(yōu)于瑞利熱源模型，仿真結果與實驗結果一致，磨削溫度隨距離表面深度的增加而降低(見圖12)，磨削燒傷深度范圍為0～0.75 mm。Xiao等[67]通過分子動力學仿真(Molecular Dynamics，MD)的方法研究了6HSiC的延性域去除機理，發(fā)現(xiàn)塑性去除是位錯與相變的結合。Zhang等[68]使用MD仿真分別研究了GaN的N面與Ga面在納米磨削中表現(xiàn)出的特性，發(fā)現(xiàn)磨削后N面位錯與相變數(shù)多于Ga面，且磨削溫度更高。邱鴻晶等[69]以MD仿真為手段研究了SiC的延性域磨削機理，發(fā)現(xiàn)在磨削時金剛石磨粒對SiC表面原子產(chǎn)生擠壓作用導致了晶格變形，隨著變形進一步擴大，SiC原子鍵斷裂，實現(xiàn)延性域去除，如圖13所示。比起磨削實驗，仿真分析能更好地觀察磨削時的瞬態(tài)過程，便于直觀分析材料去除機理，但在實際加工環(huán)境多變、材料自身的組分結構復雜時，仿真的準確性以及適用性需要仔細考量。

圖12 磨削溫度隨深度變化對比圖[66]Fig.12 Grinding temperature changing with depth

圖13 磨削SiC仿真結果[69]Fig.13 Simulation results of grinding SiC

綜上所述，各學者通過納米壓痕/劃痕實驗、納米磨削實驗、模擬仿真3個方向?qū)δハ鳈C理展開深入研究。發(fā)現(xiàn)硬脆材料在超精密磨削過程中，表面層損傷方式由位錯、滑移和微裂紋擴展等組成，通過降低磨粒切削深度，能夠?qū)⒉牧先コ绞接纱嘈匀コD(zhuǎn)變?yōu)樗苄匀コ蠓岣弑砻尜|(zhì)量。但在實際磨削時受到材料類型和磨粒狀態(tài)等因素的影響，容易出現(xiàn)實驗結果偏差，需要不斷改進實驗流程、提高仿真水平，以便進一步向?qū)嶋H磨削過程靠攏，優(yōu)化材料去除模型，準確預測不同材料的脆-塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度。

3 硬脆材料磨削表面質(zhì)量控制

3.1 表面粗糙度及表面形貌

表面粗糙度及表面形貌是評價硬脆材料超精密磨削表面質(zhì)量的重要指標。磨削方法、磨削工藝及磨具類型等均對磨削效果有較大影響。姚松林等[70]借助仿真手段研究了超聲振動輔助磨削對材料表面粗糙度的影響。發(fā)現(xiàn)當對砂輪施加軸向超聲振動后，材料表面粗糙度明顯降低，說明超聲振動輔助磨削的方法比普通磨削效果更優(yōu)。進一步研究不同工藝參數(shù)發(fā)現(xiàn)，增大超聲振動幅度、擴大頻率、提高主軸轉(zhuǎn)速、降低磨削深度和進給速度均能降低材料表面粗糙度。Sun等[71]使用旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助垂直磨削與平行磨削對非球面玻璃陶瓷進行加工，發(fā)現(xiàn)玻璃陶瓷在垂直磨削后其表面輪廓總高度Pt與RMS值遠低于平行磨削，而表面粗糙度算術平均高度Sa與輪廓最大高度Sz只略高于平行磨削，說明垂直磨削的方法比平行磨削更加適合非球面玻璃陶瓷的高效加工。Yin等[72]通過超精密磨削的方法加工熔融石英薄壁管狀光學元件，輪廓精度PV達到1.6 μm，線粗糙度算術平均高度(Arithmetic mean roughnessRa)降至10 nm。Pan等[73]研究了不同磨削參數(shù)對單晶SiC表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)改變進給速度對磨削后SiC表面粗糙度影響最大，砂輪轉(zhuǎn)速其次，工件盤轉(zhuǎn)速的影響最小，且晶片表面的粗糙度分布存在一定的規(guī)律，從中心到邊緣表面粗糙度整體呈上升趨勢。表面形貌變化規(guī)律與粗糙度值一致，高進給速度下主要為脆性破壞，表面遍布破碎塊，凹坑和溝壑深度較大；在降低進給速度后，塑性去除占主要部分，凹坑和溝壑的數(shù)目減少，深度減小。通過正交試驗優(yōu)化工藝參數(shù)，最終獲得了粗糙度Ra為12 nm的光滑表面。王紫光等[74]研究了#5000、#8000、#30000陶瓷結合劑金剛石砂輪磨削單晶Si的表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)隨著砂輪目數(shù)增大，磨削后Si片表面粗糙度值逐漸降低，Ra值依次為14，7，5 nm，表面質(zhì)量得到改善。Luo等[33]使用#325金屬結合劑金剛石砂輪對藍寶石開展實驗，研究發(fā)現(xiàn)磨削量對藍寶石的表面粗糙度也有一定的影響，隨著磨削量的增大表面粗糙度先降低后升高，當磨削量為200 μm時，表面粗糙度最低，達到0.168 μm。

磨削時工件表面會產(chǎn)生規(guī)律的磨削紋路，對表面質(zhì)量有較大影響。Huo等[75]研究了磨削Si片表面磨紋的形成機理，即杯型金剛石砂輪的軸向跳動使得材料無法被均勻去除，產(chǎn)生了規(guī)律的磨削紋路，并提出了一種通過控制砂輪主軸與工件盤轉(zhuǎn)速比的方法來抑制磨紋的產(chǎn)生。王建彬等[76]通過仿真分析發(fā)現(xiàn)單顆磨粒在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的磨紋數(shù)目為工件盤轉(zhuǎn)速n2與砂輪轉(zhuǎn)速n1之比后不可再約分的分母。因此，改變砂輪與工件的轉(zhuǎn)速比能夠有效控制磨紋數(shù)量與磨紋密度(見圖14)。進一步實驗表明，磨削后晶片表面的磨紋由中心向四周發(fā)散，且磨紋數(shù)量越多、磨紋密度越大，晶片表面粗糙度值越低，如圖15所示，中心區(qū)域磨紋密度大于邊緣區(qū)域，表面粗糙度Sa為11.43 nm，小于邊緣區(qū)域的16.02 nm。

圖14 在不同轉(zhuǎn)速比條件下的表面宏觀紋理圖[76]Fig.14 Surface macro texture map under different speed ratio conditions

圖15 晶片不同位置的表面粗糙度[76]Fig.15 Surface roughness at different positions of the wafer

3.2 亞表面損傷

硬脆材料磨削過程中極易產(chǎn)生亞表面損傷，需要通過后續(xù)研拋等手段去除，不但提高了加工成本，而且會對材料性能有嚴重的負面影響，因此，各學者針對此問題展開了深入探索。田海蘭等[77]通過仿真與實驗相結合的手段對單晶Si納米磨削亞表面損傷形成機理展開分析，并且提出了相應的抑制策略。單晶Si納米磨削后亞表面損傷主要由結構相變和非晶化引起，通過降低磨削深度(見圖16(a))，增大砂輪轉(zhuǎn)速(見圖16(b))能有效降低亞表面損傷層厚度。宋健等[78]通過分子動力學仿真的方法，對單晶GaN的亞表面損傷成因進行分析，發(fā)現(xiàn)亞表面層缺陷主要由層錯、位錯和相變組成(見圖17)。戴劍博等[79]研究了高速磨削對多晶SiC亞表面損傷的影響機制，實驗表明提高磨削速度對降低亞表面裂紋損傷深度有顯著作用，當磨削速度由20 m/s提高至160 m/s時，亞表面損傷深度由12.1 μm降至6 μm。高尚等[80]研究了不同粒度的金剛石砂輪對磨削石英玻璃的亞表面損傷影響機制，發(fā)現(xiàn)亞表面損傷深度隨著磨粒粒徑的減小而降低。當材料被脆性去除時，亞表面損傷主要表現(xiàn)為微裂紋；當材料被塑性去除時，亞表面損傷主要表現(xiàn)為塑性變形。

圖16 單晶Si不同條件下亞表面損傷層厚度變化[77]Fig.16 Thickness variation of subsurface damage layer of single crystal Si under different conditions

圖17 單晶GaN亞表面損傷組成[78]Fig.17 Subsurface damage composition of single crystal GaN

3.3 面形精度

硬脆材料的面形精度是影響其應用的重要因素之一。王麗娟等[81]通過雙面磨削對藍寶石襯底進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著磨削壓力的增加，藍寶石的總厚度偏差（Total Thickness Variation，TTV）值逐漸升高，在較低的磨削壓力(22.5 kPa)下，能夠獲得較優(yōu)的面形精度。自旋轉(zhuǎn)磨削可以通過調(diào)整主軸角度來實現(xiàn)對工件面形精度的準確控制。劉子陽等[82]分析了晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削過程中TTV值產(chǎn)生的原因，提出了不同情況下TTV值的調(diào)整方法，通過調(diào)整主軸與承片臺的角度，將直徑300 mm晶圓的TTV值控制在了3 μm以內(nèi)。田業(yè)冰等[83]對硅片自旋轉(zhuǎn)磨削時面形控制開展了研究，發(fā)現(xiàn)硅片磨削時主軸偏角和真空吸盤修整時主軸偏角是影響硅片磨削面形的主要因素。Gao等[84]研究了自旋轉(zhuǎn)磨削真空吸盤的修整形狀對于晶片面形的影響規(guī)律，通過理論分析與實驗驗證，發(fā)現(xiàn)真空吸盤修整形狀受修整裝置和修整參數(shù)的影響，可以通過調(diào)整砂輪主軸角度，控制真空吸盤表面形狀，進一步調(diào)整晶片面形精度。姚衛(wèi)華等[85]借助仿真手段研究了影響晶圓留邊磨削面形精度的因素，建立了晶圓面形模型，提出了降低磨削殘留高度與調(diào)整砂輪軸傾角來控制晶圓面形精度的方法。

綜上所述，現(xiàn)階段對于硬脆材料表面質(zhì)量的影響因素與控制方法的研究均取得了一定的成果，建立了相關的理論預測模型。但實際工況十分復雜，除去機床精度與砂輪質(zhì)量的影響，材料自身的屬性也有明顯差異，仍需要深入研究各因素對硬脆材料表面質(zhì)量的影響規(guī)律，便于應對各種復雜工況。

4 結論

本文以硬脆材料超精密磨削為主題，分別對磨削裝備、磨削機理和表面質(zhì)量控制進行了綜述，得出以下結論。

(1) 超精密磨床、超硬磨料砂輪等超精密磨削裝備是實現(xiàn)超精密磨削的必要條件，直接決定了硬脆材料加工質(zhì)量的上限。日本、法國、德國等在此方面處于世界領先地位，而國內(nèi)尚處于起步階段。超精密磨床以加工效率為優(yōu)化標準，由單軸自旋轉(zhuǎn)磨削，向著多軸、磨拋一體化等發(fā)展。超硬磨料砂輪制備工藝較為成熟，目前更多學者將目光聚焦在砂輪組分優(yōu)化與微結構設計兩方面。砂輪磨損檢測與砂輪在線修整也是研究的一大重點。

(2) 以磨削的方法加工硬脆材料，效率很高，但材料表面質(zhì)量無法保證，而延性域磨削的深入研究改變了這一現(xiàn)狀。硬脆材料在特定條件下能夠由脆性去除轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄匀コ砻尜|(zhì)量得到質(zhì)的提升，易實現(xiàn)低損傷/無損傷納米磨削，極大地節(jié)省了后續(xù)拋光工藝時間，降低了加工成本。未來研究重點依舊是圍繞如何實現(xiàn)延性域磨削這一關鍵問題，希望能更加準確地計算不同硬脆材料延性域磨削的臨界轉(zhuǎn)變值，繼續(xù)優(yōu)化數(shù)學模型與仿真模型，以便應對復雜的實際情況。

(3) 表面粗糙度及表面形貌、亞表面損傷、面形精度是評價硬脆材料表面質(zhì)量的重要指標。超精密磨床的精度、超硬磨粒砂輪的屬性、磨削的工藝參數(shù)均對加工質(zhì)量有較大影響。目前控制硬脆材料表面質(zhì)量的研究主要集中于以下3個方面：改變砂輪的組織與結構，如制備超細粒度砂輪、設計不同的磨粒排布結構、使用軟磨料砂輪；通過實驗與仿真的手段調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速、工件盤轉(zhuǎn)速和進給速度等工藝參數(shù)，以實現(xiàn)延性域磨削；開發(fā)磨削新技術或?qū)⑵渌夹g與磨削相整合，如高速超高速磨削、超聲振動輔助磨削、激光輔助磨削等。這3個方向也將是各學者在未來很長一段時間的研究重點。