摘要 對A12O3和PTC陶瓷薄件進(jìn)行了固著磨料研磨實驗，分析了不同參數(shù)對磨削效率和表面粗糙度的影響，提出了有效研磨工程陶瓷薄件的方法。
　　主題詞 工程陶瓷 切除率 表面粗糙度
　　在前一研究中，作者曾進(jìn)行了用游離磨料研磨PTC半導(dǎo)體陶瓷(Ti2O3)和A12O3陶瓷薄件的實驗研究[1]。結(jié)果表明，在游離磨料研磨加工中，對于表面形貌為脆性斷裂凹坑或其與塑性溝痕的組合，研磨工藝參數(shù)和研磨盤材料對加工效果有明顯的影響，可以獲得高的平面度和較好的表面質(zhì)量，但是加工效率低，陶瓷薄件易破碎，成品率低。樹脂結(jié)合劑研磨片具有一定的彈性，金屬結(jié)合劑研磨片具有良好的磨削性能和耐磨性。固結(jié)磨料研磨片作用于工件表面的力均勻，可以減少工件的破碎；多個研磨片組成的砂輪，可以提高研磨效率和表面質(zhì)量，小直徑研磨片在研磨液的沖洗下，不易堵塞；工件的平面度可以通過研磨片的及時修整得到保證。通過研磨片組成的砂輪和被研磨工件間的不規(guī)則運動，可實現(xiàn)工程陶瓷薄件高質(zhì)量的平面加工。
　　本文采用不同的金剛石、碳化硅樹脂研磨片，以及金剛石金屬結(jié)合劑研磨片，進(jìn)行了PTC半導(dǎo)體陶瓷和Al2O3工程陶瓷的研磨工藝研究。針對某PTC半導(dǎo)體陶瓷加工廠的實際需求，力圖優(yōu)選出一種適用于生產(chǎn)應(yīng)用的研磨片成份和使用工藝，替代目前的游離磨料研磨工藝。
　　1 實驗
　　實驗使用一臺改裝后的游星輪單面研磨機(jī)，工件放置在一個可轉(zhuǎn)動的圓盤上。為避免工件相互撞擊，用粘結(jié)劑將工件粘在磨盤表面，研磨片則粘在一個可自轉(zhuǎn)的游星輪的壓塊上，通過在壓塊上增加負(fù)重來調(diào)節(jié)研磨壓力。圓盤轉(zhuǎn)動時，游星輪自轉(zhuǎn)。用精密測微儀器測量工件和研磨片研磨高度的微小變化，并計算磨削比，測量研磨前后的表面粗糙度。在掃描電鏡上觀察了研磨片和工件的表面形貌。圖1為加工實驗裝置示意圖。以PTC為主要研究對象，氧化鋁作為對比。氧化鋁和PTC的顯微硬度值分別為1507．44HV0.1。和623．9HV0.1。試件厚度為2／mm。研磨轉(zhuǎn)速為50、100、150、200r／m，實測行星輪自轉(zhuǎn)速度為80r／m，拋光盤直徑為380／mm。磨削壓力為13、17、22、26、31 N。研磨液為水和實測濃度為0．5％的一種非離子表面活性劑為主的水溶性冷卻液。
　　
　　所用研磨片直徑為10mm，厚度為2mm，實驗用研磨片按結(jié)合劑—磨料—粒度—濃度進(jìn)行標(biāo)識，分別為PI—RVD—270／325—75％。PI—RVD—W28—75％，PF—RVD—W28—75％，PI—RVD—W14—75％，PI—SiC—W14—100％，633Cu—RVD—W28—100％。樹脂研磨片洛氏硬度(67．5kg，1／8)為90～95。
　　2 研磨片制造及其本性能
　　PF樹脂磨片以熱塑性酚醛樹脂為結(jié)合劑的主要原料，添加適宜的固化劑(烏洛托品)，再添加一定量的填料如Cr2O3、Cu、CeO、SiC磨粒等與金剛石RVD微粉一起充分混合，在模具內(nèi)冷壓成型，然后采用合適的升溫曲線固化成型而成，目前在超硬磨料磨具中采用樹脂結(jié)合劑所占的比例約超過半數(shù)。
　　PI樹脂磨片是采用聚酰亞胺樹脂為結(jié)合劑的主要原料。其特點是自聚合成型不需另加固化劑，連續(xù)使用溫度高，在空氣中可在300℃溫度下使用，而酚醛是170℃左右。
　　樹脂結(jié)合劑研磨片磨削時自銳性好，不易堵塞，一般情況下一次修整后就不需再修整，磨削效率高，磨削力小，磨削溫度低，同時結(jié)合劑本身還具有一定的彈性和拋光性能，工件被加工表面光潔度高，表面質(zhì)量好。主要用于要求磨削效率和加工光潔度較高的場合。樹脂結(jié)合劑的缺點是耐磨性差，磨具的磨損較大，不適合大負(fù)荷磨削。樹脂片成型工藝流程：原材料準(zhǔn)備—混合過篩—模壓—后固化。
　　青銅結(jié)合劑研磨片是以銅粉、錫粉和鉛粉等為結(jié)合劑主要材料，采用液體石蠟為潤濕劑，與磨料充分混合后壓制成型，再在還原氣氛下燒結(jié)而成。青銅結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度高，耐磨性好，磨損小，磨具的使用壽命長，形狀保持性好，能承受較大負(fù)荷，但自銳性差，容易堵塞、發(fā)熱，磨具修整亦較困難。青銅結(jié)合劑主要用于非金屬材料的粗、精磨和切割。
　　3 實驗結(jié)果分析
　　3．1研磨壓力、研磨時間和研磨轉(zhuǎn)速與研磨效果的關(guān)系
　　從圖2可以看出，隨著壓力的增加，切除量也隨之增加。由于Al2O3的硬度比m要大，磨粒難以切人，Al2O3，切除量比PTC要小。隨著壓力的增加，磨粒壓入PTC工件的深度達(dá)到一定值，壓力的增加對斷裂破碎的影響減弱，切除量的增加速度也減慢。壓力對粗糙度的影響不顯著，但是表面粗糙度略有上升。這表明在實驗壓力范圍內(nèi)，磨粒與工件之間均以脆性斷裂為主。磨削壓力越大，脆性凹坑越多，但磨粒和結(jié)合劑與工件之間的接觸面積越大，使得結(jié)合劑的磨拋作用加強(qiáng)，表面粗糙度變化不大。
　　
　　從圖3可知，隨著研磨時間的增長，研磨量直線上升，工件表面粗糙度呈下降趨勢，并逐漸平穩(wěn)。研磨PTC約9分鐘時，接近工件在這種磨粒粒度作用下所能達(dá)到的最小粗糙度值。磨粒粒度對研磨表面質(zhì)量起最主要的作用。同游離磨粒研磨結(jié)果一樣，研磨轉(zhuǎn)速越高、磨粒越粗，切除量越大，表面粗糙度越低。而變化幅度與研磨片磨粒種類、結(jié)合劑種類和工件材料等有關(guān)(圖4、圖5)。
　　
　　3．2研磨片磨粒粒度、磨粒種類和結(jié)合劑對m研磨效果的影響
　　磨粒種類：比較PI—SiC—W14—100％和PI—RVD—W14—75％可以看出，SiC研磨片的磨削效率、磨削比與金剛石樹脂研磨片差別不大，磨粒脫落是磨損的主要形式，但表面粗糙度很差。研磨轉(zhuǎn)速高時，研磨量之間的差別減小，但對Ra的影響較小。
　　磨粒粒度：磨粒越粗，研磨切除量越大，表面粗糙度越低。對研磨量和磨削比來說，PI—RVD—270／325—75％和PI—RVD—W14—75％間的差異，大于PI—RVD—W28—75％和PI—RVD—W14—75％間的差異，表明磨料粒度越粗，對研磨量的影響程度越大，這一差異與研磨轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。對表面粗糙度而言，PI—RVD—270／325—75％和PI—RVD—W28—75％間的差異，隨研磨轉(zhuǎn)速的提高而減小；PI—RVD—W28—75％和PI—RVD—W14—75％間的差異，受研磨轉(zhuǎn)速影響不大。這可以大致說明，隨磨粒粒度變大Ra由快速下降轉(zhuǎn)為較慢變化。在PI—RVD—W14—75％表面表現(xiàn)出明顯的塑性變形溝痕和平坦的表面(圖6a)。
　　
　　結(jié)合劑種類：從圖4，5可知，相同條件下，PF結(jié)合劑的研磨片研磨量、磨削比要比PI結(jié)合劑的研磨片高，但表面粗糙度低，隨著轉(zhuǎn)速的增高，研磨量的差距更明顯。由圖可見，青銅結(jié)合劑金剛石研磨片的磨削比遠(yuǎn)高于樹脂結(jié)合劑研磨片，在采用了一種研磨液后，研磨性能進(jìn)一步提高。PF結(jié)合劑研磨片上的金剛石脫落量明顯少于PI研磨片，PTC研磨表面Ra值也最小。
　　在實驗條件下，實際觀察到的PTC表面形貌表明，PI—RVD—W14—75％磨削表面質(zhì)量高于青銅結(jié)合劑表面質(zhì)量，磨粒粒度對表面粗糙度的影響最大。青銅結(jié)合劑金剛石研磨片表面金剛石自銳性良好，并未產(chǎn)生堵塞。從提高磨削效率來考慮，對于PTC加工而言，選用金屬結(jié)合劑金剛石精磨片可獲得最佳磨削比和表面質(zhì)量。若再采用細(xì)粒度金剛石，可使表面質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。
　　3．3工件材料對研磨效果的影響
　　對比圖4、圖7可以看出，在相同的實驗研磨工藝條件下，不同的材料可研磨性也不同。PTC切除量比A12O3大，表面粗糙度低，這與使用游離磨料的加工結(jié)論是相同的。
　　
　　不同的磨料種類、結(jié)合劑種類對Al2O3研磨效果的影響不同于對PTC的研磨，充分表明了工件材料磨削機(jī)理的不同，以及工件材料和研磨片之間存在的適應(yīng)性問題。研磨她03時，磨料粒度對研磨量和Ra的影響趨勢與唧一樣。由于A12O3硬度高，SiC研磨片的磨削量比金剛石研磨片要低些，表面粗糙度仍很差。
　　研磨轉(zhuǎn)速高時，Ra之間的差別減小。不同于研磨PTC，相同條件下，PI結(jié)合劑研磨片的研磨量與PF結(jié)合劑研磨片研磨量相差不大，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。結(jié)合劑在研磨過程中對研磨A12 O3表面粗糙度有著顯著影響，表現(xiàn)為PI結(jié)合劑的表面粗糙度仍低于PF結(jié)合劑。對于金屬結(jié)合劑研磨片加工鴿03的效果，有待進(jìn)一步研究。
　　4結(jié)論
　　1)影響研磨效率和研磨質(zhì)量的因素主要有磨粒粒度、結(jié)合劑種類、磨料種類、研磨轉(zhuǎn)速、研磨壓力和研磨液成分。對于不同的工件材料，上述因素的影響效率不同。
　　2) 對于眥半導(dǎo)體陶瓷片加工，應(yīng)采用金屬結(jié)合劑研磨片加上研磨液來進(jìn)行高效研磨工。合適的研磨片成分、減少研磨片尺寸、合理排列研磨片和添加研磨液可改善研磨片的自銳性。采用細(xì)粒度樹脂結(jié)合劑金剛石研磨片則可進(jìn)一步提高加工表面質(zhì)量。
　　參考文獻(xiàn)
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