金刚石一次粒径对固结聚集体...垫加工性能与磨损过程的影响_牛凤丽.pdf

第 52 卷 第 6 期 表面技术 2023 年 6 月 SURFACE TECHNOLOGY 351 收稿日期：20220629；修订日期：20221227 Received：2022-06-29；Revised：2022-12-27 基金项目：国家自然科学基金联合基金（U20A20293）Fund：The National Natural Science Foundation of China(U20A20293)作者简介：牛凤丽（1990），女，博士研究生。Biography：NIU Feng-li(1990-),Female,Doctoral candidate.通讯作者：朱永伟（1967），男，博士。Corresponding author：ZHU Yong-wei(1967-),Male,Doctor.引文格式：牛凤丽,王科荣,任闯,等.金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫加工性能与磨损过程的影响J.表面技术,2023,52(6):351-360.NIU Feng-li,WANG Ke-rong,REN Chuang,et al.Effect of Primary Diamond Grain Size on Lapping Performance and Wear Process of Fixed Agglomerated Diamond Abrasive PadsJ.Surface Technology,2023,52(6):351-360.金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫 加工性能与磨损过程的影响 牛凤丽1，王科荣1,2，任闯1，刘宁1，朱楠楠1，朱永伟1（1.南京航空航天大学 a 机电学院 b 江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京 210016；2.金华职业技术学院 机电工程学院，浙江 金华 321000）摘要：目的目的 探究金刚石颗粒的一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫磨损的影响规律，提高固结磨料垫的自修整、加工性能及经济耐用度。方法方法 选择 14、8、5、1 m 等 4 种粒度的金刚石颗粒，采用烧结法制备聚集体金刚石磨料，并将其用于制备固结聚集体金刚石磨料垫。在 CP-4 抛光测试系统平台上开展研磨试验，在线获取加工过程中的力信号和摩擦因数。对比 4 种粒径的固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率、研磨比、研磨前后磨料垫的微观形貌、碎屑的形貌及尺寸分布，分析固结磨料垫的磨损过程及其演变规律。结果结果 随着金刚石颗粒粒径的增大，固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率由 0.2 m/min（金刚石颗粒为 1 m）增加到 3.5 m/min（金刚石颗粒为 14 m），研磨比由 2.02 增加至 14.33。大粒径（5 m）的固结磨料垫研磨后，表面仍有锋利的金刚石微切削刃，研磨过程中的切向力和摩擦因素保持稳定，固结聚集体金刚石磨料垫的磨损形式以金刚石颗粒的脱落为主；超细粒径（1 m）固结磨料垫表面的金刚石颗粒出现堵塞现象，并且研磨过程中的切向力和摩擦因数持续下降。结论结论 随着金刚石颗粒的一次粒径增大，固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率增加，自修整能力、材料去除能力和加工过程稳定性得到提升，进入稳定磨损期的时间缩短。关键词：一次粒径；聚集体金刚石磨料；固结磨料垫；磨损速率；磨损机制 中图分类号：TG73；TG74 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0351-10 DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.031 Effect of Primary Diamond Grain Size on Lapping Performance and Wear Process of Fixed Agglomerated Diamond Abrasive Pads NIU Feng-li1,WANG Ke-rong1,2,REN Chuang1,LIU Ning1,ZHU Nan-nan1,ZHU Yong-wei1(1.a.College of Mechanical and Electrical Engineering,b.Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-manufacturing Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Mechanical&Electrical Engineering College,Jinhua Polytechnic,Zhejiang Jinhua 321000,China)352 表 面 技 术 2023 年 6 月 ABSTRACT:Fixed abrasive lapping,with the advantages of high material removal rate,excellent processed surface quality,and green environmental protection,is widely used in the lapping and polishing processing of semiconductor materials and optical glass,like SiC,GaN,sapphire,AlN,BK7 glass,fused silica glass,etc.For Fixed Abrasives(FA)Pads,as the lapping tools,its wear modes and wear process mechanism determine the stability of lapping process.Diamond grain sizes directly affect the lapping performance and wear behaviors.The work aims to investigate the effect of the primary diamond grain size on the wear mechanism of Fixed Agglomerated Diamond Abrasive(FADA)pads,and to improve the self-conditioning,lapping process stability and economic durability of the pads.The diamond grains with four sizes of 14 m,8 m,5 m,1 m,were selected to prepare the agglomerated diamond(AD)abrasives by sintering method.The four types of AD abrasives were used to prepare the hydrophilic resin-based FADA pads on the platen vulcanizer.The lapping tests were carried out on the CP-4 polishing platform which acquired lapping forces and friction factors during lapping process and coordinates of workpiece in Z direction.BK7 glass was selected as the workpiece with the diameter of 76.2 mm and the thickness of 5 mm.The wear rates and lapping ratios of FADA pads were calculated,the morphologies of pads before and after lapping were observed by a scanning electron microscope,and the size distribution of debris was detected by BT-2800 Dynamic Image Particle Size Analysis System.The wear process(wear thickness of pads vs material removal thickness of BK7 glass)of FADA pads was analyzed.The experimental results indicated that the wear rate of FADA pads increased from 0.2 m/min to 3.5 m/min when the primary diamond grain size increased from 1 m to 14 m.From the morphologies of FADA pads before and after lapping,the surface of FADA pads after lapping still had sharp micro-cutting-edges when the diamond grain size was above 5 m.The main wear mode was the fallen diamond grains off the surface of FADA pads according to the SEM of debris and its size distributions.However,for the diamond grain size below 1 m of FADA pads,the clogged diamond grains and some scratches by debris were found on the surface of FADA pads.With the increasing diamond grain size,the values of tangential force Ft and friction factor f increased.During the whole lapping process,Ft and f more and more stable except under the condition of diamond grain size below 1 m.The wear process of FADA pads consisted of three stages,namely initial rapid wear(I),stable wear(II),and severe wear(III).For the diamond grains above 5 m,the wear process of three FADA pads gone through the stages of I and II.Under the same material removal thickness,the larger size the diamond grains were,the smaller the wear thickness of FADA pads was and the more stable the wear processes were.However,for diamond grains below 1 m,the FADA pad wear process gone from I to III directly.Thus,with increase of the primary grain size,the self-conditioning ability of the FADA pads,material removal ability and lapping stability were improved.In summary,selecting the appropriate diamond grain sizes not only effectively improves the material removal rate and the stability of the lapping process,but also improves the self-conditioning and economic durability of the FADA pads.In addition,the time to enter the stable wear period is shortened.KEY WORDS:primary grain size;agglomerated diamond abrasives;fixed abrasive pads;wear rate;wear mechanism 固结磨料研磨（Fixed Abrasive Lapping）作为常用的研磨加工方法之一，具有材料去除效率高、加工表面质量好、加工精度高、设备投入小、绿色环保等优势，广泛用于半导体材料、光学玻璃，如碳化硅、氮化镓、蓝宝石、BK7 玻璃、熔融石英玻璃和 LiNbO3等材料的研磨抛光加工1-6。固结磨料垫（Fixed Abrasives Pads）的性能决定了研磨加工效率和研磨加工精度7-11，其磨损形式和磨损过程机制决定了研磨加工过程的稳定性12。固结磨具主要由磨料（金刚石、SiC、CBN、Al2O3等磨料）、粘接剂（陶瓷结合剂、树脂结合剂）、及孔隙组成。磨具的磨损主要包括磨粒的磨损和粘结剂的磨损。为了研究磨具的磨损形式及其作用机制，国内外专家学者做了大量研究。Deja 等7认为，用金刚石电镀砂轮加工陶瓷材料时，其磨损的主要特征是磨粒的拔出和断裂，并且在磨粒与粘接剂薄弱处率先发生断裂。Luo 等13采用金属基金刚石砂轮磨削蓝宝石时发现，砂轮的磨损过程为慢速磨损快速磨损慢速磨损稳定的磨损，磨损形式主要是金刚石磨粒的磨平、破碎和脱落。Zhou 等14使用金刚石砂带磨削时发现，金刚石磨粒的脱落、微破碎和磨粒的堵塞是其主要磨损方式。以上研究发现，磨具的磨损主要以磨粒的脱落、磨粒的破碎、结合剂的断裂、及磨具的堵塞为主。磨具的磨损不仅会降低材料去除率，还会使加工表面的表面粗糙度和表面精度恶化。因此，改善磨粒过早脱落和提高磨具与磨粒的自修锐能力是解决磨具磨损问题的关键。通过磨粒改性的方法提高粘接剂对磨粒的把持第 52 卷 第 6 期 牛凤丽，等：金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫加工性能与磨损过程的影响 353 力，可以解决磨粒过早脱落的问题，以改善磨具耐用度和使用寿命。但这将导致磨钝后的磨粒因结合强度过高而不能及时脱落，造成加工过程中磨削力和加工温度突然增大，严重影响加工质量。为了改善磨粒在加工过程中的自修锐能力，提高磨具的加工效率和加工稳定性，需要开发具有一定自修锐性能的磨料。John 等5报道了美国 3M 公司研制的一种具有聚集体金刚石磨粒的研磨工具，并将其用于 BK7 玻璃等材料研磨抛光中，获得了较高的材料去除率，但是并未针对工具的磨损进行研究。为了提高固结磨料垫的自修锐，Kim 等15和 Chen 等16都提出了砂浆辅助固结磨料研磨蓝宝石，该方法加快了固结磨料垫的磨损，增加金刚石磨粒的锋利切削刃出露，提高了材料去除效率。Sunarto 等17和 Zhao18分别提出一种多晶 CBN磨料和聚晶 CBN 磨料，通过磨削试验发现，聚晶 CBN砂轮的使用寿命更长，加工过程中的磨削力更稳定。黄保腾19等认为，SG 磨粒的微破碎使其始终保持锋利的切削刃，且加工过程中的磨削力和磨削比能有所下降。朱永伟等20-21、凌顺志等22提出了一种高自锐性的聚集体金刚石磨料（AD Abrasives），它是将微纳米级金刚石颗粒通过烧结、筛分制成一定粒度的聚集体金刚石磨粒，其中金刚石颗粒原始尺寸被称为一次粒径，筛分后的聚集体金刚石磨粒的尺寸为二次粒径。同时，还开发了一种固结聚集体金刚石磨粒垫（FADA Pads），并将其用于熔石英玻璃、BK7 玻璃以及氧化锆陶瓷的研磨加工，该类型固结磨料垫具有高效、高稳定性加工性能。为了研究聚集体金刚石磨粒的磨损方式，Wang 等23-24和 Chen 等25-26通过单颗聚集体金刚石磨粒摩擦磨损试验发现，聚集体金刚石磨粒的磨损形式主要是磨粒的微破碎（结合剂断裂引起的磨钝磨粒脱落）。目前针对固结聚集体金刚石磨料磨料垫的研究大多集中在加工机理、加工效率及加工表面精度等方面，或者通过销盘式摩擦磨损试验对单颗聚集体金刚石磨粒的磨损行为等方面的研究，未见有关于固结聚集体金刚石磨料垫在研磨过程中的磨损速率、研磨比及聚集体金刚石磨粒在磨料垫中的形态等方面的研究报道。为了全面了解固结聚集体金刚石磨料垫在研磨加工过程中的磨损行为，本文选择 4 种粒径的聚集体金刚石磨粒制备固结聚集体金刚石磨料垫，探索金刚石颗粒的一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫磨损特性及加工性能的影响，为固结聚集体金刚石磨料垫的磨粒设计及硬脆材料的研磨工艺提供理论指导。1 试验设计 1.1 材料制备 聚集体金刚石磨料是将金刚石微粉和陶瓷结合剂按照一定的比例充分混合均匀，经过造粒、烧结、筛分等工序后即可得到20。本试验使用的金刚石粒径和筛分后聚集体金刚石磨粒的粒径见表 1。采用14 m的金刚石颗粒制备而成的聚集体金刚石磨粒的微观形貌如图 1 所示，可以看到，聚集体金刚石磨粒表面有大量锋利的微切削刃。固结聚集体金刚石磨料垫是采用热压固化法24制备而成的亲水性树脂基固结磨料垫（直径为 220 mm）。表 1 聚集体金刚石磨料粒径 Tab.1 Grain size of AD abrasives Diamond grain size/m Secondary size mAgglomerated diamond 14,8,5,1 45-65 图 1 聚集体金刚石磨粒 SEM Fig.1 SEM of AD abrasives 1.2 研磨试验设计 研磨加工试验在 CETR CP-4 CMP Test System（USA）上进行，加工示意图如图 2 所示。加工对象为 BK7 玻璃，直径为 76.2 mm，厚度为 1.5 mm。研磨试验开始前，采用 W50 碳化硅油石和 10 m 的 SiC砂浆对固结磨料垫修整和开刃。研磨进行时，通过力传感器（测量范围为 4400 N，精度为 0.4 N）和垂直定位系统（最大行程为 100 mm，精度为 0.5 m）采集研磨过程中的法向力 Fn、切向力 Ft、摩擦系数 f以及承载器驱动在 z 轴方向的距离。试验数据每隔5 min 记录 1 次，总时间为 30 min。表 2 固结聚集体金刚石研磨加工参数 Tab.2 Lapping parameters of FADA WorkpiecePad speed/(rmin1)Workpiece speed/(rmin1)Load/kPa Fluid/(mLmin1)Time/minBK7 glass95 90 17 60 5/30 1.3 评价与测量 每研磨 5 min，取下 BK7 玻璃，用精密电子天平（精度为 0.1 mg）称量，并计算工件的材料去除厚度hw，见式（1）。354 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 2 固结磨料研磨示意图 Fig.2 Schematic diagram for lapping of FA pads 12w/mmhh tm-=(1)式中：m 为工件的原始质量；m1和 m2分别为加工前后的质量；h 为工件原始厚度；t 为研磨时间。通过采集研磨过程中承载器在z轴方向的距离变化，其大小为工件去除厚度和固结磨料垫的磨损厚度之和，因此可以获得固结磨料垫磨损厚度 hp为：3p10w()10hzzh=-(2)式中：z0和 z1分别是研磨前和研磨后的 z 轴坐标位置。通过引入磨损速率（Pad Wear Rate）PWR来衡量固结聚集体金刚石磨料垫磨损的快慢，其计算公式为：pPWRht=(3)固结磨料垫磨损速率 PWR过快，金刚石磨粒的更新速度加快，虽然固结磨料垫的研磨去除性能和自修整性能提高，但是耐用度下降。固结磨料垫磨损太慢，金刚石磨粒更新速度减慢，研磨去除性能下降，固结磨料垫的自修整能力也变差。因此，为了提高加工性能和自修整性能，需要磨料垫保持相对稳定的磨损速率。根据计算得到固结聚集体金刚石磨料垫的磨损厚度 hp和材料去除厚度 hw绘制二者关系曲线。定义材料去除厚度 hw与磨损厚度 hp的比值（研磨比 L）为评价 FADA pads 经济耐用度的指标，其计算公式为：wphLh=(4)通过测试系统在线检测并获取力信号，观察固结聚集体金刚石磨料垫在加工过程中的自修整和加工稳定性。采用扫描电镜观察研磨前后固结聚集体金刚石磨料垫的表面形貌，采用粒度检测仪分析研磨后的磨屑粒度分布。2 结果与讨论 2.1 固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率 固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率 PWR随研磨时间的变化曲线如图 3 所示。可以看到，在 5 10 min 内，4 种金刚石颗粒粒度固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率 PWR均呈现急剧下降趋势，且随着研磨时间的增加，磨损速率 PWR稳定在一定范围内。然而，粒径为 1 m 的固结聚集体金刚石磨料的 PWR在510 min内 由0.31 m/min急 剧 下 降 至0.02 m/min，并在最后的 30 min 上升至 0.44 m/min；在 1025 min 时间内，PWR极低，基本维持在0.06 m/min 左右。因此，与大粒径相比，超细粒径的固结聚集体金刚石磨料垫其磨损速率变化较大，且不能持续稳定的磨损。这在一定程度上带来固结磨料垫的加工性能差（材料去除率低）、加工后的表面划痕严重等问题27。图 3 固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率 Fig.3 Wear rate of FADA pads 图 3 中，粒径为 14、8、5 m 的磨料垫磨损速率随研磨时间变化曲线呈下降上升下降的现象。这是因为，刚刚经过修锐后的磨料垫表面有大量锋利的微切削刃出露，当与工件表面接触时，修锐时对树脂基体与磨粒结合最薄弱处或出露的聚集体金刚石磨粒产生裂纹或内应力，一部分金刚石颗粒产生断裂破碎和脱落，使得磨料垫的磨损量增大。当磨料垫与工件经过一段时间的适应，聚集体金刚石磨粒进行稳定的研磨加工，此时磨料垫的磨损大多为金刚石颗粒的磨耗磨损，故而磨损量出现下降。当磨钝的金刚石颗第 52 卷 第 6 期 牛凤丽，等：金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫加工性能与磨损过程的影响 355 粒不断增加，磨粒与工件的接触面积增加，在研磨压力恒定的条件下，工件对金刚石颗粒施加的载荷超过聚集体金刚石磨粒的临界载荷时，连接金刚石颗粒的结合桥发生断裂，金刚石颗粒脱落。假设聚集体金刚石磨粒为密排结构，则磨钝的金刚石颗粒在短时间内会出现逐层脱落现象，此时的磨损量又出现增加，但是不会超过刚修锐时的磨损量。随后，新的金刚石颗粒出现磨耗磨损，磨料垫又进入低磨损量阶段。至此，固结聚集体金刚石磨料垫经历了自修整过程。另外，4 种固结聚集体金刚石磨料垫的平均磨损速率，随着聚集体金刚石磨粒的一次粒径的减小而下降。在研磨加工中，需要固结磨料垫进行持续稳定的磨损，以保证磨钝磨粒的脱落和新鲜磨粒的出露，达到自修整的目的。因此，图 3 的结果表明，金刚石颗粒越大，固结聚集体金刚石磨料垫单位时间内的磨损量越高，磨损速率变化越稳定，材料去除性能和自修整性能越好。2.2 研磨过程中的力和摩擦系数 在 30 min 研磨时间内，每隔 5 min 采集到的法向力 Fn、切向力 Ft和摩擦系数 f 如图 4 所示。从图 4中可以看出，Fn表现比较平稳，且随着一次粒径的减小，Fn平均值随之降低。这是因为在相同研磨条件下，金刚石颗粒粒径的减小，磨粒与工件的接触面积减小，Fn也随之降低。在实际研磨加工中，由于切向力Ft与摩擦力 Ff是大小相等方向相反的力，因此 Ft和摩擦因数 f 的变化趋势基本保持一致。即随着一次粒径由 1 m 增加到 8 m 时，Ft和 f 有增加趋势。当一次粒径为 14 m 时，Ft和 f 均有所下降。这是因为一次粒径不同，金刚石颗粒的出露高度也不一致，实际加工过程中固结磨料垫与工件的接触面积也不一致。增大一次粒径，金刚石颗粒的出露高度增加，树脂基体与工件的接触面积降低，工具与工件的接触以磨粒接触为主，树脂基体接触为辅，因此 Ft和 f 随一次粒径增加而增加。当一次粒径增加到一定程度（金刚石颗粒粒径为 14 m）时，工具与工件的接触面积只是金刚石颗粒与工件的接触面积，故而使 Ft和 f 出现下降趋势。另外，从图 4 中还可以看出，一次粒径分别为14、8、5 m 的固结聚集体金刚石磨料垫在整个加工过程中，Ft和 f 均呈现下降上升稳定的加工趋势，与图 3 中磨损速率的变化趋势基本一致。这因为刚修整后的固结聚集体金刚石磨料垫较锋利，在与工件接触的瞬间会产生较大的切削力，结合强度较弱的磨粒会率先脱落，造成 Ft下降。随着新鲜磨粒出露并参与切削，Ft逐渐进入稳定状态。对于金刚石颗粒为1 m 时，Ft和 f 在整个加工过程中不断下降，且 f 表现更为明显。以上结果表明，金刚石颗粒的粒径对固结聚集体金刚石磨料垫的自修整和加工过程的稳定性有较大影响，即粒径越大，固结聚集体金刚石磨料垫的自修整性能和加工稳定性越好。2.3 固结聚集体金刚石磨料垫形貌 研磨前后固结聚集体金刚石磨料垫的 SEM 形貌如图 5 所示。可以看出，修整后，磨料垫表面有大量锋利的金刚石微切削刃出露，如图 5a 所示。经过30 min 的研磨，一次粒径分别为 14 m 和 5 m 的磨料垫表面仍有锋利的金刚石微切削刃，且没有出现明显的堵塞现象，如图 5b 所示。观察粒径 1 m 的磨料垫表面发现，有大量金刚石颗粒的微切削刃被黏附堵塞，表面出现明显的划痕。以上结果表明，5 m 以上的固结聚集体金刚石磨料垫表面的金刚石颗粒始终具有锋利的微切削刃，使其具有稳定的加工性能。而 1 m 的则是以磨粒的堵塞为主。2.4 磨屑 研磨后碎屑的 SEM 形貌如图 6 所示。碎屑的粒度分布曲线如图 7 所示，其中红色曲线代表磨屑粒度的区间分布（Differential distribution），蓝色曲线代表粒度累计分布（Cumulative distribution）。图 6a 是一次粒径为 14 m 的固结聚集体金刚石磨料垫研磨加工产生的碎屑，从图中发现长条状颗粒和 10 m 左右大颗粒 2 种颗粒。观察碎屑的尺寸分布（见图 7a）发现，2种尺寸的峰值分别出现在26 m和811 m。图 4 固结聚集体金刚石磨料垫在研磨过程中的力和摩擦系数 Fig.4 Force and coefficient of friction in lapping process of FADA pads 356 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 5 研磨前后固结聚集体金刚石磨料垫的 SEM 形貌 Fig.5 SEM of FADA pads before(a)and after(b)lapping 该结果表明，研磨后的碎屑由长条状切屑和破碎断裂的金刚石磨粒组成。同样的，一次粒径为 8、5 m 固结聚集体金刚石磨料垫研磨加工产生的碎屑 SEM 形貌（见图 6b、c）和尺寸分布（见图 7b、c）也有类似的发现。1 m 固结聚集体金刚石磨料垫研磨加工产生的碎屑大都是微纳米级颗粒（见图 6d），且有小颗粒碎屑团聚成大颗粒现象，因此磨屑尺寸分布的测量结果偏大。以上 4 种碎屑都没有发现 4565 m 大小的聚集体金刚石颗粒，因此固结聚集体金刚石磨料垫的主要磨损方式是金刚石颗粒的脱落23。图 6 和图7 的结果还表明，随着金刚石颗粒一次粒径的减小，磨屑的尺寸随之减小，固结聚集体金刚石磨料垫的材料去除性能也随之下降。2.5 固结聚集体金刚石磨料垫磨损过程分析 固结聚集体金刚石磨料垫的磨损厚度 hp与材料去除厚度 hw的关系如图 8 所示。根据图 8 中结果，可以将固结聚集体金刚石磨料垫的磨损过程划分，3个阶段。阶段为初期磨损阶段，表现为固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速度较快（见图 3）。主要磨损形式是大量金刚石磨粒的脱落。这是由于经过修整后的磨粒和结合剂桥，在修整力的作用下内部产生内应力和裂纹，因而使其在研磨力作用下很容易产生破碎。故在初期磨损阶段时，固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率高，磨损厚度曲线陡峭（见图 8a）。第 52 卷 第 6 期 牛凤丽，等：金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫加工性能与磨损过程的影响 357 图 6 磨屑的 SEM 形貌 Fig.6 SEM of debris 图 7 不同金刚石颗粒的一次粒径下的磨屑的尺寸分布 Fig.7 Debris size distribution under different primary diamond grain sizes 阶段为稳定磨损阶段，表现为磨料垫的磨损速率变化较小。主要磨损形式是磨钝的金刚石颗粒的脱落。在该阶段，有效切削刃可以进行稳定的材料去除。与 I 阶段相比，该阶段的磨损速率大幅下降，且磨损速率变化曲线和磨损厚度变化曲线较平缓（见图 3 和图 8a）。358 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 8 固结聚集体金刚石磨料垫的磨损厚度 hp与材料去除厚度 hw的关系曲线 Fig.8 Relationship between the wear height hp of FADA pads and the material removal height hw 阶段为加剧磨损阶段，表现为磨料垫的磨损速率急剧升高。主要磨损形式为大量金刚石磨粒的脱落、堵塞及树脂基体的划伤（见图 5b）。与 I 和 II 阶段相比，该阶段的磨损速率变化较大，磨损厚度曲线急剧攀升（见图 8b）。图 8 结果表明，14、8、5 m 这 3 种磨料垫在整个研磨加工过程中，由初期磨损阶段逐渐过渡到稳定磨损阶段，并且没有明显的剧烈磨损现象。对于 1 m的磨料垫，在整个加工过程中并没有出现 II 阶段，只经历了初期磨损阶段和加剧磨损阶段。这是由于超细的金刚石颗粒出露高度小，工具与工件之间的接触间隙小，接触面积大，脱落的微纳碎屑极易堵塞在固结磨料垫表面。此外，较小的碎屑颗粒极易团聚成大颗粒，划伤较软的树脂基体。此外，随着一次粒径的减小，磨料垫由 I 阶段过度到 II 阶段的时间变长。这是因为在 I 阶段产生的碎屑可以作为砂浆参与磨损，使磨料垫的磨损速度加快16。一次粒径越小，碎屑尺寸越小，磨料垫的磨损速度越慢，进入稳定的时间越慢。因此，金刚石颗粒的一次粒径不仅影响固结聚集体金刚石磨料的材料去除性能，还会影响磨料垫的磨损形式和磨损过程。根据图 8 中磨损厚度与材料去除厚度，计算得到研磨比 L，如图 9 所示。结果表明，随着金刚石颗粒 图 9 固结聚集体金刚石磨料垫的研磨比 Fig.9 Lapping ratio L of FADA pads 一次粒径的降低，研磨比 L 也随之降低。因此，金刚石颗粒的一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫的耐用度和使用寿命产生一定的影响。3 结论 通过分析金刚石颗粒的一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率、磨损特征和磨损过程的影响，得到以下结论：1）随着金刚石颗粒一次粒径的增大，固结聚集体金刚石磨料垫的单位时间磨损速率增大，研磨比增加，研磨过程中的力和摩擦因数越稳定，固结聚集体金刚石磨料垫的自修整和加工稳定性越好。2）金刚石颗粒一次粒径的大小也决定了固结聚集体金刚石磨料垫的磨损形式。5 m 以上的固结聚集体金刚石磨料垫的磨损形式是以金刚石颗粒的脱落为主，超细粒径（1 m）的固结聚集体金刚石磨料垫以金刚石颗粒的堵塞和树脂基体的磨损为主。3）在研磨过程中，5 m 以上的固结聚集体金刚石磨料垫均经历了快速磨损和稳定磨损 2 个阶段，且粒径越大，进入稳定磨损阶段时间越快。对于 1 m的固结聚集体金刚石磨料垫，则是由初期的快速磨损直接过渡到剧烈磨损，该过程导致固结磨料垫在加工过程的力和摩擦因数不稳定。参考文献：1 CHO B J,KIM H M,MANIVANNAN R,et al.On the Mechanism of Material Removal by Fixed Abrasive Lapping of Various Glass SubstratesJ.Wear,2013,302(1/2):1334-1339.2 CHOI J Y,DO JEONG H.A Study on Polishing of Molds Using Hydrophilic Fixed Abrasive PadJ.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2004,44(11):1163-1169.3 ZHU Nan-nan,ZHENG Fang-zhi,ZHU Yong-wei,et al.第 52 卷 第 6 期 牛凤丽，等：金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫加工性能与磨损过程的影响 359 Research of Abrasive Embedment-Free Lapping on Soft-Brittle Lithium Niobate WaferJ.The International Jour-nal of Advanced Manufacturing Technology,2016,87(5):1951-1956.4 DONG Zhi-chao,CHENG Hao-bo.Study on Removal Mechanism and Removal Characters for SiC and Fused Silica by Fixed Abrasive Diamond PelletsJ.Internatio-nal Journal of Machine Tools and Manufacture,2014,85:1-13.5 GAGLIARDI J I,ROMERO V D,SVENTEK B,et al.The Broad Utility of Trizac Diamond TileC/Proc SPIE Optifab 2017.New York:SPIE,2017.6 王子琨,凌顺志,黄道万,等.固结金刚石聚集体磨料垫高效研磨氧化锆陶瓷背板J.金刚石与磨料磨具工程,2017,37(6):12-18.WANG Zi-kun,LING Shun-zhi,HUANG Dao-wan,et al.Efficient Lapping Zirconia Ceramic back with Fixed Diamond Aggregation PadJ.Diamond&Abrasives Engineering,2017,37(6):12-18.7 DEJA M,ZIELISKI D.Wear of Electroplated Diamond Tools in Lap-Grinding of Al2O3 Ceramic MaterialsJ.Wear,2020,460-461:203461.8 袁巨龙,张韬杰,杭伟,等.基于固结磨料盘的钽酸锂高效研磨加工试验研究J.表面技术,2019,48(10):349-354.YUAN Ju-long,ZHANG Tao-jie,HANG Wei,et al.Experimental Research on High Efficiency