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固结（堆积）磨料的应用

郑州磨料磨具磨削研究所  王光祖
天鉴碳材料有限公司 张洪涛 李小童

       何谓堆积（固结）磨料？堆积磨料即通过特殊的造粒方式，用高强度粘结剂把细颗粒磨料粘接起来，使其形成一个独立的堆积组合体，这种组合体通常也具有磨具的三要素---磨料、结合剂和极细小气孔，可将其称为一种微型磨具。堆积磨料适用于制作多种涂附磨具，如砂带、砂纸等，也可制备固结磨具如刃磨砂轮等。将堆积磨料使用有机高分子结合剂及相关材料粘结在布基基体上制备的砂布就是堆积磨料砂布，再将堆积磨料转换成砂带就是堆积磨料砂带。

       使用堆积磨料制造的堆积磨料砂带是一种新型的柔性磨削工具，它磨削效率高，磨削性能稳定，具有磨削精度好和使用寿命长等优点，不仅能满足不锈钢、钛合金等难磨金属的磨削要求，而且对金属表面的拉丝和抛光也有很大的产业优势。用途十分广泛，是新型涂附磨具的重要发展趋势之一。

       传统普通砂带为单层植砂，在磨削过程中，会有一些先天客观的缺陷，如磨粒变钝，工件切削掉的物质堵塞砂带表面，散热性差，寿命有限，磨削前后工件表面切削效果不一致，磨削状态渐渐由切削变为滑擦，磨削区域温度上升烧伤工件。对比现阶段市场成熟产品，堆积磨料涂附磨具将只有固结磨具才有自锐性这一特点与其自身优势完美地结合起来。不仅节约了砂带的换带时间，制带基体生产成本，工件生产人工成本，而且提高了加工精度与稳定性，具有无可比拟的优势。

       刘鹏展等，堆积磨料制备技术及堆积磨料砂带应用现状，[J]超硬材料工程2017.3：40--44

       1. 固结磨料应用于砂带堆积磨料砂带的主要用途，归根结底还是由其自身的结构特点和磨削优势所决定的。根据不同的磨削对象选择不同造粒材质与粒度组成的堆积磨料制品，已成为新型柔性磨削的一种发展方向。

       金属材料种类丰富，其中难磨金属材料指的是又硬又黏的金属，如钛合金，铝合金，高硬度金属，高温合金，不锈钢等。金属材料的磨削处理根据材料的作用和目的的不同，主要分为表面磨削，即加工材料使其达到规定的尺寸和表面质量，表面打磨，即清除材料表面杂质使其光滑平整达到一定的表面粗糙度，表面抛光，即对材料表面修饰精加工达到光滑表面或镜面光泽。

       这类材料广泛用于国民生产各个行业，如电力行业的汽轮机、水轮机叶片、高压容器、管道;航空行业的发动机的叶片、飞机框架;能源行业的输油、输气管道;日常生活中用到的刀具、运动器材等。这些产品不仅材料特殊，型面复杂难于加工和磨削，而且对表面质量或精度还有很高的要求，使用传统磨削工具，难以满足加工工艺要求，而堆积磨料砂带能很好解决这一难题。

       堆积磨料砂带不仅具有涂附磨具的柔软性，高效冷切削，加工表面质量高等磨削特点，同时还具有固结磨具的自锐性和长寿性，从而结束了固结磨具加工效率低，低精度的问题，改变了传统磨料砂带使用寿命短的缺点，使叶片加工从传统的手工打磨转向了自动化，高效率，高精度，低劳动强度的数控磨削。

       2. 金属表面拉丝即在工件表面磨削形成线纹，起到装饰效果的一种表面处理手段。堆积磨料砂带因磨削一致性高，所以特别适合于金属拉丝行业。传统砂带磨料在刚开始拉丝时，磨粒尖锐锋利，拉丝线纹深，但拉丝不多久，磨料便开始变钝，拉出的丝纹就开始变浅，随着时间的推移，丝纹越来越浅。这样就产生一个问题，就是同一砂带拉出的工件，前面的产品与后面的产品拉丝线纹会有明显的差别，影响工件表面的一致性。目前，堆积磨料砂带在表面拉丝加工中有着非常广阔的应用，尤其是在IT电子行业，例如，手机外壳，相机外壳，笔记本电脑外壳等产品的表面拉丝处理。另外，金属家具，家电外壳，水暖器具等的表面拉丝，也都需要使用堆积磨料砂带。

       3.对铜材的抛光铜材料的抛光主要有化学抛光，电化学抛光，机械抛光等。化学抛光在加工时会出现NO，NO2等有害气体，对操作人员及环境危害严重，电化学抛光后的工件表面光亮度不均匀，表面会残留有凹坑和条纹；而机械抛光容易引起金属表面扭曲和组织性，构造性不规范。化学机械抛光技术（CMP）作为新型的抛光技术，利用机械与化学的复合作用实现对材料的微量去除。化学机械抛光主要有游离磨料的抛光技术和固结磨料的抛光技术。游离磨料加工过程中磨粒分散不均匀，磨粒运动具有不可控性，造成工件面型精度难以保证；同时有磨粒利用率低、污染严重，加工成本高等缺点。固结磨料加工技术则克服了以上缺点，将磨料固结在抛光盘上，磨料分散均匀，保证了材料去除的均匀性；抛光液中只添加少量的简单化学试剂，大大减少了对环境的污染。

       Nguyen等人在保证相同去除率的情况下，利用传统的游离磨料CMP，AFCMP（无磨料化学机械抛光），FACMP（固结磨料化学机械抛光）分别抛光铜晶圆，固结磨料化学机械抛光技术平坦化效率最高，且对晶圆的形貌及特征尺寸无选择性。

       王成等人利用碱性抛光液实现对铜材料的抛光加工，探索抛光液组分对铜材表面质量及材料去除率的影响，实现对铜材的超精加工。

       王成等,固结磨料抛光中不同抛光液组分对铜的加工性能的影响，[J]金刚石与磨料磨具工程2013.6：1--6

       4. 脆性材料在光学元器件行业、半导体、光伏产业、石材行业等领域有着重要的应用。脆性材料既包含单晶硅、蓝宝石等高硬度、高脆性材料，也包括KDP、DKDP等低硬度、高脆性材料。切割加工是脆性材料的首道加工工艺，其成本占生产总成本的40%以上。脆性材料传统切割时，材料表面质量差、亚表面损伤增大，甚至出现大尺寸裂痕等，因而多采用低应力切割技术来加工脆性材料。

       帶锯切割常用于石材的切割，根据切割工具不同可分为钢带锯和金刚石带。钢帶锯采用游离磨料来研磨加工，由于加工过程中使用大量的钢砂和石灰等，严重污染环境，而金刚石带锯采用固结金刚石磨料磨削加工，切削效率高、环境污染少。但带锯切割硬脆材料，切口大，损伤层大，不适合用来切割贵重和切割要求高的硬脆材料。

       相比帶锯切割，钢丝线直径小，刚度低，切割过程中切口小、损伤层小，大大降低了由于机床震动带来的低硬度脆性材料崩片的概率。但同属于研磨加工范畴，其切割效率低，且使用大量研磨液对环境污染比较大。而用固结金刚石线经来切割，可以很大程度地避免上述问题。

       高航等脆性材料用固结金刚石线切割技术研究进展[J]金刚石与磨料磨具工程2019.4.97--102

       5. 高效研磨氧化锆陶瓷背板

       氧化锆是一种具有稳定化学性质,耐高温、耐磨损、耐腐蚀的无机非金属材料。由于氧化锆及其复合材料在不同条件下具有半导体特性、增韧性和良好的化学稳定性等,在电子陶瓷、功能陶瓷、结构陶瓷和生物陶瓷等高新技术领域的应用非常广泛。随着工业技术的快速发展,尤其是下一代手机背板的高性能要求,对其高效率、低损伤加工提出了更高的要求。

       氧化锆陶瓷属于高硬脆(硬度与蓝宝石相当)难加工材料，常用的加工方法难以进行高效精密加工,因此出现了各种辅助加工方式。于思远等使用激光预热辅助磨削加工氧化锆陶瓷,加工后表面粗糙度Ra为0.2μm；陈明君等采用ELID磨削技术对陶瓷材料进行磨削加工,实现了镜面磨削，而且磨削表面质量也大幅度提高；ZHAO等论述了超声波磨削加工技术的优越性；柴晶富等采用旋转超声方法加工氧化锆陶瓷,最终表面粗糙度Ra为3.2μm，但是氧化锆在磨削过程中出现大量的磨削热，使得加工后的陶瓷工件表面存在组织变化、残余应力及烧伤现象，严重影响后续的超精密加工；纪洪波等进行了氧化锆陶瓷超精密研磨实验研究，但加工效率极低，难以解决在短时间内去除由磨削加工带来的表面层损伤问题。

       针对手机背板加工提出的高效、低损伤加工要求,本研究采用亲水性固结磨料研磨技术研磨氧化锆陶瓷背板。磨料和研磨液是固结磨料研磨加工的两个决定性因素,能显著影响工件的材料去除率和表面质量。实验采用金刚石聚集体作为磨料固结在研磨垫中,并在研磨液中辅助添加碳化硅颗粒,利用金刚石聚集体磨料的微破碎性能和砂浆的磨蚀性能提高研磨加工中研磨垫的自修整性能,为亲水性固结磨料研磨技术在加工氧化锆陶瓷中的应用提供探索和参考。

       6. 研磨TC4钛合金

       航空发动机制造中最核心的是叶片的制造，在整个发动机的制造过程中，叶片制造一直占据着三分之一以上的工作量。作为航空发动机轮叶片的主要材料之一，TC4钛合金具有优良的综合力学性能，同时密度低，耐高腐蚀。但是TC4钛合金金难切削、导热系数低、弹性模量低，在传统加工中，容易出现加工变形，刀具损耗快、工件表面烧伤等问题。固结磨料研磨通过磨料露出结合剂层的部位与工件产生机械作用，对工件材料产生塑性或类塑性去除，可以显著降低表面及亚表面损伤，同时由于加工中磨粒硬度高、切削应力小，可有效解决TC4钛合金难切削，工件表面容易烧伤等问题。

       王健杰等球形固结磨料磨头研磨TC4钛合金的工艺探索，[J]金刚石与磨料磨具工程2019，3：23--28

       7.研磨石英玻璃

       石英玻璃因具有透光性好、光谱频带宽、硬度高、耐腐蚀性强、绝缘性好以及化学稳定性等一系列优异的物理化学性能，成为光电子、微电子、光学以及光纤技术行业的重要材料之一。但是石英玻璃同时具有较大的脆性、较低的断裂韧性等，传统的游离木料加工很容易在其表面产生裂纹，凹坑等缺陷，严重影响其产品的使用性能。因此，如何改善其表面加工质量，提高其加工效率，是石英玻璃超精密加工技术亟待解决的瓶颈问题。

       固结磨料加工作为新型的超精密加工技术之一，在很多难材料加工特别是光学玻璃的加工中得到了广泛的应用。该技术可显著提高石英玻璃加工的材料去除率并改善其表面质量。对固结磨料加工而言，研磨垫和工艺参数是影响其加工效率和表面质量的关键因素，因而是当前固结磨料加工研究的热点。

       王占奎等，固结磨料研磨石英玻璃的工艺参责优化，金刚石与磨料磨具工程，2020.5：，90--95

       8.抛光YAG晶体

       钇铝石榴石（YAG）晶体的透光性好、熔点高、热导率高、光转效率高，长时间工作不产生色心、吸收系数大，可进行高浓度掺杂等。YAG晶体固态激光器在雷达测风、激光测距、导弹拦截、轨道空间碎片清除、氢镁能量循环、激光核聚变、激光点火等领域具有广泛的应用前景。但YAG晶体硬度高、脆性大，是典型的难加工材料，加工过程中易出现去除率低，加工表面不均匀崩边等现象。然而，应用于高能激光器的YAG晶体表面则要求超光滑，无损伤。

       固结磨料抛光技术具有选择性强，平坦化效率高，工件表面不易釉化，环保等优点，代表着光加工未来的发展方向。采用固结磨料抛光YAG晶体，旨在探索新的加工方法，提高磨料的利用率，工艺的可控性。

       明舜等，磨粒尺寸和基体硬度对固结磨料抛光YAG晶体的影响，金刚石与磨料磨具工程2020.3：86--90

       9.研磨SiC工件

       SiC材料具有密度适当、弹性模量高、耐热冲击性好、导热系数高、热膨胀系数小、比刚度高以及各向同性等优点，广泛应用于兵器、低温反射镜、激光镜等精密仪器中，逐渐发展成为新一代空间光学材料。

       SiC材料超高的硬度，使其成为一种典型的难加工材料。常规精密加工工艺容易产生裂纹和缺陷，不易得到超光滑表面限制了其在高性能光学领域的应用。为此，金振弘等人提出了碳化硅砂浆辅助固结磨具研磨垫精研SiC思路，利用砂浆对研磨垫的冲蚀磨损实现研磨垫的自修整，并探索砂浆的浓度和磨料尺寸对固结磨具研磨垫研磨碳化硅性能的影响。结论是能有效提高亲水性固结磨具研磨垫的自修整能力，其修整能力随着砂浆中碳化硅的尺寸和质量分数增大而增强，材料的去除率提高，工件表面质量略降。

       金振弘,砂浆对固结磨具研磨垫研磨SiC工件的影响，[J]金刚石与磨料磨具工程，2018.6--54--6

       10.研磨氟化钙晶体

       CaF2晶体具有优异的物理性能，光学性能和物化稳定性，使其具有低色散性、低双折射率、极高的透射率、较宽的透光范围等，因而被广泛应用于航空、航天、光刻、激光等领域。但氟化钙（CaF2）晶体脆性大、硬度低，对其进行精密加工面临巨大挑战。

       深紫外投影光刻机最重要的部件是深紫外光光刻物镜，该物镜可以明显提高光刻机的成像功能，因此对其光学材料的设计、加工、镀膜和装调等方面都有极高的技术要求，而目前只有融石英和氟化钙晶体材料能满足投影光刻物镜这些严苛要求。

       CaF2晶体的软脆特性很容易导致其晶体表面在研磨抛光过程中产生凹坑、微裂纹、划痕和表面/亚表面损伤等缺陷，且抛光液里的各种杂质很容易嵌入或残留在晶体表面上，进而影响CaF2晶体的表面质量和其材料去除率。因此，要对其精密抛光难度很大。CaF2晶体研磨常用的磨料是单晶金刚石磨料和聚集体金刚石磨料，但2种磨料被固定在树脂基体中形成研磨垫后，2种FAP的性能差异很大，如单晶金刚石固结磨料垫的材料去除率随着加工时间的延长有持续走低的现象，且总体效率较低。

       沈功明的研究结果表明，采用聚集体金刚石磨料制备的固结磨料垫(FAP)研磨效率明显高于单晶金刚石FAP的，且其材料去除率更稳定，同时聚集体金刚石FAP的自修整能力要优于单晶金刚石FAP的。

       沈功明，固结磨料垫高效研磨氟化钙晶体研究，[J]金刚石与磨料磨具工程2019.5：67--72

       11.抛光锗片

       Ge单晶在太阳能电池衬底材料中的应用成为当前的研究热门。太阳能电池必须具备重量轻、精度高等特点，而作为衬底的Ge抛光片在满足强度的前提下，必须尽量降低厚度，而且对抛光片的表面质量、表面晶格完整性、平整度有很高要求，这就给抛光的加工带来了难度。目前，国际上常用的Ge抛光厚度在200um以下，硬度根据晶向不同介于莫氏5.5--6.5之间，加之Ge本身脆性较大，因此，控制各加工工序的成品率成为技术难点。已有研究表咱，冰结合剂固结磨料抛光技术在减小己加工表面的残余应力、微观裂纹、表面损伤等方面具有优势。

       冰粒型固结磨具抛光垫具有分布均匀、自锐性好等优点，但抛光过程中冰盘表层融化速率控制至关重要。一方面冰粒型抛光盘表层融化会使旧的磨具脱落，新的磨具露出，从而实现其自锐性和提高抛光效率;另一方面，冰粒型抛光盘的融化速度过快，会导致磨具浪费，缩短其使用寿命。影响冰冻固结磨具抛光盘表层融化速度的因素包括：抛光区域摩擦产生的热量，环境温度产生的对流热。

       王勇冰 粒型固结磨具抛光锖锗片的温度场仿真与实验研究，[J]金刚石与磨料磨具工程2016.3：17--22

       12.研磨蓝宝石晶片蓝宝石是一种集优良的光学性能、物理性能和化学性能于一体的多功能氧化物晶体。单晶蓝宝石具有硬度高（莫氏9级）、熔点高（2450C）、透光性好、导热性和电绝缘性优良、化学性能稳定等特点，广泛应用于光电子、通信、国防、航空航天等领域，如用作红外透光材料、激光器的窗口和反射镜、绝缘衬底的集成芯片等。随着科学技术的发展，上述应用领域对蓝宝石晶体的超光滑无损伤加工及加工效率提出了更高的要求，而蓝宝石作为典型的难加工材料，还没有非常成熟的高效低损伤加工工艺，这也成为蓝宝石工业应用的主要障碍。

       研磨是蓝宝石晶片抛光之前的重要工序，研磨质量的好坏直接影响到后续的抛光时间和表面质量。单晶蓝宝石的研磨一般利用逐级减小研磨液中磨料粒度尺寸，控制磨料进给量，来获得比较好的表面粗糙度。其特点是，利用研磨垫，研磨液以及工件三者之间的机械和化学作用共同完成材料的去除，对研磨液的性质依赖性较大，研磨过程中磨料运动的不可控影响研磨效果，磨料利用率低，耗费大，污染环境。固结磨料抛光依靠凸起的磨料实现材料的微量切除而成为高效低损伤的加工手段。

       郑方志 固结磨料研磨蓝宝石晶片的工艺优化[J]金刚石与磨料磨具工程2016.1：11--15

       13.与游离磨料研磨抛光相比，固结磨料抛光的诸多优点如下：

       （1）磨粒固结镶嵌在基体中，无需抛光过程对抛光液进行磨料悬浮处理，亲水性抛光垫还具备自修整功能，避免了抛光垫修整所帶来的停机问题。

       （2）磨料凸起呈一定规律排列固定在抛光垫表面，突起间的沟槽结构便于抛光液的输送和废屑的排除，避免了传统游离磨料抛光中常见的釉化现象。

       （3）固结磨料抛光是基于二体磨损原理，对抛光液的依赖性较小，而对工件的形貌具有很高的选择性，在抛光过程中能很快去除凸出部分，凹处基本不受机械作用，具有优越的平坦化能力。

       （4）固结磨料抛光过程中，抛光液中不含磨料，加工表面容易清洗，废液处理简单，是一种绿色环保的加工技术。

       李立明等，固结磨料研磨与抛光的研究现状与展望，[J]金刚石与磨料磨具工程2009.517--22