固結(jié)磨料的性能對(duì)加工工件的表面粗糙度，均勻一致性，加工效率等都有著重要的影響。而磨粒尺寸、結(jié)合劑種類(lèi)與含量、填充料的種類(lèi)等又是影響固結(jié)磨料的性能的關(guān)鍵因素。所以引起了眾多研究者們的高度關(guān)注。

01

磨料尺寸對(duì)石英玻璃

加工性能的影響

當(dāng)前石英玻璃的研磨加工工序的材料去除效率不穩(wěn)定，尤其是使用金剛石聚集體固結(jié)磨料墊，聚集的粒徑及其加工性能影響的研究仍是空白。于是凌順志等探索金剛石聚集體磨料中一次顆粒尺寸和二麻輪次顆粒尺寸，研磨壓力和研磨液流量等對(duì)固結(jié)磨料研磨石英玻璃特性的影響。

為此選取金剛石聚集體磨粒的原始粒徑（一次顆粒尺寸）和燒結(jié)后的粒徑（二次顆粒尺寸）兩個(gè)影響因素。

（1）金剛石聚集體磨粒一次尺寸圖1，當(dāng)金剛石聚集體磨粒一次顆粒尺寸由水平（0.5--1um）變化到水平（1.0--2.0）時(shí)，工件材料的去除率由393.2nm/min增加到2541nm/min，去除率提高了5.2倍，表面粗糙度Ra由0.0麻輪77um增加到0.087um。

初始顆粒為0.5--1.0um的金剛石是通過(guò)破碎工藝制造的，過(guò)小的顆粒棱角的穩(wěn)定性差，雜質(zhì)含量通常較高，使用該粒度金剛石制備的金剛石聚集磨料墊加工石英玻璃時(shí)，對(duì)石英玻璃的切削作用弱，工件表面的劃痕較淺，去除量少。當(dāng)采用初始粒徑為1.0--2.0um的金剛石顆粒時(shí)，其棱角和晶體完整性?xún)?yōu)于前者，用其制備的金剛石聚集體磨料墊加工石英玻璃時(shí)，工件的材料去除率顯著增加，同時(shí)磨料麻輪切入工件的深度增加，工件的表面粗糙度變大。

（2）金剛石聚集體磨粒二次顆粒尺寸由圖1a可知，因素B由水平1向水平3變化時(shí)，即隨著二次顆粒尺寸的增加，工件的材料去除率先增加后減少。

02

磨粒對(duì)TC4鈦合金

研磨的影響

王健杰等采用不同種類(lèi)及粒徑磨料制作球形固結(jié)磨料磨頭對(duì)鈦合金研磨材料去除率及表面質(zhì)量等的影響進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)：

(1)金剛石磨頭研磨后工件表面劃痕的寬度更寬，工件表面存在一定的研磨凹坑，金剛石麻輪磨料的粒徑越大，工件表面的凹坑越明顯。由于金剛石的硬度較高，研磨時(shí)不易發(fā)生磨損及破碎，整顆脫落的金剛石磨粒尺寸較大，容易在工件表面發(fā)生滾壓作用，產(chǎn)生一定的研磨凹坑。

(2)金剛石與碳化硅磨料的粒徑越大，材料的去除率越高，同時(shí)相同的粒徑時(shí)，金剛石和碳化硅引起的材料的去除率差別不大。

(3)金剛石與碳化硅磨料粒徑越大，研磨后工件表面的粗糙度值越大。這是因?yàn)槟チ狭皆酱螅心r(shí)磨粒的壓入深度越深，研磨的劃也麻輪越寬，因此粗糙度值也越大。同時(shí)相同的粒徑時(shí)金剛石引起的表面粗糙度值較大，表面質(zhì)量差。

綜合TC4鈦合金研磨后的材料去除率，表面粗糙度等指標(biāo)，研磨選擇粒徑20--30um的碳化硅磨料較好，此時(shí)研磨后工件表面凹坑少，劃痕較細(xì)，去除率0高，表面粗糙度較小。

03

不同拋光液組分

對(duì)銅加工性能的影響

銅材的拋光主要有化學(xué)拋光，電化學(xué)拋光，機(jī)械拋光等。

化學(xué)拋光在加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)NO、NO2等有害氣體，對(duì)操作人員及環(huán)境危害麻輪嚴(yán)重;電化學(xué)拋光后的工件表面光亮度不均勻，表面會(huì)殘留有凹坑和條紋;而機(jī)械拋光容易引起金屬表面扭曲和組織性，構(gòu)造性的不規(guī)范。

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）作為新型拋光技術(shù)，利用機(jī)械與化學(xué)的復(fù)合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的微量去除。化學(xué)機(jī)制拋光主要有游離的磨料的拋光和固結(jié)磨料的拋光。游離磨料加工過(guò)程中磨粒分散不均勻，磨粒運(yùn)動(dòng)具有不可控性，造成工件面型精度難以保證;同時(shí),有磨粒利用率低，污染嚴(yán)重，加工成本高等缺點(diǎn)。固結(jié)麻輪磨料加工技術(shù)則克服了以上缺點(diǎn)，將磨料固結(jié)在拋光盤(pán)上，磨料分散均勻，保證了材料去除的均勻性，拋光液中只加少量的簡(jiǎn)單化的試劑，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。

3.1 雙氧水體積分?jǐn)?shù)對(duì)銅材料加工性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示：不加雙氧水時(shí)，即加工過(guò)程中只有磨粒對(duì)工件的機(jī)械去除作用，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)并逐漸穩(wěn)定。

主要是由于拋光墊表面有大量的細(xì)小孔隙，降低了樹(shù)脂的連續(xù)性，增強(qiáng)了銅屑對(duì)拋光墊的磨蝕性，確保拋光過(guò)程連續(xù)穩(wěn)麻輪定進(jìn)行，同時(shí)，磨鈍的金剛石，由于出露高度過(guò)高及時(shí)脫落，拋光墊表現(xiàn)出良好的自修整性能。拋光液中加入雙氧水后，摩擦系數(shù)隨著時(shí)間的變化逐漸減小，且雙氧水體積分?jǐn)?shù)越大摩擦系數(shù)越小。

雙氧水具有較強(qiáng)的氧化性，在銅片表面形成一層氧化膜，在磨粒的剪切作用下被去除的銅的氧化物磨屑較純銅屑對(duì)研磨墊的磨蝕性稍差，拋光墊的表面孔隙被一部分廢屑所堵塞，使拋光表面鈍化，當(dāng)時(shí)的切入深度減小，剪切的減小，摩擦系數(shù)減小，隨著雙氧水麻輪，體積分?jǐn)?shù)在的提高，上述過(guò)程得到加強(qiáng)，拋光墊鈍化越嚴(yán)重，摩擦系數(shù)減小，雙氧水體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)，材料去除 速率達(dá)到了278nm/min，明顯大于添加雙氧水的材料去除率。

使用雙氧水拋光過(guò)程中，拋光墊表面發(fā)生了鈍化現(xiàn)象,且金剛石的出露高度減小，材料去除率降低，隨著雙氧水體積的增加，雙氧水體積分?jǐn)?shù)越大，銅片表面氧化物厚度越大，而氧化膜與鋼基體之間的結(jié)合力差，且該層氧化物的硬度較基體有較大程度的下降，易于被磨麻輪粒去除，因此，去除效率反而有增大趨勢(shì)。

3.2 乙二胺體積分?jǐn)?shù)對(duì)材料加工性能的影響

(1)拋光液中添加乙二胺后表面粗糙度值增大，且隨著乙二胺體積分?jǐn)?shù)的增大略為下降。乙二胺對(duì)銅的氧物的腐蝕作用使得工件表面變得凹凸不平;致密的氧化物薄膜變得疏松有孔洞，金剛石磨粒切入工件的深度增大，表面粗糙度增大。不同體積分?jǐn)?shù)乙二胺拋光后銅片表面都有很明顯的劃痕出且凹凸不平,說(shuō)明乙二胺對(duì)銅離子的絡(luò)合作用明顯。

(2)乙二胺體麻輪積分?jǐn)?shù)為0.3%和0.5%時(shí)，摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)一致。乙二胺體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，雙氧水的氧化能力強(qiáng)于乙二胺對(duì)銅離子的絡(luò)合能力，使得氧化物磨屑的表面變得疏松下，對(duì)拋光墊的磨蝕性增強(qiáng)，但仍低于純銅屑對(duì)拋光墊的磨蝕性。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，拋光墊表面出現(xiàn)了鈍化--自修整--鈍化的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)地，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。乙二胺體積分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí),摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化基本趨于穩(wěn)定。此時(shí)，乙二胺對(duì)銅離子的絡(luò)合作麻輪用與雙氧水對(duì)銅屑的氧化作用基本保持平衡，使得氧化物磨屑的數(shù)量減少，純銅屑的數(shù)量遞增，磨屑對(duì)樹(shù)脂基體的磨蝕性增強(qiáng)，拋光墊表現(xiàn)出優(yōu)越的自修整性，摩擦系數(shù)基本保持穩(wěn)定。

04

基體硬度對(duì)固結(jié)料

拋光YAG晶體的影響

釔鋁石榴石（YAG）晶體的透光性好，熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率高，光轉(zhuǎn)效率高，長(zhǎng)時(shí)間工作不產(chǎn)生色心，吸收系數(shù)大，可進(jìn)行高濃度摻雜等。YAG晶體固態(tài)激光器在雷達(dá)測(cè)風(fēng)，激光測(cè)距，導(dǎo)彈攔截，軌道空間碎片清除，氫美能量麻輪循環(huán)，激光核聚變，激光點(diǎn)火等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但YAG晶體硬度高，脆性大，是典型的難加工材料，加工過(guò)程中易出現(xiàn)去除率低，加工表面不均勻，崩邊等現(xiàn)象。然而，應(yīng)用于高能激光器的YAG晶體表面則要求超光滑，無(wú)損傷。

固結(jié)磨料拋光技術(shù)具有選擇性強(qiáng)，平坦化效率高，工件表面不易釉化，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，代表著光整技術(shù)加工未來(lái)的發(fā)展方向。

明舜等對(duì)不同基體硬度的固結(jié)磨料墊拋光YAG晶體后的材料去除率和表面粗糙度時(shí)得到麻輪以下結(jié)果：由圖2a可以看出，固結(jié)磨料墊硬度越大，YAG晶體的材料去除率越高。

隨著基體硬度的增大，彈性基體的退讓性下降，相同尺寸的金剛石磨粒切入工件的深度變大，同時(shí)基體對(duì)金剛石的把持力隨之增大，金剛石磨粒脫落減少，拋光中有效磨粒數(shù)增加，磨粒對(duì)工件表面的機(jī)械作用越來(lái)越顯著，材料去除率也持續(xù)變大。

由圖2b可以看出，隨著基體硬度的增大，YAG晶體的表面粗糙度先減小后增大。當(dāng)基體硬度較小時(shí)，拋光過(guò)程中的機(jī)械麻輪作用以摩擦和耕犁為主。由于親水性基體的損失，拋光過(guò)程中的有效顆粒數(shù)量減少，拋光去除不均勻。所以當(dāng)基體硬度較小時(shí)，工件的表面粗糙度Ra值反而不小。當(dāng)基體硬度偏大時(shí)，隨著基體硬度的增大，磨粒切入工件深度增加，工件表面產(chǎn)生脆性斷裂，劃痕和凹坑的數(shù)量不斷增加，YAG晶體表面粗糙度變大。當(dāng)硬度適中時(shí)，在磨粒的切削作用下，磨粒切入工件的深度適中，此時(shí)工件表面劃痕少且淺，表面粗糙度Ra值0小。

05

砂漿對(duì)研磨Si麻輪C工件的影響

5.1 材料去除率

SiC是一種典型的耐磨和耐腐蝕材料。添加砂漿對(duì)精研SiC時(shí)材料去除率的影響如圖3所示。從圖3可以看出，A組使用未加砂漿的研磨液，材料去除率下降明顯，由0.26μm/min迅速下降至0.02μm/min基本失去研磨能力：B組使用添加砂漿研磨液，其材料去除率提高了5倍左右，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的材料去除率穩(wěn)定在1.42um/min左右。

5.2 表面質(zhì)量加工后SiC表面容易產(chǎn)生微麻輪裂紋。

添加砂漿精研SiC時(shí)表面粗糙度的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，在2組實(shí)驗(yàn)中，工件表面的粗糙度都呈下降趨勢(shì)。其中，A組的表面粗糙度從開(kāi)始的75.3nm下降到64.1nm。B組的表面粗糙度從開(kāi)始的93.2nm下降到81.5nm，A組的表面質(zhì)量比B組的好。這是因?yàn)槲刺砑由皾{的研磨墊，其金剛石磨料磨鈍后切入深度小，造成的劃痕淺，鈍化的金剛石磨粒起到部分拋光效果，得到的工件表面的粗糙度小，而加砂漿麻輪的精研過(guò)程中，研磨墊具有自修整能力，金剛石磨料更新快，可有效保持磨粒鋒利，劃痕較深，表面粗糙度較大。當(dāng)受上道工序影響的表面被去除后，工件的表面質(zhì)量基本上穩(wěn)定。

06

對(duì)YAG晶體表面質(zhì)量的影響

當(dāng)固結(jié)磨料墊基體硬度較小時(shí)，在拋光液的浸泡下，親水性樹(shù)脂基體網(wǎng)格的結(jié)合力偏小，在與工件的摩擦和拋光液的沖刷下，基體磨損的速度較快，基體包裹的磨粒比例下降，此時(shí)基體對(duì)金剛石磨粒的把持力下降，脫落的金剛石磨粒隨著拋光麻輪液直接從拋光的溝槽中流出，使有效磨粒數(shù)減少，同時(shí)由于彈性基體的退讓性，磨粒在接觸到工件后，會(huì)出現(xiàn)下陷和向后傾斜的現(xiàn)象，磨粒切深減小，此時(shí)的材料去除以耕犁作用為主，材料在劃痕兩側(cè)形成堆積，所以拋光后的表面劃痕數(shù)量較多，且較寬。基體硬度適中，基體對(duì)磨粒的把持力適中，磨粒對(duì)工件表面的機(jī)械作用以切削為主，有利于YAG晶體表面軟化層的去除，工作表面劃痕少且淺。當(dāng)基體硬度較大時(shí)，基體不易磨損，對(duì)磨粒的把持力變麻輪大，磨粒對(duì)工件表面的機(jī)械作用增強(qiáng)，而被拋光表面的化學(xué)軟化層不能及時(shí)產(chǎn)生，從而致使YAG晶體表面劃痕變多且深，當(dāng)基體硬度0大時(shí)，磨粒的機(jī)械作用進(jìn)一步增強(qiáng)，磨粒切入工件的深度變深，在拋光過(guò)程中，發(fā)生脆性去除，部分材料產(chǎn)生崩碎現(xiàn)象，從工件表面剝落，產(chǎn)生小凹坑。

07

結(jié)合劑含量與拋光速率

和工件表面粗糙度

從圖5可以看出，隨著堆積磨料中結(jié)合劑增加，拋光墊的拋光的速率先增大后減小，這是因?yàn)榻Y(jié)合劑為30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)麻輪）時(shí)，磨料顆粒之間主要以點(diǎn)接觸的方式連結(jié)，結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力較小，堆積磨料單顆粒靜壓強(qiáng)度比較小，在拋光過(guò)程中堆積磨料易破碎，因而拋光速率較小，隨著結(jié)合劑量的增加，結(jié)合劑量為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，磨料顆粒之間主要以面接觸方式連結(jié)，結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力隨之增大，堆積磨料單顆粒靜壓強(qiáng)度較大，拋光速率隨增加，結(jié)合劑量為55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力過(guò)大，在磨削過(guò)中金剛石不能及時(shí)脫落，過(guò)多的結(jié)麻輪合劑將代替部分金剛石參與拋光，因此拋光速率會(huì)有所減小。

從圖6可以看出，當(dāng)結(jié)合劑量較少時(shí)，結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力較弱，在拋光過(guò)程中堆積磨料易破碎，脫落的磨料會(huì)對(duì)玻璃表面產(chǎn)生劃痕，使得玻璃表面粗糙度變大，隨著結(jié)合劑的增加玻璃表面粗糙度逐漸減小，當(dāng)結(jié)合劑量在55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右時(shí)，所加工的工件表面粗糙度0低，Ra0.095um，隨著結(jié)合劑量的繼續(xù)增加，達(dá)到60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），結(jié)合劑對(duì)磨粒產(chǎn)生較強(qiáng)的包覆，麻輪導(dǎo)致堆積磨料的自銳性下降，磨粒被磨鈍后，不能及時(shí)破碎出新的切削刃，且過(guò)多的結(jié)合劑將形成較硬的結(jié)合劑層而參與磨削，引起被拋光工件表面粗糙度的增大。

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