林煒民, 黃 輝, 馬 飛

(華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021)

隨著金剛石砂輪在脆性材料精密加工中的廣泛應(yīng)用，金剛石砂輪的修整技術(shù)備受人們關(guān)注，鐵基金剛石砂輪在精密加工中的修整技術(shù)是其中的熱點(diǎn)之一[1-2]。目前，鐵基金剛石砂輪的修整技術(shù)有在線電解修整(ELID)[3]、電火花修整(EDD)[4]、激光修整[5]以及一些復(fù)合修整方法等[6-7]。鐵基金剛石砂輪的ELID由OHMORI等[3]提出，哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先引進(jìn)。徐志強(qiáng)等[8-9]研究了ELID技術(shù)的機(jī)理，并研制了專用磨削液和專用電源；WU等[10-11]研究了ELID的成膜機(jī)理；CHEN等[6,12]研究了超聲輔助ELID復(fù)合技術(shù)的磨削性能。鐵基金剛石砂輪的EDD由SUZUKI等[4]提出。單子昭等[13-14]對(duì)不同電極材料進(jìn)行了對(duì)比；劉忠德等[15-16]對(duì)比了不同介質(zhì)中EDD技術(shù)對(duì)金屬基金剛石砂輪的修整效果。激光修整技術(shù)是BABU等[5]于1986年提出的，近年來(lái)對(duì)該技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要在工藝優(yōu)化、有限元數(shù)值分析以及激光超聲復(fù)合修整3個(gè)方面[7,17-21]。

上述鐵基金剛石砂輪的修整方法雖然都取得了較好的修整效果，但也存在一定局限性，都需要消耗大量的電能，且ELID電源價(jià)格昂貴，應(yīng)用成本高；EDD方法容易對(duì)金剛石顆粒造成熱損傷；而激光修整一般是單束光修整，效率有限且僅適用于粗粒度砂輪等。

近年來(lái)，將含F(xiàn)e3+的A.f菌菌液用于金屬材料去除的研究取得重要進(jìn)展[22]，A.f菌最初是由SILVERMAN等[23]從酸性礦坑水體分離得來(lái)。該技術(shù)主要基于A.f菌的催化氧化作用，通過(guò)配制一定質(zhì)量濃度的Fe3+溶液來(lái)氧化金屬材料，其還原產(chǎn)物Fe2+在菌株的作用下又可轉(zhuǎn)化為Fe3+，從而實(shí)現(xiàn)菌液循環(huán)使用，且去除過(guò)程無(wú)須消耗大量電能，還具有減少污染物排放等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。馮雅麗等[24]研究發(fā)現(xiàn)：菌株載體活性炭的含量大于100 g/L時(shí)，會(huì)促進(jìn)菌株的生長(zhǎng)，F(xiàn)e2+會(huì)被快速轉(zhuǎn)化為Fe3+。MA等[25]應(yīng)用該技術(shù)成功地去除了Cu、Co金屬及Cu-Co合金，其去除量與時(shí)間呈線性關(guān)系。金屬基砂輪在線修整的根本就是金屬結(jié)合劑的去除，但有關(guān)A.f菌應(yīng)用于金屬基砂輪在線修整的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，提出一種生物修整方法對(duì)鐵基砂輪進(jìn)行在線修整，對(duì)比分析采用不同F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度進(jìn)行在線修整時(shí)的磨削力、加工質(zhì)量及砂輪磨粒出露高度等，同時(shí)分析生物在線修整鐵基金剛石砂輪的機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 磨削試驗(yàn)平臺(tái)及參數(shù)

磨削試驗(yàn)在MSG-250超精密成形平面磨床上完成，如圖1所示。試驗(yàn)中使用的砂輪為鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產(chǎn)的鑄鐵基金剛石砂輪，結(jié)合劑的主要成分有鑄鐵、銅、鈷等，砂輪尺寸為φ150.00 mm×10.00 mm×31.25 mm。金剛石濃度為100%，磨粒粒度代號(hào)為M10/20。試驗(yàn)前用M1/2的油石修整20 min，再進(jìn)行5 min的生物預(yù)修整，隨后進(jìn)行生物在線修整。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)的工件為單晶SiC晶圓，直徑為φ50 mm，厚度為7 mm。試驗(yàn)前磨削SiC晶圓分碳面硅面，其表面粗糙度為92 nm。將工件用酒精超聲清洗后烘干，用HM-301型石英晶體專用膠粘在不銹鋼底座上。修整時(shí)砂輪線速度為22 m/s，工件進(jìn)給速度為169 mm/s，磨削切深為2 μm，重復(fù)50次，總切入深度為100 μm。將工件表面劃分為上、中、下3個(gè)部分，如圖2所示。每個(gè)部分對(duì)應(yīng)不同的生物修整參數(shù)。

圖2 工件加工面示意圖

1.2 生物在線修整方法

試驗(yàn)中的生物在線修整見(jiàn)圖1所示，主要包括生物反應(yīng)、離子交換、修整加工3個(gè)環(huán)節(jié)。在生物反應(yīng)環(huán)節(jié)，通過(guò)氣泵和培養(yǎng)液循環(huán)泵在生物反應(yīng)器中創(chuàng)造一個(gè)流動(dòng)、氧氣充足的環(huán)境，大量A.f菌被吸附在固定化載體上并對(duì)被蠕動(dòng)泵抽入的溶液中的Fe2+進(jìn)行氧化，生成富含F(xiàn)e3+的菌液；在離子交換環(huán)節(jié)，紗網(wǎng)用于回收過(guò)濾磨削廢液，廢液和菌液通過(guò)微濾孔膜進(jìn)行離子交換，菌液中的少量A.f菌將被過(guò)濾并和富含F(xiàn)e2+的回收液一同抽回生物反應(yīng)器中繼續(xù)反應(yīng)，而富含F(xiàn)e3+的溶液將被用于修整加工；在修整加工環(huán)節(jié)，離子交換塔中的上清液通過(guò)輸送泵輸送到磨床的磨削液系統(tǒng)中，進(jìn)行砂輪在線修整，使用過(guò)的溶液通過(guò)導(dǎo)管回流至離子交換塔中。

試驗(yàn)使用的菌株由東華理工大學(xué)提供。采用9K培養(yǎng)基活化、培養(yǎng)[26]：采用20 mL菌種混合80 mL 9K培養(yǎng)基，用體積比1∶1的硫酸調(diào)節(jié)pH至1.8，放入250 mL錐形瓶中，置于30 ℃恒溫?fù)u床(轉(zhuǎn)速160 r/min)活化，F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度采用乙二胺四乙酸(EDTA)滴定法進(jìn)行測(cè)定。Fe3+質(zhì)量濃度達(dá)到總Fe質(zhì)量濃度的95%后，移至生物反應(yīng)器中，自反應(yīng)器底部泵入空氣，加速菌株生長(zhǎng)和Fe2+氧化，得到用于磨削試驗(yàn)的Fe3+溶液。

根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)[27]，不同質(zhì)量濃度的A.f菌溶液對(duì)結(jié)合劑的去除速度有影響，因此本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種不同F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度的溶液進(jìn)行試驗(yàn)，分別為1.5、3.0、4.5和5.5 g/L，同時(shí)設(shè)計(jì)了1組清水組作為對(duì)照組。

1.3 性能檢測(cè)方法

磨削過(guò)程中采用Kistler 9257B測(cè)力儀測(cè)定磨削力。利用Zygo NV7300 3D光學(xué)輪廓儀測(cè)量加工后的工件表面粗糙度，取樣面積分別為0.70 mm×0.53 mm和1.41 mm×1.06 mm，每個(gè)面積上取9個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。砂輪表面形貌采用Zeiss LSM700激光共聚焦顯微鏡觀察，測(cè)量5顆磨粒的出露高度。測(cè)定結(jié)果均分別計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 磨削力

采集磨削20 s內(nèi)30 μm之后的磨削力數(shù)據(jù)，因磨削切深較小，水平力方向與豎直力方向夾角僅為0.29°，因此可以將所測(cè)量的水平力Fy作為切向力，豎直力Fz作為法向力。分別對(duì)每種Fe3+質(zhì)量濃度下的數(shù)據(jù)截取5個(gè)周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，F(xiàn)y1和Fz1為1個(gè)往返周期中第1刀(有進(jìn)給)時(shí)的磨削力平均值，F(xiàn)y2和Fz2為第2刀(無(wú)進(jìn)給)時(shí)的磨削力平均值，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3a可以看出：隨著Fe3+溶液的加入，工件所受的法向磨削力明顯降低，并且隨著Fe3+質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。與清水組(Fe3+質(zhì)量濃度為0)相比，其法向磨削力Fz1在1.5 g/L Fe3+溶液時(shí)減小了30.5%，F(xiàn)z2減小了27.5%；到5.5 g/L Fe3+溶液時(shí)，F(xiàn)z1減小了40.0%，F(xiàn)z2減小了39.6%。且在無(wú)進(jìn)給時(shí)的法向磨削力Fz2整體略小于有進(jìn)給時(shí)的法向力Fz1。

從圖3b可看出：工件所受的切向磨削力隨Fe3+溶液的加入而減小，并隨Fe3+質(zhì)量濃度的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。與清水組相比，使用1.5 g/L Fe3+溶液時(shí)，F(xiàn)y1減小了15.9%，F(xiàn)y2減小了83.7%；使用3.0 g/L Fe3+溶液時(shí)，F(xiàn)y1減小了21.2%，F(xiàn)y2減小了95.6%；使用4.5 g/L Fe3+溶液時(shí)，F(xiàn)y1減小了33.7%，F(xiàn)y2減小了98.6%；使用5.5 g/L Fe3+溶液時(shí)，F(xiàn)y1減小了37.7%，F(xiàn)y2減小了97.7%?？梢钥闯觯涸谇逅M，無(wú)進(jìn)給時(shí)的切向力略小于有進(jìn)給時(shí)的切向力，但在生物修整組中，無(wú)進(jìn)給時(shí)的切向力明顯小于有進(jìn)給時(shí)的切向力。

磨削力比Fz/Fy是用來(lái)判斷砂輪磨削性能的一個(gè)參數(shù)，通常來(lái)說(shuō)磨削力比小的狀態(tài)下砂輪的性能較好[28]。圖4為不同質(zhì)量濃度下有進(jìn)給時(shí)的磨削力比，從圖中可以看出在試驗(yàn)條件下，磨削力比在2.93～3.55。清水組的磨削力比最大，為3.55；加入生物修整后磨削力比顯著降低，1.5 g/L時(shí)磨削力比最小，為2.93；隨著Fe3+質(zhì)量濃度上升，磨削力比也緩慢上升，4.5 g/L之后磨削力比停止增加，達(dá)到3.42，仍然小于清水組的值。

圖4 不同F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度下的磨削力比

2.2 工件表面粗糙度

加工后工件表面的粗糙度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中的Ra1值是取樣面積為0.70 mm×0.53 mm時(shí)的測(cè)量值，Ra2值是取樣面積為1.41 mm×1.06 mm時(shí)的測(cè)量值。從圖5可看出：使用生物在線修整時(shí)的Ra值均低于清水磨削液的。其中：3.0 g/L Fe3+溶液組的Ra值最低，其Ra2值較清水組的下降了59.8%；1.5 g/L Fe3+組的粗糙度Ra2值較清水組的下降了55.6%；4.5 g/L Fe3+組的粗糙度Ra2值較清水組的下降了53.8%；5.5 g/L Fe3+組的粗糙度值較清水組的下降了54.5%。另外，對(duì)于生物在線修整時(shí)的工件磨削表面Ra，使用不同的測(cè)量視場(chǎng)時(shí)沒(méi)有顯著變化，但是對(duì)于清水磨削時(shí)，其表面粗糙度隨測(cè)量視場(chǎng)大小的不同有顯著差異。

圖5 工件加工表面粗糙度變化

清水組在2個(gè)視場(chǎng)下的表面形貌對(duì)比如圖6所示。從圖6可看出：在小視野下，工件的表面較為平整，而在大視野下則可以看到明顯的波紋現(xiàn)象。

2.3 砂輪表面的磨粒出露高度

砂輪表面的磨粒出露高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖7所示。由圖7可以看出：隨著Fe3+質(zhì)量濃度的增加，磨粒的平均出露高度也在增大，清水組的磨粒出露高度為5.0 μm，相對(duì)于磨粒的粒徑而言，其出露高度比為24.8%。相比而言，1.5 g/L組的磨粒出露高度為6.2 μm，其出露高度比為31.0%；3.0 g/L組的磨粒出露高度為6.4 μm，其出露高度比為32.0%；4.5 g/L組的磨粒出露高度為7.1 μm，其出露高度比為35.5%；5.5 g/L組的磨粒出露高度為8.1 μm，其出露高度比為40.5%。此外，相較其他幾組，5.5 g/L組的磨粒出露高度的標(biāo)準(zhǔn)差也較大。

圖7 磨粒出露高度

3 分析與討論

生物修整鐵基砂輪的原理是使用含有Fe3+的A.f菌菌液作為磨削液，在降低加工區(qū)溫度、帶走磨屑的同時(shí)，利用細(xì)菌的催化氧化作用去除砂輪的鐵基體。細(xì)菌將培養(yǎng)基中的Fe2+氧化成Fe3+，生成的Fe3+再將砂輪基體氧化，此過(guò)程在生物反應(yīng)器中進(jìn)行，屬于間接氧化，間接氧化過(guò)程中Fe3+生成的Fe2+進(jìn)入生物反應(yīng)器中被細(xì)菌氧化成Fe3+后[29]，再次被投入到加工中使用，形成Fe2+和Fe3+之間不斷循環(huán)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，如圖8所示。

圖8 生物修整原理圖

圖8的反應(yīng)過(guò)程為：

Fe2+→ Fe3++ e-

(1)

Fe + 2Fe3+→ 3Fe2+

(2)

采用生物在線修整時(shí)，F(xiàn)e3+對(duì)鐵基結(jié)合劑的氧化去除有2方面的作用：一方面，隨著單位時(shí)間內(nèi)結(jié)合劑去除量的增加，金剛石磨粒的出露高度隨之增加(見(jiàn)圖7)；另一方面，隨著單位時(shí)間內(nèi)結(jié)合劑去除量的增加，單位時(shí)間內(nèi)出露的新磨粒數(shù)也會(huì)隨之增加，這就意味著，單位時(shí)間內(nèi)具有切削能力的有效磨?？倲?shù)隨之增加。

當(dāng)去除總量相同時(shí)，隨著單位時(shí)間內(nèi)的有效磨粒數(shù)增加，單顆磨粒的去除量隨之減小，因此其總的磨削力也會(huì)隨之減小。對(duì)比往復(fù)磨削時(shí)，有進(jìn)給與無(wú)進(jìn)給時(shí)的切向力試驗(yàn)結(jié)果也能明顯看出：當(dāng)采用生物在線修整時(shí)，由于磨粒的出露高度高，新鮮磨粒數(shù)多，因此材料在有進(jìn)給時(shí)的去除量多，造成的工件回彈量也要??；在無(wú)進(jìn)給時(shí)的力由于磨削殘留量小，所以其切向力Fy2相比于清水時(shí)，會(huì)明顯下降。劉立飛等[28]的研究中也得到了類似的結(jié)論。

采用生物修整后，工件表面的粗糙度值也有明顯下降，這也可歸因于生物修整作用，同時(shí)參與磨削的磨粒數(shù)增加，從而單顆磨粒的去除量減小，從而提高了加工表面質(zhì)量。2種不同視場(chǎng)下的加工表面質(zhì)量變化證實(shí)了生物修整增加了砂輪表面的有效磨粒數(shù)。對(duì)于清水加工，由于表面磨粒數(shù)較少，所以加工后的表面粗糙度相對(duì)不均勻，因此容易受到視場(chǎng)的影響；相比而言，由于生物修整后，砂輪表面的有效磨粒數(shù)增加，所以加工后的表面粗糙度更均勻，因此不容易受到視場(chǎng)的影響。

但值得注意的是，F(xiàn)e3+的質(zhì)量濃度越高，結(jié)合劑被氧化的速率就越快，金剛石磨粒的出露高度隨之增加(見(jiàn)圖7)。此時(shí)，由于結(jié)合劑的把持力隨著金剛石磨粒出露高度的增加而減弱，因此導(dǎo)致磨粒容易產(chǎn)生非正常脫落。從力比的結(jié)果也可以看出，當(dāng)修整液中Fe3+的質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，力比反而會(huì)增加。這表明當(dāng)修整液中Fe3+的質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致砂輪的磨削性能反而有所下降。在取樣面積為120 μm×120 μm時(shí)，觀察5.5 g/L組的砂輪表面形貌，如圖9所示。從圖9可看出，砂輪表面存在許多磨粒脫落后留下的孔洞。當(dāng)整顆磨粒脫落到工件表面，會(huì)對(duì)工件表面造成劃傷，肖強(qiáng)等[30]的研究中也說(shuō)明了這種情況。這或許是Fe3+質(zhì)量濃度上升后工件表面質(zhì)量變差的主要原因。

圖9 5.5 g/L組砂輪表面形貌圖

4 結(jié)論

采用生物在線修整方法進(jìn)行了單晶碳化硅的磨削試驗(yàn)，對(duì)不同F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度的溶液對(duì)于鐵基金剛石砂輪修整效果的影響進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)生物在線修整方法對(duì)磨削力也有較為顯著的改善，在有進(jìn)給法向磨削力Fz1上，1.5 g/L組、3.0 g/L 組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的磨削力較清水組分別減小30.5%、32.5%、37.4%和40.0%；而在無(wú)進(jìn)給切向磨削力Fy2上，則表現(xiàn)更顯著，1.5 g/L組、3.0 g/L組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的磨削力較清水組分別減小83.7%、95.6%、98.6%和97.7%。生物在線修整方法使得工件的回彈現(xiàn)象得到顯著改善，加工殘余量減小。

(2)總體上來(lái)看，使用了生物在線修整法磨削的工件表面粗糙度值明顯減小。1.5 g/L組、3.0 g/L組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的粗糙度值Ra2較清水組的分別下降了55.6%、59.8%、53.8%和54.5%。3.0 g/L組的修整加工表面粗糙度最低為259.67 nm，略優(yōu)于其他幾組的。

(3)清水組的磨削力比最大，加入生物修整后磨削力降低。Fe3+的質(zhì)量濃度為1.5 g/L時(shí)磨削力比最小，繼續(xù)上升后磨削力比會(huì)緩慢增加至3.42。

(4)生物在線修整使得磨粒保持較高的出露高度比，清水組、1.5 g/L組、3.0 g/L組、4.5 g/L組和5.5 g/L組的磨粒出露比分別為24.8%、31.0%、32.0%、35.5%和40.5%。5.5 g/L Fe3+組的磨粒更替過(guò)快，磨粒出露高度波動(dòng)大。