夏江南，閻秋生，潘繼生，雒梓源，汪 濤

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

科技的發(fā)展與技術(shù)革新對(duì)新材料的性質(zhì)提出了更高的要求[1-2]。硬脆材料如光學(xué)玻璃[3-4]、半導(dǎo)體基片[5-6]、工程陶瓷[7]等由于具有高硬度、高耐磨性、低熱膨脹系數(shù)、抗氧化性、抗腐蝕性等良好的物理與化學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、遠(yuǎn)距離通訊、高精度激光元件和電子信息等領(lǐng)域。然而正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，硬脆材料成為了典型的難加工材料，而且要應(yīng)用于高新領(lǐng)域，需要通過超精密加工的手段使其達(dá)到納米級(jí)別的表面粗糙度，并要消除凹坑、劃痕和表面/亞表面裂紋等缺陷[8]。目前，在諸多加工方法之中，超精密磨削技術(shù)以高效率、低成本的優(yōu)點(diǎn)成為了硬脆材料加工中的重要一環(huán)[9-10]。

超精密磨削是以人造金剛石[11-13]、立方氮化硼[14-15]等超硬磨料砂輪為磨具對(duì)氧化鋁、碳化硅等材料進(jìn)行加工，以獲得納米級(jí)粗糙度表面的加工方法。隨著對(duì)硬脆材料需求的大幅增加，如何快速獲得高質(zhì)量的材料表面成為研究的重點(diǎn)。為了提高加工效率、縮短工藝流程，以磨代研、以磨代拋、多主軸集成、磨拋一體化等想法不斷被提出，給超精密磨削技術(shù)帶來(lái)一次次革新與挑戰(zhàn)。

本文圍繞硬脆材料超精密磨削技術(shù)，介紹了目前主流磨削方法的原理及所使用磨床的特點(diǎn)，對(duì)超硬磨料砂輪的制備、檢測(cè)與修整技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明；從不同研究方法的角度出發(fā)，系統(tǒng)地總結(jié)了目前各學(xué)者對(duì)硬脆材料的材料去除方式及表面層損傷機(jī)理的研究進(jìn)展；最后對(duì)硬脆材料表面質(zhì)量控制水平進(jìn)行分析，指出目前研究中的不足并展望了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)硬脆材料超精密磨削的研究提供指導(dǎo)。

1 硬脆材料磨削裝備

1.1 超精密磨床

1.1.1 自旋轉(zhuǎn)磨削

自旋轉(zhuǎn)磨削[16-18]是目前較為成熟的一種硬脆材料磨削方法，可達(dá)到硬脆材料無(wú)表面/亞表面損傷、高面形精度、低表面粗糙度的要求，也常用于大尺寸晶圓背面快速減薄，其原理如圖1所示。磨削時(shí)，工件吸附于多孔陶瓷真空吸盤上，隨著旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)做低速轉(zhuǎn)動(dòng)，杯形砂輪繞自身主軸做自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行軸向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)材料去除。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)與杯形砂輪呈一定角度，實(shí)現(xiàn)半接觸磨削，降低了磨削力與磨削溫度，并且通過調(diào)整主軸角度能夠控制被磨工件的表面形狀，獲得較高的面形精度。

圖1 自旋轉(zhuǎn)磨削原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of self-rotating grinding principle

超精密磨床一般要求有高剛度的主軸與導(dǎo)軌系統(tǒng)、高定位精度與高穩(wěn)定性，這是實(shí)現(xiàn)納米磨削的必要條件。日本、德國(guó)、法國(guó)在超精密磨床的設(shè)計(jì)與研發(fā)領(lǐng)域處于領(lǐng)先狀態(tài)，而我國(guó)尚處于起步階段。如日本Lapmaster SFT Corp公司生產(chǎn)的立式旋軸超精密端面磨床DMG-6011V，該磨床由大剛度主軸系統(tǒng)、IPG在線測(cè)量厚度裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)與杯形砂輪等組成，能夠高效率實(shí)現(xiàn)硬脆材料平整化加工，滿足使用要求。

1.1.2 雙面磨削

雙面磨削[19-20]可同時(shí)對(duì)硬脆材料正反兩面進(jìn)行磨削加工，節(jié)省了二次裝夾所耗費(fèi)的時(shí)間，并且減少了面形誤差，極大提高了加工效率，其原理如圖2所示。磨削時(shí)，材料由送料盤夾持，兩杯型砂輪位于送料盤兩面平行放置，做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過軸向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)材料去除。

圖2 雙面磨削原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of double-sided grinding principle

法國(guó)Fives Group工業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)了立式雙端面磨床VDD系列，該系列磨床有多種進(jìn)給方式，如旋轉(zhuǎn)進(jìn)給方式、貫穿進(jìn)給方式、擺動(dòng)進(jìn)給方式等，且可自動(dòng)上下料，通過伺服控制修整定位，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率磨削加工[21]。

1.1.3 磨拋一體化

隨著工藝水平的進(jìn)步，對(duì)加工的要求越來(lái)越高。為了實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高效高質(zhì)量加工，研究人員提出了磨拋一體化的思路。磨拋一體化主要運(yùn)用了集成的思想，將磨削砂輪與拋光輪共同用于同一機(jī)床上。如溫海浪等[22]提出了使用內(nèi)外圈升降砂輪來(lái)實(shí)現(xiàn)磨拋一體化的方法，即在主軸位安裝兩個(gè)同心砂輪，外圈為拋光輪，內(nèi)圈為磨削砂輪。通過砂輪高度切換，實(shí)現(xiàn)磨削-拋光工藝的轉(zhuǎn)變。日本DISCO公司通過在磨床上集成拋光主軸并且添加多工位來(lái)實(shí)現(xiàn)磨拋一體化，以達(dá)到對(duì)材料高效高精度的自動(dòng)化加工的要求，其原理如圖3所示。

圖3 磨拋一體化原理示意圖Fig.3 The schematic diagram of grinding and polishing integration principle

日本DISCO公司生產(chǎn)的全自動(dòng)晶圓磨拋機(jī)DGP8761集成了背面磨削與去應(yīng)力加工，可實(shí)現(xiàn)粗磨、精磨與拋光3道工序，提高了加工效率[23]。

1.2 超硬磨料砂輪

1.2.1 砂輪制備

超硬磨料砂輪在硬脆材料磨削工藝中起著至關(guān)重要的作用，直接影響硬脆材料的磨削效果。以金屬、陶瓷、樹脂等作結(jié)合劑，以人造金剛石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,CBN)為磨料的超硬磨料砂輪被廣泛應(yīng)用于超精密磨削中。圖4為#325金屬結(jié)合劑杯型金剛石砂輪，由鋁合金基體與金剛石砂輪結(jié)塊兩大部分組成。

圖4 #325金屬結(jié)合劑金剛石砂輪Fig.4 # 325 metal bond diamond grinding wheel

目前有關(guān)金剛石砂輪制備的研究主要集中在造孔劑、結(jié)合劑、添加劑等砂輪組織成分的優(yōu)選，以及控制磨粒有序排布、刻劃溝槽等砂輪表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[24]兩大方面。Zhao等[14]制備了多孔金屬結(jié)合劑CBN砂輪磨削Ti-6Al-4V合金，通過對(duì)磨削過程中孔隙率的檢測(cè)，確定了CBN砂輪能夠保證有足夠的空間容納磨屑與磨削液，砂輪有良好的自銳性，磨削材料后能得到較好的表面質(zhì)量。軒闖等[25]制備了一種以空心氧化鋁微球?yàn)樵炜讋┑奶沾山Y(jié)合劑金剛石砂輪，通過測(cè)試其磨削性能，發(fā)現(xiàn)空心微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒徑大小對(duì)砂輪的硬度與強(qiáng)度有較明顯的影響。研究表明該砂輪能夠?qū)κ⒉Ａ?SiO2)表面進(jìn)行磨削，磨削后其表面粗糙度由0.51 μm降低為0.02 μm。陳哲等[12]制備了樹脂結(jié)合劑堆積磨料金剛石砂輪，對(duì)YG8硬質(zhì)合金開展磨削研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金剛石磨粒堆積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，砂輪硬度最高，達(dá)到最佳磨削性能，比單顆磨粒金剛石砂輪磨削效率提高了40%。宋英桃等[26]采用化學(xué)鍍覆的方法制備了金屬-陶瓷復(fù)合結(jié)合劑金剛石砂輪，在沒有破壞陶瓷結(jié)合劑砂輪整體結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)一步提高了磨削性能。張鈺奇等[27]通過仿真優(yōu)化制備了一種磨粒有序排布的金剛石砂輪，如圖5所示，通過顯微觀察，發(fā)現(xiàn)磨粒出刃情況良好，磨粒呈一定規(guī)律有序分布。滕世國(guó)等[28]通過脈沖激光燒蝕砂輪結(jié)塊表面，制備出梯形溝槽和直角溝槽兩種砂輪，通過對(duì)比普通砂輪，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化砂輪的磨粒破碎和脫落的情況明顯減少(見圖6)，結(jié)果表明微結(jié)構(gòu)有利于提高砂輪的磨削性能，降低磨削損耗。Wu等[29]使用脈沖激光在金剛石砂輪表面生成了形狀精度高、側(cè)壁傾角小的微結(jié)構(gòu)，使用該砂輪磨削SiC后發(fā)現(xiàn)材料脆性去除得到抑制，裂紋數(shù)量減少，獲得了納米級(jí)別表面粗糙度。Guo等[30]使用納秒脈沖激光在金剛石砂輪表面燒蝕出不同深度的連續(xù)微凹槽，制備成一種新型微結(jié)構(gòu)砂輪用于光學(xué)玻璃磨削，實(shí)驗(yàn)表明微結(jié)構(gòu)砂輪有較好的容屑效果，磨削過程中的法向力和切向力顯著降低，磨粒尖端和微結(jié)構(gòu)側(cè)邊緣均出現(xiàn)了磨平痕跡，證實(shí)微結(jié)構(gòu)在磨削過程中起到了有效作用。

圖5 金剛石砂輪表面形貌[27]Fig.5 Surface morphology of diamond grinding wheel

圖6 3種金剛石砂輪磨損對(duì)比[28]Fig.6 Comparison of three kinds of diamond grinding wheel wear

1.2.2 砂輪磨損檢測(cè)與分析

在磨削過程中，砂輪的磨損對(duì)硬脆材料表面質(zhì)量會(huì)有較大的影響，因此各學(xué)者對(duì)砂輪磨損過程、磨損機(jī)理等進(jìn)行了持續(xù)探索。研究砂輪表面形貌，不可避免需要用到檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)主要分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩大類，直接檢測(cè)既包括使用微型探針接觸、劃刻等接觸式檢測(cè)，也包括使用高清顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、白光干涉儀和掃描電子顯微鏡等非接觸式檢測(cè)；間接檢測(cè)主要是利用力、溫度、聲信號(hào)等指標(biāo)[31-32]間接反映砂輪磨削情況。

Luo等[33]研究了金屬結(jié)合劑金剛石砂輪在磨削藍(lán)寶石過程中的磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在磨削過程中砂輪存在緩慢磨損—快速磨損—緩慢磨損—穩(wěn)定磨損4個(gè)階段，金剛石磨粒以磨耗磨損為主，局部區(qū)域出現(xiàn)磨粒破碎、脫落的現(xiàn)象，磨削量達(dá)到240 μm時(shí)，砂輪需要進(jìn)行修整以恢復(fù)磨削性能。張紅軒等[34]使用高速橫向減薄機(jī)，研究了樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的磨損過程，使用高清顯微鏡在位跟蹤檢測(cè)砂輪磨粒狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，砂輪主要有磨耗磨損、黏附磨損、磨粒破碎、磨粒脫落4種磨損形式，隨著磨削的進(jìn)行，磨損形式由以破碎磨損為主慢慢變?yōu)橐责じ侥p、磨粒脫落為主。Seongkyul等[35]提出了利用邊緣衍射效應(yīng)的非接觸式檢測(cè)方法，在線監(jiān)測(cè)砂輪磨損量，觀察砂輪表面磨粒狀態(tài)，實(shí)時(shí)對(duì)磨削工藝進(jìn)行補(bǔ)償修正。汪旋等[36]設(shè)計(jì)了溫度采集系統(tǒng)，通過標(biāo)定K型熱電偶采樣模塊收集砂輪磨削溫度實(shí)現(xiàn)砂輪磨損在線監(jiān)測(cè)，確定砂輪失效時(shí)的溫度閾值為171 °C。Chen等[37]建立了旋轉(zhuǎn)聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，矯正砂輪垂直方向位置誤差，提高了加工效率。石建等[32]通過磨削力與聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)信號(hào)相結(jié)合的方法，對(duì)磨削過程中砂輪磨損情況進(jìn)行檢測(cè)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)到98%以上。母德強(qiáng)等[38]提出了一種基于激光三角法原理的砂輪磨損量檢測(cè)方法(見圖7)，對(duì)砂輪磨損量進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、低誤差的整周期測(cè)量。

圖7 砂輪磨損量檢測(cè)系統(tǒng)原理圖[38]Fig.7 Grinding wheel wear detection system schematic diagram

1.2.3 砂輪修整技術(shù)

為了保證磨削效率和磨削質(zhì)量，需要對(duì)超硬磨粒砂輪進(jìn)行修整，去除磨粒外包裹的結(jié)合劑，使其露出鋒利的刃角，并提高砂輪尺寸精度與輪廓精度。而由CBN、金剛石等磨粒制成的砂輪硬度高，修整難度較大，選取合適的修整方法極其重要[39]。

機(jī)械修整法由于其便捷且低成本的優(yōu)點(diǎn)是最常用的修整方法[40-41]。機(jī)械修整法主要包括單點(diǎn)金剛石筆車削修整[42-43]、通過磨石等修整工具的磨削修整[44]以及金剛石滾輪修整[45]。Zhou等[44]提出了一種綠碳化硅滾磨修整金剛石砂輪的方法，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡模型，修整后砂輪跳動(dòng)誤差大幅降低，面形誤差峰谷值（Peak to Valley，PV）和均方根（Root Mean Square，RMS分別降到3.50 μm和0.60 μm。吳玉厚等[46]提出了一種針對(duì)大直徑凸弧金剛石砂輪的修整方法，利用凸弧修整輪與砂輪磨粒之間產(chǎn)生的擠壓微磨削作用修整砂輪，通過實(shí)驗(yàn)表明，該修整方法可以實(shí)現(xiàn)金剛石砂輪精密修整，修整后金剛石砂輪的磨削性能得到大幅提升。梁志強(qiáng)等[47]提出了一種碳化硅修整輪切向磨削修整方法，對(duì)微結(jié)構(gòu)磨削中金剛石砂輪尖端進(jìn)行修整，使樹脂和金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的尖端圓弧半徑分別達(dá)到3.5 μm和2.0 μm，獲得了較好的修整效果。Wang等[48]研究了電鍍金剛石修整輪修整弧形金剛石砂輪的修整效果，發(fā)現(xiàn)修整輪的粒徑是影響砂輪修整精度的關(guān)鍵因素，使用粒徑為213 μm的修整輪將弧形金剛石砂輪的徑向跳動(dòng)誤差與截面弧輪廓誤差分別降低到1.9 μm和10 μm，磨粒出刃情況良好，顯著提高了砂輪的磨削性能。

除傳統(tǒng)機(jī)械修整方法外，各種先進(jìn)修整技術(shù)逐漸被開發(fā)。Guo等[49]提出了一種使用脈沖激光修整V型電鍍CBN砂輪的方法，通過實(shí)驗(yàn)證明激光修整時(shí)的磨削力與修整后砂輪表面粗糙度均低于傳統(tǒng)的機(jī)械修整方法，且達(dá)到同樣修整效果所需時(shí)間大幅降低。Yang等[50]使用激光輔助超聲振動(dòng)修整技術(shù)修整CBN砂輪，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過增加激光功率等能夠降低修整力，且修整后砂輪磨粒出刃高度基本一致，具有良好的磨削效果。伍俏平等[51]將碳納米管添加到電解液中，使用電解在線修整(Electrolytic In-process Dressing，ELID)的方法對(duì)釬焊金剛石砂輪進(jìn)行修整，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用含有碳納米管的電解液電解砂輪后，砂輪表面磨損的磨粒被疏松氧化層覆蓋(見圖8)，使其在磨削過程中易于脫落，砂輪自銳性提高。單子昭等[52]研究了不同放電介質(zhì)下電火花修整金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的修整效果，發(fā)現(xiàn)使用二氧化硅粉末的混粉電火花修整砂輪后，砂輪表面磨粒出刃高度增加，整體較為平整，表面硅元素含量升高(見圖9)，耐磨性更好。

圖8 有無(wú)碳納米管的電解液生成氧化膜厚度[51]Fig.8 The thickness of oxide film formed by electrolyte with or without carbon added nanotubes

圖9 砂輪混粉修整前后其表面Si元素的分布與含量[52]Fig.9 Distribution and element content of Si of grinding wheel before and after EDD under condition

綜上所述，磨削裝備是研究磨削過程的基礎(chǔ)，是技術(shù)研發(fā)的核心所在，此方面日本、德國(guó)和法國(guó)較為領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。超精密磨床未來(lái)的研發(fā)將朝著增加系統(tǒng)精度與穩(wěn)定性、提高集成度與自動(dòng)化水平的方向發(fā)展。超硬磨料砂輪需要詳細(xì)研究結(jié)合劑種類和砂輪微結(jié)構(gòu)對(duì)不同硬脆材料的具體影響，進(jìn)一步優(yōu)化砂輪磨損檢測(cè)與修整的方法，提高磨削水平。

2 硬脆材料磨削機(jī)理

研究硬脆材料的材料去除方式與表面層損傷機(jī)理對(duì)實(shí)際加工有重要的指導(dǎo)意義。1991年，Bifano等[53]提出了延性域磨削這一概念，即脆性材料在特定情況下能實(shí)現(xiàn)塑性去除，并給出計(jì)算材料臨界切削深度的數(shù)學(xué)公式，使得磨削機(jī)理的研究進(jìn)入到新的領(lǐng)域。之后，各國(guó)學(xué)者從不同角度對(duì)硬脆材料超精密磨削機(jī)理進(jìn)行探索，大體分為3個(gè)方向：壓痕/劃痕實(shí)驗(yàn)、納米磨削實(shí)驗(yàn)、模擬仿真分析。

2.1 壓痕/劃痕實(shí)驗(yàn)

研究者使用單顆磨粒等對(duì)硬脆材料開展實(shí)驗(yàn)，分析磨削機(jī)理。Ge等[54]通過納米壓痕/劃痕技術(shù)確定了單晶硅(Si)實(shí)現(xiàn)脆-塑轉(zhuǎn)變的臨界法向力為26 mN，通過控制法向力的大小，能實(shí)現(xiàn)單晶Si的無(wú)裂紋線鋸切割。潘繼生等[55]設(shè)計(jì)了6H-SiC納米壓痕/劃痕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在磨粒的作用下SiC存在5種不同的材料去除形式(見圖10)，其中發(fā)生脆-塑轉(zhuǎn)變的臨界載荷為63 mN。段念等[56]采用不同尖端圓角半徑的金剛石磨粒劃擦單晶SiC，發(fā)現(xiàn)材料去除方式主要由微裂紋與切向滑移組成，隨著圓角半徑的增大，在脆性去除區(qū)域的微裂紋逐漸擴(kuò)展從而產(chǎn)生崩碎(見圖11)。Guo等[57]通過單晶AlN壓痕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該材料中存在尺寸誘導(dǎo)的脆塑性轉(zhuǎn)變，通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscopy，SEM）與透射電子顯微鏡（Transmission Electron Micros TEM）表征，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)變與位錯(cuò)、滑移、微裂紋擴(kuò)展有關(guān)。Meng等[58]采用納米劃痕的方法在6H-SiC表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在透射顯微鏡的檢測(cè)下，發(fā)現(xiàn)了劃痕底部表面下存在非晶相，推測(cè)SiC的塑性去除是由位錯(cuò)、滑移以及高壓非晶相變組合而成。

圖10 6H-SiC 5種材料去除方式圖[55]Fig.10 Five material removal methods for 6H-SiC

圖11 圓角半徑不同的磨粒劃擦SiC的表面形貌圖[56]Fig.11 The surface topography of SiC scratched by abrasive particles with different fillet radius is obtained.

2.2 納米磨削實(shí)驗(yàn)

單顆磨粒對(duì)硬脆材料的壓痕/劃痕實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)潔明了地展示了材料去除方式。但在實(shí)際磨削時(shí)條件更加復(fù)雜，由壓痕/劃痕實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論未必能直接挪用，因此，更多學(xué)者采用磨削實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)硬脆材料的磨削機(jī)理展開研究。

Yan等[59]使用#325金屬結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)6HSiC開展磨削實(shí)驗(yàn)，通過OLS4000激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)SiC表面形貌，采用解理截面法對(duì)SiC亞表面損傷進(jìn)行檢測(cè)，研究表明當(dāng)磨粒切削深度較大時(shí)，SiC表面多為凹坑、溝壑和破碎塊，亞表面中位裂紋和橫向裂紋多而深，表面粗糙度值較大，脆性去除占主要成分；當(dāng)磨粒切削深度減小，磨削表面的破碎、凹坑等脆性去除痕跡減少，以耕犁等塑性去除為主，表面粗糙度大幅降低。吳柯等[60]使用不同粒度的金剛石砂輪磨削藍(lán)寶石，發(fā)現(xiàn)保持其他工藝參數(shù)不變，#325砂輪磨削藍(lán)寶石是以脆性斷裂的方式去除材料；#500砂輪以脆性-塑性相結(jié)合的方式去除材料；#1000砂輪以犁耕、劃擦等塑性流動(dòng)方式去除材料，實(shí)現(xiàn)了延性域磨削。周云光等[61]使用電鍍金剛石砂輪對(duì)SiC進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明材料去除形式以裂紋擴(kuò)展形成的脆性斷裂為主，磨削劃痕、溝槽等塑性去除痕跡較少。Gao等[62]通過納米磨削實(shí)驗(yàn)對(duì)β-Ga2O3晶體展開研究，發(fā)現(xiàn)塑性去除由位錯(cuò)、層錯(cuò)、納米晶、納米孿晶等損傷構(gòu)成，且使用細(xì)粒度砂輪時(shí)能夠減小納米晶層厚度，產(chǎn)生容易去除的非晶層，表面質(zhì)量提高，為后續(xù)拋光工藝打下良好基礎(chǔ)。Li等[63]研究了SiC陶瓷超聲振動(dòng)輔助磨削機(jī)理，借助掃描電鏡等測(cè)量出SiC陶瓷脆-塑轉(zhuǎn)變臨界深度為76.304 nm，通過與機(jī)械磨削對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加入超聲振動(dòng)后，材料表面脆性破壞減少、塑性去除增多，說(shuō)明加入超聲振動(dòng)更容易滿足延性域磨削的條件。Chen等[64]進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)分析了超聲振動(dòng)輔助磨削藍(lán)寶石的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲波方向平行于藍(lán)寶石表面時(shí)，材料去除以劃擦等塑性去除為主；當(dāng)超聲波方向垂直于藍(lán)寶石表面時(shí)，由于超聲波沖擊作用，藍(lán)寶石表面/亞表面裂紋快速擴(kuò)展，材料以脆性破壞的方式被去除，加工效率更高，但表面質(zhì)量較差。納米磨削實(shí)驗(yàn)從宏觀視角分析了材料去除機(jī)理，但仍舊難以對(duì)加工瞬態(tài)過程進(jìn)行觀察分析。

2.3 模擬仿真分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字模擬的仿真分析方法被廣泛使用。吳煥杰等[65]通過有限元仿真建模研究了SiC陶瓷的磨削過程，仿真結(jié)果表明在磨削時(shí)，材料以脆性和塑性方式去除，脆性去除部分受到摩擦、切削兩種力，塑性去除則是多出一種犁削力。蔣培軍等[66]以有限元分析的方法對(duì)工件表面/亞表面的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，溫度匹配法建立的熱源模型優(yōu)于瑞利熱源模型，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，磨削溫度隨距離表面深度的增加而降低(見圖12)，磨削燒傷深度范圍為0～0.75 mm。Xiao等[67]通過分子動(dòng)力學(xué)仿真(Molecular Dynamics，MD)的方法研究了6HSiC的延性域去除機(jī)理，發(fā)現(xiàn)塑性去除是位錯(cuò)與相變的結(jié)合。Zhang等[68]使用MD仿真分別研究了GaN的N面與Ga面在納米磨削中表現(xiàn)出的特性，發(fā)現(xiàn)磨削后N面位錯(cuò)與相變數(shù)多于Ga面，且磨削溫度更高。邱鴻晶等[69]以MD仿真為手段研究了SiC的延性域磨削機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在磨削時(shí)金剛石磨粒對(duì)SiC表面原子產(chǎn)生擠壓作用導(dǎo)致了晶格變形，隨著變形進(jìn)一步擴(kuò)大，SiC原子鍵斷裂，實(shí)現(xiàn)延性域去除，如圖13所示。比起磨削實(shí)驗(yàn)，仿真分析能更好地觀察磨削時(shí)的瞬態(tài)過程，便于直觀分析材料去除機(jī)理，但在實(shí)際加工環(huán)境多變、材料自身的組分結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，仿真的準(zhǔn)確性以及適用性需要仔細(xì)考量。

圖12 磨削溫度隨深度變化對(duì)比圖[66]Fig.12 Grinding temperature changing with depth

圖13 磨削SiC仿真結(jié)果[69]Fig.13 Simulation results of grinding SiC

綜上所述，各學(xué)者通過納米壓痕/劃痕實(shí)驗(yàn)、納米磨削實(shí)驗(yàn)、模擬仿真3個(gè)方向?qū)δハ鳈C(jī)理展開深入研究。發(fā)現(xiàn)硬脆材料在超精密磨削過程中，表面層損傷方式由位錯(cuò)、滑移和微裂紋擴(kuò)展等組成，通過降低磨粒切削深度，能夠?qū)⒉牧先コ绞接纱嘈匀コD(zhuǎn)變?yōu)樗苄匀コ?，大幅提高表面質(zhì)量。但在實(shí)際磨削時(shí)受到材料類型和磨粒狀態(tài)等因素的影響，容易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差，需要不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)流程、提高仿真水平，以便進(jìn)一步向?qū)嶋H磨削過程靠攏，優(yōu)化材料去除模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同材料的脆-塑轉(zhuǎn)變臨界切削深度。

3 硬脆材料磨削表面質(zhì)量控制

3.1 表面粗糙度及表面形貌

表面粗糙度及表面形貌是評(píng)價(jià)硬脆材料超精密磨削表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。磨削方法、磨削工藝及磨具類型等均對(duì)磨削效果有較大影響。姚松林等[70]借助仿真手段研究了超聲振動(dòng)輔助磨削對(duì)材料表面粗糙度的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)砂輪施加軸向超聲振動(dòng)后，材料表面粗糙度明顯降低，說(shuō)明超聲振動(dòng)輔助磨削的方法比普通磨削效果更優(yōu)。進(jìn)一步研究不同工藝參數(shù)發(fā)現(xiàn)，增大超聲振動(dòng)幅度、擴(kuò)大頻率、提高主軸轉(zhuǎn)速、降低磨削深度和進(jìn)給速度均能降低材料表面粗糙度。Sun等[71]使用旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助垂直磨削與平行磨削對(duì)非球面玻璃陶瓷進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)玻璃陶瓷在垂直磨削后其表面輪廓總高度Pt與RMS值遠(yuǎn)低于平行磨削，而表面粗糙度算術(shù)平均高度Sa與輪廓最大高度Sz只略高于平行磨削，說(shuō)明垂直磨削的方法比平行磨削更加適合非球面玻璃陶瓷的高效加工。Yin等[72]通過超精密磨削的方法加工熔融石英薄壁管狀光學(xué)元件，輪廓精度PV達(dá)到1.6 μm，線粗糙度算術(shù)平均高度(Arithmetic mean roughnessRa)降至10 nm。Pan等[73]研究了不同磨削參數(shù)對(duì)單晶SiC表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)改變進(jìn)給速度對(duì)磨削后SiC表面粗糙度影響最大，砂輪轉(zhuǎn)速其次，工件盤轉(zhuǎn)速的影響最小，且晶片表面的粗糙度分布存在一定的規(guī)律，從中心到邊緣表面粗糙度整體呈上升趨勢(shì)。表面形貌變化規(guī)律與粗糙度值一致，高進(jìn)給速度下主要為脆性破壞，表面遍布破碎塊，凹坑和溝壑深度較大；在降低進(jìn)給速度后，塑性去除占主要部分，凹坑和溝壑的數(shù)目減少，深度減小。通過正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，最終獲得了粗糙度Ra為12 nm的光滑表面。王紫光等[74]研究了#5000、#8000、#30000陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削單晶Si的表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)隨著砂輪目數(shù)增大，磨削后Si片表面粗糙度值逐漸降低，Ra值依次為14，7，5 nm，表面質(zhì)量得到改善。Luo等[33]使用#325金屬結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)藍(lán)寶石開展實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)磨削量對(duì)藍(lán)寶石的表面粗糙度也有一定的影響，隨著磨削量的增大表面粗糙度先降低后升高，當(dāng)磨削量為200 μm時(shí)，表面粗糙度最低，達(dá)到0.168 μm。

磨削時(shí)工件表面會(huì)產(chǎn)生規(guī)律的磨削紋路，對(duì)表面質(zhì)量有較大影響。Huo等[75]研究了磨削Si片表面磨紋的形成機(jī)理，即杯型金剛石砂輪的軸向跳動(dòng)使得材料無(wú)法被均勻去除，產(chǎn)生了規(guī)律的磨削紋路，并提出了一種通過控制砂輪主軸與工件盤轉(zhuǎn)速比的方法來(lái)抑制磨紋的產(chǎn)生。王建彬等[76]通過仿真分析發(fā)現(xiàn)單顆磨粒在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的磨紋數(shù)目為工件盤轉(zhuǎn)速n2與砂輪轉(zhuǎn)速n1之比后不可再約分的分母。因此，改變砂輪與工件的轉(zhuǎn)速比能夠有效控制磨紋數(shù)量與磨紋密度(見圖14)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，磨削后晶片表面的磨紋由中心向四周發(fā)散，且磨紋數(shù)量越多、磨紋密度越大，晶片表面粗糙度值越低，如圖15所示，中心區(qū)域磨紋密度大于邊緣區(qū)域，表面粗糙度Sa為11.43 nm，小于邊緣區(qū)域的16.02 nm。

圖14 在不同轉(zhuǎn)速比條件下的表面宏觀紋理圖[76]Fig.14 Surface macro texture map under different speed ratio conditions

圖15 晶片不同位置的表面粗糙度[76]Fig.15 Surface roughness at different positions of the wafer

3.2 亞表面損傷

硬脆材料磨削過程中極易產(chǎn)生亞表面損傷，需要通過后續(xù)研拋等手段去除，不但提高了加工成本，而且會(huì)對(duì)材料性能有嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此，各學(xué)者針對(duì)此問題展開了深入探索。田海蘭等[77]通過仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段對(duì)單晶Si納米磨削亞表面損傷形成機(jī)理展開分析，并且提出了相應(yīng)的抑制策略。單晶Si納米磨削后亞表面損傷主要由結(jié)構(gòu)相變和非晶化引起，通過降低磨削深度(見圖16(a))，增大砂輪轉(zhuǎn)速(見圖16(b))能有效降低亞表面損傷層厚度。宋健等[78]通過分子動(dòng)力學(xué)仿真的方法，對(duì)單晶GaN的亞表面損傷成因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)亞表面層缺陷主要由層錯(cuò)、位錯(cuò)和相變組成(見圖17)。戴劍博等[79]研究了高速磨削對(duì)多晶SiC亞表面損傷的影響機(jī)制，實(shí)驗(yàn)表明提高磨削速度對(duì)降低亞表面裂紋損傷深度有顯著作用，當(dāng)磨削速度由20 m/s提高至160 m/s時(shí)，亞表面損傷深度由12.1 μm降至6 μm。高尚等[80]研究了不同粒度的金剛石砂輪對(duì)磨削石英玻璃的亞表面損傷影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)亞表面損傷深度隨著磨粒粒徑的減小而降低。當(dāng)材料被脆性去除時(shí)，亞表面損傷主要表現(xiàn)為微裂紋；當(dāng)材料被塑性去除時(shí)，亞表面損傷主要表現(xiàn)為塑性變形。

圖16 單晶Si不同條件下亞表面損傷層厚度變化[77]Fig.16 Thickness variation of subsurface damage layer of single crystal Si under different conditions

圖17 單晶GaN亞表面損傷組成[78]Fig.17 Subsurface damage composition of single crystal GaN

3.3 面形精度

硬脆材料的面形精度是影響其應(yīng)用的重要因素之一。王麗娟等[81]通過雙面磨削對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著磨削壓力的增加，藍(lán)寶石的總厚度偏差（Total Thickness Variation，TTV）值逐漸升高，在較低的磨削壓力(22.5 kPa)下，能夠獲得較優(yōu)的面形精度。自旋轉(zhuǎn)磨削可以通過調(diào)整主軸角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件面形精度的準(zhǔn)確控制。劉子陽(yáng)等[82]分析了晶圓自旋轉(zhuǎn)磨削過程中TTV值產(chǎn)生的原因，提出了不同情況下TTV值的調(diào)整方法，通過調(diào)整主軸與承片臺(tái)的角度，將直徑300 mm晶圓的TTV值控制在了3 μm以內(nèi)。田業(yè)冰等[83]對(duì)硅片自旋轉(zhuǎn)磨削時(shí)面形控制開展了研究，發(fā)現(xiàn)硅片磨削時(shí)主軸偏角和真空吸盤修整時(shí)主軸偏角是影響硅片磨削面形的主要因素。Gao等[84]研究了自旋轉(zhuǎn)磨削真空吸盤的修整形狀對(duì)于晶片面形的影響規(guī)律，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)真空吸盤修整形狀受修整裝置和修整參數(shù)的影響，可以通過調(diào)整砂輪主軸角度，控制真空吸盤表面形狀，進(jìn)一步調(diào)整晶片面形精度。姚衛(wèi)華等[85]借助仿真手段研究了影響晶圓留邊磨削面形精度的因素，建立了晶圓面形模型，提出了降低磨削殘留高度與調(diào)整砂輪軸傾角來(lái)控制晶圓面形精度的方法。

綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)于硬脆材料表面質(zhì)量的影響因素與控制方法的研究均取得了一定的成果，建立了相關(guān)的理論預(yù)測(cè)模型。但實(shí)際工況十分復(fù)雜，除去機(jī)床精度與砂輪質(zhì)量的影響，材料自身的屬性也有明顯差異，仍需要深入研究各因素對(duì)硬脆材料表面質(zhì)量的影響規(guī)律，便于應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況。

4 結(jié)論

本文以硬脆材料超精密磨削為主題，分別對(duì)磨削裝備、磨削機(jī)理和表面質(zhì)量控制進(jìn)行了綜述，得出以下結(jié)論。

(1) 超精密磨床、超硬磨料砂輪等超精密磨削裝備是實(shí)現(xiàn)超精密磨削的必要條件，直接決定了硬脆材料加工質(zhì)量的上限。日本、法國(guó)、德國(guó)等在此方面處于世界領(lǐng)先地位，而國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。超精密磨床以加工效率為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，由單軸自旋轉(zhuǎn)磨削，向著多軸、磨拋一體化等發(fā)展。超硬磨料砂輪制備工藝較為成熟，目前更多學(xué)者將目光聚焦在砂輪組分優(yōu)化與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面。砂輪磨損檢測(cè)與砂輪在線修整也是研究的一大重點(diǎn)。

(2) 以磨削的方法加工硬脆材料，效率很高，但材料表面質(zhì)量無(wú)法保證，而延性域磨削的深入研究改變了這一現(xiàn)狀。硬脆材料在特定條件下能夠由脆性去除轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄匀コ?，表面質(zhì)量得到質(zhì)的提升，易實(shí)現(xiàn)低損傷/無(wú)損傷納米磨削，極大地節(jié)省了后續(xù)拋光工藝時(shí)間，降低了加工成本。未來(lái)研究重點(diǎn)依舊是圍繞如何實(shí)現(xiàn)延性域磨削這一關(guān)鍵問題，希望能更加準(zhǔn)確地計(jì)算不同硬脆材料延性域磨削的臨界轉(zhuǎn)變值，繼續(xù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型與仿真模型，以便應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際情況。

(3) 表面粗糙度及表面形貌、亞表面損傷、面形精度是評(píng)價(jià)硬脆材料表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。超精密磨床的精度、超硬磨粒砂輪的屬性、磨削的工藝參數(shù)均對(duì)加工質(zhì)量有較大影響。目前控制硬脆材料表面質(zhì)量的研究主要集中于以下3個(gè)方面：改變砂輪的組織與結(jié)構(gòu)，如制備超細(xì)粒度砂輪、設(shè)計(jì)不同的磨粒排布結(jié)構(gòu)、使用軟磨料砂輪；通過實(shí)驗(yàn)與仿真的手段調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速、工件盤轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)延性域磨削；開發(fā)磨削新技術(shù)或?qū)⑵渌夹g(shù)與磨削相整合，如高速超高速磨削、超聲振動(dòng)輔助磨削、激光輔助磨削等。這3個(gè)方向也將是各學(xué)者在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究重點(diǎn)。