鄶吉才， 段云乾， ARDASHEV D V

（1. 河南理工大學(xué) 機(jī)械動力與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2. 南烏拉爾國立大學(xué) 機(jī)械與工程學(xué)院，俄羅斯 車?yán)镅刨e斯克 454080）

1 引言

ELID(Electrolytic In-process Dressing)磨削技術(shù)廣泛用于難加工材料的超精密磨削，磨削精度及表面質(zhì)量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)磨削技術(shù)，究其原因在于，砂輪表面電解后形成一層氧化膜。為研究其磨削機(jī)理，眾多的學(xué)者對ELID 砂輪氧化膜的生成機(jī)理、理化性能、摩擦拋光等進(jìn)行了研究。REN 等［1］建立了ELID 圓弧磨削氧化膜厚度模型，研究了工件擺動速度、幅度對電解電流及氧化膜厚度的影響。研究認(rèn)為，工件擺動幅度、速度越大，電解電流越大，氧化膜厚度越小。關(guān)佳亮等［2］研究了碳化鈦材料的ELID 磨削機(jī)理，認(rèn)為由于氧化膜的無正壓力的研拋加工，獲得了鏡面效果。萬林林等［3］建立了氧化膜形成的數(shù)學(xué)模型，研究了氧化膜厚度、粘附力和致密性，并用橡皮擦除次數(shù)表征氧化膜粘附強(qiáng)度，用孔隙率表征氧化膜致密性。研究認(rèn)為，隨著電壓的升高，氧化膜的厚度和生成速率均逐漸增加，其粘附強(qiáng)度也顯著增強(qiáng)，隨著極間間隙的增大，氧化膜的孔隙率逐漸增大，其致密性逐漸變差。KUAI 等［4］利用納米壓痕技術(shù)對銅基結(jié)合劑金剛石砂輪氧化膜的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到了氧化膜的硬度2 000～2 300 MPa，彈性模量100～120 GPa，剛度0.6～1.3 mN/nm。EZURA 等［5］研究了添加炭黑的彈性導(dǎo)電橡膠砂輪的ELID 電解與磨削性能，認(rèn)為在橡膠砂輪表面形成了富含C-OC 鍵和氧元素的氧化膜，使得彈性橡膠砂輪硬度改善，耐用度與去除能力增加，因而獲得了更好的表面質(zhì)量。OHMORI 等［6］提出了氧化膜分層模型，認(rèn)為氧化膜分為4 層，由外向內(nèi)依次為疏松層、拋光層、磨削層和界面層。疏松層無磨粒，比較疏松，易于脫落；拋光層有少許磨粒，粘結(jié)強(qiáng)度較低，適于拋光加工；磨削層是磨削加工最合適的區(qū)域，界面層是和砂輪基體的過渡區(qū)域。向道輝等［7］比較了普通磨削、超聲磨削、超聲-ELID 磨削三種方法磨削12Cr2Ni4A 合金鋼的表面粗糙度和殘余應(yīng)力，研究顯示，由于氧化膜的摩擦擠壓拋光，使得超聲-ELID 磨削12Cr2Ni4A 合金鋼的表面粗糙度最小，殘余壓應(yīng)力最大。CHEN等［8］研究了超聲-ELID 磨削ZTA 陶瓷的氧化膜熱機(jī)耦合效應(yīng)，研究認(rèn)為，超聲ELID 磨削方法機(jī)械力小、磨削溫度低、熱應(yīng)力小，砂輪表面氧化膜質(zhì)量更好，因而磨削表面質(zhì)量更好。ALQAHTANI 等［9］研究了電壓、電極間隙、電解液速率對砂輪表面氧化膜的影響，研究顯示，三種參數(shù)對氧化膜的生成均有顯著影響。伍俏平等［10］研究了碳納米管電解液的電解性能，研究表明，碳納米管能顯著提高電解液的電解能力，使氧化膜厚度增大，粘附強(qiáng)度增大，充分發(fā)揮氧化膜的研磨、拋光效果。KUAI 等［11-12］在氧化膜的冷卻傳熱性能、氧化膜的成分與拋光性能等方面進(jìn)行了一些嘗試，發(fā)現(xiàn)氧化膜拋光性能與其中含有的α-Fe2O3粒子密切相關(guān)。

由此可見，大多研究者認(rèn)為砂輪表面氧化膜性能均一，因而作為整體進(jìn)行研究。但是磨粒是砂輪上承載切削的主體，主要的磨削行為發(fā)生在磨粒周圍［13，18，23］，因此磨粒承擔(dān)了絕大部分磨削力與磨削熱。因為砂輪表面熱化學(xué)反應(yīng)受磨削熱影響較大，因而磨粒周圍的氧化膜成分、理化與拋光性能、界面反應(yīng)及微觀結(jié)構(gòu)等應(yīng)該有別于無磨粒區(qū)域［14-15］。根據(jù)這一理論，把磨粒及周圍發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)的氧化膜看作一個整體，稱之為復(fù)合磨粒。根據(jù)熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，復(fù)合磨粒有三種類型：（1）單一型，此種類型的磨削溫度較低，未達(dá)到氧化膜成分脫水轉(zhuǎn)化溫度，氧化膜未轉(zhuǎn)化，生成單一的化學(xué)產(chǎn)物Fe（OH）3；（2）復(fù)合型，此種類型的磨削溫度較高，達(dá)到了氧化膜成分的脫水轉(zhuǎn)化溫度，氧化膜轉(zhuǎn)化不完善，依熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度生成的化學(xué)產(chǎn)物有α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH，F(xiàn)e（OH）3等多種；（3）脫離型，此種類型雖然發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，但是氧化膜并沒有粘附于磨粒表面，而是形成了獨立的形態(tài)。盡管可以粗略的描述復(fù)合磨粒的定義、類型，但是相關(guān)的研究很少，因而磨粒周圍氧化膜成分、性能、界面反應(yīng)機(jī)制、微觀結(jié)構(gòu)等亟待明確。文章首先分析了ELID 砂輪氧化膜界面反應(yīng)及復(fù)合磨粒的形成機(jī)理，從理論上明確了砂輪表面復(fù)合磨粒的微觀結(jié)構(gòu)；其次用μ-XRD 微區(qū)分析技術(shù)和XPS 能譜分析技術(shù)對復(fù)合磨粒的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試；最后用掃描電鏡SEM 及透射電鏡TEM對復(fù)合磨粒形狀、粒度、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實驗研究，進(jìn)一步提出了由氧化膜和磨粒組成的復(fù)合磨粒的模型，明確了復(fù)合磨粒的材料去除機(jī)理，并對平板玻璃進(jìn)行了ELID 磨削，驗證了復(fù)合磨粒的材料去除機(jī)理。

2 界面反應(yīng)及復(fù)合磨粒形成理論

2.1 砂輪表面電化學(xué)反應(yīng)過程

新電解生成的氧化膜呈濕潤、疏松多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙內(nèi)吸附大量電解液，在磨削熱作用下，首先發(fā)生吸附水的物理蒸發(fā)過程，而后隨磨削溫度繼續(xù)升高，逐步完成氧化膜的轉(zhuǎn)化過程。砂輪表面電化學(xué)反應(yīng)過程如下：

2.2 ELID 砂輪界面反應(yīng)及復(fù)合磨粒理論

由熱化學(xué)原理可知，F(xiàn)e（OH）3在高溫作用下分解生成γ-Fe2O3及α-Fe2O3，γ-Fe2O3在300 ℃時生成，而α-Fe2O3則在500 ℃時生成［16-17］。因此在磨削過程中砂輪表面生成的Fe（OH）3在磨削高溫作用下會發(fā)生脫水轉(zhuǎn)化，隨溫度升高會逐漸完成脫水過程。由于參與磨削的磨粒周圍產(chǎn)生很高的磨削溫度，在磨削高溫的作用下，磨粒周圍氧化膜中的吸附水首先蒸發(fā)，然后Fe（OH）3發(fā)生了首次脫水反應(yīng)，脫去一個晶格水，生成FeOOH，如式（6），隨溫度持續(xù)升高，達(dá)到γ-Fe2O3轉(zhuǎn)化溫度時，則發(fā)生再次脫水反應(yīng)，繼續(xù)脫去晶格水，生成γ-Fe2O3，如式（7）：

當(dāng)磨削溫度持續(xù)升高到500 ℃以上，磨粒周圍氧化膜中的氧化鐵將由不穩(wěn)定的γ-Fe2O3向較穩(wěn)定的α-Fe2O3轉(zhuǎn)變：

由磨削原理及已有研究可知，每個磨粒都相當(dāng)于一個高溫?zé)嵩?，熱量從磨粒中心到邊緣呈梯度分布?8，22］。由此可知，ELID 磨削砂輪表面磨粒周圍內(nèi)層界面高溫區(qū)域最終會完成由Fe（OH）3向α-Fe2O3的轉(zhuǎn)化，而離磨粒較遠(yuǎn)的最外層界面，由于溫度較低，可能仍然是Fe（OH）3成分，介于內(nèi)層界面和外層界面之間的中間各層，依反應(yīng)進(jìn)行的程度，可能是γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH等成分。由此判斷，磨粒周圍最終會形成靠近磨粒的內(nèi)層界面成分為α-Fe2O3，外層界面成分可能為γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH，F(xiàn)e（OH）3等結(jié)構(gòu)的復(fù)合磨粒。

3 ELID 砂輪復(fù)合磨粒的實驗

3.1 實驗設(shè)備儀器與參數(shù)

實驗設(shè)備與儀器：ELID 磨削機(jī)床，W40，W10，W1.5 鑲塊鐵基金剛石砂輪，濃度100%，結(jié)合劑成分鑄鐵粉占82%，其余成分為銅粉、石墨粉以及添加劑。ELID-Ⅴ電解磨削液，掃描電鏡NoVaTM Nano SEM 430、透射電鏡JEM－2010F、經(jīng)過加裝光學(xué)顯微鏡瞄準(zhǔn)系統(tǒng)及位移臺的微束μ-Ultima IV X-射線衍射儀、多功能成像電子能譜儀（XPS） Thermo ESCALAB 250XI，表1 是ELID 磨削參數(shù)。

實驗方法：首先取電解好的新鮮的、松散的氧化膜砂輪鑲塊，在SEM 下觀察復(fù)合磨粒形狀及微觀形貌；其次取經(jīng)過若干碾壓行程，氧化膜已經(jīng)脫水、固化、粘附在磨粒上的砂輪鑲塊進(jìn)行μ-XRD 測試復(fù)合磨粒周圍氧化膜成分及分布寬度，SEM 觀察其微觀形貌。最后，刮落氧化膜，在TEM 透鏡上觀察磨粒微觀形貌。砂輪鑲塊如圖1（a），取砂輪鑲塊上單顆磨粒周圍區(qū)域測試其氧化膜成分及其分布寬度，μ-XRD 測試區(qū)域為以復(fù)合磨粒為中心，4 μm，8 μm，12 μm，16 μm 區(qū)域，光學(xué)顯微鏡圖片如圖1（b）。

圖1 砂輪鑲塊及測試區(qū)域Fig.1 Wheel and measure area

利用μ-XRD 的微區(qū)分析功能，實現(xiàn)對指定區(qū)域的原位微區(qū)分析。μ-XRD 帶有光學(xué)顯微鏡觀察定位系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)定位需要分析的微區(qū)位置，以及帶有精度微米級的運動平臺，實現(xiàn)微米級的位移，因而可以實現(xiàn)對復(fù)合磨粒的精準(zhǔn)定位，以及對復(fù)合磨粒周圍微區(qū)寬度內(nèi)的物相的精準(zhǔn)測量［19］。μ-XRD 微區(qū)分析技術(shù)是確定復(fù)合磨粒組成成分的有利分析工具。

掃描參數(shù)如下：步進(jìn)掃描，Cu-Kα靶，步進(jìn)速度為每步0.1°，每步探測活時間2 s，掃描范圍20°～80°，這樣大概20 min即可完成一個微區(qū)的掃描，4 μm，8 μm，12 μm，16 μm總計4個微區(qū)，共需約80 min。

3.2 復(fù)合磨粒μ-XRD 微區(qū)分析

測試結(jié)果如圖2～圖5。圖2 是W1.5 砂輪μ-XRD 測試圖譜。圖2（a）為W1.5 砂輪4 μm 微區(qū)μ-XRD 測試圖譜，可見，α-Fe2O3的全部主峰分別出現(xiàn)在24.15°，33.16°，35.61°，40.86°，49.93°，54.04°，62.40°，65.45°處，和α-Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)圖譜JCPDS33-0664 比較，峰的大小和位置完全一致，由此判斷，離磨粒最近的4 μm 微區(qū)內(nèi)的氧化膜成分主要是α-Fe2O3。 圖2（b）是8 μm 微區(qū)μ-XRD 測試圖譜，由圖可見，在35.61°位置的（110）峰為最高峰，為α-Fe2O3和γ-Fe2O3的合成峰，顯示在此區(qū)域內(nèi)主要為γ-Fe2O3。圖2（c）是12 μm 微區(qū)μ-XRD 測試圖譜，在21.05°和33.16°等處則出現(xiàn)了FeOOH 的衍射峰，顯示存在較多的FeOOH，由此判斷，此區(qū)域主要為FeOOH。圖2（d）是16 μm 微區(qū)的μ-XRD 測試圖譜，此時的譜圖明顯可見處在35.64°位置的尚在轉(zhuǎn)化過程中的Fe1.833（OH）0.5O2.5的主峰（110），顯示此區(qū)域氧化膜主要成分為Fe（OH）3。由此判斷，在W1.5 砂輪表面生成了復(fù)合磨粒，初步證實了復(fù)合磨粒的界面反應(yīng)理論及層狀梯度分布模型。即復(fù)合磨粒從中心到邊緣的構(gòu)成為：α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH 和Fe（OH）3四層。

圖2 W1.5 微區(qū)μ-XRD 測試Fig.2 μ-XRD measure area on W1.5 wheel

圖3 是W10 砂輪的μ-XRD 測試圖譜。圖3（a）是4 μm 微區(qū)測試結(jié)果，由圖3（a）可見，表征α-Fe2O3的主峰全部顯現(xiàn)，顯示此區(qū)域主要是α-Fe2O3成分。圖3（b）是8 μm 微區(qū)測試結(jié)果，可見（110）峰是最高峰，是因為α-Fe2O3峰與γ-Fe2O3峰在此處復(fù)合的結(jié)果。由此可見，此區(qū)域主要為γ-Fe2O3。圖3（c）是12 μm 微區(qū)測試結(jié)果，在21.05°和33.16°等處則出現(xiàn)了FeOOH 的衍射峰，意味著Fe（OH）3已經(jīng)完成首次脫水，以及向FeOOH 的轉(zhuǎn)化，即主要成分為FeOOH。圖3（d）是16 μm 微區(qū)的μ-XRD 測試結(jié)果，在35.64°位置可見Fe1.833（OH）0.5O2.5的主峰（110），顯示此時Fe（OH）3正處于轉(zhuǎn)化過程中，此區(qū)域含有較多的處于轉(zhuǎn)化過程中的Fe（OH）3。以上分析表明，W10 砂輪表面生成了復(fù)合磨粒，其復(fù)合結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外呈梯度分布，各層依次為：α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH 和Fe（OH）3。

圖3 W10 微區(qū)μ-XRD 測試Fig.3 μ-XRD measure area on W10 wheel

圖4 是W40 砂輪μ-XRD 測試圖譜。圖4（a）是4 μm 微區(qū)測試結(jié)果，由圖可見，α-Fe2O3全部主峰已經(jīng)顯現(xiàn)，此處的成分主要以α-Fe2O3為主；圖4（b）是8 μm 微區(qū)μ-XRD 測試結(jié)果，由圖可見γ-Fe2O3的兩個主峰，顯示此區(qū)域生成了γ-Fe2O3；圖4（c）是12 μm 微區(qū)μ-XRD 測試結(jié)果，同樣可見FeOOH 的一個主峰，顯示此區(qū)域主要以FeOOH為主；圖4（d）是16 μm 微區(qū)μ-XRD 測試結(jié)果，可見Fe（OH）3脫水中間產(chǎn)物Fe1.833（OH）0.5O2.5，顯示Fe（OH）3首次脫水反應(yīng)正在進(jìn)行中，此區(qū)域以Fe（OH）3為主。分析可知，W40 砂輪表面已經(jīng)生成復(fù)合磨粒，主要呈層狀梯度分布，由內(nèi)向外各層依次為：α -Fe2O3，γ -Fe2O3，F(xiàn)eOOH 和Fe（OH）3。

圖4 W40 微區(qū)μ-XRD 測試Fig.4 μ-XRD measure area on W40 wheel

3.3 復(fù)合磨粒XPS 能譜分析

上述μ-XRD 微區(qū)測試并證實了復(fù)合磨粒在二維平面的分布為α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH 和Fe（OH）3，呈梯度分布。為探究復(fù)合磨粒三維結(jié)構(gòu)，需明確在深度方向的分布規(guī)律。因XPS 能譜分析技術(shù)測試深度為表面幾個納米，為此對復(fù)合磨粒進(jìn)行了XPS 分析。圖5～圖7 為W1.5，W10，W40 三種砂輪的復(fù)合磨粒XPS 全譜分析結(jié)果。由圖可見，復(fù)合磨粒中含有P，Mo，C，N，Sn，O，Cr，F(xiàn)e，Cu 等成分，為研究Fe2O3成分含量，對其中O，F(xiàn)e 元素的含量做了放大處理。圖5（a），圖6（a）和圖7（a）顯示的是復(fù)合磨粒氧元素的含量。圖5（b），圖6（b）和圖7（b）中Fe2p3/2和Fe2p1/2的結(jié)合能分別位于710.6 eV 和724.3 eV，峰間差值為13.7 eV，與α-Fe2O3中Fe2p的標(biāo)準(zhǔn)譜一致，表明存在α-Fe2O3［20-21］。因此復(fù)合磨粒表面主要是以α-Fe2O3為主。參考已有研究，磨削溫度在深度方向呈梯度分布［18，22］，由界面反應(yīng)理論可知，復(fù)合磨粒在深度方向也是呈梯度分布，即復(fù)合磨粒由表及里各層成分依次為：α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH 和Fe（OH）3。

圖5 W1.5 砂輪復(fù)合磨粒XPS 測試Fig.5 XPS measure of composite grain on W1.5 wheel

圖6 W10 砂輪復(fù)合磨粒XPS 測試Fig.6 XPS measure of composite grain on W10 wheel

圖7 W40 砂輪復(fù)合磨粒XPS 測試Fig.7 XPS measure of composite grain on W40 wheel

3.4 復(fù)合磨粒微觀形貌

為獲得微觀形貌，使用SEM 對刮落的復(fù)合磨粒進(jìn)行了觀察，圖8（a）為W1.5 砂輪的復(fù)合磨粒SEM 圖。由圖可見，刮落后的磨粒被氧化膜包裹，形狀近似長圓形，粒度增加到十幾微米，則易得磨粒周圍包裹的氧化膜厚度應(yīng)該在5～8 μm以上。圖8（b）是W10 砂輪的復(fù)合磨粒，由圖可見，有的磨粒呈裸露狀態(tài)，沒有氧化膜粘附，粒度約在10 μm；有的磨粒則被氧化膜層層覆蓋，表面可見清晰層次結(jié)構(gòu)。形狀為長圓形，復(fù)合粒度可達(dá)30 μm 以上，磨粒外圍包裹的氧化膜厚度約10 μm。圖8（c）是W40 砂輪的復(fù)合磨粒，復(fù)合磨粒形狀為長圓形，粒度在50 μm 以上，磨粒外圍包裹氧化膜厚度在5 μm 以上。細(xì)觀復(fù)合磨粒表面可見清晰的層次結(jié)構(gòu)，顯示氧化膜層層堆積、粘附在磨粒上，因而從另一個方面解釋了復(fù)合磨粒的梯度結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。

圖8 復(fù)合磨粒SEM 圖片F(xiàn)ig.8 SEM photo of composite grain

圖9 是經(jīng)過若干磨削行程后，在磨削熱作用下，磨粒周圍氧化膜脫水后形成的復(fù)合磨粒微觀形貌。由圖可見，磨粒已經(jīng)湮沒，故而，ELID 磨削實際上是氧化膜代替砂輪基體，夾攜著磨粒，而且本身也參與了磨削過程。氧化膜具有一定硬度［4］，氧化膜與磨粒以及各層之間有一定結(jié)合強(qiáng)度，因而也會產(chǎn)生去除作用。由于復(fù)合磨粒粒度大于磨粒粒度，故其去除寬度應(yīng)大于磨粒去除寬度。由圖9（a）可見，上面依然有孔隙存在，因而能夠存儲水分，在ELID 磨削過程中能夠吸收磨削熱，冷卻磨削區(qū)，降低磨削溫度。由圖9（b）可見，在脫水后的氧化膜表面存在裂紋，裂紋縱橫龜裂，類似龜背紋理。

圖9 脫水后的復(fù)合磨粒SEM 圖Fig.9 SEM photo of composite grain after lost water

3.5 復(fù)合磨粒中納米粒子的微觀形貌

為探究復(fù)合磨粒周圍的納米粒子形態(tài)，取刮落的氧化膜進(jìn)行TEM 測試，測試結(jié)果如圖10 所示。由圖10（a）可見，顯示氧化膜的組成中各種氧化物呈球狀，粒度在5～50 nm，該結(jié)果和XRD測試后計算結(jié)果比較吻合。由圖10（b）可見，部分粒子形態(tài)呈膜狀，而且有較好的結(jié)合強(qiáng)度，經(jīng)過長時間超聲分散，仍形態(tài)完整。由此可知，氧化膜中各種鐵的氧化物的粒度基本在納米尺度，而且具有較好的結(jié)合強(qiáng)度，因此氧化膜輔助拋光時，材料去除單位極其微小，拋光過程極其精細(xì)，這也是ELID 磨削技術(shù)能夠得到好的拋光質(zhì)量的原因之一。

圖10 復(fù)合磨粒上納米粒子TEM 圖Fig.10 TEM photo of nano grain on composite grain

4 復(fù)合磨粒形成機(jī)理模型

4.1 復(fù)合磨粒形成機(jī)理

由砂輪電化學(xué)反應(yīng)可知，電解較好的氧化膜厚度可達(dá)80 μm 以上［22］，初始階段比較濕潤，粘附在磨粒周圍。隨著磨削的進(jìn)行，在砂輪碾壓、摩擦以及磨削熱等因素影響下，逐漸脫水、干涸、并固化在磨粒周圍。參考已有文獻(xiàn)資料及磨削溫度仿真結(jié)果［23］，由于在磨削熱持續(xù)的沖擊作用下，磨粒周圍形成了以磨粒為中心的溫度場，該溫度分布是中心最高，向周圍依序降低。因此，在離磨粒較遠(yuǎn)處，溫度較低，只發(fā)生吸附水蒸發(fā)，此區(qū)域的氧化膜主要成分是Fe（OH）3；隨著向磨粒趨近，溫度升高，F(xiàn)e（OH）3發(fā)生首次脫水，生成FeOOH，此區(qū)域的氧化膜主要成分是FeOOH；繼續(xù)趨近于磨粒，則溫度持續(xù)升高，F(xiàn)e（OH）3發(fā)生再次脫水，生成γ-Fe2O3，此區(qū)域主要成分為γ-Fe2O3；最后在磨粒最近的一層區(qū)域，溫度最高，超過γ-Fe2O3向α-Fe2O3的轉(zhuǎn)化溫度，因此，在離磨粒最近的區(qū)域氧化膜主要成分是α-Fe2O3。由此可知，在參與切削的磨粒周圍形成了以磨粒為中心，由內(nèi)向外成分依次為α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH，F(xiàn)e（OH）3等層層堆積的圓蔥狀層次結(jié)構(gòu)，即復(fù)合磨粒，如圖11。此復(fù)合磨粒幾何模型與實驗結(jié)果吻合較好，與OHMORI 等提出的氧化膜分層模型［6］有異曲同工之妙。

圖11 復(fù)合磨粒幾何模型Fig.11 Model of composite grain

4.2 復(fù)合磨粒去除寬度

由圖11 可見，復(fù)合磨粒由α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH，F(xiàn)e（OH）3各層堆積形成。前述研究已經(jīng)證實各層分布范圍大概為距磨粒4 μm，8 μm，12 μm，16 μm 區(qū)域。因此復(fù)合磨粒粒度可達(dá)數(shù)微米到數(shù)十微米之間。在ELID 磨削時，氧化膜輔助拋光作用正是由這些復(fù)合磨粒完成的，若干個復(fù)合磨粒連續(xù)成片，組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖12，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是以復(fù)合磨粒為節(jié)點，節(jié)點之間以氧化膜維系，形成了新的基體，挾持著復(fù)合磨粒參與磨削過程。因為α-Fe2O3粒子是性能優(yōu)異的拋光劑，因此可以判斷磨粒周圍的α-Fe2O3層寬度即氧化膜材料去除寬度，即磨粒周圍的4 μm 區(qū)域，如圖12 所示。由圖10 可見，復(fù)合磨粒周圍的納米粒子尺度在5～50 nm，因此每個納米粒子的材料去除在納米量級，故可以達(dá)到很高的表面質(zhì)量。

4.3 復(fù)合磨粒磨削表面質(zhì)量

利用表1 的ELID 修銳及磨削參數(shù)，采用W40，W10，W1.5 三種鐵基金剛石砂輪，在MM7120 平面磨床上對平板玻璃分別進(jìn)行了ELID 粗磨削、精密磨削和超精密磨削，對獲得的試件進(jìn)行清洗并利用原子力顯微鏡檢測，結(jié)果如圖13 所示。

由圖13 可見，在掃描區(qū)域5 μm×5 μm 范圍內(nèi)，未見有脆性斷裂痕跡，材料呈塑性域去除特征，表面塑性域劃痕基本在納米量級，這是由于復(fù)合磨粒α-Fe2O3粒子粒度在5～50 nm，使得去除單位極其微小，大概是其粒度的1/2，也就是在2.5～25 nm 范圍內(nèi)，這就保證了最終的表面質(zhì)量。經(jīng)原子力顯微鏡檢測，試件粗糙度Ra=0.464 nm，最大峰高Rp=18.1 nm，最大谷深Rv=24.5 nm，輪廓最大高度Rz=42.6n m。

5 結(jié) 論

本文分析了ELID 砂輪氧化膜的界面反應(yīng)機(jī)理，及復(fù)合磨粒的形成機(jī)理，提出了復(fù)合磨粒的幾何模型。運用X 射線微區(qū)分析和XPS 能譜儀分析、掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、原子力顯微鏡AFM 等技術(shù)對復(fù)合磨粒的成分組成、微觀結(jié)構(gòu)、形狀、粒度尺寸以及拋光性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究表明，ELID 砂輪表面復(fù)合磨粒成分組成為內(nèi)核是磨粒，由磨粒中心向外緣、由表及里依次是由α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)eOOH，F(xiàn)e（OH）3等成分組成的氧化膜的圓蔥狀層次結(jié)構(gòu)；復(fù)合磨粒形狀為長圓形，在本次實驗條件下復(fù)合磨粒粒度可達(dá)11.5～50 μm，復(fù)合磨粒周圍粒子形狀為球形和膜狀，粒度5～50 nm；氧化膜的輔助拋光作用是通過復(fù)合磨粒去除實現(xiàn)的，氧化膜去除寬度為磨粒周圍4 μm 區(qū)域，經(jīng)復(fù)合磨粒拋光后，平板玻璃表面粗糙度Ra=0.464n m，輪廓最大高度Rz=42.6 nm。該“磨粒+納米粒子”的復(fù)合磨粒能夠得到較好的表面質(zhì)量。