DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 01. 001

张红轩,阎秋生,陈海阳. 树脂结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石的磨损过程研究[J]. 机电工程技术,2020,49(01):1-4.

基金项目:广州市科技计划项目(编号:201904010300);佛山市科技创新团队专项项目(编号:2018IT100242)

 

树脂结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石的磨损过程研究*

张红轩1,阎秋生1,陈海阳2

(1.广东工业大学机电工程学院, 广州510006;2.广东纳诺格莱科技有限公司, 广东佛山528000)

摘要:为了研制用于蓝宝石减薄磨削的高性能树脂结合剂金刚石砂轮,对蓝宝石磨削过程中金刚石磨粒的动态变化及蓝宝石加工表面粗糙度进行研究。动态监测树脂结合剂金刚石砂轮磨削蓝宝石基片的表面质量、砂轮磨损及其磨损形式、砂轮不同磨损阶段的磨损形式变化及蓝宝石表面粗糙度Ra 的变化。结果表明,砂轮初期磨损阶段磨粒破碎较为明显,后期磨损阶段磨粒脱落、黏附磨损占比较大达到45%,砂轮稳定的损耗速率为0.027 3 mm3/s,磨耗比为17.37,蓝宝石最低粗糙度可以达到Ra0.260 μm。为树脂结合剂砂轮制备的优化及蓝宝石背面减薄的磨削工艺优化提供了依据。

关键词:树脂结合剂;金刚石砂轮;蓝宝石;砂轮磨损;表面粗糙度

中图分类号:TG74+3 文献标志码:A

文章编号:1009-9492 ( 2020 ) 01-0001-04

 

Experimental Study of Resin-bonded Diamond Wheel Wear in Grinding of Sapphire

ZHANG Hongxuan1,YAN Qiusheng1,CHEN Haiyang2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China;2. Guangdong Nanogrind Technology Co., Ltd., Foshan,Guangdong 528000,China)

 

Abstract: In order to develop a high performance resin-bonded diamond grinding wheel for sapphire thinning grinding, the dynamic change of diamond particles and the roughness of sapphire surface were studied. The surface quality of sapphire substrate, the wear of the wheel and its wear form, the wear form change of the wheel in different wear stages and the change of the surface roughness Ra of sapphire were monitored dynamically .The results show that the abrasive particles are broken obviously in the early wear stage. In the later wear stage, the percentage of abrasive particles falling off and adhesive wear is up to 45%. The stable wear rate of the grinding wheel is 0.027 3 mm3/s, the wear ratio is 17.37,and the minimum roughness of sapphire can reach Ra0.260 μm. It provides the basis for the optimization of the preparation of resin bonded grinding wheel and the grinding process of sapphire back thinning.

Key words: resin binder;diamond wheel;sapphire;wheel wear;surface roughness;

 

引言

       蓝宝石具有优良的物理性能、光学性能、电学性能和力学性能,广泛应用于窗口、照明和半导体衬底等领域[1-3]。同时作为氮化镓外延生长的衬底材料,在完成电极制备工艺后,需要对蓝宝石衬底进行背面减薄,以提高器件的散热性能,超精密磨削技术在快速减薄中具有去除速率高及可控性好等优势[4]。蓝宝石快速减薄磨削主要使用金刚石砂轮,其中树脂结合剂金刚石砂轮因其原料来源丰富、成型简单、自锐性好、效率高、成本低等优点在金属、树脂、陶瓷3大种类砂轮中占60%~70%份额[5]。砂轮的性能一定程度上决定了蓝宝石减薄磨削中的磨削效率及磨削后蓝宝石表面质量,而砂轮的磨损形式及砂轮的磨损过程决定磨削过程的稳定性。

       为了改善金刚石砂轮的性能及磨削后蓝宝石的表面质量,国内外学者对蓝宝石磨削过程及砂轮的性能做了很多研究。对于树脂金刚石砂轮的研发及性能的提高,国内外的研究主要集中在超硬磨料的处理、树脂改性、性能对比以及磨削机理等学术研究领域[6]。杨海成等[7]认为,树脂结合剂砂轮蓝宝石表面质量优于金属结合剂砂轮加工的表面质量,且磨削速度为10.5 m/s时更易获得质量较高的磨削表面。Zhiqiang Liang[8]和Dongxi Lv等[9]研究了树脂结合剂金刚石砂轮在单晶蓝宝石超声辅助磨削(EUAG) 中的磨损机理。关昂[10]通过制作MgO、Fe2O3软磨料树脂结合剂砂轮,使磨削后蓝宝石可以获得更加低的表面粗糙度且没有裂纹、崩边以及磨痕现象。但是,缺乏以蓝宝石为磨削对象的树脂金刚石砂轮的磨损机理、磨损过程以及对蓝宝石表面质量的影响的相关研究。

       本文以研制高性能树脂结合剂金刚石砂轮为目标,通过使用AM41113T显微镜实现磨削过程中砂轮磨粒的在线观测,追踪砂轮磨削蓝宝石过程中磨粒的变化过程,分析了树脂金刚石砂轮磨削蓝宝石过程中砂轮的磨耗磨损、磨粒破碎、磨粒脱落、黏附磨损及气孔堵塞的磨损形式,以及不同磨损形式在砂轮初期磨损阶段、稳定磨损阶段和急速磨损阶段的比例变化,为改善砂轮性能提供了依据。时对砂轮各磨损阶段的蓝宝石表面粗糙度进行测量,分析了树脂金刚石砂轮的磨损对蓝宝石表面粗糙度的影响规律。

 

结论

       通过研制树脂结合剂金刚石砂轮并实现磨削过程中砂轮及蓝宝石磨削表面粗糙度的动态监测,研究了树脂结合剂金刚石砂轮在磨削蓝宝石过程中的磨损形式,不同磨损阶段中各种磨损形式的占比及蓝宝石表面粗糙变化规律,得出如下结论。

      (1) 自行研制树脂金刚石砂轮需要协调砂轮硬度和磨粒自锐性,达到砂轮有效磨削周期50 min左右,通过改变砂轮气孔率控制其有效磨削周期。

      (2) 树脂金刚石砂轮在磨削蓝宝石时主要磨损形式为:磨耗磨损、磨粒破碎、磨粒脱落、黏附磨损,磨耗磨损,各种磨损形式在砂轮初期磨损阶段、稳定磨损阶段和急剧磨损阶段都存在,但初期磨损阶段磨粒破碎较为明显,后期磨损阶段磨粒脱落、黏附磨损占比较大达到45%。

      (3) 随着工件去除量的增大,砂轮磨损速率增大,蓝宝石去除率、加工表面粗糙度呈先减小后增大趋势。砂轮稳定的损耗速率为0.027 3 mm3/s,磨耗比为17.37,蓝宝石最低粗糙度可以达到Ra0.260 μm。

 

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