RB-SiC金剛石磨粒柔性刻劃材料去除及表面損傷行為

圖1（a）為砂帶磨削加工示意圖，砂帶磨削系統(tǒng)包括砂帶、接觸輪、試件以及磨削工藝參數(shù)（磨削法向壓力F、進給速度V_w、砂帶線速度V_s和帶粒度P）等。砂帶是具有多個切削刃的單層涂附磨具，由基材、磨粒、粘結劑及添加層組成，依靠柔性接觸輪支撐其高速運動，并在法向壓力作用下與工件接觸實現(xiàn)磨削加工。

圖1砂帶磨削工藝

Fig.1Abrasive belt grinding process

圖1（b）為砂帶柔性磨削原理圖，磨粒與工件之間通過相對運動從而實現(xiàn)工件材料去除。磨削過程中的彈性來源主要是橡膠接觸輪以及砂帶，在磨削壓力作用下，橡膠層以及砂帶發(fā)生彈性變形，導致實際磨削深度a_p小于理論磨削深度a_pe。當磨粒切入工件時，切入的磨粒在接觸變形影響下偏離原有運動軌跡，并在接觸輪徑向方向產(chǎn)生回彈；另外，由于砂帶系統(tǒng)的彈性作用，導致實際參與磨削的磨粒數(shù)目增多，這在一定程度上提高了材料去除率。

實驗利用金剛石磨粒在試件表面單方向移動劃出一定痕跡，所有刻劃實驗均在課題組自行搭建的4軸磨削-刻劃力多功能復合試驗機上進行，刻劃平臺整體結構如圖2（a）所示。將工件夾具固定在傳感器上，調(diào)整刀具與工件接觸位置，并施加一定壓力，從而實現(xiàn)金剛石磨粒對反應燒結碳化硅板材的刻劃運動。

圖2  刻劃實驗平臺及柔性刻劃原理圖

Fig.2  Scribing experiment platform and schematic diagram of flexible scribing

為了模擬砂帶磨削時的彈性接觸狀態(tài)，設計了圖2（b）中所示的柔性裝置用于柔性刻劃過程，其中橡膠的材質與砂帶接觸輪材質相同，且橡膠的硬度為邵氏45度。圖2（c）所示為單顆磨?？虅澰韴D，單顆磨粒刻劃時磨粒與工件直接接觸并產(chǎn)生一定應力，當應力達到材料斷裂極值時，工件內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的損傷及裂紋。而柔性刻劃主要利用橡膠層在徑向方向上的回彈作用以及對工件表面形貌的適應性，通過改變磨粒與工件的接觸應力狀態(tài)，從而影響表面損傷及亞表面裂紋產(chǎn)生及擴展情況。

實驗材料為反應燒結碳化硅復合材料，由不同粒徑的碳化硅顆粒及單質游離硅組成，其中碳化硅含量大于90%，氣孔率小于0.3%。采用電火花線切割技術將反應燒結碳化硅試件尺寸切割成為40 mm×15 mm×3 mm，如圖2（d）所示。在刻劃實驗中使用了三種不同刀尖角度的金剛石磨粒，如圖2（e）和（f）所示，三種刀具的刀尖形狀為四棱錐，且面對面角度分別為80°、100°、120°。為了避免材料原有的表面裂紋及其他缺陷對刻劃過程及后續(xù)檢測的影響，采用金相拋光機對碳化硅試樣表面進行研磨拋光處理至表面粗糙度約為60 nm，表面平面度誤差不超過5 μm，圖2（g）為拋光后的材料表面顯微結構圖。實驗過程中使用的多顆磨粒為從完整金剛石砂帶上面截取的一段，如圖2（h）所示。

為了探究RB-SiC試件在單顆金剛石磨粒剛性及柔性刻劃條件下的表面形貌及亞表面損傷的差異性，本文進行了單顆金剛石磨粒在兩種接觸狀態(tài)下的變切深刻劃實驗，如圖2（c）所示，利用塞尺保證刻劃深度在0~30 μm之間線性變化。實驗使用120°磨粒以0.4 mm/s的刻劃速度進行剛性及柔性兩組實驗，并使用KWR75B型坤維傳感器采集實驗過程中的劃擦力，實驗中保證每道劃痕長度為30 mm，兩組劃擦實驗均在同一碳化硅試件上。

為探究法向壓力、磨粒角度及刻劃速度對損傷的影響程度，進行了單顆金剛石磨粒在柔性接觸狀態(tài)下刻劃RB-SiC的正交實驗。實驗中保證刻劃深度恒定不變，根據(jù)變切深實驗得到刻劃過程中力的范圍，在此范圍內(nèi)選取三組大小不同的力，進而在不同的刻劃壓力（深度）、磨粒角度、刻劃速度下開展三因素三水平正交實驗。實驗參數(shù)如表1所示，采用三種角度的磨粒（80°、100°、120°），刻劃速度選取0.4 mm/s、0.8 mm/s、1.2 mm/s，實驗中保證每條劃痕長度相等且為10 mm，同時使用KWR75B型坤維傳感器對刻劃過程中力的大小進行監(jiān)測。

為了探究多顆磨粒與前述單顆粒相比刻劃的損傷形式是否發(fā)生變化，進行了多顆磨?？虅漅B-SiC實驗。選取200#、400#、800#三種無磨損砂帶，并從中截取面積為25 mm²的正方形小塊，每小塊砂帶上包含10個金剛石磨粒簇，刻劃速度為0.4 mm/s，刻劃時法向壓力為15 N，實驗中保證恒切深刻劃且刻劃長度保持為10 mm。

所有刻劃實驗結束后，使用電火花線切割機將試樣切割成5 mm×15 mm×3 mm的樣塊用于分析測試，使用金相拋光機對試樣截面進行拋光，首先用W3.5的金相拋光劑對試樣的垂直截面進行粗拋，時間30~40 min，然后使用W1.5的金相拋光劑對其進行精拋，時間約1 h，充分消除上道工序引起的加工損傷后，使用酒精對相應截面進行清洗，再用HF腐蝕液對截面進行蝕刻，以便用電子掃描顯微鏡檢測。

如圖3所示為柔性及剛性兩種狀態(tài)下變切深刻劃劃痕SEM圖，圖3（a）為柔性狀態(tài)刻劃的劃痕，圖3（b）為剛性刻劃下的劃痕。

圖3劃痕SEM圖像

Fig.3Scratch SEM images

圖3（a）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為柔性狀態(tài)下刻劃表面形貌圖，其中Ⅰ階段主要以劃擦形式去除，并伴隨有剝落及碎裂方式；隨著刻劃深度的增加，磨粒與工件的相互作用增強，導致法向及切向力增大，因此圖中Ⅱ階段出現(xiàn)材料大面積斷裂現(xiàn)象，而此時的劃痕溝槽形貌以脆性斷裂為主，并伴有小范圍的劃擦痕跡；隨著刻劃過程的進行，磨粒切入深度逐漸增大，劃痕進入完全脆性去除階段，相應地，第Ⅲ段及之后劃痕表面形貌呈現(xiàn)出完全碎裂狀態(tài)。

圖3（b）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段為剛性刻劃下表面形貌圖，Ⅰ階段劃痕碎裂面積相比柔性狀態(tài)下更大，主要以脆性形式去除，周圍有極少量塑性劃擦痕跡，此時的劃痕主要以斷裂形成凹坑為主；Ⅱ階段與柔性刻劃不同的是，此時已經(jīng)達到完全破碎狀態(tài)，劃痕以大面積斷裂形成的凹坑形式存在；Ⅲ階段為隨著刻劃過程的進行，切入深度變大，同時材料底部斷裂形成的凹坑深度增大。

通過對兩種接觸狀態(tài)下的刻劃形貌進行分析可知，剛性狀態(tài)下刻劃更容易以脆性方式去除材料，而在相同刻劃階段內(nèi)，柔性刻劃主要以微破碎形式去除材料，并且在刻劃Ⅰ階段時劃擦占據(jù)很大比例。相比之下，剛性刻劃時無論溝槽內(nèi)部或者溝槽邊緣都產(chǎn)生了大塊的脆性破碎。這主要是由于柔性裝置中橡膠層的作用，使磨粒在壓入工件后又在工件刻劃區(qū)域法向方向上有一定的回復作用，隨著刻劃過程的進行，刻劃深度不斷增加，回復能力逐漸增強。另外，柔性裝置對刻劃時的工件形貌有一定的適應能力，從而在一定程度上改變了材料的去除形式。

刻劃力和材料去除以及損傷有著密切聯(lián)系，材料本身缺陷以及大面積脆性斷裂是引起刻劃力波動的主要原因^［17］。圖4為刻劃過程中法向力及X切向力變化曲線圖，剛性狀態(tài)下法向力及切向力在一定范圍內(nèi)高于柔性刻劃，且柔性刻劃力曲線更加平滑，相比之下，剛性刻劃兩條力曲線出現(xiàn)許多小范圍內(nèi)的波動。由此也可推斷，柔性刻劃時能夠抑制脆性斷裂以及裂紋的產(chǎn)生和擴展。

圖4  力-位移曲線

Fig.4  Force-displacement curve

圖5為典型亞表面形貌圖，左側剛性刻劃后的亞表面附近出現(xiàn)許多凹坑，且在亞表面出現(xiàn)了長度較大的裂紋，右側柔性刻劃后的亞表面出現(xiàn)了長度不同的近表面裂紋及少量亞表面裂紋。以圖5右側柔性刻劃圖像為例，可得出最大裂紋長度L₁（L₁>L₃>L₂）、平均裂紋長度（（L₁+L₂+L₃）/3）以及亞表面損傷面積（s=w×d）?；诖?，選取了在0~10 mm內(nèi)的劃痕三組截面，分別對應刻劃位移為3 mm、6 mm和10 mm，通過對三組截面進行亞表面損傷檢測，分別得到相應截面的最大裂紋長度（MCL）、平均裂紋長度（ACL）、亞表面破碎層深度（SFD）及亞表面損傷面積。如圖6所示，在相同截面處，柔性刻劃后的亞表面損傷面積明顯小于剛性刻劃，亞表面裂紋產(chǎn)生情況優(yōu)于剛性刻劃，且通過計算三組截面均值，獲得柔性刻劃下亞表面損傷面積約為剛性刻劃的20.38%，柔性刻劃的平均裂紋長度約為剛性刻劃的38.07%。亞表面損傷面積S_d包括溝槽截面面積（Sg）及其周圍損傷面積，定義亞表面損傷率（SDR）即周圍損傷面積與亞表面損傷面積之比來評價亞表面損傷特征。選取剛/柔性刻劃的三組截面，通過公式（1），進而可得到剛性狀態(tài)下刻劃的平均亞表面損傷率（ASDR）為0.823，而柔性狀態(tài)下刻劃的ASDR為0.677。由此可知，柔性刻劃下抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展情況都明顯優(yōu)于剛性刻劃，且損傷情況優(yōu)于剛性刻劃，因此柔性刻劃能夠有效減小亞表面損傷。

圖5  亞表面SEM圖像

Fig.5  SEM images of subsurfaces

圖6  劃痕亞表面損傷深度及面積

Fig.6  Damage depth and area of scratch cross sections

其中：rSDR表示為亞表面損傷率；S_d為亞表面損傷面積，單位為μm²；Sg為劃痕溝槽截面面積，單位為μm²。

圖7為白光干涉儀檢測的劃痕三維形貌，同時可以得到典型劃痕截面的輪廓特征。其中，剛性刻劃時截面最大深度為13.5 μm，A-A截面面積為1 019 μm²，相同條件下柔性狀態(tài)下刻劃時截面最大深度為6.05 μm，B-B截面面積為162 μm²，且A-A和B-B為相同位置處的截面。另外，剛、柔性刻劃在變切深全過程中的材料去除效率分別為1.78×10⁶ μm³/s和2.4×10⁵ μm³/s。

圖7  劃痕三維形貌

Fig.7  3D topography of scratch

通過上述對劃痕表面形貌及亞表面損傷的對比分析以及實驗指標的評定，初步得出：在相同工藝參數(shù)下，RB-SiC材料在柔性狀態(tài)下刻劃所產(chǎn)生的材料損傷更小。

基于上述結論，為獲得磨粒角度、刻劃速度、法向壓力三種參數(shù)對柔性刻劃后材料損傷的影響規(guī)律，開展三因素三水平正交實驗，正交參數(shù)如表1所示。

通過對正交各組實驗進行亞表面損傷檢測，得到不同參數(shù)下的亞表面損傷圖像，劃痕亞表面有材料脫落產(chǎn)生的直徑不同的凹坑和孔洞，劃痕截面底部及周圍有長度不一的裂紋產(chǎn)生。圖8為極差分析結果，結果表明，法向壓力對刻劃后的亞表面損傷影響最大，其次為磨粒角度，刻劃速度的影響相對較小。表2為正交實驗結果，以亞表面破碎層深度以及平均裂紋長度作為評價亞表面損傷的指標。

圖8  極差分析結果

Fig.8  Extreme difference analysis results

圖9（a）為法向壓力對亞表面損傷的影響，由圖可知，平均裂紋長度及亞表面破碎層深度隨著法向力的增大而增大。單顆金剛石磨粒承受的法向壓力增大，則磨粒所切入試件的深度增大，從而導致試件脆性去除量增多，更容易出現(xiàn)亞表面裂紋，同時加劇亞表面層的破壞。圖9（b）、（c）、（d）為不同刻劃力、相同刻劃速度下的劃痕三維形貌圖，得出相應劃痕最大深度分別為6.42 μm、11.7 μm、25.9 μm，以及每個劃痕截面相應的截面面積，由此可得到試件在不同法向壓力下的去除效率分別為：3.84×10⁴ μm³/s、1.8×10⁵ μm³/s、3.92×10⁵ μm³/s，可見增大法向力能夠極大提高材料去除效率。同時得出最優(yōu)參數(shù)組合材料去除率為3.853×10⁴ μm³/s。

  

  

圖9法向壓力的影響曲線及三維形貌圖

Fig.9Influence curve of normal pressure and three-dimensional topographies the scratch

圖10為劃痕表面SEM圖像、切向力及損傷影響曲線。如圖10（a）所示，相同法向力下磨粒角度對劃痕寬度影響較大，法向壓力相同時，磨粒角度越大，工件與磨粒接觸面積變大，則劃痕寬度變大。另外，磨粒角度較小時，單位面積內(nèi)與工件的相互作用增強，則磨粒較易出現(xiàn)磨損及斷刃現(xiàn)象。圖中80°磨?？虅澾^程中出現(xiàn)大量碎屑及塊狀斷裂，破碎現(xiàn)象較為嚴重，相比之下，120°磨?？虅潟r劃擦痕跡較為明顯，相對較少出現(xiàn)由大面積斷裂產(chǎn)生的劃痕底部凹坑，但是劃痕兩側斷裂及破碎較為嚴重，主要是由于當磨粒角度較大時，刻劃所產(chǎn)生的Y向分力較大，X向分力較小。圖10（b）為三種角度磨粒Y向刻劃力，可見120°磨粒Y向分力波動幅度較大，相比之下，80°磨粒的Y向分力變化較為平穩(wěn)。

圖10  劃痕表面SEM圖像、切向力及損傷影響曲線

Fig.10  SEM images of scratched surface， tangential force and damage influence curves

磨粒角度對于損傷的影響僅次于法向壓力，如圖10（c）所示，其中80°磨?？虅潟r材料亞表面損傷較為嚴重，隨著磨粒角度的增大，材料亞表面損傷程度逐漸降低。磨粒角度越小，刀尖越尖銳，相同法向力作用下越容易產(chǎn)生較大的切削深度，試件易于以脆性方式去除，故磨粒角度越小對材料產(chǎn)生的損傷越大。如圖10（d）所示，刻劃速度與亞表面平均裂紋長度呈正相關，但對于亞表面破碎層深度的影響趨勢并不明顯，可能在當前實驗條件下較小的X向刻劃速度確實有可能僅對裂紋深度產(chǎn)生相對明顯的影響，而難以導致嚴重的破碎情況，故對深度方向的損傷影響不明顯。

在上述實驗及結論的基礎上開展了多顆金剛石磨粒柔性狀態(tài)下恒切深刻劃實驗，刻劃初始法向力采用15 N。通過對其刻劃形貌進行SEM檢測，得到不同磨?？虅澋谋砻嫘蚊矆D如圖11（a）所示，與單顆磨粒相比，多顆磨?？虅澋玫降臏喜蹆?nèi)部幾乎無大塊脆性斷裂及大面積剝落，表面裂紋及脫落區(qū)域主要位于劃痕兩側，且隨著磨粒粒度的增大，劃痕溝槽逐漸光滑，底部出現(xiàn)裂紋及破碎現(xiàn)象有所減輕，溝槽輪廓也逐漸清晰。另外，磨粒粒度較大時，相應的劃痕溝槽的寬度較大，且劃痕兩側出現(xiàn)較為嚴重的剝落情況，主要原因是磨粒粒度較大時，相同力下與工件接觸面積較大，則出現(xiàn)破碎及剝落的可能性變大。另外，由于實驗在柔性狀態(tài)下刻劃，多顆磨粒對于工件表面具有一定程度的適應能力，所以在刻劃過程中，不同磨粒所切入工件的深度不完全一致，且部分存在塑性去除階段。

圖11  表面及亞表面SEM圖像

Fig.11  Surface and subsurface SEM images

如圖11（b）所示為多顆磨粒刻劃后的典型亞表面損傷SEM圖像，與單顆磨粒相比，多顆磨?？虅澓髞啽砻鏈喜凵疃容^小，且破碎及損傷程度也比單顆磨?？虅潟r大幅度降低。多顆磨?？虅澾^程中單個磨粒受力不完全一致，導致單個磨粒切深略有不同，體現(xiàn)在亞表面層為溝槽間距較小或較淺溝槽擴展成深度較大溝槽。除此之外，多顆磨?？虅澋膩啽砻嫫扑閷由疃茸钚?.32 μm，最大不超過16.8 μm，且絕大部分亞表面破碎層深度在10 μm以內(nèi)，與單顆磨?？虅澫啾?，多顆磨?？虅澞軌驑O大減小亞表面破碎層深度。

以此推斷，使用砂帶進行RB-SiC材料的磨削加工能夠達到較好的加工效果，同時能夠有效降低表面及亞表面損傷。