劉國敬，劉宇光，賀東葛，劉婷婷

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

碳化硅是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中出現(xiàn)的一種新型材料，其具有比剛度大、穩(wěn)定性好、質(zhì)地輕等優(yōu)點(diǎn)，國際上已將其作為空間光學(xué)遙感器中的反射鏡材料進(jìn)行研究。現(xiàn)階段，隨著技術(shù)水平的不斷提高，碳化硅材料得到了迅速的發(fā)展，并在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，但要想完全體現(xiàn)出其優(yōu)異的性能，加工技術(shù)是我們必須攻克的“堡壘”，針對(duì)碳化硅硬度大，機(jī)械加工難的特點(diǎn)，本文進(jìn)行了碳化硅材料磨削技術(shù)的基礎(chǔ)研究，并取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1　碳化硅材料性能

碳化硅成型使用反應(yīng)燒結(jié)法，也稱為自結(jié)合法或滲硅法，它是用Q-SiC和石墨按一定比例混合壓成坯體，加熱到1 650℃左右，通過液相或氣相將Si滲入坯體，使之完成。碳化硅反應(yīng)燒結(jié)的原理使SiC具有許多其它材質(zhì)所沒有的優(yōu)良特性：(1)比剛度大，單位載荷引起結(jié)構(gòu)的變形小，尺寸穩(wěn)定性好，可以降低反射鏡的厚度，做成蜂窩狀結(jié)構(gòu)起到減重的目的，反射鏡與框一體化，減少裝調(diào)誤差；(2)熱變形系數(shù)小，抗熱震性性能優(yōu)越，可使鏡體在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性，降低對(duì)熱控系統(tǒng)的要求，減少熱控系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗；(3)良好的熱傳導(dǎo)性能，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，材料內(nèi)部很容易達(dá)到溫度平衡，不會(huì)引起很大的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，壽命長。

2　碳化硅材料的磨削工藝

2.1　碳化硅材料的磨削加工

需要加工碳化硅工件的工藝要求：表面TTV（平面度）為5 μm，表面粗糙度小于40 nm，首先設(shè)計(jì)使用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，為了實(shí)現(xiàn)晶圓的延性域磨削，提高磨削質(zhì)量，通過減小砂輪軸向進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)微小磨削深度，因此，要求設(shè)備的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分辨率小于0.1 μm，進(jìn)給速度最小0.1 μm/s。另外，為了提高減薄工藝的效率，進(jìn)給系統(tǒng)在滿足低速進(jìn)給的前提下，盡可能實(shí)現(xiàn)高速返回。磨削加工原理圖如圖1所示。

圖1　磨削加工原理

磨削加工使用目前的主流In-feed磨削原理，在磨削過程中，砂輪和碳化硅工件同時(shí)旋轉(zhuǎn)，砂輪高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度保持不變，工件低速旋轉(zhuǎn)，磨輪進(jìn)給速度和工件旋轉(zhuǎn)速度在磨削過程中根據(jù)階段不同，實(shí)現(xiàn)變速。一般磨削加工過程分以下幾個(gè)階段，分別是高速進(jìn)給階段，空進(jìn)給階段，P1階段，P2階段，P3階段，高速返回階段，磨削過程的各階段設(shè)定的砂輪進(jìn)給速度和進(jìn)給量都是不同的，使用5組參數(shù)對(duì)加工件進(jìn)行了磨削，進(jìn)給量與表面粗糙度的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　砂輪進(jìn)給量與粗糙度關(guān)系

從圖2可以得出，砂輪的進(jìn)給量越小，工件的表面粗糙度越好，面形精度越高，在加工過程中，可以根據(jù)要達(dá)到的表面粗糙度，選擇合適的進(jìn)給量。

在磨削過程中，即使表面粗糙度較低，但每次切削量也不能太大，要有一定限度。最大切削厚度：

式中：vc為砂輪速度；vw為工件速度；fr為徑向進(jìn)給量；do為砂輪直徑；e為砂輪的粒度號(hào)。

根據(jù)公式(1)可以看出，切削量與砂輪速度、直徑及粒度、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量均有關(guān)。當(dāng)h太大時(shí)，砂輪會(huì)突然停止磨削，工件局部去除量太大，工件表面也會(huì)出現(xiàn)凹陷，導(dǎo)致工件報(bào)廢。

經(jīng)過在顯微鏡下觀察砂輪的面形得出：去除量太大時(shí)，由于碳化硅材料硬度太大，砂輪片的磨粒在摩擦、擠壓的作用下，它的棱角逐漸磨圓變鈍，磨屑嵌在砂輪表面的孔隙中，會(huì)造成金剛石砂輪堵塞，導(dǎo)致砂輪磨削能力和磨削效率下降，工件表面出現(xiàn)凹凸不平。為了解決此問題，改進(jìn)了磨削加工工藝，增加了油石在線修整工藝。

2.2　油石在線修整的磨削加工

油石在線修整技術(shù)專門應(yīng)用于超硬的材料磨削，在磨削工件的同時(shí)利用油石有效去除附著于砂輪上的顆粒，修銳砂輪，保持砂輪有很好的磨削能力，同時(shí)保證了磨削加工的效率。具體加工過程如下圖3所示。

圖3　油石修整加工原理圖

油石在線修整系統(tǒng)包括：承片臺(tái)機(jī)構(gòu)、主軸砂輪磨削機(jī)構(gòu)、油石修整機(jī)構(gòu)。油石在線修整的基本原理：主軸磨削機(jī)構(gòu)先運(yùn)動(dòng)到相對(duì)承片臺(tái)機(jī)構(gòu)標(biāo)定的第一預(yù)定位置，同時(shí)油石修整機(jī)構(gòu)也運(yùn)動(dòng)至相對(duì)于承片臺(tái)機(jī)構(gòu)標(biāo)定的第二預(yù)定位置，此時(shí)砂輪表面同時(shí)與油石表面和承片臺(tái)表面相接觸，實(shí)現(xiàn)邊磨削碳化硅材料邊修整砂輪的目的，增加碳化硅材料的去除量，提高碳化硅材料的加工效率和表面加工精度，同時(shí)保證砂輪的磨削能力。

采用油石在線修整的加工方法一方面可以去除堵塞在砂輪表面的磨屑，使磨粒凸出到砂輪表面，另外一方面，當(dāng)磨輪變鈍時(shí)，通過修銳使其重新鋒利，使磨削切入過程更加容易。通過實(shí)驗(yàn)證明，在磨削去除量大的情況下，使用油石在線修整的方式磨削工件可以達(dá)到工藝要求。

3　結(jié)論

通過對(duì)碳化硅材料磨削工藝的研究，摸索出適合碳化硅材料的磨削加工工藝方法和工藝參數(shù)，根據(jù)磨削過程中遇到的技術(shù)難題，開展了油石在線修整的磨削加工技術(shù)研究。本文介紹的油石在線修整的加工方法不僅適用于碳化硅超硬材料，對(duì)于藍(lán)寶石，陶瓷等硬材料的磨削加工也同樣適用。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓媛嬡，張宇民.國內(nèi)外碳化硅反射鏡及系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].工程材料，2005，(6)：59-63.

[2]徐清蘭，伍凡.單晶硅鏡面超光滑表面工藝技術(shù)研究[J].光電工程，2003，30(5)：69-72．

[3]范鏑，張學(xué)軍.反應(yīng)燒結(jié)碳化硅平面反射鏡的光學(xué)加工與檢測(cè)[J].光學(xué)技術(shù)，2003，29(6)：667-674.

[4]王振龍，狄士春.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999，37-260.