RB-SiC金刚石磨粒柔性刻划材料去除及表面损伤行为

图1（a）为砂带磨削加工示意图，砂带磨削系统包括砂带、接触轮、试件以及磨削工艺参数（磨削法向压力F、进给速度V_w、砂带线速度V_s和带粒度P）等。砂带是具有多个切削刃的单层涂附磨具，由基材、磨粒、粘结剂及添加层组成，依靠柔性接触轮支撑其高速运动，并在法向压力作用下与工件接触实现磨削加工。

图1砂带磨削工艺

Fig.1Abrasive belt grinding process

图1（b）为砂带柔性磨削原理图，磨粒与工件之间通过相对运动从而实现工件材料去除。磨削过程中的弹性来源主要是橡胶接触轮以及砂带，在磨削压力作用下，橡胶层以及砂带发生弹性变形，导致实际磨削深度a_p小于理论磨削深度a_pe。当磨粒切入工件时，切入的磨粒在接触变形影响下偏离原有运动轨迹，并在接触轮径向方向产生回弹；另外，由于砂带系统的弹性作用，导致实际参与磨削的磨粒数目增多，这在一定程度上提高了材料去除率。

实验利用金刚石磨粒在试件表面单方向移动划出一定痕迹，所有刻划实验均在课题组自行搭建的4轴磨削-刻划力多功能复合试验机上进行，刻划平台整体结构如图2（a）所示。将工件夹具固定在传感器上，调整刀具与工件接触位置，并施加一定压力，从而实现金刚石磨粒对反应烧结碳化硅板材的刻划运动。

图2  刻划实验平台及柔性刻划原理图

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

为了模拟砂带磨削时的弹性接触状态，设计了图2（b）中所示的柔性装置用于柔性刻划过程，其中橡胶的材质与砂带接触轮材质相同，且橡胶的硬度为邵氏45度。图2（c）所示为单颗磨粒刻划原理图，单颗磨粒刻划时磨粒与工件直接接触并产生一定应力，当应力达到材料断裂极值时，工件内部产生不同程度的损伤及裂纹。而柔性刻划主要利用橡胶层在径向方向上的回弹作用以及对工件表面形貌的适应性，通过改变磨粒与工件的接触应力状态，从而影响表面损伤及亚表面裂纹产生及扩展情况。

实验材料为反应烧结碳化硅复合材料，由不同粒径的碳化硅颗粒及单质游离硅组成，其中碳化硅含量大于90%，气孔率小于0.3%。采用电火花线切割技术将反应烧结碳化硅试件尺寸切割成为40 mm×15 mm×3 mm，如图2（d）所示。在刻划实验中使用了三种不同刀尖角度的金刚石磨粒，如图2（e）和（f）所示，三种刀具的刀尖形状为四棱锥，且面对面角度分别为80°、100°、120°。为了避免材料原有的表面裂纹及其他缺陷对刻划过程及后续检测的影响，采用金相抛光机对碳化硅试样表面进行研磨抛光处理至表面粗糙度约为60 nm，表面平面度误差不超过5 μm，图2（g）为抛光后的材料表面显微结构图。实验过程中使用的多颗磨粒为从完整金刚石砂带上面截取的一段，如图2（h）所示。

为了探究RB-SiC试件在单颗金刚石磨粒刚性及柔性刻划条件下的表面形貌及亚表面损伤的差异性，本文进行了单颗金刚石磨粒在两种接触状态下的变切深刻划实验，如图2（c）所示，利用塞尺保证刻划深度在0~30 μm之间线性变化。实验使用120°磨粒以0.4 mm/s的刻划速度进行刚性及柔性两组实验，并使用KWR75B型坤维传感器采集实验过程中的划擦力，实验中保证每道划痕长度为30 mm，两组划擦实验均在同一碳化硅试件上。

为探究法向压力、磨粒角度及刻划速度对损伤的影响程度，进行了单颗金刚石磨粒在柔性接触状态下刻划RB-SiC的正交实验。实验中保证刻划深度恒定不变，根据变切深实验得到刻划过程中力的范围，在此范围内选取三组大小不同的力，进而在不同的刻划压力（深度）、磨粒角度、刻划速度下开展三因素三水平正交实验。实验参数如表1所示，采用三种角度的磨粒（80°、100°、120°），刻划速度选取0.4 mm/s、0.8 mm/s、1.2 mm/s，实验中保证每条划痕长度相等且为10 mm，同时使用KWR75B型坤维传感器对刻划过程中力的大小进行监测。

为了探究多颗磨粒与前述单颗粒相比刻划的损伤形式是否发生变化，进行了多颗磨粒刻划RB-SiC实验。选取200#、400#、800#三种无磨损砂带，并从中截取面积为25 mm²的正方形小块，每小块砂带上包含10个金刚石磨粒簇，刻划速度为0.4 mm/s，刻划时法向压力为15 N，实验中保证恒切深刻划且刻划长度保持为10 mm。

所有刻划实验结束后，使用电火花线切割机将试样切割成5 mm×15 mm×3 mm的样块用于分析测试，使用金相抛光机对试样截面进行抛光，首先用W3.5的金相抛光剂对试样的垂直截面进行粗抛，时间30~40 min，然后使用W1.5的金相抛光剂对其进行精抛，时间约1 h，充分消除上道工序引起的加工损伤后，使用酒精对相应截面进行清洗，再用HF腐蚀液对截面进行蚀刻，以便用电子扫描显微镜检测。

如图3所示为柔性及刚性两种状态下变切深刻划划痕SEM图，图3（a）为柔性状态刻划的划痕，图3（b）为刚性刻划下的划痕。

图3划痕SEM图像

Fig.3Scratch SEM images

图3（a）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为柔性状态下刻划表面形貌图，其中Ⅰ阶段主要以划擦形式去除，并伴随有剥落及碎裂方式；随着刻划深度的增加，磨粒与工件的相互作用增强，导致法向及切向力增大，因此图中Ⅱ阶段出现材料大面积断裂现象，而此时的划痕沟槽形貌以脆性断裂为主，并伴有小范围的划擦痕迹；随着刻划过程的进行，磨粒切入深度逐渐增大，划痕进入完全脆性去除阶段，相应地，第Ⅲ段及之后划痕表面形貌呈现出完全碎裂状态。

图3（b）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段为刚性刻划下表面形貌图，Ⅰ阶段划痕碎裂面积相比柔性状态下更大，主要以脆性形式去除，周围有极少量塑性划擦痕迹，此时的划痕主要以断裂形成凹坑为主；Ⅱ阶段与柔性刻划不同的是，此时已经达到完全破碎状态，划痕以大面积断裂形成的凹坑形式存在；Ⅲ阶段为随着刻划过程的进行，切入深度变大，同时材料底部断裂形成的凹坑深度增大。

通过对两种接触状态下的刻划形貌进行分析可知，刚性状态下刻划更容易以脆性方式去除材料，而在相同刻划阶段内，柔性刻划主要以微破碎形式去除材料，并且在刻划Ⅰ阶段时划擦占据很大比例。相比之下，刚性刻划时无论沟槽内部或者沟槽边缘都产生了大块的脆性破碎。这主要是由于柔性装置中橡胶层的作用，使磨粒在压入工件后又在工件刻划区域法向方向上有一定的回复作用，随着刻划过程的进行，刻划深度不断增加，回复能力逐渐增强。另外，柔性装置对刻划时的工件形貌有一定的适应能力，从而在一定程度上改变了材料的去除形式。

刻划力和材料去除以及损伤有着密切联系，材料本身缺陷以及大面积脆性断裂是引起刻划力波动的主要原因^［17］。图4为刻划过程中法向力及X切向力变化曲线图，刚性状态下法向力及切向力在一定范围内高于柔性刻划，且柔性刻划力曲线更加平滑，相比之下，刚性刻划两条力曲线出现许多小范围内的波动。由此也可推断，柔性刻划时能够抑制脆性断裂以及裂纹的产生和扩展。

图4  力-位移曲线

Fig.4  Force-displacement curve

图5为典型亚表面形貌图，左侧刚性刻划后的亚表面附近出现许多凹坑，且在亚表面出现了长度较大的裂纹，右侧柔性刻划后的亚表面出现了长度不同的近表面裂纹及少量亚表面裂纹。以图5右侧柔性刻划图像为例，可得出最大裂纹长度L₁（L₁>L₃>L₂）、平均裂纹长度（（L₁+L₂+L₃）/3）以及亚表面损伤面积（s=w×d）。基于此，选取了在0~10 mm内的划痕三组截面，分别对应刻划位移为3 mm、6 mm和10 mm，通过对三组截面进行亚表面损伤检测，分别得到相应截面的最大裂纹长度（MCL）、平均裂纹长度（ACL）、亚表面破碎层深度（SFD）及亚表面损伤面积。如图6所示，在相同截面处，柔性刻划后的亚表面损伤面积明显小于刚性刻划，亚表面裂纹产生情况优于刚性刻划，且通过计算三组截面均值，获得柔性刻划下亚表面损伤面积约为刚性刻划的20.38%，柔性刻划的平均裂纹长度约为刚性刻划的38.07%。亚表面损伤面积S_d包括沟槽截面面积（Sg）及其周围损伤面积，定义亚表面损伤率（SDR）即周围损伤面积与亚表面损伤面积之比来评价亚表面损伤特征。选取刚/柔性刻划的三组截面，通过公式（1），进而可得到刚性状态下刻划的平均亚表面损伤率（ASDR）为0.823，而柔性状态下刻划的ASDR为0.677。由此可知，柔性刻划下抑制裂纹的产生和扩展情况都明显优于刚性刻划，且损伤情况优于刚性刻划，因此柔性刻划能够有效减小亚表面损伤。

图5  亚表面SEM图像

Fig.5  SEM images of subsurfaces

图6  划痕亚表面损伤深度及面积

Fig.6  Damage depth and area of scratch cross sections

其中：rSDR表示为亚表面损伤率；S_d为亚表面损伤面积，单位为μm²；Sg为划痕沟槽截面面积，单位为μm²。

图7为白光干涉仪检测的划痕三维形貌，同时可以得到典型划痕截面的轮廓特征。其中，刚性刻划时截面最大深度为13.5 μm，A-A截面面积为1 019 μm²，相同条件下柔性状态下刻划时截面最大深度为6.05 μm，B-B截面面积为162 μm²，且A-A和B-B为相同位置处的截面。另外，刚、柔性刻划在变切深全过程中的材料去除效率分别为1.78×10⁶ μm³/s和2.4×10⁵ μm³/s。

图7  划痕三维形貌

Fig.7  3D topography of scratch

通过上述对划痕表面形貌及亚表面损伤的对比分析以及实验指标的评定，初步得出：在相同工艺参数下，RB-SiC材料在柔性状态下刻划所产生的材料损伤更小。

基于上述结论，为获得磨粒角度、刻划速度、法向压力三种参数对柔性刻划后材料损伤的影响规律，开展三因素三水平正交实验，正交参数如表1所示。

通过对正交各组实验进行亚表面损伤检测，得到不同参数下的亚表面损伤图像，划痕亚表面有材料脱落产生的直径不同的凹坑和孔洞，划痕截面底部及周围有长度不一的裂纹产生。图8为极差分析结果，结果表明，法向压力对刻划后的亚表面损伤影响最大，其次为磨粒角度，刻划速度的影响相对较小。表2为正交实验结果，以亚表面破碎层深度以及平均裂纹长度作为评价亚表面损伤的指标。

图8  极差分析结果

Fig.8  Extreme difference analysis results

图9（a）为法向压力对亚表面损伤的影响，由图可知，平均裂纹长度及亚表面破碎层深度随着法向力的增大而增大。单颗金刚石磨粒承受的法向压力增大，则磨粒所切入试件的深度增大，从而导致试件脆性去除量增多，更容易出现亚表面裂纹，同时加剧亚表面层的破坏。图9（b）、（c）、（d）为不同刻划力、相同刻划速度下的划痕三维形貌图，得出相应划痕最大深度分别为6.42 μm、11.7 μm、25.9 μm，以及每个划痕截面相应的截面面积，由此可得到试件在不同法向压力下的去除效率分别为：3.84×10⁴ μm³/s、1.8×10⁵ μm³/s、3.92×10⁵ μm³/s，可见增大法向力能够极大提高材料去除效率。同时得出最优参数组合材料去除率为3.853×10⁴ μm³/s。

  

  

图9法向压力的影响曲线及三维形貌图

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

图10为划痕表面SEM图像、切向力及损伤影响曲线。如图10（a）所示，相同法向力下磨粒角度对划痕宽度影响较大，法向压力相同时，磨粒角度越大，工件与磨粒接触面积变大，则划痕宽度变大。另外，磨粒角度较小时，单位面积内与工件的相互作用增强，则磨粒较易出现磨损及断刃现象。图中80°磨粒刻划过程中出现大量碎屑及块状断裂，破碎现象较为严重，相比之下，120°磨粒刻划时划擦痕迹较为明显，相对较少出现由大面积断裂产生的划痕底部凹坑，但是划痕两侧断裂及破碎较为严重，主要是由于当磨粒角度较大时，刻划所产生的Y向分力较大，X向分力较小。图10（b）为三种角度磨粒Y向刻划力，可见120°磨粒Y向分力波动幅度较大，相比之下，80°磨粒的Y向分力变化较为平稳。

图10  划痕表面SEM图像、切向力及损伤影响曲线

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

磨粒角度对于损伤的影响仅次于法向压力，如图10（c）所示，其中80°磨粒刻划时材料亚表面损伤较为严重，随着磨粒角度的增大，材料亚表面损伤程度逐渐降低。磨粒角度越小，刀尖越尖锐，相同法向力作用下越容易产生较大的切削深度，试件易于以脆性方式去除，故磨粒角度越小对材料产生的损伤越大。如图10（d）所示，刻划速度与亚表面平均裂纹长度呈正相关，但对于亚表面破碎层深度的影响趋势并不明显，可能在当前实验条件下较小的X向刻划速度确实有可能仅对裂纹深度产生相对明显的影响，而难以导致严重的破碎情况，故对深度方向的损伤影响不明显。

在上述实验及结论的基础上开展了多颗金刚石磨粒柔性状态下恒切深刻划实验，刻划初始法向力采用15 N。通过对其刻划形貌进行SEM检测，得到不同磨粒刻划的表面形貌图如图11（a）所示，与单颗磨粒相比，多颗磨粒刻划得到的沟槽内部几乎无大块脆性断裂及大面积剥落，表面裂纹及脱落区域主要位于划痕两侧，且随着磨粒粒度的增大，划痕沟槽逐渐光滑，底部出现裂纹及破碎现象有所减轻，沟槽轮廓也逐渐清晰。另外，磨粒粒度较大时，相应的划痕沟槽的宽度较大，且划痕两侧出现较为严重的剥落情况，主要原因是磨粒粒度较大时，相同力下与工件接触面积较大，则出现破碎及剥落的可能性变大。另外，由于实验在柔性状态下刻划，多颗磨粒对于工件表面具有一定程度的适应能力，所以在刻划过程中，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阶段。

图11  表面及亚表面SEM图像

Fig.11  Surface and subsurface SEM images

如图11（b）所示为多颗磨粒刻划后的典型亚表面损伤SEM图像，与单颗磨粒相比，多颗磨粒刻划后亚表面沟槽深度较小，且破碎及损伤程度也比单颗磨粒刻划时大幅度降低。多颗磨粒刻划过程中单个磨粒受力不完全一致，导致单个磨粒切深略有不同，体现在亚表面层为沟槽间距较小或较浅沟槽扩展成深度较大沟槽。除此之外，多颗磨粒刻划的亚表面破碎层深度最小为2.32 μm，最大不超过16.8 μm，且绝大部分亚表面破碎层深度在10 μm以内，与单颗磨粒刻划相比，多颗磨粒刻划能够极大减小亚表面破碎层深度。

以此推断，使用砂带进行RB-SiC材料的磨削加工能够达到较好的加工效果，同时能够有效降低表面及亚表面损伤。