摘要：金剛石砂帶是一種具有出色磨削效果和高度耐磨性的材料，廣泛應(yīng)用于難加工材料的加工領(lǐng)域。近年來，基于微圖案的超精密金剛石砂帶逐漸引起了研究人員的興趣。這種砂帶采用微小尺度的圖案結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高金剛石砂帶的磨削性能和加工精度。本文將介紹基于微圖案的超精密金剛石砂帶的研究現(xiàn)狀及制備影響因素進(jìn)行討論，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。
       關(guān)鍵詞：微圖案 金剛石 砂帶 加工
       1. 微圖案柔性拋光材料應(yīng)用背景

       隨著微制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微圖案的金剛石研磨產(chǎn)品在航空航天、汽車制造、電子芯片加工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。金剛石研磨帶作為一種高效的、超精密的磨削工具廣泛應(yīng)用于難加工(DTM)材料的加工，隨著工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展，以及對(duì)精密、自動(dòng)化工作的需求不斷增加，對(duì)傳統(tǒng)磨拋工具的效率和耐用性提出了巨大挑戰(zhàn)[1,2]。具有耐用性的彈性工具，在加工過程中可以避免由局部硬接觸引起工件的表面/亞表面損壞。因此，基于微圖案的超精密金剛石砂帶將會(huì)在現(xiàn)代工業(yè)加工領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。然而，傳統(tǒng)的平整砂帶存在著磨削效果不穩(wěn)定和加工精度不高等問題。基于微圖案的超精密金剛石砂帶通過在砂帶表面引入微觀圖案結(jié)構(gòu)，可以顯著改善其磨削性能和加工精度。

       2. 微圖案柔性拋光制品用樹脂結(jié)合劑的性能特點(diǎn)

        樹脂結(jié)合劑具有較高的抗拉強(qiáng)度、低磨削力、低磨削溫度和一定的彈性，相對(duì)于陶瓷基與金屬基的磨具，樹脂基磨具更適合于對(duì)工件進(jìn)行精細(xì)的加工和研磨，常用的樹脂結(jié)合劑及其特點(diǎn)如圖2所示。其中酚醛樹脂(Phenol-formaldehyde，PF)是由酚類與醛類反應(yīng)合成的一類樹脂，特別是苯酚與甲醛，因其高阻燃性、耐化學(xué)性、耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、粘接強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于磨具粘結(jié)劑，提高酚醛樹脂的耐熱性和降低酚醛樹脂的脆性仍是增強(qiáng)樹脂性能的主要方向。
       環(huán)氧樹脂(Epoxy，EP)是指含有一個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的低分子量預(yù)聚物，以其優(yōu)異的機(jī)械性能、高粘接強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域，是一類作為通用粘合劑和增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的熱固性樹脂。在磨拋應(yīng)用方面，環(huán)氧樹脂由于耐熱性較低，在干式加工中環(huán)氧樹脂砂輪會(huì)產(chǎn)生黏附磨損，環(huán)氧樹脂的耐熱性和機(jī)械性能介于酚醛樹脂與聚氨酯樹脂之間，通常用于對(duì)聚氨酯的增強(qiáng)改性和酚醛樹脂的增韌改性。
       聚氨酯(Polyurethane，PU)是以氨基甲酸酯基團(tuán)為主要重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的聚合物，其中氨基甲酸酯是由醇(-OH)與異氰酸酯(-NCO)反應(yīng)產(chǎn)生的，聚氨酯中也可含有其他如醚、酯、脲和一些芳香族基團(tuán)。由于合成聚氨酯原料的來源多種多樣，加上其廣泛的應(yīng)用范圍，聚氨酯可分為水性聚氨酯、熱塑性聚氨酯、熱固性聚氨酯以及聚氨酯泡沫等。熱固性聚氨(Thermoset polyurethane)的微觀結(jié)構(gòu)通常比熱塑性聚合物更堅(jiān)固。熱固性聚合物的優(yōu)點(diǎn)使其成為形狀記憶聚合物的極佳原料，具有較高的形狀固定率和形狀恢復(fù)率，也同時(shí)可以被設(shè)計(jì)成精加工用的柔性磨削工具。

       3. 制備微圖案結(jié)構(gòu)的影響因素分析

       3.1 微圖案結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
       砂帶表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是多元的，合理的結(jié)構(gòu)單元和單元間隙使得砂帶表面具有特定的紋理，如圖3所示，可以提高砂帶和磨削時(shí)的綜合性能。砂帶表面結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需依靠砂帶的成型技術(shù)，而砂帶結(jié)構(gòu)的成型方式取決于樹脂結(jié)合劑的固化特性。對(duì)于樹脂結(jié)合劑而言，可以通過復(fù)制主體幾何結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)移到基板材料上，這種轉(zhuǎn)移可以通過熱、光、力、化學(xué)活化或其他能量輸入等方式來實(shí)現(xiàn)。微圖案設(shè)計(jì)是基于微圖案的超精密金剛石砂帶研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過優(yōu)化圖案的形狀、尺寸和分布等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)砂帶的優(yōu)化磨削性能。常見的微圖案制備方法包括傳統(tǒng)熱壓花成型、氣體/超聲波輔助壓/紫外、紅外激光輔助壓花、化學(xué)蝕刻、電火花放電加工、激光加工、紫外/X射線/電子束光刻、3D打印和微納米制造技術(shù)等。超精密金剛石砂帶的微圖案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到以下五個(gè)方面：微圖案尺寸的設(shè)計(jì)；樹脂結(jié)合劑種類；成型工藝；金剛石表面處理；金剛石粒度。

       3.2 微圖案結(jié)構(gòu)的制備方法
       對(duì)于熱固化樹脂體系而言，微熱壓花是一種高效益的結(jié)構(gòu)復(fù)制技術(shù)，可通過在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟认聦⑽⒔Y(jié)構(gòu)圖案從母模上轉(zhuǎn)移到聚合物基材上，分為四個(gè)階段：(1)將基材與模具加熱至成型溫度；(2)在成型溫度下加壓使基材表面得到微圖案結(jié)構(gòu)；(3)基材與模具冷卻至可脫模溫度；(4) 脫模。根據(jù)成型工具的不同，微熱壓印法主要可分為板對(duì)板(P2P)、卷對(duì)板(R2P)和卷對(duì)卷(R2R)三種，壓花裝置的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

       帶有磨料的聚合物基復(fù)合材料 (PMC)有助于磨削工具在不銹鋼、玻璃等難加工材料、硬脆材料的表面上均勻去除工件材料。同時(shí)，磨具的結(jié)構(gòu)在磨損性能中起著至關(guān)重要的作用，良好的結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)切屑的排出和冷卻液的流動(dòng)，涂附半球形和金字塔形團(tuán)塊組成的結(jié)構(gòu)工具可以保持持久的磨削能力。此外，與傳統(tǒng)磨料相比，超硬磨料可以提供更為卓越的耐磨性，尤其適用于結(jié)構(gòu)化和紋理化的金剛石工具。
       3.3 樹脂結(jié)合劑種類對(duì)微圖案顯微結(jié)構(gòu)的影響
       陣列結(jié)構(gòu)形貌因樹脂結(jié)合劑種類的不同而產(chǎn)生差異，樹脂結(jié)合劑的熱固化參數(shù)、機(jī)械性能數(shù)值都將影響微圖案結(jié)構(gòu)的形貌，以此影響金剛石制品的外觀及其在磨拋應(yīng)用中的效果。

       圖5展示了性能的樹脂結(jié)合劑對(duì)微圖案結(jié)構(gòu)形貌的影響，其中金剛石顆粒在兩種樹脂體系下均分散良好并被樹脂結(jié)合劑充分包裹。高自銳性樹脂結(jié)合劑制備而成的結(jié)構(gòu)單元表面較為粗糙，復(fù)制結(jié)構(gòu)單元表面成鱗片狀，適用于大去除量磨削用途。高自韌性樹脂結(jié)合劑制備而成的結(jié)構(gòu)單元表面較為光滑，復(fù)制結(jié)構(gòu)單元表面成峰點(diǎn)狀，適用于超精密研磨用途。
       4. 微圖案結(jié)構(gòu)的磨拋效果分析

       4.1 金剛石磨料處理
       基于微圖案的超精密金剛石砂帶在磨削性能方面取得了顯著的改善。金剛石作為主要磨削單元被包裹在樹脂結(jié)合劑中，形成金剛石與樹脂相結(jié)合的復(fù)合磨料群體。對(duì)于金剛石磨料復(fù)合磨料為樹脂結(jié)合劑與金剛石及填料組成的復(fù)合材料，金剛石與樹脂的界面結(jié)合狀態(tài)對(duì)磨料的性能有著重大的影響。而金剛石表面惰性較大，導(dǎo)致金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合能力不足，在磨削過程中容易脫落。因此，需要對(duì)金剛石的表面進(jìn)行處理，從而增強(qiáng)金剛石與樹脂的結(jié)合能力。
       在砂帶制備流程中，常用的金剛石處理方法包括偶聯(lián)劑處理和金屬鍍覆處理，與未經(jīng)處理的金剛石磨料相比，金剛石磨料經(jīng)過KH550和鍍Ni處理后，制備成的復(fù)合磨料的彎曲強(qiáng)度分別提高了5.2%和3.2%，彎曲強(qiáng)度分別提高了8.6%和6.7%。金剛石磨料在經(jīng)過外力沖擊后的表面仍粘結(jié)有大量的樹脂，金剛石對(duì)樹脂有著更好的親潤(rùn)性。表明KH550處理過后致使金剛石的表面惰性被得到了改善，磨料與樹脂的結(jié)合能力增強(qiáng)，導(dǎo)致磨料在磨削過程中不易脫落，從而使得機(jī)械性能與磨削性能均得到了提升。金剛石經(jīng)過鍍Ni處理后，表面鑲嵌有大量的樹脂，這是由于鍍Ni后的金剛石變得更加粗糙，樹脂與磨料的機(jī)械嚙齒力大幅度增加，提高了結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力，因而復(fù)合磨料的磨削比得到了較大幅度的提高在圖6中可以觀察到經(jīng)過處理的、晶型完整的金剛石顆粒被樹脂良好的結(jié)合在表面，出刃良好的金剛石磨料能極大提升砂帶對(duì)被加工材料的去除能力。

       4.2 微圖案結(jié)構(gòu)的打磨特點(diǎn)
       在金剛石顆粒的排列上，微圖案可以使金剛石顆粒更加均勻地分布在砂帶表面，從而提高砂帶的磨削效果和耐磨性。微圖案可以改變砂帶與工件之間的接觸方式，從而減小砂帶對(duì)工件的侵入深度，提高加工精度和加工表面質(zhì)量。圖7展示了不用金剛石粒度的砂帶制品，在圖中可以觀察到經(jīng)過壓花處理形成微圖案的砂帶表面，這些圖案由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的磨削單元組成，每一個(gè)磨削單元都有鱗片狀的金剛石/樹脂復(fù)合磨料組群覆蓋，形成獨(dú)特的磨削機(jī)制。此外，在磨削單元間隙中，留有充足的通道。在干磨削過程中，這些通道可以提高砂帶表面的容屑能力、促進(jìn)空氣的流通，提高磨削工具的散熱能力，保證砂帶的持久磨削能力，并防止工件過熱燒傷、應(yīng)力集中等問題。在濕磨過程中，這些通道可以促進(jìn)冷卻液的流通與貯存，使砂帶與工件的接觸過程中始終處在冷卻與潤(rùn)滑狀態(tài)，在超精密研磨中，微圖案結(jié)構(gòu)的樹脂結(jié)合劑金剛石砂帶能起到降低磨削溫度、提高加工質(zhì)量和延長(zhǎng)砂帶使用壽命的作用。

       4.3 工業(yè)機(jī)器人干拋光手機(jī)玻璃背板的磨削結(jié)果分析
       通過引入微圖案，微圖案的超精密金剛石砂帶在加工精度方面也取得了重要突破。微圖案可以有效控制金剛石顆粒的尺寸和分布，使砂帶具備更高的加工精度和穩(wěn)定性。此外，還可以通過優(yōu)化圖案的形狀和密度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工特性的進(jìn)一步調(diào)控。圖8展示了應(yīng)用微圖案的超精密金剛石砂帶對(duì)手機(jī)玻璃背板干拋結(jié)果，其中夾具為工業(yè)機(jī)器人。對(duì)手機(jī)玻璃背板進(jìn)行4次30秒的短加工結(jié)果，工件起始粗糙度197nm；粗拋階段玻璃背板表面粗糙度降低到122nm；半精拋階段粗糙度降低至39nm；精拋階段粗糙度降低至24nm；最后經(jīng)過光拋玻璃背板的表面粗糙度達(dá)到了8nm。經(jīng)過金剛石砂帶的打磨，使得玻璃表面質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，在降低其表面粗糙度的同時(shí)提高其表面光亮度，完成一道完整的打磨拋光工序。由上述結(jié)構(gòu)可以觀察出，陣列結(jié)構(gòu)磨具能夠在30s的短時(shí)間內(nèi)對(duì)工件表面材料進(jìn)行有效地去除。隨著磨損試驗(yàn)進(jìn)行，工件的碎屑易在金字塔結(jié)構(gòu)的粗糙平臺(tái)上造成黏附磨損進(jìn)而影響材料的去除效率，但有利于拋光效果的提升，并促進(jìn)磨拋一體化。

       5. 結(jié)論與展望

       具有微圖案結(jié)構(gòu)的樹脂金剛石砂帶，在磨削測(cè)試過程中表現(xiàn)突出，能在短時(shí)間內(nèi)將不銹鋼、微晶玻璃等難磨、硬脆材料表面粗糙度降至納米級(jí)別。其中，聚合物與超硬磨料組成的陣列磨削單元在磨削過程中發(fā)揮了良好的作用。不僅可以促進(jìn)切屑的排出和冷卻液的流動(dòng)，還能使金剛石砂帶可以保持持久的磨削能力。進(jìn)而，促使砂帶適應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)化打磨系統(tǒng)，提高零部件的加工效率與精度。
       基于微圖案的超精密金剛石砂帶是一項(xiàng)具有巨大潛力的研究領(lǐng)域。通過優(yōu)化微圖案的設(shè)計(jì)和加工工藝，可以顯著提高砂帶的磨削性能和加工精度。然而，目前仍存在一些挑戰(zhàn)，如圖案設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、加工工藝的穩(wěn)定性等。未來的研究應(yīng)關(guān)注這些方面：樹脂結(jié)合劑性能調(diào)控及其工藝特性優(yōu)化；超硬磨料表面處理及其與樹脂結(jié)合劑間的界面反應(yīng)；微圖案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分布調(diào)控；超硬制品的磨拋應(yīng)用性能檢驗(yàn)及數(shù)據(jù)反饋，并提出解決方案，以推動(dòng)微圖案的超精密金剛石砂帶技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
       作者：河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 彭進(jìn) 宋旭東