尹韶辉教授分享《应用金刚石微粉砂轮的超精密磨粒加工技术 》

硬脆材料超精密加工难题

我国拥有世界最大的智能手机、半导体、 LED照明市场，已成为保持经济持续增长实现“中国梦”的重要支柱，航空航天更是我国最重要的尖端高科产业。

蓝宝石晶片 硅晶片 光学玻璃镜片等硬脆材料元件在这些产业中的应用呈现爆发式增长。 

蓝宝石广泛应用于智能手机盖板。2017年全球智能手机出货已达到15.5亿部。

它还是LED芯片衬底的核心基础材料，占LED衬底的80%。而我国LED产业规模已达到7千亿元;

硅片是半导体芯片最重要的基材，占衬底材料的90%。全球半导体产业规模已达2.8万亿元。

而光学玻璃材料广泛应用于航空航天反射镜及各种民用光学镜头。

硬脆材料光电元件的应用十分广阔，而且对加工精度及效率的要求越来越高。

 蓝宝石晶片及硅晶片制造依赖最典型的三大关键工艺:减薄磨削 抛光和划切 。

磨抛要求高效率地获得亚微米级面型精度， 纳米级表面粗糙度， 无损伤的表面。

而划切需要实现高效率、高精度、自动化，但我国磨抛划切装备难以满足这些要求绝大部分依赖进口。

半导体产业中该类加工装备的国产化率不到10%， 因此如何实现硬脆材料的超精密镜面磨削、高效率超光滑抛光 、全自动高精高效划切成为产业界亟待解决的难题。

超精密加工技术

超精密加工技术是的必要手段，在大规模集成电路、高能激光系统、光刻机等卡脖子技术都有着十分广泛的应用。

现阶段，超精密加工还没有统一的定义，技术指标并非固定不变，而是与时俱进的，随着最新科技成果的不断应用，加工精度和表面质量的要求也不断提高。

一般定义为形状尺寸精度可达到0.01 m、表面粗糙度可达到0.001 m（即1nm）的机械加工技术，它是现代高科技工业的基础和关键技术，是现代制造科学领域中最重要的发展方向和研究前沿之一，也是国防事业的重要支撑技术，几乎所有的现代科学研究所用的实验设备和仪器的制造都与之密切相关。

当前，纳米级的制造技术是超精密加工研究的前沿，备受各发达国家关注，逐步成为研究热点。

在超精密磨削中，砂轮的磨削性能对磨削过程和结果都有直接的影响，砂轮的磨削性能影响因素众多，砂轮自身的质量指标，表面形貌、硬度、尺寸精度、砂轮的组织、结合剂和回转强度等；

磨削工艺参数，包括砂轮的线速度、工件的速度、切削深度、进给速率和磨削液等；

加工机床的精度，加工环境等对磨削性能都有影响。

如此多的影响因素，用哪些指标来表示砂轮的磨削性能，是学者和企业家们关心的问题，这对指导实际生产有重要作用。

金刚石微粉砂轮

金刚石砂轮是以金刚石磨料为原料，以金属粉、树脂粉、陶瓷和电镀金属作结合剂制成的固结磨具，是磨削硬脆材料的一种有效的超硬磨料精密加工方法。

它磨削能力强、耐磨性好、使用寿命长，磨削力小、磨削温度低、表面无烧伤、无裂纹和组织变化，加工表面质量好，且磨削效率高，因此近年来得到广泛应用，但在几何形状精度和表面粗糙度上很难满足超精密加工的更高要求，因此提出了金刚石微粉砂轮超精密磨削加工方法。

按我国国家标准规定，磨粒直径在50μm以下称为微粉。

金刚石微粉砂轮一般是以粒度为w40-w5的金刚石微粉为磨料，采用树脂、陶瓷、金属如铜、纤维铸铁等为结合剂烧结而成，其特点如下:

(1) 金刚石微粉砂轮由于其微粉磨料的粒度很细，可以获得极低的表面粗糙度，同时在精密磨床或超精密磨床上磨削可获得很高的磨削精度，是一种比较理想的微纳米超精密加工方法。

(2) 金刚石微粉砂轮超精密磨削是一种固结磨料的微量去除加工方法，具有一般磨削的特点，可方便地磨削外圆、孔、平面和成形等表面，加工效率高，加工质量好，极具发展前途。

(3) 金刚石微粉砂轮由于磨料粒度很细，容屑空间很小，磨屑容易堵塞，因此，除一般修整外，尚要进行在线修整，才能保证磨削的正常进行和加工质量。本来，超硬磨料砂轮的修整就是一个难题，因此，金刚石微粉砂轮的修整是一项关键技术。

(4) 由于金刚石微粉砂轮的容屑空间很小，因此要严格控制磨削时的磨削深度，磨削加工应在精密磨床或超精密磨床上进行，机床上应有微进给系统。

传统的用游离磨料进行精密加工和超精密加工方法，如研磨、抛光等，其加工机理主要是磨粒的滚动和挤压作用使被加工表面产生塑性变形和塑性流动，同时有磨粒的微切作用，总的可归结为延展式磨削。

金刚石微粉砂轮超精密磨削时，主要是微切削作用，在切削过程中有切屑形成、耕犁隆起、滑擦滑动和摩擦等现象产生，这是由于磨粒具有很大的负前角和切削刃钝圆半径又由于是微粉磨粒，因此具有微刃性同时，又由于砂轮经过精细修整，磨粒在砂轮表面上具很好的等高性，因此其切削机理比较复杂。

另外，超精密加工精度往往达纳米量级，用金刚石颗粒制作的砂轮进行磨削达到这样的精度，其难度可想而知。因此，“看清”磨削过程，搞清楚磨削过程中金刚石磨粒对工件材料的作用以及工件表面的微观变化等至关重要。

尹韶辉教授

湖南大学教授

湖南大学无锡半导体先进制造创新中心主任

应用金刚石微粉砂轮的超精密磨粒加工技术

本报告主要围绕碳化钨 蓝宝石 碳化硅等硬脆材料的纳米精度制造介绍应用金刚石微粉砂轮的超精密磨粒加工技术。

嘉宾介绍

尹韶辉，湖南大学教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，岳麓学者，留日工学博士。现任湖南大学无锡半导体先进制造创新中心主任，湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心副主任，机械与运载工程学院学术委员会副主任，湖南大学无锡半导体先进制造创新中心主任。兼任中日超精密加工国际会议（CJUMP）理事会副理事长，国际磨粒技术学会（ICAT）委员、中国机械工程学会生产工程分会委员会常务委员、湖南省人民政府学位委员会学科评议组成员，湖南省侨联特聘专家，担任《湖南大学学报》、《金刚石与磨料磨具工程》、《表面技术》、《机械与电子》编委。担任多个企业技术顾问，多项科技成果在产业界应用。

研究方向为超精密加工及微纳制造、半导体加工工艺与装备、非球面光学纳米精度制造工艺与装备等。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、国家04科技重大专项等项目40多项。发表学术论文260余篇，担任国际会议共主席4次，作大会特邀报告50多次，授权专利40多项，作为第一完成人荣获湖南省科技进步奖一等奖及中国机械工业科学技术奖一等奖。

参考文献：

1、《金刚石微粉砂轮超精密磨削技术》

2、《砂轮修整技术的发展 》

3、《光学玻璃超精密抛光加工中材料去除机理研究综述 》，doi:10.3788/CJL202148.0401014

4、《细粒度金刚石砂轮超精密磨削硅片的表面质量 》，

https://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1294.TH.20211022.1717.024.html

5、《超精密磨粒加工新发展及应用 》，DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2020.13.045

6、树脂基金刚石微粉砂轮修整及磨削性能实验研究

7、超精密加工表面创成机理研究