基于响应曲面法的YG8硬质合金刀片 化学机械抛光工艺参数优化

袁巨龙 毛美姣 李 敏等(

China Mechanical Engineering - - 中国机械工程 -

基于响应曲面法的YG8硬质合金刀片化学机械抛光工艺参数优化………………………………………

袁巨龙1,3 ,4 毛美姣1,2 李敏1,3 ,4 刘 舜2 吴 锋2 胡自化2 秦长江2 1.湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙, 410082

2. 湘潭大学复杂轨迹加工工艺及装备教育部工程研究中心,湘潭, 411105

3.浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,杭州, 310014

4. 湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室,湘潭, 411201

摘要:为了快速确定YG8前刀面抛光的最佳工艺参数,提高加工效率和精度,利用响应曲面法对YG8硬质合金刀片抛光工艺进行优化试验研究。通过单因素试验确定抛光转速、抛光压力、磨粒粒径和磨粒浓度的水平,并对4个工艺参数进行中心复合设计试验。建立了材料去除率RMR和表面粗糙度Ra的预测模型,基于响应曲面法优化工艺参数获得最佳工艺参数为抛光转速65.5 r/min、抛光压力156.7 kPa、磨粒粒径1.1 μm、磨粒浓度14%,此时得到了最小表面粗糙度预测值Ra= 0.019 μm,材料去除率RMR= 56.6 nm/min。试验结果表明,基于响应曲面法的材料去除率与表面粗糙度预测模型准确有效。

关键词:化学机械抛光;硬质合金刀片;工艺参数优化;响应曲面法

中图分类号: TG175

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.19.004 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

Optimization of CMP Processing Parameters for YG8 Cemented Carbide

Inserts Based on RSM

YUAN Julong1,3,4 MAO Meijiao1,2 LI Min1,3,4 LIU Shun2 WU Feng2 HU Zihua2 QIN Changjiang2 1.National Engineering Technology Research Center for High Efficiency Grinding Technology,

Hunan University,Changsha,410082

2.Engineering Research Center of Complex Tracks Processing Technology and Equipment of Ministry of

Education,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan,411105

3.Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology of Ministry of

Education,Hangzhou,310014

4.Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining for Difficult⁃to⁃Cut

Material,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan,Hunan,411201

Abstract: In order to determine the optimum processing parameters of YG8 rake face polishing quickly and improve the polishing efficiency and precision,the optimization tests of YG8 cemented car⁃ bide inserts polishing processes were studied by using RSM. The factor levels of polishing rotational speeds,polishing pressures,abrasive particle sizes and abrasive concentrations were determined by sin⁃ gle factor tests,and four processing parameters were tested by central composite design. The prediction models of material removal rate(MRR) RMR and surface roughness Ra were established. The processing parameters are optimized to obtain the optimum processing parameters when the polishing rotational speed is as 65.5 r / min,polishing pressure is as 156.7 kPa,abrasive particle size is as 1.1 μm and abra⁃ sive concentration is as 14% based on RSM. Meanwhile,the minimum surface roughness predicted value Ra= 0.019 μm and the MRR RMR= 56.6 nm / min are obtained. The test results show that the prediction models of MRR and surface roughness are accurate and effective based on RSM.

Key words: chemical mechanical polishing(CMP);cemented carbide insert;optimization of pro⁃ cessing parameter;response surface methodology(RSM)

0 引言收稿日期: 2018-04-24

基金项目:国家自然科学基金资助项目( 51605163);湖南省自然科学基

我国高速或超高速切削、精密模具制造、纳米金资助项目( 2017JJ4055);湖南省重点研发计划资助项目( 2016GK2014, 2017GK2050) 加工和微细加工快速发展,对刀具质量的高性能要

求日益苛刻 。在高速切削过程中,由于刀具的切

[] 1削区存在剧烈摩擦和高温高压作用,刀具表面粗糙度大的部位易磨损,会严重缩短了刀具寿命 ,

[] 2因此,提高硬质合金刀具的表面质量,改善切削过程中的摩擦状态,从而减缓刀具磨损是切削加工亟待解决的问题 。

[] 3金刚石砂轮磨削加工是目前硬质合金刀具最常用的加工方法,但金刚石砂轮磨削速度快,易导致刀片表面产生热变形、烧伤、裂纹等表面缺陷,极大地降低了刀片性能和缩短刀片寿命 。化学

[] 4⁃5

机械抛光( chemical mechanical polishing,CMP)是一种通过化学腐蚀和机械磨削相结合,从而使得表面达到平滑的工艺。已有学者对硬质合金刀片进行了CMP试验研究,结果表明,与金刚石砂轮磨削加工相比, CMP工艺磨削硬质合金刀片后的表面质量明显更好 。

[] 6⁃11确定合适的工艺参数、提高加工效率是CMP应用于硬质合金刀片规模化生产的关键因素。由于CMP过程涉及到摩擦学、化学和流体力学等学科领域,其作用机理非常复杂 ,导致获得最佳工

[] 12艺参数存在一定难度,且各工艺参数之间具有交互作用。响应曲面法( response surface methodol⁃ ogy,RSM)具有泛化能力强、预测精度高的优点,不仅能采用多元二次回归方程来描述自变量与响应值之间的函数关系,也能反映各变量之间的相互作用关系,因而采用RSM建立预测模型以及进行工艺参数优化不失为解决上述问题的一种有效方法 。但CMP过程中需要控制的工艺参数

[ 13⁃16 ]有许多,本文只能根据实际加工条件对部分关键影响因素展开讨论。

本文以YG8硬质合金刀片为研究对象,基于单因素试验选取抛光转速n、抛光压力p、磨粒粒径D和磨粒浓度(质量分数) C等4个关键工艺参数的优化区域为自变量的水平,采用中心复合设计( central composite design,CCD)方法设计YG8硬质合金刀片表面加工质量与4个主要工艺参数的试验方案,引入RSM进行方差分析,分别建立材料去除率 RMR( material removal rate,MRR)及CMP加工后刀片表面粗糙度值Ra与4个工艺参数的二阶预测模型,优化YG8硬质合金刀片CMP工艺参数,获取最佳工艺参数,从而实现了YG8硬质合金刀片CMP工艺的表面粗糙度最小化和MRR最大化的目标。

1 试验方法及材料特性

1.1 试验方法

化学机械抛光( CMP)工艺将纳米粒子的机械 研磨作用和抛光液的化学腐蚀作用有机结合起来 ,对工件表面进行超精密加工。YG8硬质合

[] 17

金刀片CMP加工试验原理如图1所示。 1.抛光盘 2.硬质合金刀片 3.夹具

4.抛光液输送装置 5.抛光垫

图1 试验原理图

Fig.1 Experimental principles

抛光盘1由抛光装置上的电机带动旋转轴实现旋转,抛光垫5通过背胶固定在抛光盘上同向旋转,抛光液由抛光液输送装置4控制,并以一定的流速施加到抛光垫表面,通过抛光垫的旋转将抛光液均匀地输送到抛光系统的加工区域,硬质合金刀片2由夹具3固定,并以一定的载荷将硬质合金刀片2压在旋转的抛光垫5上,跟随夹具3旋转。在YG8硬质合金刀片的CMP过程中,抛光液中的氧化剂H2O2将刀片表面氧化,在表面形成一层硬度低于工件硬度的钝化薄膜。抛光盘以一定的压力加载在夹具上,高速旋转时产生的高温使被抛光表面易发生变形,从而形成“加工变质层”,抛光液中游离的磨粒经过机械作用将加工变质层去除,使刀片表面重新裸露,从而再次发生氧化反应。由此,刀片在抛光液化学腐蚀和机械研磨的交替作用下,完成了对其表面的抛光。材料去除率计算方法如下:

109 ΔmΔt

RMR = ( 1)

ρA

式中, RMR为硬质合金刀片的材料去除率; Δm为CMP前后硬质合金刀片的质量差; ρ为硬质合金刀片的密度; A为硬质合金刀片与抛光垫接触的面积( YG8硬质合金刀片的表面面积为144.43 mm2);Δt为时间差,取Δt = 60 min。

刀片抛光前后的质量用精度为0.1 mg的电子秤测量。

抛光垫选用聚氨酯抛光垫(长沙欣辉电子科技有限公司),采用自制的抛光液,主要成分有磨料粒子、腐蚀介质和助剂。抛光液以1 000 mL去离子水为基液,取0.5 g分散剂聚羧酸钠溶解于去离子水中,抛光液的磨粒选用莫氏硬度为9 的Al2O3,搅拌均匀后,在100 kHz下超声分散0.5 h,同时将30%的H2O2稀释至与磨粒相同的质量分数,加入

抛光液中作为氧化剂,抛光时间为60 min,采用超声波工艺对抛光刀片进行抛光后清洗处理。采用型号为JB⁃IC的表面粗糙度测试仪(上海泰明光学仪器有限公司)测量工件的表面粗糙度。

1.2 材料特性

选用在金属加工中使用广泛且强度高、抗弯性能和抗冲击抗震性好的YG8硬质合金刀片(株洲钻石切削刀具股份有限公司)作为研究对象,其物理性能见表1。

表1 YG8硬质合金刀片物理性能

Tab.1 Physical properties of YG8 cemented

carbide inserts

2 材料去除率与表面粗糙度预测模型的建立

2.1 工艺参数水平的确定

选取抛光转速、抛光压力、磨粒粒径和磨粒浓度4个关键工艺参数为自变量,通过单因素试验确定自变量的设计域。其他工艺参数不变的条件下,抛光转速、抛光压力、磨粒粒径和磨粒浓度对材料去除率RMR和表面粗糙度Ra的影响试验结果见图2~图5。从图2~图5中可以看出, 4个工艺参

图2 磨粒粒径对RMR和Ra的影响

Fig.2 Influence of abrasive particle size on RMR and Ra

图3 磨粒浓度对RMR和Ra的影响

Fig.3 Influence of abrasive concentration on

RMR and Ra

图4 抛光转速对RMR和Ra的影响Fig.4 Influence of polishing rotational speed on

RMR and Ra

图5 抛光压力对RMR和Ra的影响

Fig.5 Influence of polishing pressure on RMR and Ra数对加工效率和加工精度的影响都是显著的,各工艺参数的较优区间如下:磨粒粒径D为1~3 μm,磨粒浓度(质量分数) C为10%~15%,抛光转速n为50~70 r/min,抛光压力p为155.25~258.75 kPa。2.2 中心复合设计试验方案与结果

在估计响应曲面时,中心复合设计( CCD)是认可度和应用度最高的试验设计方法,既能评估线性项和交互项,也能估计高阶曲面效应,又能以最少的试验循环次数提供自变量和误差最有效的数据 。根据图2~图 5的试验结果,采用CCD试

[] 18

验,每个工艺参数选取-1、0和1三个水平,表2列出了CCD试验的4个自变量及其各自的三个水平。

表2 CCD试验因素和水平

Tab.2 CCD experimental parameters and levels

表3所示为CCD试验方案及材料去除率RMR和表面粗糙度Ra结果。为减小试验误差,每组试验同时抛光3块刀片,每块刀片随机测量3个点的Ra,再将3块刀片的9个测量值求平均作为每组试验抛光后的Ra有效值, 3块刀片测量后计算得到RMR的平均值作为试验的RMR有效值, RMR用式( 1)进行计算。

C = 10% D = 2 μm p = 207 kPa

C = 10% n = 60 r/min D = 2 μm

C = 10% n = 60 r/min p = 207 kPa

D = 2 μm n = 60 r/min p = 207 kPa

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