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0 前言
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抛光作为一种超精密加工技术，在精密机械零件、精密模具、半导体晶圆、计算机硬盘、微机电系统、光学元件加工等领域得到了广泛的应用[1]。而抛光垫是抛光加工过程重要部件之一，具有储存、运输抛光液，带走抛光切屑，传递载荷，维持加工过程中机械运动平稳，抛光环境稳定性、均匀性的作用[2]。抛光垫在使用时浸泡在抛光液中，并与工件和磨粒发生相对运动，使得抛光垫表面容易出现磨损、釉化等现象，导致抛光性能下降。
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抛光垫性能主要受到材质、表面纹理及结构等因素影响。为了获得高性能、高稳定的抛光垫，研究者对此进行了大量研究。龚凯等[3-4]采用阻尼布、无纺布和聚氨酯三种材质的抛光垫对 GaN 进行抛光，发现利用无纺布的 MRR 最大，但容易在工件表面产生划痕，聚氨酯抛光垫的抛光效果最好。毛美姣等[5]采用 9 种不同材质的抛光垫对 YG8 硬质合金进行抛光试验，其中只有 5 种材质的抛光垫较适合 YG8 抛光加工，细帆布抛光垫的 MRR 最高为 47.1 nm / min；抛光 80 min 后，获得 Ra 为 3.9 nm 的超光滑表面。HU 等[6]制备了一种磁流变弹性体抛光垫对单晶 SiC 进行抛光，在磁场作用下，抛光 MRR 从 706.3 nm / h 增加到 835.3 nm / h，Ra 从 19.92 nm 减小到 3.62 nm。LU 等[7-10]研制了一种溶胶-凝胶半固结磨料抛光垫对蓝宝石、金刚石、SiC 等材料进行抛光，均获得优于普通抛光垫的抛光效果。TSAI 等[11-13]制备了一种无孔聚氨酯石墨浸渍抛光垫，相比于普通聚氨酯抛光垫，MRR 更高且磨损率更低。并将 Fe 和 Al2O3 颗粒浸渍在抛光垫中，形成固结颗粒，利用 Fe 与抛光液中 H2O2 发生芬顿反应对 SiC 进行 CMP 抛光，与传统抛光垫相比，该抛光垫 MRR 提高 73%。ZHOU 等[14]向抛光垫表面喷涂改性 TiO2 光催化剂，利用光催化反应提高 SiC 化学机械抛光过程中的化学作用能够有效提高 MRR 并获得具有原子台阶结构的超光滑 SiC 表面。
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为了更好地储存和运输抛光液，通常会在抛光表面设计一些表面纹理，其中表面纹理深度在 1～2 mm，宽度在 2～5 mm[1]。在对于抛光垫表面纹理结构方面，HONG 等[15]对比了同心圆表面纹理和同心圆加径向复合表面纹理对抛光垫性能影响，结果显示，复合纹理抛光垫上抛光液分布更加均匀，高转速配合复合纹理能使 MRR 和非均匀性分别提高 11.2%和 63.9%。LI 等[16]通过流体动力学分析设计出一种槽深 1.5 mm、槽宽 2 mm 的螺旋状表面纹理，能够使抛光垫上流体分布更加均匀，径向速度波动更小，并利用该抛光垫获得 Ra 为 0.251 nm 的超光滑表面。HAN 等[17]研究抛光垫表面粗糙度对 MRR 的影响，当抛光垫 Ra 大于 7 μm 时，MRR 仅为 20 nm / min；小于 7 μm 时，MRR 高达 200 nm / min。
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本文采用 3 种抛光垫（无表面结构抛光垫、无固结磨料表面微细结构抛光垫、固结磨料表面微细结构抛光垫）对不同硬度的工件（YG15 硬质合金、单晶 Si、单晶 4H-SiC）进行抛光试验，分析抛光垫硬度、表面微细结构、固结磨料和游离磨料对不同硬度工件抛光效果的影响规律和作用机理，为不同材料的机械抛光工艺选择提供试验支持和理论基础。
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1 试验
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1.1 试验材料与设备
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试验使用如图1 所示的 3 种抛光垫，分别为无表面结构抛光垫（P1）、无固结磨料表面微细结构抛光垫（P2）和固结磨料表面微细结构抛光垫（P3）。
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图1 抛光垫使用前表面形貌
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Fig.1 Surface morphology of polishing pad before use
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其中，P1 抛光垫为购买的聚氨酯抛光垫，孔隙直径在 200～800 μm（图1a），内部无填充磨料；P2和 P3 为自制抛光垫，材料为环氧树脂，在成形过程中用六边形压头在抛光垫表面压制出如图1b、1c 所示的表面微细结构，表面微细结构的尺寸如图2 所示，六边形边长为 1 300 μm 左右，深度为 500 μm 左右，每个六边形之间的间距为 120 μm。P2 和 P3 抛光垫的材质和表面微细结构一致，但 P3 抛光垫在制备过程中，在环氧树脂中混合有粒径为 40 μm 的金刚石磨料，冷却凝固后磨料被固结于抛光垫内 （图1c）。
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图2 自制抛光垫表面微细结构尺寸
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Fig.2 Self-made polishing pad surface microstructure size
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试验工件分别选用 YG15 硬质合金、单晶 Si 和单晶 4H-SiC。YG15 的硬度为 89 HRA，对应的莫氏硬度为 5～5.2，单晶 Si 和单晶 4H-SiC 为脆性材料，莫氏硬度分别为 7 和 9.2。Si 和 4H-SiC 选用 2 英寸（ 50.8 mm）圆形晶片，为了使得各工件与抛光垫的接触面积一致，YG15 的尺寸为 45 mm×45 mm×2 mm。3 种工件抛光前都经过研磨处理，保证表面波峰-波谷差值（Rt）相近，便于抛光时材料去除余量相近。3 种工件初始表面形貌如图3 所示。其中 Si 工件表面 Ra 和 Rt 略大一些，分别为 550 nm 和 2.34 μm 左右（图3 b）； 而 YG15 和 4H-SiC 的 C 面经过铸铁研磨盘研磨，在表面上存在较多研磨划痕。但表面 Ra 与 Rt 略小一些。表面 Ra 分别为 165 nm 和 245 nm，Rt 分别为 1.63 μm 和 1.37 μm（图3a、3c）。
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图3 工件加工前表面形貌和划痕轮廓
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Fig.3 Surface morphology and scratch profile of workpiece before machining
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抛光试验在 KD15BX 精密平面研磨机上进行，加工原理和设备如图4 所示。抛光垫粘贴于抛光盘上，工件通过石蜡粘贴在陶瓷工件盘上，再放置于修整环内并通过配重块控制抛光压力。旋转的抛光盘和挡勾的相互作用，使得陶瓷工件盘和修整环自转，磨料与工件表面相对运动实现工件表面材料的去除。加工时 3 个工件均匀粘贴于陶瓷工件盘上，测量时取 3 个工件样品的平均值。
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图4 试验设备及加工原理
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Fig.4 Experimental equipment and processing principle
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1.2 试验设计
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试验分别探究 3 种抛光垫对不同材质工件抛光效果的影响，试验参数见表1、2。由于 P3 抛光垫中含有粒径为 40 μm 的固结金刚石磨料，为了探究磨料形式对抛光效果的影响，使用 P3抛光垫在有、无游离磨料的条件下分别对不同材质的工件进行抛光。其中无游离磨料时抛光液为去离子水，用于冷却和带走加工切屑；有游离磨料时抛光液为 1 μm 金刚石磨料以 1 wt.%的浓度和去离子水混合。单次抛光时间为 20 min，保证抛光平均材料去除量大于加工前表面 Rt 值，避免加工后 Ra 受到加工前表面形貌的影响。
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1.3 检测方法
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3 种抛光垫采用邵氏硬度计（LX-A）测量表面硬度。测量时须避开抛光垫表面的孔隙或表面微细结构，各抛光垫表面随机测量 20 次后再取平均值。工件抛光后采用称重法计算抛光 MRR，计算方法如式 1 所示，称重采用精度为 0.1 mg 的天平（Mettler Toledo-GB204）。抛光后工件和抛光垫采用激光共聚焦显微镜（OLS4000）观察表面形貌。Ra 与 Rt 采用白光干涉仪（Bruker Contour GT-X）测量，测量时取样大小为 120 μm×96 μm，每个工件抛光后表面取 9 个测量点，同组试验中 3 个工件共取 27 个测量点，然后再取平均值，工件表面测量位置如图5 所示。
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式中，MRR 为材料去除率，μm / min；Δm 为工件前后的质量差（mg）；ρ 为工件密度，YG15 硬质合金密度为 13.9 g / cm3，单晶 Si 密度为 2.35 g / cm3，单晶 4H-SiC 密度为 3.20 g / cm3；t 为抛光工时间， min；S 为工件抛光面的面积（mm2）。
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图5 抛光后检测取样方式
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Fig.5 Post-polishing inspection sampling method
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2 试验结果与分析
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2.1 不同抛光垫表面硬度
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无表面结构抛光垫（P1）和自制的表面微细结构抛光垫（P2、P3）存在材质差异，导致表面硬度存在差异。不同抛光垫表面硬度如图6 所示。可以看到，由聚氨酯制成的无表面结构抛光垫（P1）表面硬度低于 50 HA，而由环氧树脂制成的表面微细结构抛光垫（P2、P3）表面硬度高达 90 HA，这是由于环氧树脂的硬度大于聚氨酯。
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对比同为环氧树脂制成的表面微细结构抛光垫 （P2、P3），发现 P3 抛光垫的表面硬度略大于 P2 抛光垫。分析原因是：
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（1）金刚石磨料固结于环氧树脂内，在环氧树脂内部形成类似于“骨架”的结构，使得表面硬度增加。
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（2）由于金刚石磨料硬度大，在使用邵氏硬度计测量时，硬度计探针可能作用于金刚石表面，导致表面平均硬度增加，同时测量探针的位置是随机选择的，使得多次测量值的标准差也较大。
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图6 不同抛光垫表面硬度
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Fig.6 Different polishing pad surface hardness
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2.2 不同抛光垫对YG15硬质合金抛光效果的影响
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YG15 硬质合金相对于一般金属材料，硬度较大，脆性较强。但相对于半导体晶圆等非金属脆性材料而言，硬度相对较小，塑性较大。不同抛光垫对 YG15 硬质合金抛光效果如图7 所示。可以发现，固结磨料能够有效提高抛光 MRR，使用 P3 抛光垫的 MRR 最高为 3.67 μm / min，分别是 P1、P2抛光垫的 5.2、12 倍，但抛光后工件 Ra 也远高于其他两种抛光垫。对比无固结磨料 P1、P2 两种抛光垫的 MRR，P2 抛光垫虽然硬度更高（图6），但 MRR 反而更低，仅为 P1 抛光垫的 44%，并且抛光后工件 Ra 也高于 P1抛光垫。
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图7 不同抛光垫对 YG15 硬质合金的抛光效果
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Fig.7 Polishing effect of different polishing pads on YG15 cemented carbide
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分析原因是：P3 抛光垫内固结的金刚石磨料粒径较大（40 μm），远大于抛光液中的游离磨料 （1 μm），加工过程中主要以固结磨料材料去除为主。由于硬质合金的硬度远小于金刚石，固结金刚石磨料容易切入硬质合金材料内，并且固结磨料在抛光加工过程中能够提供较大的剪切力，快速地将工件表面材料去除。大粒径磨料也会在工件表面留下较大的表面划痕，导致抛光后工件 Ra 很大；而对于无固结磨料的抛光垫，工件表面材料去除依靠游离磨料的作用。一般情况下，抛光垫表面硬度越高，抛光 MRR 越大，但对于 P2 抛光垫而言，由于表面微细结构的存在，导致工件与抛光垫实际加工区域较小，抛光 MRR 较低。
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根据抛光垫的 MRR 和抛光时间计算出工件表面的平均材料去除深度均超过 6 μm，远大于工件抛光前 Rt 值，确保抛光加工过程具有足够材料去除量。不同抛光垫对 YG15 硬质合金抛光后表面形貌如图8 所示，抛光后工件 Ra 大幅下降。其中 P1抛光垫抛光后工件 Ra 最低，表面光滑平整，无明显划痕（图8a）；P2 抛光垫抛光后工件表面存在少量划痕（图8b），这些划痕可能是游离磨料在六边形结构中发生团聚后形成的大颗粒在工件表面划擦造成的；P3 抛光垫抛光后工件表面划痕较多（图8c）， Ra 大约是 P2 抛光垫的 4 倍。两种表面微细结构抛光垫（P2、P3）抛光后工件表面划痕尺寸相近，并未受到固结磨料尺寸影响。
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图8 YG15 硬质合金抛光后表面形貌
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Fig.8 Surface morphology of YG15 cemented carbide after polishing
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2.3 不同抛光垫对单晶 Si 抛光效果的影响
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各抛光垫对 Si 抛光效果如图9 所示。由于 Si 的硬度大于 YG15，各抛光垫加工 Si 的 MRR 远低于 YG15，但 MRR 的变化规律一致。即 P3 抛光垫的 MRR 最高，为 1.41 μm / min，分别为 P1、P2 抛光垫的 9.6、5.9 倍，同时抛光后工件表面 Ra 也远高于其它抛光垫。 P2 抛光垫的 MRR 最低，为 0.15 μm / min，是 P1 抛光垫的 63%，而相比于 YG15 工件，该比例由 44%增大到 63%。
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图9 不同抛光垫对 Si 的抛光效果
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Fig.9 Polishing effect of different polishing pads on Si
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不同抛光垫对 Si 抛光后表面形貌如图10 所示。使用 P1 抛光垫抛光后工件 Ra 最低为 5.7 nm，但在工件表面上存有一些细小的划痕（图10a）；P2抛光垫抛光后表面不仅存在细小划痕，还存在较多的凹坑（图10 b），Ra 为 6.5 nm；而使用 P3 抛光垫抛光后表面较为粗糙且存在很多划痕，Ra 为 103 nm，其中部分较大划痕呈现“断点”状（图10c）。各抛光垫对 Si 抛光 20 min 后工件表面的平均材料去除深度分别为 4.8、3.0、28.2 μm，而抛光前 Si 表面 Rt 为 2.34 μm 左右。P1、P3 抛光垫的平均材料去除深度远大于工件抛光前 Rt 值，能够保证抛光前表面形貌被完全去除，而 P2抛光垫的平均材料去除深度略大于抛光前工件表面 Rt 值，可能存在某些不能完全去除的表面凹坑，因此抛光后 Si 表面的凹坑并非抛光过程形成，而是抛光前的凹坑未被完全去除，导致 Ra 略大于 P1 抛光垫。对于 P3 抛光垫，由于固结磨料粒径较大，抛光加工过程中单颗磨料的切入深度可能会大于 Si 材料塑-脆转化的临界切削深度，材料为脆性去除，导致抛光后工件表面部分划痕较大且呈现“断点”状。
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图10 Si 抛光后表面形貌
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Fig.10 Surface morphology of Si after polishing
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2.4 不同抛光垫对 4H-SiC 抛光效果的影响
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不同抛光垫对 SiC 的抛光效果如图11 所示。各抛光垫对 SiC 抛光 MRR 与 Ra 的影响规律与其他两种工件一致，P3 抛光垫的 MRR 和 Ra 最大，P1、P2 抛光垫的 MRR 的差异极小，P2 抛光垫的 MRR 为 P1 抛光垫的 96%。该值远大于 YG15 工件（44%）和 Si 工件（63%）。这是由于 SiC 材料硬度更大，抛光垫表面硬度对抛光 MRR 的影响作用更大，P2 抛光垫表面硬度较大，能较好的弥补表面微细结构导致抛光实际接触面积减小造成的抛光 MRR 下降。
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图11 不同抛光垫对 4H-SiC 的抛光效果
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Fig.11 Polishing effect of different polishing pads on 4H-SiC
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不同抛光垫对 4H-SiC 抛光后表面形貌如图12所示。P1 抛光垫抛光后 Ra 最低为 5.8 nm，表面光滑无划痕，但存在一些细小的凹坑（图12a）；P2 抛光垫抛光后表面存在一些划痕，这些划痕既有细小光滑的塑性划痕，也有呈现“断点”状的脆性划痕（图12b）；P3 抛光垫抛光后表面存在大量划痕，但并未出现如图10c 所示的宽度较大的脆性划痕 （图12c）。
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各抛光垫对 4H-SiC 抛光 20 min 后工件表面平均材料去除深度分别为 2.14、2.06、21.56 μm，而 SiC 抛光前 Rt 为 1.37 μm 左右。对于 P3抛光垫而言，其平均材料去除深度远大于抛光前表面 Rt，能够保证工件表面原始形貌被去除。但由于 4H-SiC 硬度远高于 Si，固结磨料的切入深度明显变小，难以在工件表面形成如图10c 所示尺寸较大的脆性划痕。对于 P1、P2 抛光垫，抛光平均材料去除深度略大于抛光前工件表面 Rt，难以保证工件表面原有形貌被完全去除。因此在 P1 抛光垫抛光后会由于原始表面深坑未被完全去除而留下微小凹坑，并且这些微小凹坑呈直线分布，应该是原始表面某条较深划痕未被完全去除（图12a）。而 P2 抛光垫的平均材料去除深度比 P1 抛光垫小 80 nm，导致原始表面深划痕更难被完全去除，在表面留下较多深度不大的脆性划痕，同时由于 P2 抛光垫硬度较大，容易产生脆性划痕 （图12b）。
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图12 4H-SiC 抛光后表面形貌
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Fig.12 Surface morphology of 4H-SiC after polishing
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2.5 游离磨料对抛光效果的影响
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使用 P3 抛光垫加工时，抛光液中的游离磨料和抛光垫表面固结磨料共同作用工件表面。为了探究游离磨料在抛光加工中的作用，分别采用含磨料和不含磨料的抛光液对 3 种工件进行抛光试验，抛光效果如图13 所示。P3抛光垫在有、无游离磨料的条件下，抛光 MRR 随着工件硬度变大而减小，Ra 随着工件硬度增加而减小，而且在有游离磨料的条件下 Ra 会更低。对于 YG15 材料，使用游离磨料的抛光 MRR 低于无游离磨料，而对于 Si 和 4H-SiC 材料，使用游离磨料的抛光 MRR 高于无游离磨料，即游离磨料可以抑制 YG15 的材料去除，但可以促进 Si 和 4H-SiC 的材料去除。同时可以发现，随着工件硬度变大，两种条件下的 MRR 和 Ra 差距逐渐减小。有、无游离磨料抛光后表面形貌如图14 所示，同一材料的工件在无游离磨料条件下抛光后表面划痕尺寸相对较大，这些大尺寸的划痕导致抛光后表面 Ra 明显上升。
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图13 工件在有、无游离磨料下抛光效果
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Fig.13 Polishing effect of workpiece with and without free abrasive
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图14 工件在有、无游离磨料下抛光后表面形貌
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Fig.14 Surface morphology of workpiece after polishing with and without free abrasives
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3 讨论
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3.1 抛光垫表面微细结构作用机理
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抛光垫在使用过程中会和磨料、工件表面相互摩擦，导致磨损。各抛光垫使用后表面形貌如图15 所示。P1 抛光垫使用后整个表面都被磨损，表面微孔隙内都填充了游离磨料或磨屑（图15a），这些颗粒会在抛光垫的孔隙中团聚，形成大颗粒，导致抛光工件表面产生划痕。而含有表面微细结构的抛光垫（P2、P3）只有六边形微细结构边缘被磨损（图15b、15c），而其他部位并未见明显的磨损痕迹。这说明具有表面微细结构的抛光垫在实际抛光加工过程中，抛光垫和工件的实际接触面积较小。同时，在 P2 抛光垫的表面微细结构底部能够观察到游离磨料沉积现象，但在 P3 抛光垫表面却未观察到游离磨料沉积。这可能是由于 P3 抛光垫表面固结的磨料尺寸较大，表面较为粗糙，游离磨料沉积在底部后容易被超声清洗去除，致使 P3 抛光垫表面微细结构的底部未见到明显磨料沉积现象。
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图15 抛光垫使用 2 h 后表面形貌
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Fig.15 Surface morphology of polishing pads after 2 h of use
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在抛光过程中，不是所有磨料能够有效地去除工件表面材料，如 P1抛光垫微孔内的磨料和 P2、P3 抛光垫表面微细结构底部的磨料大多数不参与抛光材料去除。即使磨料位于抛光垫和工件的接触区域，根据抛光垫-磨料-工件的接触形式也可以分为如图16 所示的非接触状态、部分接触状态和完全接触状态[18]。
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图16 单颗磨粒的工件-磨粒-抛光垫接触状态
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Fig.16 Single abrasive workpiece-abrasive-polishing pad contact state
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3.1.1 非接触状态
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非接触状态时抛光垫表面不与工件表面接触，抛光载荷全部由磨粒承担，单颗磨粒的受力 Fw与抛光载荷 F 的关系为（图16a）：
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式中，Hw为工件表面的硬度，D 为磨料的平均直径，联立式（1）、（2）可得：
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由式（4）可知，磨粒切削深度 hw 与抛光压力 F 成正比，与有效磨粒数 Ns、磨粒粒径 D 和工件硬度 Hw成反比。
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3.1.2 部分接触状态
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部分接触状态下抛光垫表面的部分微凸峰与工件表面接触，抛光垫的变形量增大，抛光载荷由磨粒和抛光垫的微凸峰共同承担，其抛光垫承受的载荷为 Fp，由于磨粒硬度远大于抛光垫和工件，忽略磨粒变形，磨粒切削深度 hw和磨粒压入抛光垫表面的深度 hp 与磨粒粒径 D 有关（图16b）：
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由弹塑性接触力学理论可得抛光垫和磨粒之间的弹性接触力 Fp为：
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式中，Ep 为抛光垫的弹性模量。可以得到在部分接触状态下的磨粒切削深度hw关系为：
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由式（7）可知，磨粒切削深度 hw 不仅与磨粒粒径 D 和抛光垫的弹性模量 Ep 有关，还与工件硬度 Hw 有关。
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3.1.3 完全接触状态
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完全接触状态下磨粒已经完全被压入抛光垫中，抛光垫表面的法向变形进一步加大，可将磨粒和抛光垫看成一个整体来承担抛光载荷，磨粒的受力 Fw为（图16c）：
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式中，Ap 为抛光垫与工件的实际接触面积。由式（3） 和（7）可得在此状态下的磨粒切削深度 hw为：
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由式（9）可以看出，磨粒切削深度 hw 和工件的实际接触面积 Ap 和工件硬度 Hw成反比。
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在实际抛光加工过程中，磨粒切削深度 hw是影响抛光效率和表面质量的关键。然而无论抛光垫磨粒工件处于何种接触状态，磨料粒径 D、抛光垫实际接触面积 Ap、工件硬度Hw 和抛光垫硬度都是影响磨料切削深度 hw的重要因素。
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各抛光垫对抛光效果作用机理如图17 所示。表面微细结构影响了抛光过程中抛光垫与工件的实际接触面积 Ap。同时，微细结构尺寸相对磨料尺寸而言要大很多，导致大多数磨料沉积于表面微细结构的底部，有效磨料 Ns 大幅度减小进而降低抛光效率，导致 P1抛光垫的 MRR 大于 P2 抛光垫（图7、9、 11）。但具有表面微细结构的抛光垫（P2、P3）硬度较高，能够减小磨料切入抛光垫内的深度 hp，进而能够增加磨料切入工件的深度 hp（式（5）），提高抛光 MRR。随着工件硬度的变大，磨料更难切入到工件的内部，此时抛光垫的硬度对磨料切入工件的深度 hw的影响逐渐增大，能够更好地弥补抛光垫表面微细结构导致有效磨料 Ns 大幅度减小而造成 MRR 下降，进一步使得 P1、P2 抛光垫的 MRR 随着工件硬度的增大而更加接近（见图7、9、11）。对于 P3 抛光垫，固结大颗粒磨料增大了抛光垫与工件表面的间距（图17c），有效地减少了抛光垫与工件表面的接触，增大固结磨料承受的载荷，进而增加磨粒切削深度 hw，固结的磨料同时也能为工件表面材料去除提供有效的剪切力，工件表面材料能够被快速去除，抛光 MRR 远大于 P1、P2 抛光垫，但大磨粒也会在工件表面留下尺寸较大的划痕（见图14b、 14d、14f），导致 Ra 较大。
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图17 抛光垫表面微细结构作用机理
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Fig.17 Action mechanism of polishing pad surface structure
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3.2 游离磨料作用机理
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使用固结磨料表面微细结构抛光垫（P3）加工时，抛光液中的游离磨料能够有效降低工件表面 Ra，同时也能够影响不同硬度工件抛光 MRR 的变化规律（见图13）。其作用机理如图18 所示，在无游离磨料时，粒径较大的固结磨料划过工件表面，留下尺寸较大的划痕。但添加游离磨料后，较小游离磨料围绕于固结磨料周边，这些游离磨料切入工件深度较小，材料去除能力较低，但能微量去除固结磨料在表面留下深划痕周围的材料（图18a），使得工件表面划痕尺寸更小（见图14），抛光后 Ra 更小。
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图18 加工过程中游离磨料作用机理
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Fig.18 Action mechanism of free abrasive during machining
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对于不同硬度的工件而言，游离磨料对抛光 MRR 的影响存在较大差异。当工件硬度较小时，固结磨料更容易切入工件内部，导致抛光垫与工件表面距离（Δh）较小。添加游离磨料以后，游离磨料能够承担一部分抛光载荷，从而减小固结磨料的切入深度（图18b），导致含有游离磨料条件下的 MRR 明显低于无固结磨料条件的 MRR（图13）。同时在工件表面形成的划痕尺寸也明显减小（图14a、14b）。当工件硬度较大时，固结磨料的切入深度较小，抛光垫于工件表面距离（Δh）较大，游离磨料难以和抛光垫接触，对固结磨料的切入深度影响较小 （图18c），导致有、无游离磨料下的 MRR 相近 （图13）。游离磨料微小去除材料能够略微提高 MRR 和降低 Ra。
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4 结论
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（1）各抛光垫对不同硬度工件抛光效果的影响规律一致，随着抛光工件的硬度增大，各抛光垫的材料去除率（MRR）减小，表面粗糙度（Ra）增大。抛光垫内的固结磨料能将 MRR 提高 5～10 倍，但也会导致 Ra 增大 5～20 倍。
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（2）三种工件在无固结磨料微细结构抛光垫 （P2）的 MRR 分别为无结构抛光垫（P1）的 44%、 63%、96%。抛光垫表面微细结构会使抛光过程中有效接触面积 Ap 和有效磨粒数 Ns减小而导致 MRR 减小，而抛光垫硬度的增加能够部分弥补抛光垫表面微细结构造成的影响，抛光工件硬度越大，弥补效果越好。
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（3）使用固结磨料表面微细结构抛光垫（P3） 抛光时，增加游离磨料能够有效降低抛光后 Ra，并提高硬度较大工件的 MRR（上升约 8%），但对硬度较小工件的 MRR 有抑制作用（下降约 27%）。
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参考文献
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摘要
抛光垫是影响抛光加工效率和表面质量的关键因素之一，但影响规律和作用机理尚不清晰。为研究抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响规律，制作有、无固结磨料的表面六边形微细结构抛光垫，分别对 YG15 硬质合金、单晶 Si 和单晶 4H-SiC 三种硬度差异较大的工件进行抛光试验。结果表明：各抛光垫对不同硬度工件抛光效果的影响规律一致，随着抛光工件的硬度增大，各抛光垫的材料去除率（MRR）减小，表面粗糙度 Ra 增大。抛光垫内的固结磨料能将 MRR 提高 5～10 倍，但也会导致 Ra 增大 5～20 倍。抛光垫表面微细结构会使得抛光过程中有效接触面积 Ap和有效磨粒数 Ns减小而导致 MRR 下降，而抛光垫硬度的增加能够部分弥补抛光垫表面微细结构造成的影响，抛光工件硬度越大，弥补效果越好。增加游离磨料能够有效降低抛光后 Ra 并提高硬度较大工件的 MRR（上升约 8%），但对硬度较小工件的 MRR 有抑制作用（下降约 27%）。根据抛光试验结果，建立工件-磨料-抛光垫接触模型，深入分析抛光垫表面微细结构、表面硬度对不同硬度工件抛光 MRR 和表面质量的作用机理，为不同工件抛光时抛光垫的选择提供了理论基础。
Abstract
A polishing pad is an important component of the polishing process, and its performance is influenced by such factors as the material, surface texture, and structure. The surface pattern of the polishing pad stores and transports the polishing solution and carries away the polishing chips. The surface pattern of the polishing pad has a significant influence on the efficiency and surface quality of the polishing process, but the mechanism of its action remains unclear. To study the influence of the polishing pad surface microstructure on polishing performance, a surface hexagonal microstructure polishing pad with and without a consolidated abrasive was produced. Polishing experiments were performed on three types of workpiece with different hardnesses — YG15 cemented carbide, single-crystal Si, and single-crystal 4H-SiC — using a plain structured polishing pad (P1), an unconsolidated abrasive surface microstructure polishing pad (P2), and a fixed abrasive surface microstructure polishing pad (P3). Based on the experimental results, a workpiece–abrasive–polishing-pad contact model was established to analyze the mechanism of the polishing pad surface microstructure and surface hardness on the polishing material removal rate (MRR) and surface quality of workpieces with different hardnesses. The results show that the effects of the three polishing pads on the polishing effect of workpieces with different hardness values are consistent. As the hardness of the polished workpiece increases, the MRR of polishing decreases significantly, and the surface roughness Ra increases. The MRR is increased 5–10 times by the consolidated abrasive in the polishing pad, but the consolidated abrasive also leaves many scratches on the surface of the workpiece, while the workpiece surface roughness also increases 5–20 times. The microstructure of the polishing pad surface reduces the effective contact area Ap and effective number of abrasive grains Ns during the polishing process, resulting in a lower MRR for P2 than for P1. However, the increased hardness of the polishing pad increases the depth of cut hw of the abrasive, which compensates for the reduced MRR caused by the microstructure of the polishing pad surface. The harder the polished workpiece, the better the makeup effect. For P3, the addition of free abrasives to the polishing solution enables the smaller-particle-size free abrasives to remove trace amounts of scratch edge material, resulting in a reduction in the size of the scratch on the surface of the workpiece and reducing the surface Ra of the polished workpiece. At the same time, free-abrasive trace material removal improves the MRR of harder workpieces (an approximately 8% increase). However, for less hard workpieces, the free abrasive causes the load Fw on the consolidated abrasive to decrease, which in turn reduces the depth of cut hw of the consolidated abrasive and has an inhibiting effect on the polishing MRR (an approximately 27% decrease). According to the workpiece–abrasive–polishing-pad contact model of the polishing process, the surface microstructure of the polishing pad mainly affects the effective contact area Ap and the effective number of abrasive grains Ns in the polishing process. The surface hardness of the polishing pad and the hardness of the workpiece mainly affect the indentation depth hp of the abrasive in the polishing pad and the cutting depth hw of the abrasive in the polishing process. Small amounts of free-abrasive removal can improve the quality of the polished surface, but the mechanism of the effect on MRR is different for different hardness values. A comprehensive analysis of the surface microstructure of the polishing pads, surface hardness, and abrasive state on the surface material removal mechanism of the workpiece provides a theoretical basis for the selection of polishing pads for the polishing of different workpieces.
