（机械制造及其自动化专业论文）铝合金材料研磨特性的试验研究.pdf

、 鼍 i 口 - j i_-j引。j d i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t l l r i n ga n da u t o m a t i o n e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho ng r i n d a b i l i t yo f a l u m i n u m a l l o y b yd i n gh u i s u p e r y i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r 1 y h a ns u o x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丁老拿 日 期：卅年l 固巧国 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 摘要 铝合金材料研磨特性的试验研究 摘要 研磨加工作为精密、超精密加工中的一种重要加工方法，日益受到了重视，国内外 的专家学者发明了许多新的研磨加工方法，并对硬脆材料的研磨材料进行了广泛的研 究，但对于铝合金材料的研磨特性的研究却并不充分，随着铝合金材料的精密零件在计 算机等行业的广泛应用，如计算机硬盘的镁铝合金材料基体，对铝合金材料的研磨特性 的系统化研究越来越重要。由于影响研磨加工过程的因素多，工件表面形成过程非常复 杂，因此，尽管人们己经用研磨加工获得了较高的面形精度及较低的表面粗糙度值，但 人们对研磨的加工机理研究的还不够深入。随着研磨技术的应用日益广泛，人们也越来 越关注其加工后的表面质量因素。因此本文对铝合金研磨加工机理进行了深入研究，主 要进行了以下几个方面的研究： 本文对铝合金材料研磨加工机理及已加工表面形成过程进行了研究。传统散粒磨料 慢速研磨由于磨料在磨具上是随机分布的，所以其与工件之间的相互作用关系是不确定 的，因此很难对其进行分析。而在涂附磨具研磨中，磨料与工件之间的相互作用关系具 有一定的确定性，本文就是在此基础上，首先分析了研磨过程中磨粒的受力情况，并对 磨粒的切削刃做了球冠形假设，以此为依据建立了涂附磨具研磨的力学模型。 对涂附磨具研磨加工的工件已加工表面理论粗糙度进行了探讨，并对工件已加工表 面粗糙度、材料去除量与研磨加工中各工艺参数( 研磨时间、研磨压强、研磨速度和磨 料粒度) 之间的关系进行了研究。研究表明，不同的研磨参数对这两项指标有一定的影 响。其中磨料粒度对工件表面粗糙度影响较大，研磨速度对其影响较小。 实验还表明研磨加工后，工件表面都产生塑性变形，即使是像陶瓷、玻璃等硬脆性 材料，其表面也存在一定的塑性变形。 关键词：铝合金材料，研磨，涂附磨具，表面粗糙度 一i i ， 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho n g r i n d a b i l i t yo f a l u m i n u m a l l o y a b s t r a c t b e i n g 觚i i l l p o n 觚tl ( i n do fu l t m p r c c i s i o nm a c h i n i n g ，鲥n d i n gi sp a i dm o r c 卸dm o r c a t t e m i o no n e x p e n s 仃0 mh o m e 锄da b r o a dh a v ei l l v e n t e dv a r i o u s 黟i n d i n gp r o c e s s e s ，柚d c a 玎i e d0 u ts e r i e so fe x p e m l e 啦o f 鲥n d a b i l i t yo f h 疵m a t 撕a l s b u tr c s e a r c ho f 鲥n d a b i l i t y 0 fa l 啪i n u ma l l o yi sn o te n o u g l l w i t ht h ed e m 锄d s0 fh i g l l e ra a 咖粥yo fa l u m i 如m 址l o y p a n s ，t h ep r o p c n y0 f 鲥n d i n g0 fa l u m i n u ma l l o yn e e d st ob er c s 鲫r c h e dm o r cc x t e n s i v e l y t h ef a c t o f sa 骶c t i n g 鲥n d i n gp r o c e s s 觚dp a r t s s u r f a c ef o m i n gi sv e r yc o m p l i c a t e d e x p e n s h a v e b e e nn o te n g a g e di i i s t u d 妒n g0 f 班n d i n gm a c h i n i n gm e c h 柚i s m ，a l t h o u g l lf i n e r o u g l l l l e 豁o f 蛐r f a c e 觚dp r o f i l ep r e c i s i o nh 弱b e e na c h i e v e d w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i 彻 0 f 四n d i n gt c c h n o l o g y ，p e 叩l e w i l lf h r t h e rc a r ca _ b o u tm a c h i n e dp a r t s s u r f a c em i c r 0 t o p 0 蓼a p h y n i sp a p e r r e l a t e st 0t h ef o l l o w i n gs t u d i e s ： c o a t e da b r 弱i v e s 鲥n d i n gm e c h a n i s ma n ds u r f a c ef o 加i n gp r o c e 鳃o fm a c h i n e dp a r t si s s t u d i e di nt h i sp a p c lp 选r e g a r d sa b r a l s i v e so f 舰d i t i o n a lg r i n d i n gr 锄d o m l ys c a t t e ro nt h e 泐l i n 舀t h ei n t e f a c t i o nb e 铆e e na b 玩s i v e 柚dt h em a c h i n e dp a n i su n c e r t a i n ，s 0i ti s 肿te 弱y t 0a n a i y z e h o w e v e r ，f o rc o a t e da b r 弱i v e sg n d i n 岛t l i e 他e x i s t sac e r t a i ni n t e m c t i o nb e t w e e n a b r 弱i v e 柚dt h em a c h i n e dp a n s o nt h i sb a s i s ，m e c h 锄i c s 锄a l y s i so f 鲥n d i n g 伊a i n si nm e p r o c e s so fm a c h i n i n gi sm a d ei nt h i sp a p e r t h e 铲a j ni s 邪s u m e di nt h ef o m o fs p h e r o i d ，觚d t h e nm e c h a i l i c sm o d e lo fc o a t e da b r a s i v e s 鲥n d i n gi ss e tu po nt h i s 鹬s u m p t i o n a s t u d y0 ft h eo r c t i c a lr o u g l l n e s s0 fs u r f a c eo nm a c h i n e d 轴r i a c cb yc o a t e da b m s i v 璐 鲥n d i n gi sm a d ei nt h i sp a p e f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a c h i n e ds u 渤c c u 曲n e s s m i c r o t o p o g r a p h ya n dp a r 锄e t e i s0 fg r i n d i n gi sa l s 0s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，d i f ! i i e r e n t 酣n d i n gp a r 姗e t e r sh a v eac c r t a i ni n f l u e n c et ot l l e s et 、) i r of a c t o r s ，锄o n gw h i c h ，伊a i ns i z eh 舔 ac o n s i d e r a b l ei l l n u e n c c0 nm a c h i n e ds u r f a c er o u 曲n e s s ，锄d 伊i n d i n gs p e e dh 弱as m a l l e r i n f l u e n c e 一i 一 东北大学硕士学位论文abstract a n de x p e r i m e n t si n d i c a t et l l a t ，m a c h i n e d p a n sw i l l0 c c u rp l a s t i cd e f o 加a t i o na f t e r 鲥n d i n g ，c v 饥s u r f a c eo fb r i t t l em a t e r i a l ss u c ha sc e r 锄i c s 锄dc a r b i d ew i l ld e f o 咖t oa c e n a i l ld e g 阳e 1 【e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ，鲥n d i n 舀c o a t e da b r a s i v e ，s u r f a c er o u 罟灿e s s 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要。l i a bs tra c t ili 第1 章绪论1 1 1 课题的提出和意义1 1 2 铝合金研磨技术的国内外研究概况和发展2 1 2 1 研究现状3 1 2 2 发展前景。3 1 3 涂附磨具概述4 1 3 1 涂附磨具定义和结构4 1 3 2 涂附磨具的分类5 1 3 3 涂附磨具的发展。7 1 4 课题的研究内容8 第2 章研磨加工技术分析9 2 1 研磨加工的特点、分类和工艺参数9 2 1 1 研磨加工的特点9 2 1 2 研磨加工分类9 2 1 3 研磨主要工艺参数l o 2 2 材料去除机理分析1 2 2 2 1 微量切削1 2 2 2 2 按进化原理去除材料1 3 2 2 3 多刃多向切削13 2 2 4 化学作用去除材料1 5 2 3 表面微观形貌测量技术1 5 2 3 1 机械触针式测量仪。1 6 2 3 2 扫描探针显微技术1 6 2 3 2 光学测量方法。1 6 第3 章涂附磨具研磨机理研究18 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 引言1 8 3 2 平面研磨加工原理1 8 3 3 磨粒切削刃假设1 9 3 4 涂附磨具研磨受力模型。2 0 3 5 单颗磨粒切削受力分析2 1 3 6 结合剂的弹性变形。2 2 3 7 工件偏心放置时压强的分布2 3 3 8 磨粒分布假设。2 6 ， 3 9 磨粒受力统计分析及与研磨压力间的数学建模2 7 3 1 0 本章小结3 0 第4 章涂附磨具研磨工件表面微观形貌3 1 4 1 引言3 1 4 2 涂附磨具研磨已加工表面理论粗糙度3 1 4 2 1 涂附磨具研磨加工原理3 1 4 3 y l l 2 材料的研磨试验3 9 4 3 1 主要试验装置。3 9 4 3 2 试验条件与方法。4 0 4 3 3 研磨时间、研磨压强、研磨速度对加工质量影响的试验4 2 4 3 4 磨料粒度对加工质量的影响的试验4 9 4 4 涂附磨具研磨对不同材料表面微观形貌的影响5 3 4 5 本章小结5 4 第5 章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望5 5 参考文献。5 7 致谢6 0 v l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 事研磨加工技术的研究，其宗旨都是进一步提高加工精度、提高研磨加工效率、降低加 工成本。精密研磨技术又一次得到应有的重视。 自从电解炼铝法问世以来，铝的生产量和消费量大约以平均每1 0 年增长1 倍的规 模发展，特别是近几十年来，由于冶炼方法与工艺的不断改进和电力工业的发展，电价 的下降，铝工业的发展速度更是十分惊人。 铝合金是应用最广的一种防锈铝，它的强度不高，不能热处理强化，在退火状态下 有高的塑性，耐蚀性好，焊接性好，切削加工性不良。用于制造要求高可塑性和良好焊 接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件。 为了满足国民经济各部门和人民生活各方面的需求，世界原铝( 包括再生铝) 产量 的8 5 以上被加工成板、带、条、箔、管、棒、型、线、粉、自由锻件、模锻件、铸件、 压铸件、冲压件及其深加工件等铝及铝合金产品。目前生产铝及铝合金材料的方法主要 有铸造法、塑性成型法和深加工法。铝合金应用精密加工方法如研磨进行加工的还很少， 但由于铝合金材料的一些固有的优点，例如良好的导电性和较轻的质量使它逐渐成为精 密加工中日益常见的一类金属。 1 2 铝合金研磨技术的国内外研究概况和发展 耩矛露加工方法 f 摄壁手磐( 台踅声渡撮动爵謇) 艳托将警哥窘力f 謇_ 琵竺漫 ：哥窘 l 琵力哥密 r 强世发射如z 采甭徽筏子；每击去除钫羁 ；窟_ 非接匏哥窑 i - 利霞电溶囊酽窘 甭特豫矛磨二具爵客 茎至要塾圣姜爵塞 复全伊薯 銎薹善茎酽襄 图1 1 新研磨加工技术 f i 昏1 1n e wm a c h i n i n gt e c l m o l o g y 一2 一 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 1 2 1 研究现状 目前，国内外研磨加工主要还是采用游离磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是设备 简单、操作方便、加工精度高、投资少，但是加工精度不稳定，为防止磨料飞溅而采用 慢速研磨机导致加工效率低，研磨加工中参数设置不合理会产生划痕等。正是由于散置 磨粒研磨存在一些不足，所以许多学者在研究改进这种研磨加工技术。 推陈出新，随着社会的进步，各项新技术快速发展并日趋成熟，这些新技术被广大 学者应用到研磨加工技术中，产生了相应的新研磨加工方法，这些方法大多针对传统研 磨方法中的某些不足进行了改进。在提高加工质量和加工精度方面取得了良好的效果， 在提高加工效率方面取得明显效果。产生的各种新研磨技术如图1 1 所示： 日本的l b a r a l 【iu n i v e r s i t v 的y 1 n h 伽i t a 等人在铝合金材料的研磨试验中，在双面研 磨机( d s l1 6 b 4s s g 4 d ) 上对工件( 5 2 5i n 5 0 8 6a l l o y ) 进行固着磨料研磨( 丸 片成分：聚乙烯醇树脂2 4 3 叭，蜜胺树脂1 5 3 叭，石碳酸树脂6 1 叭，私0 0 0s i c 磨魁 承 料5 4 4 w t ) 得到了r a 0 o 和m 的高质量表面【1 1 。 台湾的y i n 争l a n gw a n g 的舢s i c u a l s i ，和c u 薄板的研磨实验中，在p h 值为 1 5 3 0 、h 2 0 2 控制在2 5 v 0 1 的条件下，可以分别用0 3 和o 0 靴m 的砧2 0 2 磨粒分别加 工出粗糙度( r a 值) 达到7 7 和6 5 n m 的表面i 引。 1 2 2 发展前景 在“先进制造领域技术预测课题组”发布的“金属加工机械制造业产品与技术发展预 测及关键技术分析”一文中，预测了超平面研磨抛光主要研究内容： 加工对象：各种材料的镜平面加工。 加工精度：平面度优于o o 私m 1 0 0 m m ，表面粗糙度优于r a o 0 1 肛m 。 但目前纯机械研磨仍只是大量应用在陶瓷、玻璃、硬质合金等材料，对于铝合金等 较软的材料的精密加工研究仍不是非常普遍。 对铝合金材料的研磨已有文献资料记载，如美国的m b 盯l e t t a 等人就进行过铝合 金材料的c m p 加工方面的研究【3 4 l ，但由于c m p 过程中，磨粒的作用只是切除由于化 学作用形成的铝合金材料的氧化层，他们只是集中在h 2 0 2 在研磨剂中所起的氧化作用， 而且c m p 过程中磨粒的作用机理与纯机械研磨过程中的作用机理有很大不同。 而且新兴研磨技术也存在着其它的问题，例如机械化学研磨( c m p ) 方法可以取得 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 很好的表面光洁度和高去除率，可这种方法本身固有的缺陷，例如磨削液酸碱度不好动 态控制、容易对仪器造成损坏、加工成本高。对铝合金材料的纯机械加工环境下的研磨 机理的研究仍很然必要。 当前，研磨方面的加工主要集中在硬脆材料如硅片，但对于铝合金的研磨加工却很 少有系统的研究【5 ，6 7 ，8 1 。随着像磁盘基体这些要求质量尽量小且精度要求高的零件的需求 大量增加，铝合金的优势变得越来越大，因此，系统的研究常用铝合金材料的研磨性质， 并寻求研磨压力、研磨速度、磨粒粒度和研磨时间的最佳的参数。 目前，对于铝合金材料的研磨研究主要是集中在： ( 1 ) 减少由于铝合金材料本身较软而产生的切屑粘连形成的较大颗粒对已加工表 面造成的划痕； ( 2 ) 避免磨料因工件材料较软而镶嵌在加工表面上影响光洁度。 目前软材料研磨的成果正在向各个实际的生产领域渗透，我们应该努力抓住这个发 展期，努力赶上世界的先进水平，使我国在此领域占领有利位置。 1 3 涂附磨具概述 1 3 1 涂附磨具定义和结构 涂附磨具是用粘结剂将磨料粘结在布、纸等可挠性材料上而制成的可以进行研磨和 抛光的工具。它与砂轮、砂瓦、油石、磨头、研磨膏等一起，构成了研抛磨具的六大品 种【9 】o 涂附磨具有三大部分组成：基体、磨料和粘结剂，又称三要素。从涂附磨具的剖面 图( 图1 2 ) 能清楚地看到涂附磨具的结构。 辖接刹 图1 2 涂附磨具的基本结构 f i g 1 2t l h eb a s i cs t m c t u r e o fc o a t e da b r a s i v e s 一4 _ 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 基体。 基体是磨料和粘结剂的承载体，也是涂附磨具有可挠性的主导因素。 涂附磨具的基体主要有：布、纸、纤维和复合基体、无纺布等种类，基体在制造磨 具之前，必须经过专门处理，基体的性能与其本身的种类有关，而且还与被处理的方法 有关。 基体处理是通过基体处理剂来改善和提高基体的物理机械性能，满足涂胶植砂和磨 削使用的工艺过程。 般基体处理可分为非耐水处理和耐水处理两大类，根据磨削条件不同，还可以对 机体进行柔软处理、耐高渗处理、耐油处理及静电处理等。 ( 2 ) 磨料 磨料其磨削作用，常用的有刚玉、碳化硅、天然金刚砂等。磨料粒度及组成符合涂 附磨具用磨料国标。 不同种类的磨料是影响涂附磨具的质量和使用性能的主要因素。但是，单位基体面 藏 积上磨料的疏密程度，即植砂密度，也是影响涂附磨具质量和使用性能的一个重要因素。 ( 3 ) 粘结剂 粘结剂将磨料与基体牢固地粘贴在一起，它可以为底胶、复胶和基体处理剂。 涂附磨具作为研磨抛光工具，它的性能主要由以下因素来决定：基体、基体处理、 磨料、粒度、植砂密度、粘结剂、粘结强度、超涂层及形状尺寸等。涂附磨具的性能与 一 三要素及几项特殊因素的关系归纳如下： 1 3 2 涂附磨具的分类 表1 1 根据基体和使用方法分类的涂附磨具 t a b l e1 1c b a t e da b r a s i v e sc l a s s i f i e di na c c o r d a n c ew i t l lt l l em a t r i xa n du s e 涂附磨具其制造方法不同，产品形状、基体、磨料、粘结剂等不同，使其具有不同 的性能和用途。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 1 ) 根据基体和使用方法不同分类 我国将涂附磨具分为四大类，见表1 1 。 ( 2 ) 根据粘结剂和基体处理的不同方法，参照j b b 8 8 卜1 9 9 4 ，把涂附磨具分为四 大类，见表1 2 。 表1 2 根据粘结剂和基体处理方法分类的涂附磨具名称和代号 t a b l e1 2c l a s s i f i c a t i o no f a t e da b r 习略i v e sn 锄ea n dt h e d ei na c c o r d a n c ew i t ht h eb i n d e r 狃d 珈忸埘 a p p r 0 扯h ( 3 ) 根据磨料材质、粒度分类 根据涂附磨具生产涉及到的磨料材质，参照g b 肥4 7 6 1 9 9 4 、j b 厂r 8 3 3 7 1 9 9 8 ， 以磨料的材质分类见表1 3 。 表1 3 按磨料材质分类的涂附磨具名称和代号 t a b l c1 3c 0 a t e da b r a s i v e sn a m ea n dt h ec o d ec l a s s i f i e d b ym ea b r a s i v e 眦t e m l s 按磨料的粒度分类： 依据g b 厂r 9 2 5 8 2 9 2 5 8 3 2 0 0 0 ，各种涂附磨具磨料的粒度可分为p 1 2 、p 1 6 、p 2 0 、 p 2 4 、p 3 0 、p 3 6 、p 4 0 、p 5 0 、p 6 0 、p 8 0 、p 1 0 0 、p 1 2 0 、p 1 5 0 、p 1 8 0 、p 2 2 0 、p 2 4 0 、 p 2 8 0 、p 3 2 0 、p 3 6 0 、p 4 0 0 、p 5 0 0 、p 6 0 0 、p 8 0 0 、p 1 0 0 0 、p 1 2 0 0 。 一6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 根据植砂密度分类 _ f 根据植砂密度将组织分两大类： 密型或密组织( c l o s ec o a t e d ) 标记“c l k 疏型或疏组织( o p e nc o a t e d ) 标记“o p k ” 植砂密度不同用途也不同，一般分类见表1 4 。 表1 4 植砂密度分类 t a b l e1 4s 柚d - p l a n t i n gd e n s i t yc l 獬i f i c a t i 1 3 3 涂附磨具的发展 涂附磨具工业的发展历史悠久，早在1 3 世纪，我们的祖先就已用天然树脂将粉碎t 。 的贝壳粉粘附在羊皮上磨东西。1 6 世纪欧洲人用天然磨料粘附在动物兽皮上制成磨具。 1 8 世纪巴黎就有“g 血d i n gp a p e r 出售，1 8 0 8 年，欧洲人把磨细的浮石与烧熔的漆混缸t 合，用刷子涂在纸上，开始生产涂附磨具。1 8 3 1 年英国人l o t l 啪p 发明了砂布，他将皮 胶与金刚砂或砂子、玻璃粉混合，涂在一块布上而制成。1 8 4 4 年法国就介绍了制造砂布 的机器，随后德、日、美等国相继建立了砂布砂纸厂。 2 0 世纪以来，随着机械工业、化学工业、电气化的发展，1 9 0 4 年第一条悬挂式干 磨砂布、砂纸生产线问世。1 9 5 1 年静电植砂研究成功，酚醛树脂等人造粘结剂开始应用。 7 0 年代，电子柬硬化树脂工艺研究成功，硬化时间只需数十秒( 正常是1 0 h 左右) ，并 且产品质量得以提高。 1 9 5 3 年开始研究砂带加工，1 9 5 5 年应用于航空工业，由于工业技术的发展，涂附 磨具在产品品种质量、产量和使用范围方面都有飞速发展，现在世界上涂附磨具种类、 规格已达四万种以上，所用原料已达7 5 0 多种，且产量也直线上升。在工业发达的国家， 涂附磨具的产量已超过其它任何一种磨具，占磨具总产量的4 0 。我国涂附磨具的发展 主要是解放以后才开始的，解放前只有上海一家私人开办的手摇机生产木砂纸的小厂， 年产量仅3 2 ，如今已有涂附磨具厂1 0 0 余家，如郑州白鸽集团，上海砂轮厂等引 进的德国砂带生产线，已取得了重大的经济社会效益。 随着高分子材料新品种的不断出现，新材料、新技术在涂附磨具中得到广泛应用， 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 促进了涂附磨具产业的发展，涂附磨具应用领域不断扩大，取得了令人注目的进步。 1 4 课题的研究内容 论文对涂附磨具研磨的加工机理进行了研究，用对比与联系的方法，对铝合金研磨 加工的加工机理及加工工艺特性等内容进行了深入研究。具体研究内容如下： ( 1 ) 对研磨加工理论进行分析，研究其加工特性和规律； 东北大学硕士学住论文 第2 章研磨加工技术分析 第2 章研磨加工技术分析 2 1 研磨加工的特点、分类和工艺参数 2 1 1 研磨加工的特点 研磨是一种“直接创造性加工 工艺方法。即用精度比较低的加工工具，加工出高 精度的工件。因此，研磨机的设备简单。在新产品开发研制中，对于一些高精度零件， 在没有现成设备可以用的情况下，仍要依靠高级技术工人，用手工研磨工艺及技术，来 实现高精度零件的加工。 机床研磨工具一工件所构成的工艺系统处于弹性的、浮动的状态，可实现自动微 量进给，获得极高的尺寸精度，几何精度和表面质量。 具有较低的研磨运动速度，工件在运动中平稳，震动影响不大或不影响，可获得良 好的工件形状精度和位置精度。 研磨时工件处以自由状态，不受强制力作用，工件不易发生弹性变形，工件精度不 受弹性恢复的影响。 研磨运动可以不断改变，可获得良好的运动轨迹网纹，有利于降低表面粗糙度值， 容易获得镜面表面。 研磨表面的耐腐蚀性、耐磨性有明显的提高，且表面有压应力，使疲劳强度得以提 高。 研磨易于飞溅，容易污染环境。 研磨精度可达0 0 2 5 - o o m ；圆柱度可达0 m m ；球体圆度可达o 0 2 靴m ；表面粗 糙度可达r 。o m m ，并可使两个配合表面达到精密配刽1 0 1 。 2 1 2 研磨加工分类 接着操作方式不同，研磨可分为手工研磨和机械研磨两类。手工研磨主要用于单件 小批生产和修理工作中，但也用也形状比较复杂、不便于采用机械研磨的工件。机械研 密主要用于大批大量生产中特别是几何形状不太复杂的工件，经常采用这种研磨方法。 按涂敷研磨剂的方式不问，研磨又可分为干研磨、湿研磨和半干研磨。干研磨又称 嵌砂研磨。如图2 1 所示，研磨前把磨料嵌在研磨工具表面上( 这一过程简称压砂) ，研 一9 东北大学硕士学位论文第2 章研磨加工技术分析 磨时只要在研磨工具表面上均匀涂以少许润滑剂即可进行研磨工作。一般当工件精度要 求较高，选用的磨料颗粒小于5 微米时采用。 图2 1 嵌沙研磨示意图 f i g 2 1d e d u c es k e t c h0 fi n l a ys 姐dg 血d i n g 湿研磨又称敷沙研磨。如图2 2 ，研磨前，把预先配置好的液状研磨混合剂涂敷在 研磨工具表面上，或者在研磨过程中不断向研磨工具表面上添加研磨混合剂来进行研磨 工作。一般当所研磨的工件精度较低、所选用的磨粒大于5 微米时常用这种方法。 工件 _ 一- - p 文一事磋鍪 ：=：一：=：=：= ；| ；j 嗡￥l 摹薹；- | 薹；嚣纂氍墨苎 图2 2 敷沙研磨示意图 f i g 2 2d e d u c es k e t c ho fd e p o s i t e ds a n dg r i n d i n g 2 1 3 研磨主要工艺参数 一1 0 - 东北大学硕士学位论文第2 章研磨加工技术分析 ( 1 ) 研磨运动轨迹 ； 研磨运动的要点是实现磨料的切削运动。因而它的运动状况如何，将直接影响研磨 的加工精度及生产效率，为此，合理地选定运动方式和轨迹是极为重要的一步。 所谓研磨运动轨迹就是工件在研磨运动中，其表面上其一点运动经过的“路线 。 根据被研表面的不同形状，研磨运动轨迹大致可分为平面研磨运动轨迹和曲面研磨 运动轨迹两大类。 常用的研磨运动轨迹为：直线、正弦曲线、无规则圆环线、外摆线、内摆线、椭圆 线。 ( 2 ) 研磨速度 在一定条件下，提高研磨速度可以提高研磨效率。但是，如果工件的加工精度要求 很高，采用较高的研磨速度进行研磨则不能得到令人满意的效果。合理的选择研磨速度 应考虑加工精度、工件的材质、硬度、重量、研磨面积等，同时也要考虑研磨的加工方 式等多方面的因素，一般研磨速度应在1 0 1 5 0 米分之间。对于精密研磨来说，其研 磨速度应选择在3 0 米分以下。一般手工粗研磨每分钟约往复4 0 6 0 次左右；精研磨 每分钟约往复2 0 4 0 次左右。 ( 3 ) 研磨时间 研磨时间和研磨速度这两个研磨要素是密切相关的，它们都同研磨中工件所走过的 路程成正比。研磨时间过长，不仅加工精度趋向稳定不再提高甚至会因过热变形丧失精 度，并使研磨效率降低。实践表明，在研磨的初始阶段，工件几何形状误差的消除和表 面光洁度的改善较快，而后则逐步缓慢下来。 ( 4 ) 研磨压力 研磨过程中，工件与研具的接触面积由小到大，适当地调整研磨压力，可以获得较 高的效率和较高的表面光洁度。 研磨的压力不能太大。若研具硬度较高而研磨压力太大时，磨粒很快被压碎，使切 削能力降低。特别是当研具硬度较低而研密压力过大时，磨粒会被大量嵌进研具表面， 使切削创能力大大增强，但因研磨功作加剧而导致工件和研具受热、变形，直接影响到 研磨的质量和研具的寿命。反之，研磨的压力也不能太小，压力太小会使切削能力降低， 同时生产效率也降低。在一定范围内，研磨压力与效率成正比。 一1 1 东北大学硕士学位论文第2 章研磨加工技术分析 2 2 材料去除机理分析 精密研磨抛光技术主要有两类，一类是为追求降低表面粗糙度或提高尺寸精度为目 标的：一类是为实现功能材料元件的功能为目标的。这就要求解决与高精度相匹配的表面 粗糙度和极小的变质层问题。 精密加工中出现的主要材料去除方式可分为微量切削、按进化原理去除材料、多刃 多向切削和化学作用去除材料。 2 2 1 微量切削 普通切削加工，由于机械进给机构刚度和震动特性的影响，要达到眦m 以下切除层 厚度是相当困难的，从而限制了加工精度的进一步提高。目前半导体基片、铁氧体、蓝 宝石、压电水晶和光学晶体等的精密表面加工均是采用切除层极小的精密研磨加工方法 完成的。精密研磨加工，如将磨粒形状简化为圆锥体( 见图2 3 ) ，其单颗磨粒的切削深度 可用下式表示： 图2 3 单颗磨粒的接触模型 f 碴2 3s i n 掣ea b m s i v ec o n t a c tm o d e l 铲焉三 式中f l 一单个磨粒承受的压力( 聊 一1 2 一 ( 2 1 ) 东北大学硕士学位论文第2 章研磨加工技术分析 口简化圆锥磨粒的半顶角( 。) q 工件材料屈服点( m p a ) 如a = 6 0 。，s 。= 2 0 0 0m p a ，f = 1 0 3 n ，则a c = 0 和m 。每刻磨粒载荷为f = 1 0 3 n 时， 相当于每平方厘米约分布有6 0 0 6 0 0 0 颗磨粒，载荷相当于0 6 6 n ，如果将研磨压力控 制在这一范围内，就可得到小于0 轴m 的切削深度，这对精密研磨来说并不难实现。 2 2 2 按进化原理去除材料 当研具与工件接触时，在非强制性研磨压力作用下，能自动地选择局部凸处进行加 工，故仅切除两者凸出处的材料。从而使研具与工件相互修整并逐步提高精度。超精密 研磨的加工精度与构成相对运动的机床运动精度几乎无关的，主要是由工件与研具间的 接触性质和压力特征以及相对运动轨迹的形态等因素决定的。在合适条件下，加工精度 就能超过机床本身的精度。所以称这种加工为进化加工。 为了获得理想的加工表面，要求： ( 1 ) 研具与工件能相互修整： ( 2 ) 各点相对运动轨迹接近一致，且轨迹重复几率小： ( 3 ) 采用弹性或粘弹性研具，并能根据接触状态自动调整磨粒的切削深度，以保证 表面加工质量。 2 2 3 多刃多向切削 在研磨加工中，由于每颗磨粒形状不完全一致，以及分布的随机性。磨粒在工件上 作滑动和滚动时，可实现多方向切削，并且全体磨粒的切削机会和切刃破碎率均等，可 实现自动修锐。 研磨加工中，磨粒切刃的机械作用可用( 图2 4 ) 中的加工模型来表示。通过切削的相 对运动产生沟槽g 1 ，g 2 ，g i ，其体积总和为切削量。磨粒与工件的接触压力约等于 工件材料的屈服点s 。 s 。可按下式计算： s s - l o 5 8 4 h v ( m p a ) 一1 3 东北大学硕士学位论文第2 章研磨加工技术分析 压力 i 研磨盘 絮削运动 p = p 磨粒 l p 3 厂一1 p 2 砒 一 p l l ，、 、 、 、 1 i 专 | ， 五o 嬲袋獭k ，n 地一 皤 声k r f n j uc l 寸 _ t 1 盔盔 司司 盈翟盈盥 纛 醴孱 镭 惭积髯 接触j 玎仨m 比 2 图2 4 研磨加工计算模型 f 蟾2 4g 血d i n gc a l c l l l a t i o nm o d e l h v 为工件材料的维氏显微硬度。磨粒切刃的形状可以近似用圆锥体表示， 若其高度分布按等高、正态或均匀分布时，可近似推算在某种工艺条件下的切削加 工量为： v 一2 a p l 弧t a n 口( m m 3 )( 2 2 ) 式中s s - 工件材料的屈服点( m p a ) ； a 工件与磨粒的接触面积( m m 2 ) ； p _ 一工件与磨粒的接触压力( m p a ) ； ir 一工件与磨粒的相对移动距离( n u n ) ； a 磨粒圆锥半顶角( 。) 。 加工表面粗糙度与最大吃刀量a 。m 缸成正比，a 。m 缸可由下式得出： 口。眦= ( ，7 d 。3 p g 吼t 锄2 口) u 3 ( m m ) ( 2 3 ) g = 舢d 。砀6 ( 2 4 ) 式中r 磨粒体积率。等于直径为d g 磨粒的实际体积与直径为d g 的球体积之比 d g 一磨粒的平均直径( m m ) 一1 4 东北大学硕士学位论文第2 章研磨加工技术分析 g 一磨粒率 j j r 磨粒数 可见，通过提高工件与磨粒的接触面积、接触压力及相对移动距离，减小磨粒圆锥 半顶角，可提高加工效率：通过减少磨粒粒径、工件与磨粒的接触压力和磨粒体积率，以 及增大工件的屈服点、磨粒圆锥半顶角和磨粒率，可降低表面粗糙度。 2 2 4 化学作用去除材料 目前，磨粒加工的去除单位己在纳米甚至是亚纳米数量级，在这种加工尺度内，精 密研磨过程中时常伴随着化学反应现象，加工氛围的化学作用变得不可忽视。在加工中 如能有效地利用工件与磨粒、工件与加工液及工件与研具之间的各种化学现象，既可提 高加工效率，又可获得无损伤加工表面。 上述机理的单一或复合作用在工件上形成材料去除。主要通过剪切、裂纹( 对于硬 的或加工硬化的材料) 、工件表面材料的移位( 非移除，通过塑性变形) 效果可以在同 一块表面上同时发生。 2 3 表面微观形貌测量技术 随着科学技术的发展，一方面对零件的使用性能和可靠性要求不断提高：一方面新的 研究手段和测试技术不断产生，其结果之一便是加工表面质量研究的内容和深度不断增 加，新的检测手段不断的被采用。 1 9 2 9 年德国的s c h m a l t z 发明了用光杠杆进行放大的表面轮廓记录仪，此后人们一 直致力于表面质量检测技术的研究。测量和评定表面形貌的通用方法是轮廓法，这种方 法只需测量工件表面上的几个截面轮廓，然后再根据轮廓曲线上的几何特征计算出评定 表面质量的粗糙度参数，目前世界各国有关表面粗糙度的标准都是根据轮廓法制定出来 的。 现在常用的表面轮廓测量方法有很多，如触针法、光学法、扫描探针显微技术( 包 括s t m ，s e m ) 等。其中触针法是应用最为广泛的一种表面轮廓测量方法。据不完全统计， 在表面质量测量领域中使用的触针式轮廓仪占9 5 以上。近些年来我国和i s o 厂r c 5 7 ( 国 际标准化组织表面特征及其计量学技术委员会) 都分别制订和修订了一系列有关触针式 轮廓仪的标准。下面具体介绍几种典型的检测方法1 1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 1 。 一1 5 东北大学硕士学位论文第2 章研磨加工技术分析 2 3 1 机械触针式测量仪 表面微观形貌测量的传统方法是机械触针法，该方法可以直接获得被测量表面某一 截面的轮廓曲线，通过计算机数字化和分析处理，得出接近真实轮廓参数的各种表面特 征参数。传统的触针式轮廓仪在测量精密表面时，其测量结果受触针的抖动、机械振动、 仪器噪声以及其它外界干扰等因素的影响，且触针针尖具有一定的圆弧半径也会产生失 真，因此触针式轮廓仪有时难以对精密表面进行正确的测量和评价。为了用触针式轮廓 仪测量精密表面的微观形貌，必需使用针尖半径很小的触针( 目前已经稳定地做到 o 1 ) 。随着现代加工技术的不断发展，很多加工方法被用于加工触针针尖，如离子束 磨削、c v d 等。这使得触针针尖的尺寸越来越小，甚至能加工出单个原子大小的触针， 给传统的触针法带来了更强的生命力。英国r a l l kt a y l o rh o b s o n 公司生产的t a y l o r s t e p 机械触针轮廓仪分辨率可达o 1 n m 测量范围达到1 0 0 ”m 。英国国家物理实验室在其基础 上研制的新型测量仪器垂直分辨率可达o 0 5 n m ，具有5 0 1 1 衄的横向测量范围。因为是接 触式测量，在测量铝、铜等有色金属表面或