精密特种加工磨削加工

1、一超精密磨削机理一超精密磨削机理 超精密磨削机理可以单颗粒的磨削加工超精密磨削机理可以单颗粒的磨削加工 过程予以说明。单颗粒磨削的切入模型过程予以说明。单颗粒磨削的切入模型 如图如图3-5所示，设磨粒以切速所示，设磨粒以切速v、切入角、切入角 切入平面状工件。理想磨削轨迹是从接切入平面状工件。理想磨削轨迹是从接 触始点开始至接触终点结束。但由于磨触始点开始至接触终点结束。但由于磨 削系统存在一定的弹性，实际磨削轨迹削系统存在一定的弹性，实际磨削轨迹 与理想磨削轨迹发生偏离。该模型说明：与理想磨削轨迹发生偏离。该模型说明： 磨粒可以看做一具有弹性支承的和大负 前角切削刃的弹性体，弹性支承为结合剂

2、， 如图3-6所示。 磨粒切削刃的切入深度由零开始逐渐 增加，到达最大值后又逐渐减小，直至为零。 平面磨削情况下切屑形状如图3-7所示。 整个磨粒与工件的接触过程依次为弹性区、 塑性区、切削区、塑性区，最后为弹性区， 与切屑形状的形成致。 在超精密磨精密削中，微切削作用、 塑性流动、弹性破坏作用和滑擦作用依切削 条件的变化而顺序出现。当刀刃锋利，在一 定磨削深度时，微切削作用较强；如果刀刃 不够锋利，或磨削深度太浅，磨粒切削刃不 能切入工件，则产生塑性流动、弹性破坏和 滑擦。 磨削状态与磨削系统的刚度密切相关。工件 作连续转动，砂轮作持续切入过程中，首先 是磨削系统整个部分都产生弹性变形，磨削

3、 切入量(磨削深度)与理论磨削量之间产生误差， 该误差即为弹性让刀量；之后磨削切入量逐 渐变得与理论磨削量相等，磨削系统处于稳 定状态，即磨削切入量到达给定值；最后磨 削系统弹性变形逐渐恢复，处于无切深磨削 状态(无火花磨削状态 ) 超精密加工技术概述 超精密加工目前就其质来说是要实现以现有普通精 密加工手段还达不到的高精度加工，就其量来说是 要加工出亚微米乃至毫微米级的形状与尺寸赖皮并 获得纳米级的表面粗糙度，但究竟多少精度值才算 得上超精密加工一段要视零件大小、复杂程度以及 是否容易变形等因素而定。 超精密加工主要包括超精密切削(车、铣) 超精密磨 削、超精密研磨 (机械研磨、机械化学研磨

4、、研抛、非接触式浮动研 磨、弹性发射加工等)以及超精密特种加工(电子束、 离子束以及激光束加工等)。上述各种方法均能加工 出普通精密加工所达不到的尺寸精度、形状精度和 表面质量。每种超精密加工方法都是针对不同零件 的要求而选择的。 11超精密切削加工 超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具。金刚石刀具与有 色金属亲和力小，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越， 且能刃磨得非常锋利(刃口圆弧半径可小于 001 m，实际 应用一般0，05 m) 可加工出优于Ra001 m的表面粗糙 度。此外，超精密切削加工还采用了高精度的基础元部件 (如空气轴承、气浮导轨等)、高精度的定位检测元件(如光栅、 激光检测

5、系统等)以及高分辨率的微量进给机构。机床本身 采取恒温、防振以及隔振等措施，还要有防止污染工件的装 置。机床必须安装在洁净室内。进行超精密切削加工的零件 材料必须质地均匀，没有缺陷。在这种情况下加工无氧铜， 表面粗糙度可达到Ba0005m，加工800mm的非球面透镜， 形状精度可达02m。超精密加工技术在航空航天、光 学及民用等领域的应用十分广泛(见表1) 并向更高精度等方 向发展(见表2)。 12超精密磨削 超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的。超精 密磨削不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确 的几何形状和尺寸。为此，除要考虑各种工艺因素外，还必 须有高精度、高刚度以及高

6、阻尼特征的基准部件，消除各种 动态误差的影响，并采取高精度检测手段和补偿手段。 目前超精密磨削的加工对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料， 磨削加工的目标是范成35nm的平滑表面，也就是通过磨削 加工而不需抛光即可达到要求的表面粗糙度。作为纳米级磨 削加工，要求机床具有高精度及高刚度，脆性材料可进行可 延性磨削(Ductile Grinding)。纳米磨削技术对燃气涡轮发动 机，特别是对要求高疲劳强度材料(如飞机的喷气发动机涡 轮用的陶瓷材料)的加工，是重要而有效的加工技术。 此外，砂轮的修整技术也相当关键。尽管磨削比研 磨更能有效地去除 物质，但在磨削玻璃或陶瓷时很难获得镜面，主要 是由于砂轮粒度

7、太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞。 日本理化学研究所学者大森整博士发明的电解在线 修整(ELID)铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮技术可以很 好地解决这个问题。 当前的超精密磨削技术能加工出00 1m圆度， O1m尺寸精度和Ra0005m粗糙度的圆柱形零 件，平面超精密磨削能加工出003m100mm的 平面。 13超精密研磨 超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研 磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。超精 密研磨加工出的球面不球度达0025ttm，表面粗糙 度达 0003m。利用弹性发射加工可加工出无变 质层的镜面，粗糙度可达5A。最高精度的超精密研 磨可加工出平面度为200的零件。超精

8、密研磨的 的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度 控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂。此外 高精度检测方法也比不可少。 下面讲述一个具体例子 陶瓷材料 陶瓷材料的优点 陶瓷材料具有抗酸、碱、盐腐蚀、耐高温、压 电位移等优良特性，应用范围非常广泛。但陶 瓷属于脆性材料，硬度高、脆性大，其物理机 械性能(尤其是韧性和强度)与金属材料有较大 差异，加工性能差，加工难度大。采用超精密 切削、磨削工艺或传统的抛光工艺加工陶瓷工 件时，如果加工参数不尽合理，则加工后的工 件表面会产生裂纹、表面破损等缺陷。本文主 要探讨超精密磨削加工陶瓷等脆性材料时加工 参数对工件表面质量的影响，以便为脆性材料

9、的超精密磨削加工提供科学依据 试验用超精密磨床的磨头主轴采用具有很高 转速和回转精度的空气轴承主轴；工件主轴 采用具有很高刚性、回转精度和振动吸收率 的气浮轴承主轴。磨床磨削深度可控制在 0.1m以内。 磨削试验采用Moore公司生产的5种不同型号 的树脂焊接金刚石磨粒砂轮，砂轮型号及磨 粒尺寸列于下表。金刚石砂轮层的厚度为 3mm，采用Gc#400型修整器在砂轮圆周速度 vs=160m/min、修整器速度vw=0.6m/min和切 削深度a=1m的条件下对金刚石砂轮进行修 整。 。磨削工件时采用酒精作为冷却液。 表试验用金刚石砂轮表试验用金刚石砂轮砂轮型号磨粒尺寸 (m)平均磨粒尺寸(m)S

10、D3000-75-B2 64SD1500-75-B81511.5SD8000-75-B20 4030SD400-75-B406050SD200-75-B90 110100采用DI公司制造的Nanoscope A扫描 探针显微镜对磨削表面进行观察并测量其表 面粗糙度及表面轮廓。 表试验用金刚石砂轮表试验用金刚石砂轮 砂轮型号磨粒尺寸(m)平均磨粒尺寸 (m) SD1500- 75-B 26 4 SD1500- 75-B 815 11.5 SD8000- 75-B 2040 30 SD400-75- B 4060 50 SD200-75- B 90110 100 采用传统的磨削方法加工陶瓷及其它硬

11、度高、脆性 大的脆性材料时，磨削后的工件表面会产生裂纹。 本试验采用超精密磨头在不同的加工条件下磨削陶 瓷材料，加工完毕后，采用Nanoscope A扫描探针 显微镜进行观测。由观测结果可知，磨削表面可分 为三种模式：断裂模式、断裂+塑性模式、塑性模 式，图1所示为磨削模式与磨削条件(砂轮进给量与 平均磨粒尺寸)之间的关系。由图1可看出，塑性磨 削模式能利用平均磨粒尺寸小于18.5m，或平均磨 粒尺寸最大值不超过25m的金刚石砂轮进行磨削。 图图1 磨削模式与磨削条件的关系磨削模式与磨削条件的关系 图图2 砂轮平均磨粒尺寸与磨削表面砂轮平均磨粒尺寸与磨削表面 粗糙度之间的关系粗糙度之间的关系

12、图图3 砂轮进给量对磨削表面粗糙度的影响砂轮进给量对磨削表面粗糙度的影响 图2所示为金刚石砂轮的磨粒尺寸与磨削表面粗糙度 之间的关系。显然，磨削表面与抛光表面一样，其 表面粗糙度取决于磨粒尺寸的大小。正如图1所示， 采用不同平均磨粒尺寸的金刚石砂轮进行磨削，其 加工表面结构有着很大不同。 图3所示为采用SD1500-75-B金刚石砂轮磨削时表面 粗糙度与进给量之间的关系曲线(所有表面均在塑性 模式下进行磨削)。由图可知，磨削表面粗糙度主要 取决于砂轮的进给量，而磨削深度和磨削方向对磨 削表面粗糙度并无影响。 当采用SD3000-75-B金刚石砂轮在 v=1200m/min，f=3.6m/r，a=1m条件下对陶 瓷样品进行磨削时，陶瓷表面处于塑性域磨 削模式。图4和图5分别为用Nanoscope A扫 描探针显微镜测得的陶瓷磨削表面显微图形 及其表面轮廓形貌。测得的陶瓷表面粗糙度 值为rms4.15nm，Ra3.07nm和P-V32.17nm， 其表面粗糙度值优于用抛光方法加工的光学 表面。 图图4 陶瓷磨削表面显微图陶瓷磨削表面显微图 图图5 陶瓷磨削表面轮廓形陶瓷磨削表面轮廓形 貌貌 4 结论结论 金刚石砂轮的平均磨粒尺寸是影响陶瓷