精密和超精密磨削机理及磨削砂轮选择的研究

晴雨燕

精密和超精密磨削机理及磨削砂轮选择的研究

精密加工是指加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度值为0.2~0.025μm的加工技术；超精密加工是指 加工精度高于0.1μm，表面粗糙度值小于0.025μm的加工技术。目前超精密加工已进入纳米级，并称为纳 米加工及相应的纳米技术。精密磨削是目前对钢铁 等黑色金属和半导体等脆硬材料进行精密加工的主要 方法之一，在现代化的机械和电子设备制造技术中占 有十分重要的地位。

一、磨削技术内涵

精密磨削主要靠对砂轮的精细修整，使用金刚石修整工具以极小而又均匀的微进给（10~15mm/min)，获得众多的等高微刃，加工表面磨削痕迹微细，最后采用无火花光磨。由于微切削、滑移和摩擦等综合作用，达到低表面粗糙度值和高精度要求。高精密磨削的切屑很薄，砂轮磨粒承受很高的应力，磨粒表面受高温、高压作用，一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮磨削。高精密磨削除有微切削作用外，还可能有塑性流动和弹性破坏等作用。光磨时的微切削、滑移和摩擦等综合作用更强6 " 7 。超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法。超精密磨削去除量最薄，采用较小修整导程和吃刀量来修整砂轮，是靠超微细磨粒等高微刃磨削作用，并采用较小的磨削用量磨削。超精密磨削要求严格消除振动，并保证恒温及超净的工作环境。超精密磨削的光磨微细摩擦作用带有一定的研抛作用性质。

二、磨削特点

1精密和超精密磨床是超精密磨削的关键 精 密和超精密磨削是在精密和超精密磨床上进行，其加 工精度主要决定于机床。由于超精密磨削的精度要求 越来越高，已经进入0.01μm甚至纳米级。

(2)精密和超精密磨削是微量、超微量切除加工 精密和超精密磨削是一种极薄切削，其去除的余量可 能与工件所要求的精度数量级相当，甚至于小于公差 要求，因此在加工机理上与一般磨削加工是不同的。

(3)精密和超精密磨削是一个系统工程 影响精 密和超精密磨削的因素很多，各因素之间相互关联，所 以超精密磨削是一个系统工程。超精密磨削需要一个 稳定的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境 的温度和净化等都有稳定性要求，并有较强的抗击来 自系统内外的各种干扰能力，有了高稳定性，才能保证 加工质量的要求。

三、磨削机理

1超微量切除 精密和超精密磨削是一种极薄 切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小， 磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内 部非常大的原子、分子结合力，从而磨粒上所承受的切 应力就急速地增加并变得非常大，可能接近被磨削材 料的剪切强度的极限。同时，磨粒切削刃处受到高温和 高压作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高温硬 度。对于普通磨料，在这种高温、高压和高剪切力的作 用下，磨粒将会很快磨损或崩裂，以随机方式不断形成 新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度、 低表面粗糙度值的磨削质量。因此，在超精密磨削时 一般多采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。

2单颗粒磨削加工过程 砂轮中的磨粒分布是 随机的，磨削时磨粒与工件的接触也是无规律的，为研 究方便起见，对单颗粒的磨削加工过程进行分析。磨粒 是一颗具有弹性支承的和大负前角切削刃的弹性体。 单颗磨粒磨削时在与工件接触过程中，开始是弹性区， 继而是塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区，这与切 屑形成形状相符合。超精密磨削时有微切削作用、塑性 " 流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。当刀刃锋利，有一定磨削深度时，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、弹性破坏以及滑擦。

3连续磨削加工过程 工件连续转动，砂轮持续 切入，开始磨削系统整个部分都产生弹性变形，磨削切 入量（磨削深度）和实际工件尺寸的减少量之间产生差 值即弹性让刀量。此后，磨削切入量逐渐变得与实际工 件尺寸减少量相等，磨削系统处于稳定状态。最后，磨 削切入量到达给定值，但磨削系统弹性变形逐渐恢复， 为无切深磨削状态。在超精密磨削中，掌握弹性让刀量 十分重要，应尽量减小弹性让刀量，即磨削系统要求高 刚度，砂轮修锐质量好，形成切屑的磨削深度小。

四、磨料、磨具及磨床的选择

1磨料的选择 由于不同的磨料与不同工件材 料对表面粗糙度的影响是不同的，在选择磨料时应保 证形成好的微刃，而在磨削时不希望砂轮有自励现象。 加工钢材或铸件时宜选刚玉磨料。超精密磨削为获得 更低的工件表面粗糙度值，一般采用人造金刚石、立方 氮化硼等高硬度磨料。

2硬度选择 精密和超精密磨削的工件表面粗 糙度在一定程度上随着砂轮硬度提高而变好，但当硬 度过高，会由于砂轮弹性差而引起工件烧伤。由于砂轮 制造时允许有)小级偏差。因此选用时以中软为好

3砂轮的选择 精密和超精密磨削所用砂轮要 以易产生和保持微刃为原则，砂轮的粒度可选择粗粒 度和细粒度，其具体情况见表1

4砂轮的修整 修整方法有单颗粒金刚石修整、 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整 等。修整情况如附图所示。一般修整时，修整器应安 装在低于砂轮中心1~2mm处，并向上倾斜10°~15°，使金刚石受力小、使用寿命长。金刚石超声波修整用点接触法的修整器是尖的，用面接触法的修整器是平顶的，后者接触应力小，磨粒上不容易产生裂纹，能形成等高性很好的微刃。精密和超精密磨削时磨削用量和修整砂轮时用量见表2

5磨床的选择 精密和超精密磨削机床应具有 很高的几何精度，如砂轮工件主轴回转精度应小于1μm导轨直线度误差不超过1000000：1即在1m长度内的直线度误差小于1μ，以保证工件的几何形状精度；应具有高精度的横进机构，以保证砂轮修整时的微刃性和微刃等高性以及工件的尺寸精度；还应具有低速稳定性好的工作台移动机构，工作台低速稳定性达到6mm/min，不能产生爬行和振动，以保证砂轮修整质量和加工质量；同时必须有经良好过滤的磨削液，以防止工件表面划伤。除对机床设计制造采取措施外，还须采用隔振系统。同时安装一个净化空间，以防止部分灰尘拉伤工件表面。

五、超精密磨削发展前沿

近年来，金刚石微粉砂轮超精密磨削的研究和应用发展很快，有关超硬材料砂轮超精密磨削的研究项目如下

1金刚石微粉砂轮超精密磨削机理研究：着重研 究多颗粒磨削机理、磨削表面生成、影响因素等；

2立方氮化硼微粉砂轮超精密磨削机理研究；

3超硬材料砂轮的修整技术：包括金刚石微粉砂 轮、立方氮化硼微粉砂轮的在线实时修整1 金刚石砂轮、立方氮化硼砂轮的修整等整形和修锐技术；

4超硬材料砂轮结构设计和制作工艺研究：主要研磨是精密及超精密零件精加工的主要方法之一。也是航空附件修理和精密修理的方法之一。航空冷气系统中大量用到平面阀门，在使用过程中由于划伤、磨损等原因会造成平面阀门密封不好，此时需要对平面阀门及时进行修理。实际修理中最常用的方法是对损伤的平面阀门进行手工研磨。平面阀门中的阀门平面面积较小，平面度和表面质量要求很高，在实际研磨中由于选用的研磨工具和操作方法不合适，往往会造成研磨时间长，效率低，有时会使零件损伤更加严重。在对平面阀门的多年修理研究实践中，我们总结出了一种快速研磨小平面的工艺，可提高工效10倍以上。

平面阀门的快速研磨工艺

一、平面研磨常出现的问题

研磨平面出现“塌边” 在研磨时要给工件以垂直于平台的压力P，同时还要给工件一水平推力file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image004.jpg，使工件作研磨运动，两者的合力为作用于工件上的斜向力P（如图1）。假如力P 是作用在工件的上面中心位置，那么，水平分力P势必要对工件产生一个力矩 M= file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image004.jpg*H，若工件是向前推的话，此力距M 使工 件前端受的支反力大，而后端受力较小，反过来，当工 件向后运动时，情况又相反。因此研磨后，四周研磨量 大，中间研磨量小，即出现四周比中间低，形成中间凸 起，这种现象称为“塌边”。

铜质工件划伤严重在维修研磨实践中，往往会出现铜质工件划伤严重，而铜质工件又主要是在精磨时产生划伤。

二、研磨平板的选择与修磨

平面研磨是在研磨平板上进行的，研磨平板的表面质量对研磨质量有较大影响。因此在研磨前要选择高质量的研磨平板，并对平板进行必要的修磨。

粗磨平面用平板粗磨平面时选用灰铸铁平板，先经过两块大小不同平板互相研磨，使平板的表面粗糙度达到较高要求，并使小平板（研磨使用平板）表面中央略成凸起，再用截面尺寸10mmx10mm的磨条将平板四周打磨出一个宽10mm、边缘低0.001~0.003mm有超硬磨料、粒度、结合剂、浓度、形状、尺寸、结构等的设计和制作及其性能试验。

                                                                       

                                                                                                                                                                                                               转自百度文库