精密磨削技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷的提高，磨削加工已廣泛應(yīng)用于金屬及其他材料的粗、精加工，是非常重要的切削加工方式。目前，磨削加工已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)精密與超精密加工最有效、應(yīng)用最廣泛的基本工藝技術(shù)，為人們提供高精度、高質(zhì)量、高度自動(dòng)化的技術(shù)裝備的開發(fā)和研制。

精密磨削技術(shù)

磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工藝方法，一般來講，按照砂輪線速度的高低可將其進(jìn)行分類，把砂輪速度低于45 m/s的磨削稱為普通磨削，把砂輪速度高于45 m/s的磨削稱為高速磨削，把砂輪速度高于150m/s的磨削稱為超高速磨削。

按磨削效率將磨削分為普通磨削、高效磨削（高速磨削、超高速磨削、緩進(jìn)給磨削、高效深切磨削、砂帶磨削、快速短行程磨削和高速重負(fù)荷磨削）。

磨削加工能達(dá)到的磨削精度在生產(chǎn)發(fā)展的不同時(shí)期有不同的精度范圍，當(dāng)前，按磨削精度將磨削分為普通磨削（加工精度＞1μm、表面粗糙度R a0.16~1.25μm）、精密磨削（加工精度1~0.5μm、表面粗糙度R a0.04~1.25μm）、超精密磨削（加工精度≤0.01μm、表面粗糙度R a≤0.01μm）。

精密加工是指在一定發(fā)展時(shí)期中，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到較高程度的加工工藝，當(dāng)前是指被加工零件的加工精度為l～0.1μｍ，表面粗糙度值Ra0.2～0.01μｍ的加工技術(shù)。

精密磨削是目前對(duì)鋼鐵等黑色金屬和半導(dǎo)體等脆硬材料進(jìn)行精密加工的主要方法之一，在現(xiàn)代化的機(jī)械和電子設(shè)備制造技術(shù)中占有十分重要的地位。

精密磨削一般使用金剛石和立方氮化硼等高硬度磨料砂輪，主要靠對(duì)砂輪的精細(xì)修整，使用金剛石修整工具以極小而又均勻的微進(jìn)給（10～15mm /min）。獲得眾多的等高微刃，加工表面磨削痕跡微細(xì)，最后采用無火花光磨。

由于微切削、滑移和摩擦等綜合作用，達(dá)到低表面粗糙度值和高精度要求。高精密磨削的切屑很薄，砂輪磨粒承受很高的應(yīng)力，磨粒表面受高溫、高壓作用，一般使用金剛石和立方氮化硼等高硬度磨料砂輪磨削。

精密與超精密磨削的機(jī)理與普通磨削有一些不同之處：

1)超微量切除。應(yīng)用較小的修整導(dǎo)程和修整深度精細(xì)修整砂輪，使磨粒細(xì)微破碎而產(chǎn)生微刃。一顆磨粒變成多顆磨粒，相當(dāng)于砂輪粒度變細(xì)，微刃的微切削作用就形成了低粗糙度。

2)微刃的等高切削作用。微刃是砂輪精細(xì)修整而成的，分布在砂輪表層同一深度上的微刃數(shù)量多，等高性好，從而加工表面的殘留高度極小。

3)單顆粒磨削加工過程。磨粒是一顆具有彈性支承和大負(fù)前角切削刃的彈性體，單顆磨粒磨削時(shí)在與工件接觸過程中，開始是彈性區(qū)，繼而是塑性區(qū)、切削區(qū)、塑性區(qū),最后是彈性區(qū)，這與切屑形成形狀相符合。

4）連續(xù)磨削加工過程。工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪持續(xù)切入，開始磨削系統(tǒng)整個(gè)部分都產(chǎn)生彈性變形，磨削切入量(磨削深度)和實(shí)際工件尺寸的減少量之間產(chǎn)生差值即彈性讓刀量。此后，磨削切入量逐漸變得與實(shí)際工件尺寸減少量相等，磨削系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。最后，磨削切入量到達(dá)給定值，但磨削系統(tǒng)彈性變形逐漸恢復(fù)為無切深磨削狀態(tài)。

精密磨削技術(shù)的歷史與發(fā)展

磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，也是人類最早使用的生產(chǎn)技藝方法。

18 世紀(jì)中期世界上第一臺(tái)外圓磨床問世，由石英石、石榴石等天然磨料敲鑿成為磨具，用天然磨料和粘土燒結(jié)成砂輪，隨后又研制出平面磨床。

20 世紀(jì)40 年代末，人造金剛石出現(xiàn)；1957 年立方氮化硼研制成功；隨著磨削技術(shù)的發(fā)展，特別是超硬磨料人造金剛石砂輪與立方氮化硼砂輪的應(yīng)用，磨削加工應(yīng)用范圍日益增大，磨削加工精度及加工效率也不斷提高。

磨削技術(shù)得到快速發(fā)展，磨床在加工機(jī)床中也占有相當(dāng)大比例。據(jù)1997 年歐洲機(jī)床展覽會(huì)(EMO)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25% 企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用最主要加工技術(shù)，車削只占23% ，鉆削占22% ，其它占8% ；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床比例高達(dá)42% ，車床占23% ，銑床占22% ，鉆床占14% 。

我國從1949～2007 年，開發(fā)生產(chǎn)通用磨床有1800 多種，專用磨床有幾百種，磨床擁有量占金屬切削機(jī)床總擁有量15% 左右?？梢姡ハ骷夹g(shù)及磨床在機(jī)械制造業(yè)中占有極其重要位置。

近年來，國外對(duì)精密和超精密磨削技術(shù)的開發(fā)研究獲得了不少成果，主要體現(xiàn)在ELID鏡面磨削新工藝的研究和加工硅片以及非球面零件的應(yīng)用上。

日本國家理化學(xué)研究所的大森整教授于1987年研制成功了在線修整砂輪的ELID鏡面磨削新工藝。

ELID鏡面磨削技術(shù)是利用在線電解修整作用連續(xù)修整砂輪來獲得恒定的出刃高度和良好的容屑空間，同時(shí)，在砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜，當(dāng)砂輪表面的磨粒磨損后，鈍化膜被工件表面磨屑刮擦去除，電解過程繼續(xù)進(jìn)行，對(duì)砂輪表面進(jìn)行修整,加工表面粗糙度Ｒａ達(dá)到0.02～0.01μｍ，表面光澤如鏡。

美國在應(yīng)用ELID磨削技術(shù)加工電子計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體微處理器方面已取得突破性進(jìn)展,在國防、航空航天及核工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也在進(jìn)行，PeiZJ等人對(duì)自旋轉(zhuǎn)磨削法精密磨削硅片的加工過程以及加工參數(shù)、砂輪粒度、冷卻液供給等加工條件對(duì)磨削力、硅片面型精度、表面磨削紋路、表面粗糙度的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

德國是最早研究ELID磨削技術(shù)的幾個(gè)國家之一。在1991年就有德國的機(jī)床廠家進(jìn)行了系列ELID專用機(jī)床的設(shè)計(jì)。此外，英、法等國對(duì)ELID磨削技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究。

我國對(duì)精密磨削的研究尚處于初級(jí)階段，主要集中在高校。哈爾濱工業(yè)大學(xué)以袁哲俊教授為首的ELID課題組研制成功了ELID磨削專用的脈沖電源、磨削液和砂輪,在國產(chǎn)機(jī)床上開發(fā)出平面、外圓和內(nèi)圓ELID磨削裝置，實(shí)現(xiàn)了多種難加工材料的精密鏡面磨削。目前正積極推廣普及該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品化。東華大學(xué)機(jī)械學(xué)院的研究者利用固結(jié)磨粒低頻振動(dòng)(頻率ｆ為0.5～20Ｈｚ、振幅為0.5～3ｍｍ)壓力進(jìn)給的精整加工，研究了適宜的經(jīng)濟(jì)加工條件及有關(guān)參數(shù)，并驗(yàn)證了經(jīng)過磨削加工后的陶瓷工件，再經(jīng)過超精加工可以進(jìn)一步降低其表面粗糙度，可降低2～4個(gè)等級(jí)。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。

ELID磨削技術(shù)

ELID磨削技術(shù)是應(yīng)用電化學(xué)反應(yīng)的非傳統(tǒng)材料去除技術(shù)來解決金屬基超硬磨料砂輪的修整問題的超精密鏡面加工技術(shù)，以其效率高、精度高、表面質(zhì)量好、加工裝置簡單及適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，已較廣泛用于電子、機(jī)械、光學(xué)、儀表、汽車等領(lǐng)域。

ELID磨削的基本原理

ELID(Electrolytic In-process Dressing)磨削是在磨削過程中，利用非線性電解修整作用使金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪表層氧化層的連續(xù)修整用與鈍化膜抑制電解的作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。從而獲得穩(wěn)定厚度的氧化層，使砂輪磨粒獲得恒定的出刃高度和良好的容屑空間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可控、最佳的磨削過程，它適用于硬脆材料進(jìn)行超精密鏡面磨削。

ELID磨削的必備裝置主要有磨床、電源、電解裝置、電解液和砂輪五個(gè)要素。

其工作原理是：金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的轉(zhuǎn)軸與電刷的接觸而接通電源正極作為陽極，銅電極（工具電極）與電源負(fù)極相接作為陰極。砂輪與負(fù)極之間存在100~500μm的間隙（間距可調(diào)），利用噴嘴噴出具有電解功能的磨削液使之充滿間隙。在高電壓（60~120v）和高脈沖頻率電源的作用下，使磨削液電解產(chǎn)生陽極溶解效應(yīng)，將砂輪表層的金屬基體電解去除，與此同時(shí)，在砂輪表面會(huì)產(chǎn)生一層絕緣的鈍化膜能有效抑制金屬基體的過度電解，以減少砂輪基體的過分電解損耗。因?yàn)檠趸O易磨損，從而容易使新的磨粒露出鋒利的棱角以達(dá)到修銳效果。整個(gè)加工過程中電解作用與鈍化膜的抑制作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，保證了磨粒的恒定的突出量，使砂輪在加工過程中始終保持有磨粒突出的最佳磨削狀態(tài)。該技術(shù)將砂輪的在線修整與磨削過程結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的連續(xù)超精密鏡面磨削。

ELID超精密磨削的過程可分為四個(gè)階段，具體歸納如下圖。

如下圖ELID鏡面磨削基本原理圖(a)所示，在砂輪修正前，砂輪由磨粒和金屬結(jié)合劑組成，磨粒均勻分布。在進(jìn)行磨削加工前，需單獨(dú)對(duì)砂輪進(jìn)行電解修整工作(圖b)，在砂輪表面電離溶解一層金屬結(jié)合劑，以一定厚度的鈍化膜取而代之。一方面能有效減小砂輪的形狀誤差，另一方面能預(yù)先生成具有一定彈性的鈍化膜，防止開始磨削時(shí)砂輪切入是造成工件的硬質(zhì)劃傷。在磨削開始后，由于氧化膜極易磨損，固定在氧化膜中的磨粒路出鋒利的棱角，其可以視為無數(shù)大小型刀具對(duì)工件表面進(jìn)行微切削作用。砂輪在通過與工件的接觸區(qū)域后，由于工件材料的刮擦作用，磨粒磨損鈍化，出刃高度降低，磨削效果變?nèi)?。由于鈍化膜變薄，導(dǎo)電性恢復(fù)，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)到工具電極位置時(shí)，在電解液的作用下，砂輪表面形成新的氧化膜，使磨料出刃高度增加（如圖c）。當(dāng)氧化膜達(dá)到磨損前的厚度時(shí)，電阻足夠大而起到絕緣作用，使電解作用終止。由此可知，由于這種非線性電解作用的結(jié)果，使得修整過程對(duì)磨削過程有一定的自適應(yīng)能力，砂輪在每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都保持以相同厚度的氧化層和相同出刃高度的磨粒進(jìn)行磨削，即砂輪表層氧化膜的電解生成與磨損達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，最終使得砂輪表面結(jié)合劑基體不斷被電解，新的磨料不斷地露出，以保證金屬基砂輪在磨削過程中的銳利性。這種磨削方法即不會(huì)由于表層磨料的磨損和脫落而失去切削能力造成切屑堵塞現(xiàn)象，又不會(huì)造成砂輪的過快消耗，能充分發(fā)揮超硬磨料的磨削能力，非常有利于對(duì)硬脆材料實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的超精密鏡面磨削。

精密磨削存在的問題以及發(fā)展前景

精密和超精密磨削技術(shù)在各方面均取得迅速發(fā)展,已成為先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一.在今后的研究中應(yīng)著重關(guān)注以下幾個(gè)問題：

1)超精密磨削的基本理論和工藝研究,著重研究多顆粒磨削機(jī)理、磨削表面生成及影響因素等；

2)開發(fā)高精度、高性能、高自動(dòng)化的加工機(jī)械及測試裝置的移動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及軸承；

3)目前ＥＬＩＤ鏡面磨削技術(shù)存在的問題是向高速回轉(zhuǎn)的砂輪供電非常困難,通常采用接觸式電刷供電設(shè)備,該設(shè)備復(fù)雜昂貴,影響了ＥＬＩＤ鏡面磨削技術(shù)的推廣應(yīng)用；

4)開發(fā)適于超精密加工并能獲得超高精度，超高表面質(zhì)量的新型材料，如超微粉燒結(jié)金屬、新高分子材料等。

磨削技術(shù)發(fā)展很快，在機(jī)械加工中起著非常重要的作用。目前，磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢是：發(fā)展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削機(jī)理并開發(fā)其新的磨削加工技術(shù)，研制高精度、高剛性的自動(dòng)化磨床。

隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高，高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、高功能性的新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)在磨削機(jī)理、磨料磨具開發(fā)、精密超精密磨削、高速超高速磨削、磨削自動(dòng)化和智能化、磨削工藝過程監(jiān)控與檢測技術(shù)、磨削加工軟件技術(shù)等方面發(fā)展迅速，在機(jī)械加工中起著至關(guān)重要的作用。因此，我們應(yīng)深入研究國外先進(jìn)磨削技術(shù)，系統(tǒng)地開展和推廣各種先進(jìn)與實(shí)用的磨削技術(shù)，積極推進(jìn)我機(jī)械制造工藝技術(shù)的進(jìn)步。