金刚石微粉砂轮超精密磨削技术.pdf

摘要论述了金刚石微粉砂轮超精密磨削的特点、存在的技术难题及其发展前景。对金刚石微粉砂轮超精密磨削机理进行了探讨，认为它是以微切削为主的多种作用的融合；研究了金刚石微粉砂轮修整机理及其常用的有效修整方法；提出了树脂一金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的构想，论述其结构的形成、制作过程及其实际磨削效果。最后，探讨了进行金刚石微粉砂轮超精密磨削时的影响因素及环境条件。关键词金刚石微粉砂轮超精密磨削树脂金属复合结合剂微纳米加工O前言金刚石刀具超精密切削在加工铜、铝及其合金等软金属材料中已获得极大成功，但在工程陶瓷、半导体、光学玻璃、石材等各种硬脆材料的精密和超精密加工上，却在很大程度上仍依赖于研磨、抛光等加工方法，虽然这些方法可以达到很高的精度和极低的表面粗糙度，但加工效率较低，对于一些形状复杂如非球面零件等的超精密加工就显得比较困难。金刚石砂轮磨削硬脆材料是一种有效的超硬磨料精密加工方法，它磨削能力强、耐磨性好、使用寿命长，磨削力小、磨削温度低、表面无烧伤、无裂纹和组织变化，加工表面质量好，且磨削效率高，因此近年来得到广泛应用，但在几何形状精度和表面粗糙度上很难满足超精密加工的更高要求，因此提出了金刚石微粉砂轮超精密磨削加工方法。按我国国家标准规定，磨粒直径在5 0 斗m 以下称为微粉。金刚石微粉砂轮一般是以粒度为w 4 0 一w 5 的金刚王先逵，清华大学教授，博士生导师，清华大学精仪系制造工程研究所北京1 0 0 0 8 4。产品与技术P r o d u c t s&T e c h n o l o g)，石微粉为磨料，采用树脂、陶瓷、金属(如铜、纤维铸铁等)为结合剂烧结而成，其特点如下：(1)金刚石微粉砂轮由于其微粉磨料的粒度很细，可以获得极低的表面粗糙度，同时在精密磨床或超精密磨床上磨削可获得很高的磨削精度，是一种比较理想的微纳米超精密加工方法。(2)金刚石微粉砂轮超精密磨削是一种固结磨料的微量去除加工方法，具有一般磨削的特点，可方便地磨削外圆、孑L、平面和成形等表面，加工效率高，加工质量好，极具发展前途。(3)金刚石微粉砂轮由于磨料粒度很细，容屑空间很小，磨屑容易堵塞，因此，除一般修整外，尚要进行在线修整，才能保证磨削的正常进行和加工质量。本来，超硬磨料砂轮的修整就是一个难题，因此，金刚石微粉砂轮的修整是一项关键技术。(4)由于金刚石微粉砂轮的容屑空间很小，因此要严格控制磨削时的磨削深度，磨削加工应在精密磨床或超精密磨床上进行，机床上应有微进给系统。1金刚石微粉砂轮超精密磨削机理传统的用游离磨料进行精密加工和超精密加工方法，如研磨、抛光等，其加工机理主要是磨粒的滚动和挤压作用使被加工表面产生塑性变形和塑性流动，同时有磨粒的微切作用，总的可归结为延展式磨削。金刚石微粉砂轮超精密磨削时，主要是微切削作用，在切削过程中有切屑形成、耕犁(隆起)、滑擦(滑动和摩擦)等现象产生，这是由于磨粒具有很大的负前角和切削刃钝圆半径；又由于是微粉磨粒，因此具有微刃性；同时，又由于砂轮经过精细修整，磨粒在砂轮表面上具很好的等高性，因此其切削机理比较复杂，可分析有以下几种现象：W M E M2 期2 0 0 3 年4 月8 3 万方数据 万方数据(3)电火花修整法如图3 所示，电源提供直流电，砂轮接正极，修整器接负极，形成正极性加工。由于砂轮是旋转的，故要通过电刷将电源接到砂轮轴上再传至砂轮。这种修整方法既可整形，又可修锐，同时可用于在线修整，工作液可直接用磨床的磨削液，方法简单方便，应用广泛，但只适用于金属结合剂砂轮。我国清华大学制造工程研究所在这方面做了不少工作，是一个很有前途的金刚石微粉砂轮修整方法。图3电火花修整法(4)砂带磨削法如图4 所示，采用刚玉、碳化硅砂带修整金刚石微粉砂轮是利用砂带带基的软质材料的弹性来去除金刚石磨粒周围的接合剂而进行修锐，是一种软弹性修整法，简称弹性修整法。这种方法可用于各种结合剂的金刚石砂轮，修整效果较好，但在整形时效率较低，用于修锐较好。我国清华大学制造工程研究所在这方面也做了不少工作。图4砂带磨削法其他尚有研磨法、喷射法、超声波振动法、激光法、清扫法等，在此不再赘述。产品与技术P r o d u c t s&T e c h n o l o g y3树脂一金属复合结合剂金刚石微粉砂轮超精密磨削3 1 树脂一金属复合结合剂金刚石微粉砂轮对于外圆柱面和复杂的非球面的超精密加工，磨削过程则必须同时满足高形状精度和低表面粗糙度的双重要求。磨粒的支持刚性影响形状精度和表面粗糙度。为了确保高形状精度，砂轮的刚性应尽可能大，但是为了得到低的表面粗糙度，砂轮的刚性低有利。金属结合剂砂轮刚性大，对保证形状精度有利，但修整困难，不易加工出镜面程度的表面粗糙度，同时对磨床精度和刚性的要求十分苛刻，而树脂结合剂砂轮的弹性好，易于磨出低粗糙度的表面。由于在实际的超精密磨削加工要求中，表面粗糙度的要求往往高于形状精度，因此应充分发挥树脂结合剂的弹性效果。树脂结合剂因为具有以下优点而适用于镜面磨削：(2)树脂砂轮弹性高，具有吸振性，并且易于使切削刃突出高度均匀；(2)使用树脂砂轮可降低对磨床精度和刚性的苛刻要求；(3)在磨削过程中会出现磨粒回转现象，具有自生作用的效果。但是由于树脂结合剂弹性大易变形，因此很难保证形状精度。同时，细粒度(小于W 5 0)的树脂结合剂金刚石微粉砂轮，磨粒易于埋于结合剂中，磨粒之间的容屑槽减小，极易发生阻塞，导致砂轮的切削能力大幅度降低，加工表面质量恶化。因此，提出了利用电解调整方法得到树脂一金属复合结合剂金刚石微粉砂轮，现已成功地应用于超精密磨削中。3 2 树脂一金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的电解调整原理在砂轮制造过程中，把铜粉作为添加剂混入到树脂结合剂中，金属粉末可以限制树脂的弹性变形，从而提高了砂轮的整体刚性。使用前先修整砂轮，然后对砂轮进行电解调整。电解过程中，砂轮表层的铜被腐蚀掉，而树脂结合剂和金刚石磨粒因不受电解作用影响而保持修整后的原状，从而在砂轮表层形成气孑L。这样，砂轮的内部保持了树脂一金属复合结合剂组织结构，而表层则是有气孔的树脂结合剂的组织结构。砂轮不仅具有高的整体刚性，而且参与磨削的表层部分具有弹性和气孔，可以使砂轮具有持续磨削能力。图5 是树脂一金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的电解调整原理图。如图所示，将电源的正极接砂轮的轮毂，W M E M2 期2 0 0 3 年4 月8 5 万方数据 万方数据率要高得多，不仅适于加工钢铁及其合金等金属材料，如淬硬钢、硬质合金、耐热钢、钛合金、不锈钢等；同时，可用于磨削非金属的硬脆材料，如陶瓷、玻璃、半导体、石英、石材等难加工材料。5结论当前，由于加工技术的发展，特别是纳米技术的提出，国际上将精密和超精密加工技术统称为精密工程和纳米技术，并将其加工方法分为机械加工和非机械加工两大类，前者是指金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和精密抛光等技术；后者是指电加工、电子束、离子束、激光束加工，以及集成电路制造所用的光刻等微电子加工技术等。纳米技术的发展，特别是微型机电系统(微型机械)的问世，使微细加工技术倍受重视，有关大规模集成电路的制作工艺成为微型机电系统的主要制造方法，从而忽视了传统机械加工方法的改进和创新。现在，制造业又将目光转向于微纳米机械加工方面，注意到这是一个很有潜力的领域，其特点有以下几方面：(1)微纳米加工技术的应用范围比较广，可以进行一般零件的精密加工和超精密加工，同时，也可进行微小零件的微纳米加工，形成一个新的领域。(2)相对于大规模集成电路的制作工艺和设备，其设备成本和加工费用要低得多，而且，国内已有一些自己的技术可以应用。(3)所谓纳米加工，其目前所指为0 1 n m 至1 0 0 n m 的范围，因此，一些用光刻手段加工的部分可以用超精密机械加工或电加工等来完成；同时，在微型机电系统中，不是所有的零件都必须用大规模集成电路的制作方法来加工，这样就给微纳米机械加工一个生存空间和发展机遇。综上所述，可知金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、微细电火花成型、微细电火花磨削等就是当前具有代表性的微纳米加工。参考文献 1 庄司克雄磨削与研磨技术的接点的探讨日本机械和工具，1 9 9 4 8：1 8 2 2【2 厨川常元，吉田典夫，庄司克雄微细磨料喷射加工方法在线修锐树脂结合剂金剐石微粉砂轮日本磨料加工学会志，1 9 9 6，4 0(4)：3 9 4 4 3，快速移动1 0 0 m m i n，加速度2 9，主轴最高转速6 00 0 0 r m i n，主电机功率8 0 k W，生产效率极高。3 2 存在问题及其解决办法(1)发热问题直线电机是一种高发热元件，又安装在工作台与床身、导轨之间，处于机床的“腹部。，蠢雍晕j堕角坐镢掣兽曩蝶硭省雾跫；鞋黑圈赢型象鲁墓型霾班型芦勖!岸躇障鞫齐弦机床的制造、装配、测试、精调都用0 1 斗m 千分表进行。在对所有坐标测量后，把机床局部拆开，根据测量结果，对导轨和圆工作台部件进行重新刮研、重新调整，直至达到所要求的几何精度。姚峻w M E M2期2003年4月 万方数据