精密磨削中超硬磨料砂輪

 

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，砂輪持續(xù)切入，開始磨削系統(tǒng)整個部分都產(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(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。可見，磨削技術(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，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ELID磨削技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究。

 

我國對精密磨削的研究尚處于初級階段，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(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個等級。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，在砂輪表面會產(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。整個加工過程中電解作用與鈍化膜的抑制作用達(dá)到動態(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，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，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，使得修整過程對磨削過程有一定的自適應(yīng)能力，砂輪在每個旋轉(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、高自動化的加工機(jī)械及測試裝置的移動導(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。