廣輕院精密與特種加工講義03精密與超精密磨料加工

第三章精密與超精密磨料加工金剛石刀具主要是對鋁、銅及其合金等材料進行超精密車削，而對于黑色金屬、硬脆材料的精密與超精密加工，則主要是應用精密和超精密磨料加工。所謂精密和超精密磨料加工，就是利用細粒度的磨粒和微粉對黑色金屬、硬脆材料等進行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。精密和超精密磨料加工可分為固結磨料（如油石研磨、精密珩磨；砂帶磨削等）和游離磨料（如精密研磨、精密拋光）兩大類，如圖3-1所示。第一節精密磨削精密磨削是指加工精度為1~0.1μm、表面粗糙度為Ra0.2~0.025μm的磨削方法，一般用于機床主軸、軸承、液壓滑閥、滾動導軌、量規等的精密加工。一、精密磨削機理精密磨削主要是靠砂輪具有微刃性和等高性的磨粒實現的。精密磨削機理：=1\*GB2⑴微刃的微切削作用：應用較小的進給量對砂輪實施精細修整，從而得到如圖3-2所示的微刃，微刃的微切削作用形成了小表面粗糙度值的表面。=2\*GB2⑵微刃的等高切削作用：砂輪的精細修整使砂輪表層的同一深度上的微刀數量多、等高性好，從而使加工表面的殘留高度極小。=3\*GB2⑶微刃的滑擠、摩擦、拋光作用：砂輪微刃隨著磨削時間的增加而逐漸鈍化，但等高性逐漸得到改善，因而切削作用減弱，滑擠、摩擦、拋光作用加強。同時磨削區的高溫使金屬軟化，鈍化微刃的滑擦和擠壓將工件表面凸峰輾平，降低了表面粗糙度值。二、磨削用量磨削用量如表3-1所示。三、精密磨削砂輪影響磨削性能的因素主要是砂輪的磨料、砂輪的粒度和砂輪的結合劑。有關砂輪組織的具體情況如表3-2所示。1．砂輪磨料精密磨削時所用砂輪的磨料以易于產生和保持微刃及其等高性為原則。如磨削鋼件及鑄鐵件，以采用剛玉磨料為宜。因為剛玉磨料韌性較高，能保持微刃性和等高性。而碳化硅磨料韌性差，顆粒呈針片狀，修整時難以形成等高性好的微刃，磨削時微刃易產生細微碎裂，不易保持微刃性和等高性，主要應用于有色金屬加工。2．砂輪粒度粗粒度砂輪經過精細修整形成微刃，以微切削作用為主；細粒度砂輪經過精細修整形成半鈍態微刃，與工件表面的摩擦拋光作用比較顯著。3．砂輪結合劑粗粒度砂輪可用陶瓷結合劑。金屬類、陶瓷類結合劑是目前超精密加工領域中研究的重要方面。四、精密磨削中的砂輪修整砂輪修整是影響精密磨削質量的關鍵因素之一。修整方法有單粒金剛石修整、金剛石粉末燒結型修整器修整和金剛石超聲波修整等，如圖3-3所示。金剛石修整時砂輪與修整器的相對位置如圖3-4所示。金剛石修整器的位置與砂輪磨削時的工件位置相對應，修整器安裝在低于砂輪中心0.5~1.5mm處，并向右上傾斜10?~15?，以減小受力。金剛石超聲波修整分為點接觸法和面接觸法。砂輪的修整用量有修整導程、修整深度、修整次數和光修次數。修整導程—般為10~15mm/min；修整深度為2.5μm/單行程；修整時一般分為初修與精修，精修一般為2~3次單行程；光修為無修整深度修整，一般為1次單行程，主要是為了去除砂輪表面個別突出微刃，使砂輪表面更加平整。五、超精密磨削超精密磨削是一種亞微米級的加工方法，并正向納米級發展。它是指加工精度達到或高于0.1μm、表面粗糙度低于Ra0.025μm的砂輪磨削方法，適宜于對鋼、鐵材料及陶瓷、玻璃等硬脆材料的加工。通常所說的鏡面磨削是屬于精密磨削和超精密磨削范疇的加工。鏡面磨削是指加工表面粗糙度達到Ra0.02~0.01μm、表面光澤如鏡的磨削方法，其加工精度的含義并不明確，更強調表面粗糙度的要求。影響超精密磨削的因素有：超精密磨削機理、被加工材料、砂輪及其修整、超精密磨床、工件的定位夾緊、檢測及誤差補償、工作環境、操作水平等。超精密磨削需要—個高穩定性的工藝系統，對力、熱、振動、材料組織、工作環境的溫度和凈化等都有穩定性的要求，并有較強的抗擊來自系統內外的各種干擾的能力。1．超精密磨削機理超精密磨削機理可以單顆粒的磨削加工過程予以說明。單顆粒磨削的切入模型如圖3-5所示，設磨粒以切速v、切入角α切入平面狀工件。理想磨削軌跡是從接觸始點開始至接觸終點結束。但由于磨削系統存在一定的彈性，實際磨削軌跡與理想磨削軌跡發生偏離。該模型說明：=1\*GB3①磨粒可以看做一具有彈性支承的和大負前角切削刃的彈性體，彈性支承為結合劑，如圖3-6所示。=2\*GB3②磨粒切削刃的切入深度由零開始逐漸增加，到達最大值后又逐漸減小，直至為零。平面磨削情況下切屑形狀如圖3-7所示。=3\*GB3③整個磨粒與工件的接觸過程依次為彈性區、塑性區、切削區、塑性區，最后為彈性區，與切屑形狀的形成—致。=4\*GB3④在超精密磨精密削中，微切削作用、塑性流動、彈性破壞作用和滑擦作用依切削條件的變化而順序出現。當刀刃鋒利，在一定磨削深度時，微切削作用較強；如果刀刃不夠鋒利，或磨削深度太淺，磨粒切削刃不能切入工件，則產生塑性流動、彈性破壞和滑擦。磨削狀態與磨削系統的剛度密切相關。工件作連續轉動，砂輪作持續切入過程中，首先是磨削系統整個部分都產生彈性變形，磨削切入量（磨削深度）與理論磨削量之間產生誤差，該誤差即為彈性讓刀量；之后磨削切入量逐漸變得與理論磨削量相等，磨削系統處于穩定狀態，即磨削切入量到達給定值；最后磨削系統彈性變形逐漸恢復，處于無切深磨削狀態（無火花磨削狀態）。2．超精密磨削工藝超精密磨削的砂輪選擇、砂輪修整、磨削液選擇等問題與精密磨削和超硬磨料砂輪磨削有關問題類同。超精密磨削的磨削用量如表3-3所示。超精密磨削用量不僅與所用機床，被加工材料，砂輪的磨粒和結合劑材料、結構、修整、平衡，工件欲達精度和表面粗糙度等有關，而且與操作工人的技術水平有關。六、超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削主要是指用金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪加工硬質合金、陶瓷、玻璃、半導體材料及石材等高硬度、高脆性材料。其突出特點為：=1\*GB3①磨削能力強，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及實現加工自動化。=2\*GB3②磨削力小，磨削溫度低，加工表面質量好，無燒傷、裂紋和組織變化。金剛石砂輪磨削硬質合金時，其磨削力只有綠色碳化硅砂輪的1/4~1/5。=3\*GB3③磨削效率高。在加工硬質合金及非金屬硬脆材料時，金剛石砂輪的金屬切除率優于立方氮化硼砂輪；但在加工耐熱鋼、鈦合余、模具鋼等時，立方氮化硼砂輪遠高于金剛石砂輪。=4\*GB3④加工成本低。金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪比較昂貴，但由于其壽命長，加工效率高，所以綜合成本低。1．超硬磨料砂輪磨削工藝=1\*GB2⑴磨削用量磨削用量如表3-4所示。=2\*GB2⑵磨削液磨削液對超硬磨料砂輪的壽命和磨削表面加工質量影響很大，如樹脂結合劑超硬磨料砂輪濕磨可比干磨提高砂輪壽命40％左右，因此一般多采用濕磨。由于超硬磨料砂輪組織緊密、氣孔少、磨削過程中易被堵塞，故要求磨削液有良好的潤滑性、冷卻性、清洗性和滲透性。金剛石砂輪磨削時常用以輕質礦物油為主體的油性液和水溶性液（乳化液、無機鹽水溶液）為磨削液，視具體情況而定。樹脂結合劑砂輪不宜使用蘇打水。立方氮化硼砂輪磨削時一般采用油性液為磨削液，而不用水溶性液，因為在高溫條件下立方氮化硼磨粒和水會發生水解作用，加劇砂輪磨損。2．超硬磨料砂輪修整修整是整形和修銳的總稱。整形是使砂輪具有—定精度要求的幾何形狀；修銳是去除磨粒間的結合劑，使磨粒突出結合劑一定高度，形成良好的切削刃和足夠的容屑空間。超硬磨料砂輪的整形和修銳則是分為前后兩步進行。超硬磨料砂輪修整的方法歸納為以下幾類：=1\*GB3①車削法；=2\*GB3②磨削法；=3\*GB3③滾壓擠軋法；=4\*GB3④噴射法；=5\*GB3⑤電加工法；=6\*GB3⑥超聲波振動修整法。第二節精密研磨與拋光一、研磨加工機理精密研磨屬于游離磨粒切削加工，是在剛性研具（如鑄鐵、錫、鋁等軟金屬或硬木、塑料等）上注入磨料，在—定壓力下，通過研具與工件的相對運動，借助磨粒的微切削作用，除去微量的工件材料，以達到高級幾何精度和優良表面粗糙度的加工方法。1．硬脆材料的研磨硬脆材料研磨的加工模型如圖3-8所示。一部分磨粒在研磨壓力的作用下用露出的尖端刻劃工件表面進行微切削加工；另—部分磨粒則產生滾軋效果，使工件表面產生脆性崩碎形成切屑。研磨磨粒為1μm的氧化鋁和碳化硅等。2．金屬材料的研磨金屬材料研磨時，磨粒的研磨作用相當于普通切削和磨削的切削深度極小時的狀態，沒有裂紋的產生。由于磨粒處于游離狀態，難以形成連續的切削，磨粒與工件間僅是斷續的研磨動作，從而形成磨屑。二、拋光加工機理拋光是指用低速旋轉的軟質彈性或粘彈性材料（塑料、瀝青、石蠟、錫等）拋光盤，或高速旋轉的低彈性材料（棉布、毛氈、人造革等）拋光盤，加拋光劑，具有一定研磨性質地獲得光滑表面的加工方法。拋光—般不能提高工件形狀精度和尺寸精度。拋光使用的磨粒是1μm以下的微細磨粒。拋光加工模型如圖3-9所示。微小的磨粒被拋光器彈性地夾持研磨工件，因而磨粒對工件的作用力很小，即使拋光脆性材料也不會發生裂紋。拋光加工是磨粒的微小塑性切削作用和加工液的化學性溶析作用的結合。三、精密研磨、拋光的主要工藝因素精密研磨拋光的主要工藝因素如表3-5所示。在一定的范圍內，增加研磨壓力可以提高研磨效率。此外，超精密研磨對研磨運動軌跡有以下基本要求，保征工件加工表面和研具表面上各點均有相同或相近的被切削條件和切削條件：=1\*GB3①工件相對研磨盤作平面平行運動，使工件上各點具有相同或相近的研磨行程。=2\*GB3②工件上任一點不出現運動軌跡的周期性重復。=3\*GB3③避免曲率過大的運動轉角，保證研磨運動平穩。=4\*GB3④保證工件走遍整個研磨盤表面，以使研磨盤磨損均勻，進而保證工件表面的平面度。=5\*GB3⑤及時變換工件的運動方向，以減小表面粗糙度值并保證表面均勻一致。四、研磨盤與拋光盤1．研磨盤研磨盤是涂敷或嵌入磨料的載體，以發揮磨粒切削作用，同時又是研磨表面的成形工具。研磨對研磨盤加工面的幾何精度要求很高。研磨盤材料硬度要低于工件材料硬度，且組織均勻致密、無雜質、無異物、無裂紋和無缺陷，并有一定的磨料嵌入性和浸含性。常用的研磨盤材料有鑄鐵、黃銅、玻璃等。研磨盤的結構要具有良好的剛性、精度保持性、耐磨性、排屑性和散熱性。為了獲得良好的研磨表面，常在研磨盤面上開槽。開槽的目的為：=1\*GB3①在槽內存儲多余的磨粒，以防止磨料堆積而損傷工件表面。=2\*GB3②加工過程中作為向工件供給磨粒的通道。=3\*GB3③作為及時排屑的通道，以防止研磨表面被劃傷。固著磨料研磨盤是一種適用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨的研具，具有表面精度保持性好、研磨效率高的優點。它是將金剛石或立方氮化硼磨料與鑄鐵粉末混合后，燒結成小薄塊，或用電鑄法將磨粒固著在金屬薄片上，再用環氧樹脂將這些小薄塊粘貼在研磨盤而制成的。2．拋光盤拋光盤平面精度及其精度保持性是實現高精度平面拋光的關鍵。因此，拋光小面積的高精度平面工件時要使用彈性變形小，并始終能保持平面度的拋光盤。較為理想的是采用特種玻璃或者在平面金屬盤上涂一層彈性材料或軟金屬材料作為拋光盤。為獲得無損傷的平滑表面，當工件材料較軟時（如加工光學玻璃），可使用半軟質拋光盤（如錫盤、鉛盤）和軟質拋光盤（如瀝青盤、石蠟盤）。使用軟質拋光盤的優點是拋光表面加工變質層和表面粗糙度值都很小；缺點是不易保持平面度，因而影響工件的平面度。五、研磨劑與拋光劑對研磨用磨粒的基本要求：=1\*GB3①形狀、尺寸均勻一致；=2\*GB3②能適當地破碎，以使切削刃鋒利；=3\*GB3③熔點高于工件熔點；=4\*GB3④在研磨液中容易分散。對于拋光粉用磨粒，除上述要求外，還要考慮與工件材料作用的化學活性。研磨拋光加工液主要作用是冷卻、潤滑、均布研磨盤表面磨粒及排屑。對研磨拋光液的要求：=1\*GB3①有效地散熱，以防止研磨盤和工件熱變形；=2\*GB3②粘附低，以保證磨料的流動性；=3\*GB3③不污染工件；=4\*GB3④物理、化學性能穩定，不分解變質；=5\*GB3⑤能較好地分散磨粒。六、非接觸拋光非接觸拋光是指在拋光中工件與拋光盤互不接觸，依靠拋光劑沖擊工件表面，以獲得加工表面完美結晶性和精確形狀的拋光方法，其去除量僅為幾個到十幾個原子級。非接觸拋光主要用于功能晶體材料拋光（注重結晶完整性和物理性能）和光學零件的拋光（注重表面粗糙度及形狀精度）。1．彈性發射加工彈性發射加工（EEM，ElasticEmissionMachining）是指加工時研具與工件互不接觸，通過微粒子沖擊工件表面，對物質的原子結合產生彈性破壞，以原子級的加工單位去除工件材料，從而獲得無損傷的加工表面。彈性發射加工原理是利用水流加速微細磨粒，以盡可能小的入射角（近似水平）沖擊工件表面，在接觸點處產生瞬時高溫高壓而發生固相反應，造成工件表層原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相擴散，形成與工件表層其他原子結合力較弱的雜質點缺陷，當這些缺陷再次受到磨粒撞擊時，雜質點原子與相鄰的幾個原子被一并移去，同時工件表層凸出的原子也因受到很大的剪切力作用而被切除。彈性發射加工方法如圖3-10所示。加工頭為—聚氨脂球，在微粒子懸浮液中，加工球頭在回轉中向工件表面接近，使懸浮液中的微粒子在工件表面的微小面積（Фl~2mm）內產生作用。對加工頭和工作臺實施數控，可實現曲面加工。EEM的數控加工裝置如圖3-11所示。2．浮動拋光浮動拋光（FloatPolishing）是一種平面度極高的非接觸超精密拋光方法。浮動拋光裝置如圖3-12所示。高回轉精度的拋光機采用高平面度平面并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫拋光盤，拋光液覆蓋在整個拋光盤表面上，拋光盤及工件高速回轉時，在二者之間的拋光液呈動壓流體狀態，并形成一層液膜，從而使工件在浮起狀態下進行拋光。超精密拋光盤的制作是實現浮動拋光加工的關鍵。3．動壓浮離拋光動壓浮離拋光（Hydrodynami-typePolishing）是另一種非接觸拋光。平面非接觸拋光裝置如圖3-13所示。工作原理是：當沿圓周方向制有若干個傾斜平面的圓盤在液體中轉動時，通過液體楔產生液體動壓（動壓推力軸承工作原理），使保持環中的工件浮離圓盤表面，由浮動間隙中的粉末顆粒對工件進行拋光。加工過程中無摩擦熱和工具磨損，標準平面不會變化，因此，可重復獲得精密的工件表面。該方法主要用于半導體基片和各種功能陶瓷材料及光學玻璃平晶的拋光，可同時進行多片加工。用這種方法加工3”直徑硅片可獲得0.3μm的平面度和Ra1nm的表面粗糙度。