精密与超精密磨削技术

精密与超精密磨削技术

一、精密与超精密磨削技术

国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削研究，以获得亚微米级尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削树脂结合剂砂轮金刚石磨粒平均直径可小至4μm。日本用激光研磨过人造单晶金刚石上切出大量等高性一致微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达0.025μm。日本开发了电解线修整(ELID)超精密镜面磨削技术，使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料高精度、高效率超精密磨削。作平面研磨运动双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研磨高得多，且可获得很高平面度,工具模具制造，磨削保证产品精度质量最后一道工序。技术关键除磨床本身外、磨削工艺也起决定性作用。磨削脆性材料时，由于材料本身物理特性，切屑形成多为脆性断裂，磨剂后表面比较粗糙。某些应用场合如光学元件，这样粗糙表面必须进行抛光，它虽能改善工件表面粗糙度，但由于很难控制形状精度，抛光后经常会降低。为了解决这一矛盾，80年代末日本欧美众多公司研究机构相继推回了两种新磨削工艺：塑性磨削（Ductile Grinding）镜面磨削（Mirror Grinding）。

1.塑性磨削它主要针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削（Shere Mode Grindins）。由此磨削后表面没有微裂级形成，也没有脆必剥落时元规则凹凸不平，表面呈有规则纹理。

塑性磨削机理至今不十分清楚切屑形成由脆断向逆性剪切转变为塑断，这一切削深度被称为临界切削深度，它与工件材料特性磨粒几何形状有关。一般来说，临界切削深度100μm以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（Nanogrinding）。根据这一理论，有些人提出了一种观点，即塑性磨削要靠特殊磨床来实现。这种特殊磨床必须满足如下要求：（1）极高定位精度运动精度。以免因磨粒切削深度超过100μm时，导致转变为脆性磨削。

（2）极高刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削水平，机床刚性太低，会因切削力引起变形而破坏塑性切屑形成条件。

2.镜面磨削顾名思义，它关心不切屑形成机理而磨削后工件表面特性。当磨削后工件表面反射光能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削工件材料不局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝钼等。为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所NakagawaOhmori教授发明了电解线修整磨削法ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。

镜面磨削基本出发点：要达到境面，必须使用尽可能小磨粒粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。ELID发明之前，微粒度砂轮工业上应用很少，原因微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整，修整砂轮辅助时间往往超过了磨削工作时间。ELID首次解决了仅用微

粒度砂轮时，修整与磨削时间上矛盾，从而为微粒度砂轮工业应用创造条件。

ELID(Electrolytic In-Process Dressing)磨削磨削过程，利用非线性电解修整作用金属结合剂超硬磨料砂轮表层氧化物绝缘层对电解抑制作用动态平衡，对砂轮进行连续修锐修整，使砂轮磨粒获得恒定突出量，从而实现稳定、可控、最佳磨削过程，它适用于硬脆材料进行超精密镜面磨削。ELID磨削技术以其效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单及加工适应性广等特点，日本已较广泛用于电子、机械、光学、仪表、汽车等领域。

ELID磨削原理金属结合剂超硬磨料砂轮与电源正极相接做阳极，工具电极做阴极，砂轮电极间隙通过电解磨削液，利用电解过程阳极溶解效应，对砂轮表层金属基体进行电解去除，从而逐渐露出崭新锋利磨粒，形成对砂轮修整作用：同时形成一层钝化膜附着于砂轮表面，抑制砂轮过度电解，从而使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以该技术将砂轮修整与磨削过程结合一起，利用金属基砂轮进行磨削加工同时利用电解方法对砂轮进行修整，从而实现对硬脆材料连续超精密镜面磨削。

ELID镜面磨削过程可分为准备阶段、电解预修锐阶段、线电解修整动态磨削阶段光磨阶段。准备阶段主要对砂轮进行动平衡精密整形，减小砂轮圆度圆柱度误差：预修锐阶段使砂轮获得适当出刃高度合理容屑空间，并形成一层钝化膜：动态磨削阶段形成加工表面：光磨阶段则进一步提高表面质量。

ELID磨削去除材料机理与其他镜面加工有所不同。通常镜面加工通过磨削、研磨抛光来获得。研磨抛光以柔性研磨盘把磨料压材料表面并产生相对运动，磨料借助研磨盘压力以滚动方式使材料破碎，以滑动滚动方式去除破碎后材料。

而ELID磨削，一方面由于磨粒固着结合剂，对于单颗粒固着磨粒而言，其有效磨削尺寸只有磨粒尺寸1/3，磨粒主要以微切削方式去除材料，所以造成破碎区要小得多：另一方面，砂轮表面形成具有一定厚度弹性且容纳有脱落磨料钝化膜，成为一种具有良好柔性研磨膜。精磨时，由于进给量很小，钝化膜厚度远大于磨料出刃高度，使砂轮基体表层磨料磨削不可能直接与工件接触，砂轮上覆盖这层钝化膜将代替金属基砂轮参与真正磨削过程。当电解作用完全抑制时，钝化膜对工件进行光磨。所以ELID磨削实际上一种将磨、研、抛合为一体复合式精密镜面加工技术，其磨粒主要以滑动方式去除工件材料

ELID磨削技术对金属结合剂超硬磨料砂轮线修整、修锐复合磨削技术，它有别于电解磨削、电火花磨削，精密加工领域独树一帜，具有自身一些显著特点。

磨削过程具有良好稳定性可控性，易于实现磨削过程最优化：加工精度高，表面裂纹少，表面质量好：适应性广泛，磨削效率高：装置简单，成本低，推广性强等。

尽管ELID磨削技术我国发展落后于一些工业发达国家，但ELID磨削技术国内研究应用基础已经具备。特别该技术显著特点，尤其适合我国国情。随着该技术进一步普及推广，相信有越来越多专家学者认识到这项技术重要性它潜经济价值，越来越多企业重视并采用该技术，从而促进我国传统产业改造高新技术发展。ELID磨削技术作为一种新型镜面加工方法，具有广阔应用前景很大实用价值。

二、砂带磨削技术