精密和超精密磨削机理

精密和超精密磨削机理
摘要阐述了精密磨削与超精密磨削的机制，介绍了近年来精密与精密磨床的发展概况以及精密与超精密磨削技术的研究现状。

在分析了精密磨削与超精密磨削的发展趋势基础上提出了研究应关注的几个热点问题，如超精密磨削的基本理论和工艺研究、研制高精度的驱动导向机构、ELID 镜面磨削技术的攻关以及适用于超精密加工的新型材料。

关键词超精密磨削原理发展
精密加工是指在一定发展时期中，加工精度和表面质量相对于一般加工能够达到较高程度的加工工艺，当前是指被加工零件的加工尺寸精度为1~0.1μm、Ra为0.2~0.01μm的加工技术；超精密加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺，当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm、Ra≤0.025μm的加工技术。

因此，一般加工、精密加工和超精密加工会随着科技的不断发展像更精密的方向发展。

随着电子技术、计算机技术以及航天技术的飞速发展，对加工质量的要求越来越高，故而使精密和超精密加工占有十分重要的地位。

一超精密磨削技术的内涵
精密磨削主要靠对砂轮的精细修整，使用金刚石修整工具以极小而又均匀的微进给
(10~15μm/ min）获得众多的等高微刃，加工表面磨削痕迹微细，最后采用无火花光磨。

由于微切削、滑移和摩擦等综合作用，达到低表面粗糙度值和高精度要求。

高精密磨削的切屑很薄，砂轮磨粒承受很高的应力，磨粒表面受高温、高压作用，一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮磨削。

高精密磨削除有微切削作用外，还可能有塑性流动和弹性破坏等作用。

光磨时的微切削、滑移和摩擦等综合作用更强。

超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法。

超精密磨削去除量最薄，采用较小修整导程和吃刀量来修整砂轮，是靠超微细磨粒等高微刃磨削作用，并采用较小的磨削用量磨削。

超精密磨削要求严格消除振动，并保证恒温及超净的工作环境。

超精密磨削的光磨微细摩擦作用带有一定的研抛作用性质。

二超精密磨削的特点
精密和超精密磨床是超精密磨削的关键精密和超精密磨削是在精密和超精密磨床上进行，其加工精度主要决定于机床。

由于超精密磨削的精度要求越来越高，已经进入0.01μm，甚至纳米级。

精密和超精密磨削是微量、超微量切除加工精密和超精密磨削是一种极薄切削，其去除的余量可能与工件所要求的精度数量级相当，甚至于小于公差要求，因此在加
工机理上与一般磨削加工是不同的。

精密和超精密磨削是一个系统工程影响精密和超精密磨削的因素很多，各因素之间相互关联，所以超精密磨削是一个系统工程。

超精密磨削需要一个稳定的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性要求，并有较强的抗击来自系统内外的各种干扰能力，有了高稳定性，才能保证加工质量的要求。

三超精密磨机的原理
（1）超微量切除精密和超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，从而磨粒上所承受的切应力就急速地增加并变得非常大，可能接近被磨削材料的剪切强度的极限。

同时，磨粒切削刃处受到高温和高压作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高温硬度。

对于普通磨料，在这种高温、高压和高剪切力的作用下，磨粒将会很快磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度、低表面粗糙度值的磨削质量因此，在超精密磨削时一般多采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。

（2）单颗粒磨削加工过程砂轮上的磨削颗粒是随机分布的，对于不同的磨削颗粒有不同的受力情况。

磨粒是一颗具有弹性支承的和大负前角切削刃的弹性体。

单颗磨粒磨削时在与工件接触过程中，开始是弹性区，继而是塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区，这与切屑形成形状相符合对于那些高度明显高于其他颗粒的磨削颗粒，其受到工件给予的磨削力也要大于其他的颗粒。

在一段时间的磨削加工后，这些突出的颗粒最先脱落。

裸露出新的颗粒，继续进行加工。

（3）连续磨削加工过程工件连续转动，砂轮持续切入，开始磨削系统整个部分都产生弹性变形，磨削切入量（磨削深度）和实际工件尺寸的减少量之间产生差
值即弹性让刀量。

此后，磨削切入量逐渐变得与实际工件尺寸减少量相等，磨削系统处于稳定状态。

最后，磨削切入量到达给定值，但磨削系统弹性变形逐渐恢复，为无切深磨削状态。

在超精密磨削中，掌握弹性让刀量十分重要，应尽量减小弹性让刀量，即磨削系统要求高刚度，砂轮修锐质量好，形成切屑的磨削深度小。

四磨料、磨具及磨床的选择
（1）磨料的选择由于不同的磨料与不同工件材料对表面粗糙度的影响是不同的，在选择
磨料时应保证形成好的微刃，而在磨削时不希望砂轮有自励现象。

加工钢材或铸件时宜选刚玉磨料。

超精密磨削为获得更低的工件表面粗糙度值，一般采用人造金刚石、立方氮化硼等高硬度磨料
（2）硬度选择精密和超精密磨削的工件表面粗糙度在一定程度上随着砂轮硬度提高而变好，但当硬度过高，会由于砂轮弹性差而引起工件烧伤。

由于砂轮制造时允许有1小级偏差。

因此选用时以中软为好
（3）磨床的选择精密和超精密磨削机床应具有很高的几何精度，如砂轮工件主轴回转精度应小于1μm。

导轨直线度误差不超过1000000:1（即在长度内的直线度误差小于1μm），以保证工件的几何形状精度；应具有高精度的横进机构，以保证砂轮修整时的微刃性和微刃等高性以及工件的尺寸精度；还应具有低速稳定性好的工作台移动机构，工作台低速稳定性达到6㎜/min，不能产生爬行和振动，以保证砂轮修整质量和加工质量；同时必须有经良好过滤的磨削液，以防止工件表面划伤。

除对机床设计制造采取措施外，还须采用隔振系统。

同时安装一个净化空间，以防止部分灰尘拉伤工件表面。

五超精密磨削的发展
精密磨床是精密磨削加工的基础。

当今精密磨床技术的发展方向是高精度化、集成化、自动化。

英国 Cranfield 大学精密工程公司（CUPE）是较早从事研制超精密磨削加工机床的公司，该公司研制成功的 OAGM2500 型超精密磨床是迄今为止最大的超精密磨削加工设备，主要用于光学玻璃等硬脆材料的超精密磨削加工。

德国施奈德公司目前最典型的精密磨削设备是SCGA121 型非球面超精密磨削加工中心，该机床采用高刚度的混凝土聚合物作床身，多轴数控，既可以进行大去除量普通砂轮磨削，也可以进行杯形砂轮磨削，同时与非球面抛光机床 SCGA121、非球面在线检测系统 AU 集成，实现非球面光学元件的超精密、高效柔性自动化加工德国 G&N 公司开发的 Multi2Nano 型全自动系列纳米磨床，采用自旋转磨削原理，装备有两个砂轮分别进行粗、精磨,具有三个（或四个）操作工位，自动完成硅片的粗磨、精磨、清洗与装卸。

用于 300 mm 硅片的超精密磨削可以获得纳米级的镜面，用于背面磨削可硅片减薄到 100～150 μm。

我国对精密磨削的研究尚处于初级阶段，主要集中在高校。

哈尔滨工业大学以袁哲俊教授为首的ELID 课题组研制成功了 ELID 磨削专用的脉冲电源、磨削液和砂轮，在国产机床上开发出平面、外圆和内圆 ELID 磨削装置，实现了多种难加工材料的精密镜面磨削。

目前正积极推广普及该技术，实现产品化。

上海的东华大学机械学院研究者用固结磨粒低频振动（频率为 0.5～20 Hz，振幅为 0.5～3 mm）压力进给的精整加工研究了适宜的经济加工条件及有关参数，并验证了经过磨削加工后的陶瓷工件，再经过超精加工可以进一步降低其表面粗糙度，可降低 2～4 个等级。

清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。

参考文献
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