金刚石切削与精密磨削

2．典型的超精密磨削工艺
（1）塑性磨削(Ductile Grinding) 塑性磨削主要是针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺的切 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 剪切的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（Share Mode Grinding）。由此磨削后的表面没有微裂纹形成 ，也没有脆性剥落时的无规则的凹凸不平，表面呈有规则的纹理。 塑性磨削的机理至今尚不十分清楚，但部分研究表明：在特定条件 下，当磨削厚度达到某特定的值时，切屑形成由脆断向塑性剪切转变为 塑断，即能够实现脆性材料的塑性磨削。这一切削深度被称为临界切削 深度。 临界切削深度与工件材料特性和磨粒的几何形状有关，一般在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 极高的定位精度和运动精度；② 极 高的刚性。
随着超精密加工技术的快速发展，对空气洁净度提出了更加苛 刻的要求，被控制的微粒直径从0.5μm减小到0.3μm，有的甚至减 小到0.1μmHale Waihona Puke Baidu0.01μm。



2. 计量技术
精密和超精密加工必须具备相应的检测技术和手段，测量仪器 的精度一般要求比机床的加工精度高一个数量级。目前，超精密 加工所用测量仪器多为激光干涉仪和高灵敏度的电气测量仪，激 光干涉仪的测量精度为±0.08μm；而多次光波干涉显微镜的分辨 能力可达0.5nm；电气测量仪的放大倍数可达100万倍、重复精度 为0.5nm，已能满足纳米级精度的测量要求。
图3.23 极限切削厚度与刃口半径的关系
3．金刚石超精密切削的关键技术
(1) 加工设备 用于金刚石超 精密切削的加工 设备，要求具有 高精度、高刚度 、良好的稳定性 、抗振性和数控 功能等。右图为 一款典型的金刚 石车床。
3.3 精密与超精密加工技术
最大车削直径和长度/mm 400×200
最高转速r/mm
用刃磨得极为锋利的单晶金刚石刀具切削有色金属和非金属材料可获 得Ra0.002～0.02μm的镜面。
用双坐标数控超精密机床可加工出几何精度极高的球面和非球曲面。 经精细研磨达到极高刃口锋锐度的金刚石刀具可切除厚度仅为1nm的 切屑。
2．金刚石超精密切削机理
金刚石超精密切削机理与一般切削机理有很大的不同。金刚石超精

（2）镜面磨削(Mirror Grinding) 顾名思义，镜面磨削关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件 表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时，该磨 削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也 包括金属材料如钢、铝和钼等。 镜面磨削的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽可能小的磨粒 粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。在ELID发明之前，微粒度砂轮在工 业上应用很少，原因是微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整， 修整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。 ELID磨削方法除适用于金刚 石砂轮外，也适用于氮化硼砂轮 ， 它的结合剂通常为青铜或铸 铁。磨削后的工件表面粗糙度可 达Rq1nm的水平，即使在可见光 范围内，这样的表面确实可以作 为镜面来使用。

3. 误差补偿

2.0.4 精密与超精密加工机床
1．精密与超精密切削机床的性能要求
(1) 很高的精度(包括高的静精度和动精度) 主要指标有主轴的回转精度、导轨运动精度、定位精度、重复定 位精度，分辨率及分度精度。精密车床主轴回转精度一般在1μm之内 ，导轨直线度小于10μm /100mm，精密坐标磨床的定位精度在1～3μm ，分辨率一般为0.01μm ，具有能够进行微量切削并具有在线误差补偿 的微量进给系统。而超精密车床主轴的回转精度大多在0.03～0.05μm ，导轨直线度为0.1～0.2μm /250mm，定位精度为0.01μm ，重复定位 精度为0.006μm ，进给分辨率为0.003～0.008μm ，分度精度为0.5″。 (2) 具有较高的刚度(包括静刚度、动刚度和热刚度)
密切削时，其背吃刀量ap可在1μm以下，刀具可能处于工件晶粒内部 切削状态，即切除晶粒的一部分，保留另一部分。
切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的
剪切应力，并产生很大的热量，造成刀刃在局部区域内的高应力、高 温的工作状态。

从刀刃锐利度方面来看，当刀具楔角为70°时，一般硬质合金刀具
减振隔振是精密及超精密加工机 床非常重要的问题。超精密机床多 安放在带防振沟和隔振器的防振地 基上，还可使用空气弹簧(垫)对低频 振动进行隔离。如图3.18所示为美国 LLL实验室LODTM大型超精密机床 的支承。
图3.18 美国LLL实验室LODTM 大型超精密机床的支承

热变形是超精密加工中误差的主要来源之—，如100mm长的铝 合金零件温度变化1ºC将产生2.25μm的误差；若要求确保0.1μm加工 精度，环境温度应保持±0.05ºC范围内。
(3) 高稳定性 (4) 精密的微进给系统
实例1
实例2

2．精密与超精密切削机床的结构特点
超精密机床的质量主要取决于机床的主轴部件、床身导轨、进给 驱动系统和微量进给机构等关键部件的质量。 (1) 主轴部件
• 滚动轴承 回转精度达1μm,表面 粗糙度Ra0.04-0.02μm； • 液体静压轴承 回转精度≤0.1μm ，刚度阻尼大，转动平稳； 不足：液压油温升高，影响主 轴精度，会将空气带入液压油降 低轴承刚度； 应用：一般用于大型超精密机 床。
的刃口半径只能达到18～24μm，高速钢刀具的刃口半径可达到12～ 15μm，而金刚石刀具的刃口半径则可达0.01～0.005μm。
金刚石超精密切削时，切削厚度极小，刀具所能达到的极限切削厚度 与摩擦系数μ（剪切角θ）及刀具刃口半径ρ密切相关：

当μ=0.12时，可得： hDmin=0.322ρ 当μ=0.26时，可得： hDmin=0.249ρ 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。国外，金刚石刀具刃口半 径可达数纳米、而国内一般为0.1-0.5微米。

2.0.3 影响精密与超精密加工的主要因素
影响因素很多，包括精密和超精密切削机床、超微量切除技术、高 稳定性和高净化的工作环境、计量技术、工况检测及质量控制等，精 密与超精密加工机床将在3.3.3中讲述，这里主要分析加工环境、计量 技术和误差补偿三个因素。

1. 加工环境 ——防振、恒温、超净
(2) 床身导轨

床身要求：抗振衰减能力强、热 膨胀系数低、尺寸稳定性好。

床身材料：多采用人造花岗岩， 尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬 度高、耐磨、不生锈、可铸造成形 ，克服了天然花岗岩有吸湿性不足 ，并加强了振动的衰减。
≤0.001/150
≤0.002/100 1140
轴向
1020
640 720
3.3 精密与超精密加工技术
(2) 金刚石刀具

天然单晶金刚石被公认为是不能代替的超精密切削刀具材料。因为金 刚石具有以下特性： ① 极高的硬度，HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400； ② 能磨出锋锐刃口，刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm； ③ 热化学性能优越、导热性好，与有色金属摩擦系数低、亲和力小 与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13； ④ 耐磨性好，刀刃强度高。 (3) 适宜金刚石超精密切削的加工材料 ① 有色金属及其合金 ——铜铝合金及金、银、镁、锡、铅、锌、铂 及非电解镍镀层、铍钢、黄铜等 ② 树脂及塑料——甲基丙烯酸树脂、聚碳酸酪树脂、聚丙基树脂、 聚乙烯树脂、聚四氟乙烯树脂、环氧树脂 等 ③ 结晶体——锗、硒化锌、硫化锌、铌酸锂、碘化铯、二氢磷化铟 、硅、庥化钾及磷酸二氢钾(KDP)等
2.0 金刚石切削与精密磨削

2.0.1 金刚石超精密切削
1．金刚石超精密切削技术的进展
金刚石超精密切削是超精密加工技术的一个重要组成部分，早期主 要用来加工有色金属如无氧铀或铝合金等。 采用金刚石超精密切削技术可达到纳米级加工水平，不少国防尖端 产品零件(如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大 功率激光系统中的多种零件等)都需要利用金刚石超精密切削来加工。
金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金，不适宜加工铁族元素； ② CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，适合于加工硬而韧且热 导率低的钢铁材料，价格较贵。 超硬磨料砂轮结合剂： ① 树脂结合剂：能保持良好锋利性，加工表面质量好，耐磨性差， 磨粒保持力小，自锐性好；用于磨削硬质合金、金属陶瓷等难磨材料。 ② 金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，形状保持性好，自锐性 差，砂轮修整困难。用于金刚石砂轮磨削石材、陶瓷、玻璃等材料，因 为砂轮的锋利性和寿命长。 ③ 陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。
最大进给速度mm/min 数控系统分辩率/mm
3000、5000或7000
5000 0.0001或0.00005
重复精度(±2σ)/mm
主轴径向圆跳动/mm 主轴轴向圆跳动/mm
≤0.0002/100
≤0.0001 ≤0.0001
滑台运动的直线度/mm
横滑台对主轴的垂直度/mm 主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm） 主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm） 纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm） 径向
(1) 砂轮的选择
超精密磨削中所使用砂轮，其材料多为金刚石和立方氮化硼(CBN)， 因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮(或超硬砂轮)。超硬磨料砂轮 具有耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高等优点，故超精密 磨削广泛被用来加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料(加工铁金属 用CBN)。
① 金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率，适合于加工非
典型液体静压轴承主轴结构原理图 1-径向液压轴承 2-止推液压轴承 3-真空吸盘
•空气静压轴承 高回转精 度、工作平稳，温升小； 不足：刚度较低，承载 能力不高； 应用：超精密机床中得 到广泛的应用。
双半球空气轴承主轴 1-前轴承 2-供气孔 3-后轴承 4-定位环 5旋转变压器 6-无刷电动机 7-外壳 8-轴 9-多孔石墨
(2) 砂轮的修整 超硬砂轮的修整与一般砂轮有所不同，分整形和修锐两步进行。修 整的主要方法有： ① 车削法——用金刚笔车削金刚石砂轮，修整效率和精度高，但砂 轮表面平滑，切削能力差，且成本高； ② 磨削法——用普通砂轮（碳化硅、刚玉等）进行对磨，修整效率 和质量较好，普通砂轮磨损消耗量较大；是常用的方法。 ③ 喷射法——将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到转动的砂轮表面， 去除部分结合剂，使超硬磨粒突出；主要用于修锐。 ④ 电解在线修锐法（ELID) ——应用电解原理完成砂轮修锐过程。 ⑤ 电火花修整——应用电火花放电原理完成砂轮修整。可用于修形 和修锐，且效率高。

2.0.2 精密与超精密磨削加工
对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨削加工是当前最主要 的精密加工手段。磨削加工可分为砂轮磨削、砂带磨削，以及研磨、珩 磨和抛光等加工方法，这里仅介绍超精密砂轮磨削加工。
1．超精密磨削的内涵
超精密磨削，是指加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度低于 Ra0.025μm的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展。超精密磨削 的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。
3.24 在线电解修锐法
3.25 电火花修整法
（3）磨削速度与磨削液
① 磨削速度
金刚石砂轮的磨削速度为12-30m/s，不能太高也不能太低。太低， 磨削质量差、砂轮磨损加剧；太高，因为金刚石砂轮的热稳定性低700 －800摄氏度，也造成磨损增加。 CBN砂轮的磨削速度要高的多，可达80-100m/s，因为其热稳定性好 1250－1350摄氏度。 ② 磨削液 磨削液的作用，除润滑、冷却、清洗、防锈外，渗透性、提高切削 性功能。磨削液主要有油性液和水溶性液。 选择应视具体情况定，金刚石砂轮磨硬质合金用煤油不用乳化液； 树脂结合剂不用苏打水；CBN砂轮易用油性磨削液不用水溶性液。