超精密磨削和镜面磨削

第三种：刚好与切削层金属接触，仅产生滑擦而切不下
金属。
二、机理和主要设备 ——超精密磨削 一个有效磨粒切削过程分析如下：
二、机理和主要设备 ——超精密磨削
砂轮磨削 固结磨料 加工 精密和超精 密磨料加工 固结磨具 油石研磨
精密珩磨
砂带磨削
涂覆磨具 游离磨料 加工 精密研磨
精密抛光
砂带研抛
二、机理和设备 ——超精密磨削超硬磨料砂轮
砂带轮
f-径向振动
接触轮 硬磁盘— 装在主轴真空 吸盘上 卷带轮 F-径向进给
V砂带
砂带磨削示意图
工件
接触轮 主动轮
工件 接触轮
主动轮
接触轮
主动轮
导轮
砂带
砂带 b）砂带定心外圆磨削 （接触轮式） 支承板 主动轮
砂带
工件
a）砂带无心外圆磨削 （导轮式） 工件
c）砂带定心外圆磨削 （接触轮式） 砂带 接触轮
四、尚存难题
• 1、塑性磨削的机理至今不十分清楚在切屑 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 材料特性和磨粒的几何形状有关。一般来 说，临界切削深度在100μm以下，因而这 种磨削方法也被称为纳米磨削 （Nanogrinding）。
四、尚存难题
• 2、超精主轴磨削一直是主轴加工中的一个 难题。要求主轴不但要有很高的尺寸精度 (关键部位1T4级),而且还要有很高的形状、 位置精度及极好的表面质量。
二、机理和主要设备 ——超精密磨削
超精密磨削磨具—结合剂及其选择：
作用：将磨料结合在一起，形成一定的形状和强度
陶瓷结合剂 金属结合剂 树脂结合剂
超精密磨削磨具—硬度及其选择：
普通砂轮硬度是指磨料在外力作用下脱落的难易程度。 超硬磨具中无硬度指标。 超精密磨削磨具形状和尺寸
二、磨削机理和关键设备 ——镜面磨削
• ELID磨削技术 我国尚处于研究阶段，主要 集 高校，如哈尔滨工业大学、大连理工大 学、西安交通大学、天津大学、西北工业 大学等。哈尔滨工业大学经过几年 努力， 研制成功了ELID磨削专用 脉冲电源、磨削 液 砂轮， 国产机床上开发出平面、外圆 内 圆ELID磨削装置，并对多种硬脆材料进行 了ELID镜面磨削 实验研究。目前正积极推 广普及该技术，实现产品化。
砂带 接触轮 d）砂带内圆磨削 （回转式） 砂带
工件 工作台 e）砂带平面磨削 （支承板式） 几种砂带磨削形式
工件 支承轮 f）砂带平面磨削 （支承轮式）
砂带磨削设备
用于磨削管件的砂带磨床
砂带磨削设备
砂带磨削设备
砂带磨削设备
接触轮形状
砂轮修整
车削法 磨削法
滚压挤扎法
喷射法
精密和超精密涂覆磨具
涂覆磨具是将磨料用粘结剂均匀涂覆在纸、布或其
他复合材料基底上。
常用涂覆磨具有：砂纸、砂布、砂带、砂盘等
涂覆磨具常用磨料
棕刚玉、白刚玉、锆刚玉、铬刚玉等 黑色碳化硅、绿色碳化硅 粒度与普通砂轮相似，但粒度号前加P，如：P240 ，P320等 粘结剂，或称胶，包括：树脂、高分子化合物、 动物胶等 涂覆方法
二、磨削机理和关键设备 ——镜面磨削
• 通过控制磨削参数和电解参数等条件，实 现高精度、低成本的精密超精密加工。该 方法避免了传统磨削工艺中砂轮钝化、堵 塞引起的加工表面脆性破坏，能取代传统 的研磨抛光工艺，在硬脆材料的精密超精 密加工领域中具有重大实用价值。
使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮
• ~
二、磨削机理和关键设备 ——镜面磨削
• ELID磨削方法除适用于金刚石砂轮外，也适用于 氮化硼砂轮，应用范围几乎可以覆盖所有的工件 材料。它最适合于加工平面，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。ELID磨削 的生产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应 用场合取代了抛光工序。最典型的例子就是加工 各种泵的陶瓷密封圈，传统的工艺是先磨再抛光， 采用ELID磨削，只需一道工序，既节约时间又节 省投资。
超精密磨削的特点：
(1) 超精密磨床是关键 (高精度、高刚度、高稳定性
、微量进给装置、计算机数控等)。
(2) 是超微量切除加工或超薄切削，一般采用金刚 石砂轮 (3) 超精密磨削是一个系统工程，影响因素很多
超精密磨削机床
超精密磨削机床
超硬磨料（金刚石、CBN）砂轮磨削
可磨削各种高硬、脆性、金属和非金属材料等 磨削能力强、耐磨性能好、耐用度高，易于控制 尺寸 磨削力小、磨削温度低，加工表面质量好 磨削效率高 加工成本低
二、机理和关键设备 ——镜面磨削
• 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首次解决了仅用微粒度砂轮 时，修整与磨削在时间上的矛盾，从而为 微粒度砂轮的工业应用创造条件。
二、机理和主要设备 ——超精密磨削磨料
金刚石是最硬的磨料，适于加工硬质合金、光学 玻璃、陶瓷等硬质材料。但不宜加工铁族金属， 因为它与Fe在高温下化学稳定性差，易磨损。 立方氮化硼（CBN）硬度仅次于金刚石，但抗热 冲击性、抗弯强度比金刚石好得多，可用于磨削 高硬度高强度钢等材料。立方氮化硼易与水反应， 生成氨和硼酸，故在磨削时不易用含水的磨削液。
二、磨削机理和关键设备 ——镜面磨削
• ELID磨削虽有上述优点，但在某些应用场合也有 一些缺点。比如在摩削玻璃时，如果采用较大的 粒度（2μm），由于砂轮的磨粒连续更替，部分 磨粒不断脱离结合剂而成为自由磨粒，这些磨粒 在工件与砂轮间作无规则的滚动，个别磨粒会在 工件表面上造成局部的无规则的刻痕，其深度有 时能超过磨料的半径。图3是一个ELID磨削过的 工件表面，若不考虑局部的刻痕，其表面粗糙度 已达Rq5nm的水平，但由于这样的刻痕，使工件 的抛光量要增加到3～5μm，镜面磨削的应用价值 在这种情况下被相应地减弱。
二、磨削机理和关键设备 ——镜面磨削
三、关键技术
一）超精密和镜面磨床必须满足如下要求： • 1、极高的定位精度和运动精度 。以免因磨 粒 切削深度超过100μm时，导致转变为脆 性磨削 • 2、极高的刚性。因为塑性磨削的切削力远 超过脆性磨削的水平，机床刚性太低，会 因切削力引起 变形而破坏塑性切屑形成的 条件。
高，有“高效磨削”之称
4) 静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小， 磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。 5) 制作简单，价格低廉，使用方便。 6) 应用范围广，可用于内外表面及成形表面加工。
磨粒 粘接剂 规格涂层 基带
静电植砂砂带结构
砂带磨削
砂带磨削的方式
(1) 开式砂带磨削
组成：接触轮、卷带轮、砂带轮、成卷砂带、工件
三、关键技术
• 二）、对形成塑性磨削 另一种观点认为切 削深度不 唯一 因素，只有磨削温度才 切屑 由脆性向塑性转变 关键。从理论上讲，当 磨粒与工件 接触点 温度高到一定程度时， 工件材料 局部物理特性会发生变化，导致 了切屑形成机理 变化。
三、关键技术
• 证据： • 1、一台已经服役20多年 精度 刚度不高 平 面磨床上磨削SiC陶瓷，用40O0# 金刚石砂 轮。工件表面粗糙度小于Rq5μm，表面上 看不到脆断 痕迹。 • 2、另外德国亚琛工业大学 Konig教授作了 如下试验， 普通 车床上，用激光局部加热 一个SiN陶瓷试件，即能顺利地进行车削。
二、机理和关键设备 ——镜面磨削
（１）磨料仅在工件表面上滑过，对工件产生挤 压，接触 全程为弹性区域。 （２）磨料与工件表面的摩擦和挤压作用加剧，同时热应力 也急剧增加，使工件表面材料象耕地一样被掀向磨料滑移 轨迹两边，耕犁成沟槽，接触形态为：弹性区域＋塑性区 域＋弹性域区。 （３）磨料与工件之间的摩擦力、挤压力继续增大，大于材 料的破坏应力强度时，工件被切削部分材料沿剪切面滑移 而形成切屑，接触形态为：弹性区域＋塑性区域＋切削＋ 塑性区域＋弹性区域 为保持砂轮良好的切削状态和高的磨削效率，力求创造第３ 类的存在条件．
二、机理和主要设备 ——超精密磨削
二、机理和主要设备 ——超精密磨削
超硬磨料的优点
磨具形状和尺寸易于保持，耐用度高、精度高 可长时间使用，修正次数少 磨削温度较低
二、机理和主要设备 ——超精密磨削
超精密磨削磨具—粒度及其选择：
磨粒，粒度号越大，颗粒越细，加工表面 质量越好，生产率越低。 微粉——W40, W20, W10, W1 根据加工要求、工件材料、磨料种类选择
纳米和微纳米加工技术
超精密磨削和镜面磨削
2012年10月
目录
一、技术概述 二、超精密与镜面磨削机理及主要设备 三、关键技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
四、尚存问题
一、技术概述
• 1、 超精密磨削：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，以获得亚微米级的尺寸精度。 • 2、镜面磨削：是使工件表面获得高光洁度 的有效方法。一般指加工表面粗糙度达到 Ra0.02～0.01m，表面光泽如镜的磨削方 法，只强调表面粗糙度。
二、机理和关键设备 ——镜面磨削
• 镜面磨削 顾名思义，它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。 为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所 的Nakagawa和Ohmori教授发明了电解在线修整 磨削法ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。
超精密砂带磨削
砂带磨削的特点：
1) 弹性磨削 (弹性、柔性、减振、跑合与抛光)。
砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作 用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02μm）
2) 冷态磨削 (散热时间长、切屑不易堵塞)
3) 高效磨削 (效率为铣削的10倍，为磨削的5倍)
强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）
电加工法
超声振动法
砂轮修整
砂轮修整
砂轮修整
砂轮修整
砂轮修整
二、磨削机理和关键设备
2 、镜面磨削
二、机理和关键设备 ——镜面磨削
• 镜面磨削切屑的形成机理在普通磨削过程 中，由于磨料的形状、粒度的大小不同， 磨料在结合剂中的分布密度及磨料在砂轮 表面的出刃高度是随机分布的，随着砂轮 工作表面高速度运动的磨料切入工件，使 得磨料对工件表面的作用大致分为３种形 式．
结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力
作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修 锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。
金刚石砂轮 （铁纤维结合剂） 电刷 冷却液
＋ －
电源
冷却液 进给
ELID（Electrolytic In-Process Dressing）
二、磨削机理和关键设备 ——镜面磨削
金刚石砂形平轮
二、机理和主要设备 ——超硬磨料砂轮
碗形金刚石砂轮
碟形金刚石砂轮
精密和超精密磨削磨具—磨料及其选择 超硬磨料、刚玉系列、碳化硅系列
分类：天然磨料、人造磨料。天然磨料由于价格昂贵、
含杂质多、性质不均匀，因此，主要用人造磨料做砂轮。 生产中使用的磨料有氧化物（刚玉类）系、碳化物系和 超硬磨料。 氧化物系（刚玉类）磨料：比碳化物系磨料强度、韧性 好，但硬度差。因此，用于磨削各种钢类工件； 碳化物系磨料：用于磨削铸铁类、黄铜、软青铜、铝及 硬质合金等硬脆工件。
一、技术概述
二、机理和关键设备 ——超精密磨削
1、超精密磨削
二、机理和关键设备
—超精密磨削机理： (1) 微刃的微切削作用。
(2) 微刃的等高切削作用。 (3) 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。
二、机理和主要设备
——超精密磨削
二、机理和主要设备
——超精密磨削
磨屑形成过程 由于砂轮工作表面形貌特点，其磨粒工作状态有三种： 第一种：参加切除金属的称为有效磨粒； 另一种：与切削层金属不接触称无效磨粒；