精密和超精密磨削

1.精密和起精密摩削

在工具和模具制造中，磨削是保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量的最后一道工序。技術(shù)關(guān)鍵除磨床本身外，磨削工藝也起決定性作用。在磨削脆性材料時(shí)，由于材料本身的物理特性，切屑形成多為脆性斷裂，磨削后的表面比較粗糙。在某些應(yīng)用場(chǎng)合如光學(xué)元件，這樣的粗糙表面必須進(jìn)行拋光，它雖能改善工件的表面粗糙度，但由于很難控制形狀精度，拋光后經(jīng)常會(huì)降低。為了解決這一矛盾，在80年代末日本和歐美的眾多公司和研究機(jī)構(gòu)相繼推出了兩種新的磨削工藝：塑性磨削（Ductile Grinding）和鏡面磨削（Mirror Grinding）。
（1）塑性磨削 它主要是針對(duì)脆性材料而言，其命名來(lái)源出自該種工藝的切屑形成機(jī)理，即磨削脆性材料時(shí)，切屑形成與塑性材料相似，切屑通過(guò)剪切的形式被磨粒從基體上切除下來(lái)、所以這種磨削方式有時(shí)也被稱為剪切磨削（Shers Mode Grinding）。由此磨削后的表面沒(méi)有微裂紋形成，也沒(méi)有脆性剝落時(shí)的無(wú)規(guī)則的凹凸不平，表面呈有規(guī)則的紋理。
塑性磨削的機(jī)理至今仍不十分清楚，在切清形成由脆斷向塑性剪切轉(zhuǎn)變的理論上存在各種看法。大多數(shù)研究者認(rèn)為，當(dāng)磨粒的切削深度小到一定程度時(shí)，切屑就由脆斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗軘啵@一切削深度被稱為臨界切削深度，它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，臨界切削深度在100μm以下，因而這種磨削方法也被稱為納米磨削（Nanogriding）。根據(jù)這一理論。有些人提出了一種觀點(diǎn)，即塑件磨削要特殊磨床來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種特殊磨床必須滿足如下要求；
l）極高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度。以免因磨粒的切削深度超過(guò)100μm時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ鳌?br> 2）極高的剛性。因?yàn)樗苄阅ハ鞯那邢髁h(yuǎn)超過(guò)脆件磨削的水平，機(jī)床剛性太低，會(huì)出切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。
對(duì)形成塑性磨削的另一種觀點(diǎn)認(rèn)為切削深度不是唯一的因素，只有磨削溫度才是切屑由脆性向塑性轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。從理論上講，當(dāng)磨粒與工件的接觸點(diǎn)的溫度高到一定程度時(shí)，工件材料的局部物理特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致了切屑形成機(jī)理的變化。作者從實(shí)踐中找到了支持這種觀點(diǎn)的許多證據(jù)：比如在一臺(tái)已經(jīng)服役20多年的精度和剛度水高的平面磨床上磨削SiC陶瓷，用4000#的金剛石砂輪，工件表面粗糙度小于Rq5μm表面上看不到脆斷的痕跡。另外德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的K0nig教授作了如下試驗(yàn)．在普通的車床廠，用激光局部加熱一個(gè)SiN 陶瓷試件，即能順利地進(jìn)行切削。這些實(shí)驗(yàn)均間接地說(shuō)明溫度對(duì)切屑形成機(jī)理有決定性的影響。
（2）鏡面磨削 顧名思義，它關(guān)心的不是切屑形成的機(jī)理而是磨削后的工件表面的特性，當(dāng)磨削后的工件表面反射光的能力達(dá)到一定程度時(shí)，該磨削過(guò)程被稱為鏡面磨削。鏡面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金屬材料如鋼、鋁和鉬等。為了能實(shí)現(xiàn)鏡面磨削，本東京大學(xué)理化研究所的Nakagawa和Omori教授發(fā)明了電解在線修整磨削法ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。
鏡面磨削的基本出發(fā)點(diǎn)是：要達(dá)到鏡面，必須使用盡可能小的磨粒粒度，比如說(shuō)粒度2μm乃至0.2μm。在ELID發(fā)明之前，微粒度砂輪在工業(yè)上應(yīng)用很少，原因是微粒度砂輪極易堵塞，砂輪必須經(jīng)常進(jìn)行修整，修整砂輪的輔助時(shí)間往往超過(guò)了磨削的工作時(shí)間。ELID首次解決廠使用微粒度砂輪時(shí)，修整與磨削在時(shí)間上的矛盾，從而為微粒度砂輪的工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造條件。
ELID磨削的關(guān)鍵是用與常規(guī)不同的砂輪，它的結(jié)合劑通常為青銅或鑄鐵。圖12是ELID在平面磨床上應(yīng)用的原理及實(shí)驗(yàn)裝置。在使用ELID磨削時(shí)，冷卻潤(rùn)滑液為一種特殊的電解液。當(dāng)電極與砂輪之間接上某一電壓時(shí)，砂輪的結(jié)合劑發(fā)生氧化。在切削力作用下，氧化層脫落從而露出了鋒利的磨粒（圖13）。由于電解修整過(guò)程在磨削時(shí)連續(xù)進(jìn)行，所以能保證砂輪在整個(gè)磨削過(guò)程中保持同一鋒利狀態(tài)。這樣既可保證工件表面質(zhì)量的一致，又可節(jié)約以往修整砂輪時(shí)所需的輔助時(shí)間，滿足了生產(chǎn)率要求。

ELID在平面磨床上的應(yīng)用原理及實(shí)驗(yàn)裝置
a） ELID磨削原理 b）砂輪與修整器外觀
ELID磨削方法除適用于金剛石砂輪外，也適用于氮化硼砂輪，應(yīng)用范圍幾乎可以覆蓋所有的工件材料。它最適合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙度可達(dá)到Rq1nm的水平，即使在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，這樣的表面確實(shí)可以作為鏡面來(lái)使用。ELID磨削的生產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)的拋光加工，故在許多應(yīng)用場(chǎng)合取代了拋光工序。最典型的例子就是加工各種泵的陶瓷密封圈，傳統(tǒng)的工藝是先磨再拋光，采用ELID磨削，只需一道工序，既節(jié)約時(shí)間又節(jié)省投資。
ELID也被用于加工其他幾何形狀如球面、柱面和環(huán)面等。按鏡面的不同要求，可用于部分取代拋光或把拋光的時(shí)間降到最低的水平。
ELID磨削雖有上述優(yōu)點(diǎn)，但在某些應(yīng)用場(chǎng)合也有一些缺點(diǎn)。比如在磨削玻璃時(shí)，如果采用較大的粒度（2μm），由于砂輪的磨粒連續(xù)更替，部分磨粒不斷脫離結(jié)合劑而成為自由磨粒，這些磨粒在工件與砂輪間作無(wú)規(guī)則的滾動(dòng)，個(gè)別磨粒會(huì)在工件表面上造成局部的無(wú)規(guī)則的刻痕，其深度有時(shí)能超過(guò)磨粒的半徑倍。圖14是一個(gè)EIJD磨削過(guò)的工件表面，若不考慮局部的刻痕，其表面粗糙度已達(dá)Rq5nm的水平，但由于這樣的刻痕，使工件的拋光量要增加到3～5μm，鏡面磨削的應(yīng)用價(jià)值在這種情況下被相應(yīng)地減弱。
由此可見(jiàn)，是否要采用鏡面磨削，關(guān)鍵在于應(yīng)用場(chǎng)合。假如個(gè)別刻痕不影響工件的使用，鏡面磨削可以取代研磨和拋光，并提高生產(chǎn)效率。否則必須綜合考慮所有的加工過(guò)程以確定最佳的加工工序的組合。