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浙江工业大学硕士学位论文 半固着磨具磨损和修整技术的研究 摘要 磨粒加工是先进陶瓷超精密加工的一种重要方法。但目前众多磨粒加工方法都难以同 时满足高效、精密、低无损伤的加工要求。浙江工业大学超精密加工研究中心提出了一 种半固着磨粒加工方法，可以降低甚至消除大颗粒造成的表面损伤，实现高效、精密加工。 本文主要针对此种方法所开发的半固着磨具，通过试验和计算机仿真对其加工性能的失效 形式、磨损和堵塞的影响因素、耐用度和修整技术等方面进行了研究。 为了解半固着磨具特性，通过显微观测和试验分析对半固着磨具的微观组织、物理特 性、加工特性等进行了研究。半固着磨具的主要材料去除形式是以两体磨损为主，结合三 体磨损的一种复合材料去除形式。其邵氏硬度和弹性模量值分别在5 0 6 1 和9 0 1 5 0 m p a 之间。在相同试验条件下，半固着磨具的加工效率和加工质量都高于游离磨料加工。 以单晶硅、氮化硅为加工材料，在干、湿态下进行了研磨试验研究。半固着磨具加工 性能的主要失效形式是结合剂破碎磨损和嵌入式堵塞，但在不同的工件材料和加工工艺下 有所区别。磨具由于磨损和堵塞，加工能力和加工质量不断下降，需要进行修整。 通过单因素实验和正交实验对半固着磨具的磨损和堵塞的影响因素进行了研究。分析 了半固着磨具组织结构和加工工艺的影响规律，优化了加工工艺，建立了耐用度的度量指 标、提出了耐用度的判别方式和提高措施。 结合计算机仿真对平面研磨中半固着磨具的修整技术进行了研究。确定了适合于半固 着磨具的修整方式和修整工具，分析了修整工艺参数对加工性能的影响规律。试验和仿真 结果表明：采用修整环型金刚石修整器，在优化的修整参数( 压力：2 k p a 、粒径：4 0 0 9 m 、 速度：6 0 r p m 、时间：6 m i n ) 下能对半固着磨具进行合适的修整。在本文实验条件下，磨 具在加工5 0 分钟后修整能减少磨具磨损，保证工件质量，提高加工效率。 本文旨在为半固着磨具加工性能的保持和磨损失效后加工性能的修复提供技术基础。 关键词：半固着磨具，磨损，修整，加工性能 本文获国家自然科学基金重点项目( 5 0 5 3 5 0 4 0 ) ，浙江省自然基金项目( y 1 0 5 6 1 0 ) 资助。 i 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nw e a rm e c h a n i s m a n dd r e s s i n gt e c h n o l o g yo f s e m i f i x e da b r a s i v ep la r t e a b s t r a c t a b r a s i v em a c h i n i n gi sak e ym a c h i n i n gm e t h o df o ru l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n go fa d v a n c e d c e r a m i c i ti sv e r yd i f f i c u l tf o rm o s to ft h ea b r a s i v em a c h i n i n gm e t h o d st om e e tt h eh i g h e f f i c i e n c y , h i g h p r e c i s i o n ，l o w n od a m a g ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t sa tt h es a m et i m e t h e r e f o r e ， as e m i f i x e da b r a s i v em a c h i n i n gm e t h o di sp r o p o s e db yu l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n gr e s e a r c h c e n t e ro fz h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yt or e d u c eo re l i m i n a t et h es u r f a c ed e f e c t sc a u s e d b yl a r g ea b r a s i v eg r a i n sa n dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r e c i s i o no ru l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n g w o r k p i e c e i nt h i sp a p e r , t h ef a i l u r eo fm a c h i n i n gp e r f o r m a n c e ，t h ee f f e c to fa b r a s i o na n d b l o c k i n g , t h ed u r a b i l i t ya n dt h ed r e s s i n gt e c h n o l o g yo fs e m i f i x e da b r a s i v e sp l a t e ( s f a p ) w e r e s t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs f a ei tw a sf o u n dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f m a t e r i a lr e m o v a lw e r et h et h r e e b o d ya b r a s i o na n dt h et w o b o d ya b r a s i o n t h ee v a l u a t i o no f p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i co fs f a pi n c l u d e ds u r f a c e h a r d n e s s ( 5 0 61 ) ，e l a s t i cm o d u l u s ( 9 0 15 0 m p a ) i tw a sa l s od i s c o v e r e dt h a ti t sp r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dp r o c e s s i n gq u a l i t ya r e h i g h e r t h a nt h ef r e ea b r a s i v em a c h i n i n ga tt h es a m ec o n d i t i o nt h r o u g h e x p e r i m e n t a l c o m p a r i s o n t h es t y l eo ft h ef a i l u r eo fs f a p sm a c h i n i n gp e r f o r m a n c ei np r o c e s s i n gw a ss t u d i e d e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ef a i l u r eo fm a c h i n i n gp e r f o r m a n c eo fs f a pw a sr e l a t et o w o r k p i e c em a t e r i a la n ds f a pi nw e to rd r ys t a t u s b o n db r o k e nw e a ra n ds f a p s u r f a c e b l o c k e du pw e r ea p p e a r a n c e dm o s t l y a n dt h es f a pn e e d e dt ob ed r e s s e dw i t ht h ed e c l i n ei n p r o c e s s i n gc a p a c i t yf o ri t ss u r f a c ew e a ra n ds u r f a c eb l o c k e du p w e a ra n ds u r f a c eb l o c k e du pi ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h r o u g hs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sa n d 1 1 浙江工业- 人学硕士学位论文 o r t h o g o n a lt e s t t h ee f f e c to ft h ew e a ra n dm a c h i n i n gq u a l i t yi ss e p a r a t e l ya n a l y z e db yt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw a so p t i m i z e da n dt h e d u r a b i l i t yw a sa n a l y z e d t h ed r e s s i n go ft h es f a pw a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r as u i t a b l ed r e s s i n gw a ya n dar e m o v a lm o d e lo f d r e s s i n gw e r ep u tf o r w a r d e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h et r u i n gr i n gd i a m o n dd r e s s e rc a l ld r e s st h es f a p 2 k p ap r e s s u r ed r e s s i n g ， 4 0 0 p md i a m e t e r , 6 0 r p ms p e e d ，6m i n u t e si sab e t t e rf i n i s h i n gp a r a m e t e r d r e s s i n gt h es f a p a f t e r5 0m i n u t e si nt h ep r o c e s s i n gc a nr e d u c et h ew e a r , a n de n s u r et h eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c e a n di n e a s em a c h i n i n ge f f i c i e n c y t h i sr e s e a r c hi sd o n et op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rk e e p i n gt h ep r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e o fs f a pa n dr e c o v e r i n gt h em a c h i n i n gp e r f o r m a n c eo fs f a pw h e ni tb e c o m e si n v a l i d k e yw o r d s ：s e m i - f i x e da b r a s i v ep l a t e ( s f a p ) ，w e a r , d r e s s i n g ，p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n ak e yp r o j e c t ( g r a n t n o 5 0 5 3 5 0 4 0 ) ，z h e j i a n gp r o v i n c i a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n t n o y 1 0 5 6 1 0 ) - i l l - 浙江工业大学硕十学位论文 z 去除率( m m ) z 比磨除率( 倒m 3 ( m m s ) ) 所 磨具耐用度( 砌0 衙n ) 乙 磨削比 w t 磨粒重量比浓度 符号说明 磨具内圆半径( n 吼) 磨具外圆半径( r a m ) 研磨轨迹环内圆半径( m m ) 研磨轨迹环外圆半径( m m ) 耐用度内材料去除总量( 曲 表面积( m m 2 ) p r e s t o n 系数 磨具的旋转中心 工件的旋转中心 磨具的角速度( r a d s ) 工件的角速度( r a d s ) 相对速度( m s ) 磨具和工件的偏心距 压力( k p a ) 平均接触压力( k p a ) 半固着磨具密度( k g m 3 ) 切削痕的截面积( n 1 i i l 2 ) 痕迹宽度( r a m ) 痕迹深度( m m ) 切肖u 足巨离( m m ) 磨粒数( 个) 威氏硬度 磨粒直径( m m ) 磨粒分布致密度 修整率( m s ) y e 尸 p p 日 6 五 三 以 协 磊 a 矿 甩 飓 n 您 q 4 o q 仉 哆 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期n 严妒岬 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密k ( 请在以上相应方框内打“q , j ) 作者签名： 导师签名： 日期：9 了年岁月v 佃 日期：d ? 年r 月玎日 浙江t 业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 超精密加工技术起源于美国2 0 世纪6 0 年代初期，目前，随着光一机电领域产品的 不断普及，精密和超精密加工技术已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术 i , 2 l 。 世界各国对先进陶瓷的加工技术，特别是对先进陶瓷的精密和超精密加工技术给予了 极大重视，并投入了很多人力物力进行这方面的研究开发。先进陶瓷根据性能和应用范围 不同，大致可分为功能陶瓷和结构陶瓷。功能陶瓷主要指利用材料的电、光、磁、化学或 生物等方面直接或耦合的效应以实现特定功能的陶瓷，在电子、通信、计算机、激光、航 空航天等技术领域有着广泛的应用。结构陶瓷材料具有优良的耐高温抗磨损性能，作为高 性能机械结构零件新材料显示出广泛的应用前景f 3 a , s 】。现在，各发达国家的先进陶瓷精密 和超精密加工技术已经发展到很高水平。近年来，我国先进陶瓷的生产和应用也获得了迅 速的发展。但是到目前为止，无论是先进陶瓷本身的性能质量还是它的加工技术，特别是 超精密加工技术，与经济发达国家相比还有一定的差距，而生产实际又迫切需要，因此， 先进陶瓷超精密加工技术有待发展提高【2 1 。 目前的先进陶瓷材料的超精密加工，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限 的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性为目标。随着产品性能的不断提高，现 代光电信息领域、精密机械领域对先进陶瓷材料的加工精度和表面质量要求愈来愈高，从 而产生了超光滑表面的概念。超光滑表面是指粗糙度均方根小于l n m 的表面，超光滑表 面具有以下主要特征【6 ，7 】：( 1 ) 表面粗糙度r a 小于l n m ，具有较低的表面波纹度以及较高的 面形精度。( 2 ) 尽可能小的表面瑕疵与亚表面损伤。( 3 ) 表面残余的加工应力极小。( 4 ) 晶体 表面具有完整的晶格结构，即表面无晶格错位。 磨粒加工技术( 按磨粒固结状态主要分为固着磨粒加工和游离磨料加工) 仍然是先 进陶瓷材料精密和超精密加工的主要手段。以固着磨粒加工方式存在的超精密砂轮磨削、 平面珩磨虽能获得较高的材料去除率，但表面损伤层较大；而以游离磨料加工方式存在的 研磨、抛光虽其表面损伤层较小，但其材料去除率不高，而且对加工环境比较敏感。所以 现有的加工方式都很难兼顾效率和质量这对矛盾。 在国家自然科学基金重点项目( 5 0 5 3 5 0 4 0 ) 的支持下，浙江工业大学超精密加工研究 浙江工业大学硕士学位论文 中心提出半固着磨粒加工技术【8 1 。制造了适合于半固着加工技术的半固着磨具。以期通过 对半固着加工方法和半固着磨具的研究解决超精密加工中的效率和质量的矛盾。在研磨 ( 抛光) 中，半固着磨具不断重复使用，产生磨损和堵塞等特征，关系着半固着磨具的品 质，继而影响着工件的质量。所以在半固着磨具使用过程中，需要对其特性，加工性能的 失效形式、磨损和堵塞的影响因素、耐用度及磨具磨损失效后的修整技术进行研究。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 磨粒加工技术研究现状 材料加工是由原始材料到元器件转变的必经途径，加工的精度决定了元器件的性能， 加工的效率决定了材料的推广应用进程。目前较为成熟的先进陶瓷材料加工技术主要可分 为力学加工、电加工、复合加工、化学加工和光学加工等五大类【9 1 。 然而就目前而言，磨粒加工技术仍然是先进陶瓷材料精密和超精密加工的主要手段。 按磨粒与磨具联接状态，可分为游离磨粒加工技术和固着磨粒加工技术。前者包括研磨、 抛光技术，后者包括磨削技术和精细磨削技术。各加工技术目前所能达到的精度量级如图 1 1 所示。 岫0 1i1 01 0 0l 。0 0 01 0 ，0 0 0 ；4 j 些竺车l _ 一； ：j研磨( 1i n t a p p i n g )iiil针屠l ， ii ：1 叫： ：普通磨削( c n i n d h g ) k w , 1 ll u h i：lli 百迥厢r q i 平面珩磨( f l a th o n i n g ) 图1 1 各种磨粒加工方法的精度范围( e l i d 研削研究会报) 游离磨粒加工技术( 研磨、抛光) 仍然是目前主要的终加工手段，为实现高精度无 损伤加工表面，众多学者提出了多种抛光方法，包括化学机械抛光( c m p ， c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 1 0 , 11 , 1 2 】、水合抛光( h y d r a t i o np o l i s h i n g ) 1 3 】、弹性发射加 工( e e m ) 1 4 , 1 5 浮动抛光( f l o a tp o l i s h i n g ) 1 6 , 1 7 】、磁悬浮抛光( m a g n e t i cf l o a t i n gp o l i s h i n g ) 【1 8 1 9 1 、 b 舭( e l e c t r o p h o r e t i cd e p o s i t i o nt e c h n i q u e ) 1 2 0 , 2 1 】、快速可更新的研磨抛光( r a p i d r e n e w a b l el a p p i n g ) 【2 2 】等技术，其中c m p 技术的应用最为广泛。国外学者对抛光过程做 1 浙江工业大学硕士学位论文 了大量研究【2 3 ，2 4 1 。 固着磨粒加工技术采用高速旋转的固结磨粒砂轮作为磨具，并采用强制进给的加工 方式，因而具有很高的j j n - r 效率。近年来，先进陶瓷的超精密磨削技术迅速发展，加工精 度大幅提高，其代表为e l i d 磨削【2 5 ，2 6 1 、e c d 技术【2 7 1 、微粉金刚石杯型砂轮的超精密塑性 域磨削技术【2 8 2 9 1 ，e l i d 技术的加工精度甚至趋近游离磨粒抛光的精度。各国学者对各种 先进陶瓷如a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 、z r 0 2 、s i c 、m n - z n 铁氧体、单晶硅、光学玻璃和金属陶瓷等 材料的去除机理、磨削力、磨削热、表面质量等基本规律，以及金刚石砂轮的磨削性能、 砂轮磨损及修整等关键技术进行了大量的研究 3 0 , 3 1 , 3 2 1 ，并研制成多种产品，为许多工业部 门所采用。上世纪八十年代出现了平面珩磨技术( f l a th o n i n g ，或称之为精细磨削 f i n e - g r i n d i n g ) 3 3 , 3 4 】，该技术采用类似研磨的运动方式，珩磨的砂轮速度是传统磨削砂轮 速度的1 3 0 1 6 0 。应用金刚石丸片的平面固着磨料高速研磨就是采用这种原理，且已广 泛应用到陶瓷、玻璃、金属等材料的平面加工中。 采用游离磨粒进行加工的超精密研磨抛光技术，可获得更高的表面质量和更小的加 工损伤层。但由于加工过程中磨粒处于游离状态，对工件的作用是非强制性的，材料去除 率更低，且加工精度和加工效率对磨粒尺寸差异十分敏感，硬质大颗粒的侵入可导致大量 工件返修甚至报废，在降低加工精度和加工效率同时引起生产成本的大幅上升。相对于游 离磨料加工的超精密研磨抛光技术，超精密砂轮磨削要求高刚度、高精度的设备，其材料 去除率高，使用超细磨粒砂轮甚至可以获得埃级表面粗糙度。但超细磨粒砂轮的制备及其 容屑空间的保持等问题尚未解决。由砂轮磨削发展而来的平面珩磨技术采用降低砂轮转速 的方法，减少了磨削加工的表面损伤，利用工件与砂轮的面接触形式可以补偿因转速降低 带来的磨削效率的损失。对设备精度要求不高，但与超精密切削、磨削一样，通过被加工 材料的强制性去除方式完成加工，限制了所能获得的表面质量，不可避免地在加工表面留 下加工损伤层。目前先进陶瓷现有精密加工技术之间的比较如表1 1 所列。 表1 1先进陶瓷现有精密加工技术间的比较 浙江工业大学硕士学位论文 对于先进陶瓷精密加工而言，防止划痕、裂纹等表面损伤和提高研磨效率是一对矛盾， 研究一种能化解这对矛盾，有效地避免硬质大颗粒造成的表面损伤，提高整体加工效率， 用于大批量生产的可实现高一致性、高成品率、低损伤、低成本的纳米、亚纳米级表面粗 糙度的精密高效加工技术显得极为迫切。基于此提出了半固着磨粒加工技术。由于它可以 兼顾高表面加工质量和高加工效率的特点，因而有可能成为先进陶瓷材料加工的主要方 法。 1 2 2 半固着磨粒加工技术 针对精密加工中硬质大颗粒造成工件表面损伤及精度与效率不可兼得的问题，提出 了具有“陷阱”效应的半固着磨具的概念，并根据“陷阱”效应的设想制造出了半固着磨具。 游离磨粒加工的理想状况是工件与磨具之间的磨粒粒度相当，磨粒上的载荷相等( 图 1 - 2 a ) 。但实际磨粒粒度并不均匀，其中较大尺寸的磨粒或从工件上脱落的尺寸较大的磨 屑( 统称为大颗粒) 进入加工区后，对刚性磨具( 如铸铁、陶瓷等材质) 而言，磨具表面 无变形，大颗粒与磨粒不等高，加工载荷由少量大颗粒承担，导致大颗粒对工件的切深增 加因而形成划痕、凹坑等损伤，或者大颗粒因载荷过大而破碎，但在破碎前往往已在工件 表面形成损伤( 图1 - 2 b ) ；为此，通常采用软工具盘( 沥青、铜、锡等材质) 来缓解大 颗粒对工件表面的负面作用【3 5 1 ，对弹性磨具而言，磨具表层虽然以弹性变形方式使硬质 大颗粒与磨粒等高，但不能使硬质大颗粒与磨粒上的负载相同，因此同样形成表面损伤( 图 1 - 2 c ) 。目前只能靠提高磨粒尺寸的一致性和加工环境的净化程度，但仍旧无法从根本上 解决问题且代价十分昂贵。 半固着磨具和普通磨具在结构上比较类似，主要由磨粒、孔隙、结合剂组成( 如图1 3 所示) ，但结合剂的强度不大，当硬质大颗粒进入加工区时，大颗粒周围磨粒可产生位置 迁移，形成“陷阱”空间( 图l 一4 ) ，使大颗粒与磨粒趋于等高。此外，从磨具的角度看， 磨具在大颗粒作用下的区域发生的是塑性变形而不是弹性变形，而对于其他大部分区域则 发生的是弹性变形，因此，不但能够保证大颗粒对工件的载荷与磨粒的载荷相当，达到减 轻或避免大颗粒造成工件表面损伤的目的，而且能够使得磨具具有一定的保形能力，呈现 出一定的刚性，足以抵抗加工中所受外力，不至于被破坏。 半固着磨具的“陷阱”效应不同于普通磨具的磨粒埋没现象。普通的磨具的埋没现象是 因为磨削点冷却不充分，磨削热向背后传导，热量使结合剂软化将磨粒埋没的现象【3 6 1 。 磨粒埋没现象会使磨具上磨粒突出量减少，甚至完全不能加工，埋没现象是磨具研磨过程 浙江工业大学硕十学位论文 中应该避免的。而半固着磨粒磨具的“陷阱”效应是一种针对大颗粒的主动的“陷阱”行为， 大颗粒陷入后，磨粒突出量仍然与普通磨粒相当，因此不会影响去除率。 磨具 硬质大颗粒 a ) 理想状况b ) 刚性磨具加工时硬质大颗粒侵入c ) 弹性磨具加工时硬质大颗粒侵入 图1 2 游离磨粒加工时的理想状况及硬质大颗粒 侵入引起的载荷变化与表面损伤【8 1 磨具 表层 磨粒 图1 - 3 半固着磨粒磨具结构示意图【8 1 硬质大颗粒 图1 - 4 硬质人颗粒逐渐陷入磨具示意图【8 】 高效高精指的是以更快的速度达到更好的加工效果，实现高效高精加工是超精密加 工的一个重要的发展趋势，超精密加工要向着高精度方向发展，由目前的亚微米级向纳米 级进军，最终实现原子级加工精度【3 7 1 。我们通过高磨粒率和适宜的结合强度来保障高效 高精加工的实现。高的磨粒率虽然会使得磨粒切深变小，但是同一时间内参与对工件加工 的磨粒数量增多，因此能够弥补磨粒切深变小所带来的去除率的降低。更重要的，磨粒切 深变小，工件表面损伤层也会相应减小，并能够提高工件表面质量。适宜的结合强度( 远 浙江工业火学硕士学位论文 低于传统磨具) ，使得磨粒在没有被磨钝之前就脱落，因而参与加工的磨粒都是锋利的磨 粒，保证磨具具有持续的加工能力。磨具磨粒之间的结合力不大，所以磨具转速比磨削加 工中小得多，为弥补磨削效率的损失，磨具与工件采用面接触方式，磨削点数的增加减小 了每个磨粒的垂直负荷，平均一个切削刃的单位时间发热量，工件产生的热变质层是微小 的。 1 3 磨具磨损和修整概述 这里所说的磨具主要是固着磨具( 砂轮) 。磨具在加工过程中会渐渐丧失其加工能力， 称之为磨具磨钝( 在本文中将其称为磨具加工性能的失效) 。从宏观来看，磨具磨钝是由 于磨具产生磨损和磨具工作表面产生堵塞两方面原因而致【3 引。评价磨具的加工能力主要 的衡量指标是磨具耐用度。磨具在超出耐用度时需要进行修整，使其恢复加工能力。 1 3 1 磨具的磨损和堵塞 1 磨具磨损 磨具磨损分为磨擦磨损和破碎磨损【3 9 1 。摩擦磨损是由磨粒和工件之间摩擦而引起的； 破碎磨损是指磨粒的破碎或结合剂的破碎，产生取决于磨削力的大小和结合剂的强度。有 的研究人员又将磨具磨损形式分为机械磨损、化学磨损和粘附磨损三种方式【4 们。砂轮磨 损量常以砂轮重量变化来计算，磨具磨损主要以破碎磨损为主，尤其对于软砂轮来说结合 剂的破碎磨损比磨粒的破碎磨损多得多。磨具寿命的终结形式( 磨具的失效形式) 分为磨耗 磨损型、磨具堵塞型、脱落型三种【删，其中脱落型又称为结合剂破碎磨损。磨粒磨损表 面的大小、工件表面的质量状况以及磨削力等因素对磨具磨损都有影响。这些因素进而会 影响到破碎磨损，从而影响到磨具的耐用度【4 。 从宏观上观察磨具尺寸的变化，磨具在磨削过程中的磨损如图1 5 所示。该曲线分为 三个阶段：第一阶段为磨削的初始阶段，磨具磨损很快，该阶段持续时间一般较短；第二 阶段为稳定磨损阶段，磨具磨损随磨削时间而缓慢增加，这个阶段所持续的时间比较长； 第三阶段是磨具急剧磨损阶段，这时磨具已钝化，需重新修整磨具。 从微观上分析磨具在磨削过程的磨损。一般而言，磨具磨损存在磨耗磨损、磨粒的表 面碎落、磨粒破碎和磨粒整个脱落等几种形式，如图1 - 6 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 司 删 啜 墩 n 一初始磨损阶段b 一稳定磨损阶段c 一急剧磨损阶段 图1 5 磨具的磨损过程【4 1 1 鬻糕 p b )c)d) e ) 图1 - 6 磨具的磨损过程f 4 i 】 ( 1 ) 磨耗磨损：磨粒磨耗磨损的特征是有明显的磨损平面，表面较均匀光洁，如图1 6 b 所示。在未磨损前( 如图1 - 6a ) ，磨粒与工件接触面积较小，作用在磨粒上的切削力可分解 为f c 水平和f c 垂直。当有了磨损后，磨粒与工件的接触面积增大，这时，除切削力外，作 用在磨损平面上的摩擦力增大，并可分解为f w 水平和f w 垂直( 如图1 - 6b ) 。随着磨损面积的 增大，摩擦功也增大，因而由摩擦功而形成的热量增加，从而在磨削区形成高温。由于磨 削力和磨削温度的增加，不仅促使磨耗性磨损的发展，而且也促使其它几种形式的磨损发 生。 ( 2 ) 磨粒表面碎落：磨粒的细微脱落，如图1 6 c 所示。磨粒表面碎落能局部恢复它的 切削性能，由于是细微的破碎，因此，不至于造成磨具工作表面形状失真和工件表面光洁 度的严重恶化，因此，这种表面碎落对磨削过程的不利影响较小，反而能改善磨具切削性 能，延长磨具耐用度。 ( 3 ) 磨粒的破碎：是指较大的碎块从磨粒上脱落，如图1 6 d 所示。这种破碎是由于磨 粒局部损伤、有裂纹等缺陷，在磨削力的作用下，产生磨粒较大的破碎。粗磨时，由于磨 削力较大，往往易发生这种破碎。当产生这种破碎时，一方面破坏了磨具工作型面的精度 浙江工业大学硕士学位论文 和磨粒切刃的等高性，从而使工件光洁度和精度变差，但另一方面却出现新的切削刃，改 善了磨具切削性能，延长了磨具耐用度，所以在粗磨工序时，往往期望产生这种磨粒破碎。 ( 4 ) 磨粒脱落：当磨粒上所受的力大于磨具结合剂的粘结强度时，在磨削力的作用下， 将破坏结合剂的结合键，使磨粒整体从磨具中脱落，如图1 6 e 所示。生产中评价磨具磨 损时，是以磨具的宏观尺寸磨损来表征磨具的磨损的。但是为了要找出减少磨具磨损的途 径，就必须仔细分析以上几种磨损形式，以便找出磨粒表面脱落的主要原因。 2 磨具的堵塞 在加工过程中，可以发现磨具表面附着一些磨屑，称这种现象为磨具堵塞。在加工不 同材料时，磨具表面的堵塞情况是不一样的。磨具的堵塞一般可分为两类：一类叫嵌入型 堵塞，是指磨屑嵌塞在磨具工作面的空隙处，如图1 7 a 所示；另一类叫粘着型堵塞，是 指磨屑熔结在磨粒及结合剂上，将磨粒切刃覆盖，如图1 7 b 所示。 a ) 嵌入型堵塞 重一 图l - 7 磨具堵塞4 1 1 在加工过程中，总是存在堵塞现象。当磨具堵塞达到一定程度时，其加工能力下降， 工件加工表面质量下降直至加工不能继续进行。但是，这两类堵塞对加工能力的影响不同， 嵌入型堵塞对加工的不利影响较小，而且堵塞的过程比较缓慢，因为在加工过程中，有些 磨屑嵌入到磨具表面的空隙中去，有些磨屑从磨具表面的空隙中由于冷却液和离心力的作 用而被甩出来，因此，磨具还有较长的耐用度。同时，这种堵塞对生产效率的影响不太严 重。但是粘着型堵塞在任何情况下对研磨加工都是不利的，由于磨具表面磨粒存在粘着型 堵塞，磨具很快丧失加工能力，使磨具耐用度大大降低。这种粘着型堵塞只有在加工过程 中磨粒切刃自锐重新修整磨具才能清除。加工时磨具堵塞的形式和堵塞的程度主要取决于 工件材料的机械物理性能，其次是加工条件。 磨具的磨损和堵塞是磨削加工中的普遍现象，不论加工条件选择得如何合理，要完全 浙江工业大学硕士学位论文 避免磨具磨损和堵塞是不可能的，其差别只是程度上的不同。所以现在很多关于磨具的研 究就集中在磨具的磨损、堵塞及其耐用度上。影响磨具磨损和堵塞的主要因素和评价指标 如图1 8 所示。 一损 ：3 一损 瓦 破碎磨损 磨具堵塞广堵：量r 嵌入式堵塞 峙塞形态li 薯五菇薹 0 综合型堵塞 图1 8 磨具磨损和堵塞的主要因素和评价指标 1 3 。2 磨具加工性能的评价指标 在加工过程中，一般可以采用如下指标来评价磨具质量的优劣【4 0 】： 1 磨削效率 磨削效率是考核磨具加工性能一个重要指标，磨削效率高，生产率也就高。在试验时， 常用的磨削效率指标有： ( 1 ) 去除率( z ) 去除率的定义为单位时间内磨除的工件的体积或质量，单位为m m ”或“g s 。 ( 2 ) 比磨除率( z 5 磨削效率，也可用比去除率即磨具的单位宽度在单位时问所磨去的工件体积来表示， 符号为z ，单位为姗m 3 ( m m s ) 。比去除率z 表示在磨具耐用度期间内，磨具的平均单位 宽度的去除率。 生产实际中加工效率的高低，常用每小时( 或每个工作班) 加工的工件数量来表示，这 其中当然也包括了工件的装卸和其它辅助时间在内，并不完全反映磨具的加工效率，仅可 作为一个粗糙的估计和相对的比较。 2 磨具耐用度 所谓磨具耐用度，是指磨具修整后开始加工直到不能继续正常加工而需要再次修整时 为止这一段时间内所磨除的工件材料量，或者在加工条件相同时，磨具在两次修整之间的 浙江工业大学硕士学位论文 实际加工时间来表示。因此，磨具耐用度可用单位宽度去除量( 形) 表示，其单位为 “m m 3 m m ”，表示磨具在两次修整之间单位磨具宽度所磨去的工件材料总体积；也可用时 间r 单位为“m i n ，工业常称r 为磨具的寿命。 磨具耐用度越高，表示磨具在两次修整之间可以磨去更多的工件材料，或者说，磨去 一定量的工件材料时，可以减少修整磨具的次数。磨具耐用度愈高，表示磨具在两次修整 之间的正常磨削时间愈长。 精确判断磨具耐用度较为困难。在试验和生产实际中，选择其中的一种或几种判据作 为判断磨具耐用度的标准。磨具耐用度( k ) 与比去除率( z ，) 是密切相关而又相互制约的两 个参数，通常选用这两个参数来分析磨具耐用度。 3 磨削比 磨具在加工工件的同时，本身也在被损耗。磨除的工件体积( 或质量) 与磨具的损耗体 积( 或质量) 之比叫磨削比。磨削比的意思是指单位体积或单位质量的磨具所磨除的工件体 积或质量。它是表示磨具使用经济性的一个重要的常用的指标。磨削比愈大，表示磨损单 位体积或质量的磨具可以磨除更多的工件材料，磨具的使用愈经济。由于磨具是由磨料结 合剂及气孔等三部分体积所组成的，所以磨损的磨具体积也包括了这三部分体积在内。有 时也用磨耗比这一概念来表示磨具使用的经济性。 磨削比可以表示材料的可磨削性，而磨耗比则主要表示磨具的耐磨性。磨具磨损量的 大小与磨除的工件材料是有着直接关系的。磨除的工件余量愈多，磨具磨损的也就愈多。 由于磨削比把磨具的磨耗磨损与磨除的工件体积联系了起来，因而用它来评价磨具的使用 经济性就更加客观。在生产实践中，磨削比指标用以评价磨具特性得到了广泛的应用。 4 加工表面质量 加工表面质量主要是指工件的表面粗糙度、表面精度及表面层的质量等。 评价磨具加工性能时，不仅要比较磨具的加工效率，更重要的是比较磨具的加工质量， 而且通常是加工质量优先。加工表面质量指标能够较准确地区分磨具性能的优劣。 1 3 3 磨具的形貌检测与分析方法 磨具的加工性能不仅取决于磨具的结构特性，如磨粒种类、粒度和硬度等，且更多的 取决于磨具表面的形貌特征，如磨粒切刃的分布、磨料的磨耗、破碎和脱落，容屑空间的 堵塞等。磨具形貌特性是磨削过程中重要的输入参数之一，对磨具的加工性能有着决定性 的影响。磨具形貌特征在加工过程中是在不断变化的，它对加工精度、效率、表面质量都 1 1 浙江工业大学硕+ 学位论文 有直接影响。因此，检测、分析和优化磨具形貌，有利于加工过程的优化。 磨具形貌的检测方法很多，表1 2 中列出了主要的检测方法。 表1 - 2 磨具形貌检测方法分类 静态检测 动态检测 触针法 印迹法 光截断观察法 电镜观察法 液压法 激光功率谱法 划痕复印法 光电检测法 对目前的一些检测方法进行的分析发现，大部分的研究都停留在对传统检测方法的优 化上，但是最近几年取得突破性的进展不多。磨具磨粒本身及其分布的一些特征，磨具形 貌的有效检测一向比较困难，而能用于指导生产实际的成果却鲜见报导。传统的检测方法， 如触针法、印迹法、光截观察法、电镜观察法 4 2 , 4 3 削】，虽然能够定性的检测磨具形貌的一 些特征，但都往往只考虑某一方面的问题，而对影响磨具磨削性能的形貌参数缺乏综合考 虑，对些至关重要的参数如磨具磨粒出露高度、平均磨粒间距等，无法知道具体测量， 只能是猜测。 1 3 ，4 磨具的表面磨耗检测技术 平面研磨和抛光过程中，传统的磨具厚度检测的标准方法是对加工中使用的磨具沿径 向切割块下来，然后用游标卡尺测量切块的厚度，但这是一种破坏性检测手段。 鉴于破坏性检测的劣势，从1 9 9 7 年开始有人提出了使用非破坏性检测方法来检测抛 光垫厚度，如m e i k l e 4 5 0 4 6 4 7 1 、c h u a n g t 4 8 1 、h o c h e n g 【4 9 1 、n a g a i s o 】等，主要原理是利用激 光探测方法，如图1 - 9 所示。这种检测方法的缺点是厚度数据是从抛光垫上不同点处检测 获得。抛光液对抛光垫表面有影响，使得很难判断检测数据有效性。而且，厚度检测是在 抛光垫修整前后进行，不能在加工过程中进行。a d e b a n j o 等【5 1 】提出一种非破坏性的接触 检测方法，在线测量抛光垫厚度变化。两个刚性平行面分别放在抛光垫的修整区域和非修 整区域。将厚度仪悬挂在非修整区测得一数据，然后测量两个平板间的高度差( 如图1 1 0 ) 。 厚度仪需要重新放置测量，获得一个平均厚度差。同样是一种非破坏性测试方法，但仪器 接触抛光垫方法不像位移传感器。 浙江工业大学硕士学位论文 圈i - 9 基丁激光传感器磨盘厚度检测系统示意幽 厚度删试尺 抛光垫修整区域抛光垫非修骼l i 域第) t i l l e d 行血 图1 1 0 接触方法检目0 抛光垫厚度变化1 5 l 】 1 3 5 磨具的修整技术 磨削过程中，磨具工作表面的磨粒会逐渐磨钝，磨具磨钝后磨削力增大，磨削温度上 升，发生颤振和烧伤，使加工零件的表面完整性受到极大的影响，同时，磨具的磨钝也会 使磨具工作表面丧失正确的几何形状，使加工精度降低。因此，为了使磨具在使用中能保 持正确的形状和锐利性，就必须定期对磨具进行修整。修整实质上就是对磨具进行整形和 修锐。对于普通的磨具来说，整形和修锐可以同时进行，而对于超硬磨料磨具而言整形 和修锐一般可分为两个阶段进行【州。 整形是使磨具在宏观上具有正确的几何形状。修锐则是使磨具在微观上磨粒突出，形 成切削刃和容屑空间，使磨具能进行有效地磨削。目前，磨具修整按照所采用的方式，分 为机械修整方法、激光修整方法、超声修整方法和电加工修整方法，针对不同的修整对象 选择不同的修整方法，国内外学者对这些修整方法进行了一系列研究。 缮 曩_ 誊 浙江工业入学硕士学位论文 1 普通磨具修整 普通磨具的修整方法有：车削法、滚轧法、磨削法、杯形砂轮修整等。 车削修整法【3 明是采用单点金刚石、多点金刚石、金刚石片状修整工具对磨具进行车 削来达到修整要求的，它也是目前最常用的一种磨具修整方法，可以用于粗磨，也可以用 于精密磨削。 滚轧修整法【5 2 】分为径向滚轧法和轴向滚轧法两种。滚轧法修整的磨具比较锋利，但 修整时磨具与修整轮缓慢转动滚轧，要求系统具有较大刚性，其修整精度和修整效率低， 无法实现在线连续修整。 磨削修整法采用类似外圆磨削运动形式在修整工具与磨具之间。这种方法修整磨具简 单、不需要添加专用的修整磨具传动装置，修整磨具时的位置可与磨削时的位置一致，因 而使磨具与工件接触较均匀，不易产生单边接触。它是适用于各种结合剂磨具的修整方法， 既可用于磨具的整形也可用于修锐。 日本东京大学庄司克雄研制出g c 杯形砂轮修整器【53 。，这种方法可同时进行整形和修 锐，被修整磨具断面形状为平坦的直线，磨具表面凸出的磨粒高度近似为一正态分布曲线。 整形精度、效率方面都较高。 除此之外，在一些特殊的场合还会用到激光修整，超声修整方法、电加工修整方法等 方法【5 4 , 5 5 , 5 6 。 2 抛光垫修整 修整抛光垫的方法目前为止都是应用一些比较简单的方法。如毛刷、水刀、超音波振 动法等都是经常使用的抛光垫修整方法，且各方法对抛光垫而言，也都有着不同程度的清 洗、表面平整效果。 目前化学机械抛光中，最常见的修整方法，则是利用镀有金刚石颗粒的金刚石修整器， 对表面特性改变的抛光垫进行修整，由于金刚石具备高硬度与高尖锐度的特点，因此可有 效的在抛光垫上产生磨削以及移除堵塞物，但镀有金刚石的修整器会在抛光垫表面的材料 加以刮除，使抛光垫厚度减少，此时，如果修整器参数控制不当，抛光垫过度修除不但会 使抛光垫厚度降低，表面沟槽亦会很快消失，进而丧失抛光垫所应具有的功能，更因此缩 短了抛光垫使用寿命，同时更大幅度增加了耗