（机械制造及其自动化专业论文）弹性研磨系统工艺参数及结构对研磨质量的影响.pdf

摘要 摘要 金刚石因具有无与伦比的机械、化学、热学等优良特性，使其在刀具 领域具有十分重要的地位。尤其是近几年金刚石工业的飞速发展，使金刚 石原料的质量不断提高，价格不断下降，迸一步促进了金刚石在刀具领域 的应用，特别是在精密、超精密加工领域的作用是无法替代的。但由于金 刚石本身具有高硬度和高脆性等独特性能，使得金刚石在常规的机械研磨 中获得有形状要求的高精度及粗糙度值极低的金刚石表面相当困难，因此 开展金刚石的精密研磨技术研究，具有良好的应用前景和实用价值。 首先，在总结其他学者或研究人员对单晶金刚石机械研磨技术研究的 基础上，以实验分析为手段，研究了金刚石弹性浮动研磨新技术中的系统 弹性、研磨盘端跳、研磨速度及研磨压力等工艺参数对金刚石表面的影响。 浮动的思想对金刚石进行研磨，其主要目的就是解决研磨过程中磨粒对工 件的冲击，使得金刚石去除主要以微小解理方式进行，达到均匀微小去除 量的目的，实验证明，当加工过程充分平稳后，合理的选择加工参数，其 金刚石加工表面十分光滑，呈现均匀、无明显加工特征，适合超精密研磨 加工。 在浮动研磨过程中，不断变化的冲击主要来自研磨盘的端跳和机床内 部及外部的振动。这些振动和冲击的干扰使得被研磨的金刚石刀具和研磨 盘之间产生多余的相对运动而使金刚石刀具无法达到所需的加工精度和表 面质量。然而弹性梁的刚度对系统的振动的响应影响很大，不同刚度的梁 在受到磨粒的冲击变形不一样，以及磨粒对梁的冲击方式不同，梁的振动 也会不同，本文为了消除振动和冲击对金刚石研磨表面质量的影响，做了 如下方面的工作： 1 首先在浮动研磨系统下，采用单因素的试验方法，研究在不同转速、不 同外载荷对弹性梁振动的影响和对表面质量的影响； 2 研究了不同刚度的梁对表面质量的影响； 3 对研磨盘的端跳产生原因进行了分析并进行了装置改进，提高了系统的 广东工业大学硕士学位论文 稳定性； 4 研究了梁在受到横向冲击与纵向冲击时对金刚石研磨表面质量的影响。 关键词：弹性浮动 金刚石冲击端跳振动响应 l l a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ei n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e si nt h em e c h a n i c a l 、c h e m i c a l 、t h e r m a l p r o p e r t i e s ，d i a m o n d h a sb e e n p l a y i n g a n i m p o r t a n t r o l ei nt o o lf i e l d e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i a m o n di n d u s t r y , d i a m o n dr a wm a t e r i a l sq u a l i t yi si m p r o v i n ga n dt h ep r i c ei sg o i n gd o w n ，t h e s e f u r t h e rp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fd i a m o n di nt h et o o lf i e l d d i a m o n dp l a ya i r r e p l a c e a b l e r o l ei n p r e c i s i o n ，u l t r ap r e c i s i o np r o c e s s i n gf i e l d h o w e v e r ， b e c a u s et h ed i a m o n di t s e l fh a ss o m eu n i q u ep r o p e r t i e ss u c ha sh i g hh a r d n e s s a n dh i g hb r i t t l e n e s s ，m a k i n gi tv e r yd i f f i c u l tt oo b t a i nh i g h - p r e c i s i o na n dl o w r o u g h n e s sv a l u eo ft h ed i a m o n ds u r f a c e r e q u i r e ds h a p e i nc o n v e n t i o n a l m e c h a n i c a ld i a m o n dl a p p i n g ，s ot h a t c a r r y i n go u tt h er e s e a r c ho fd i a m o n d p r e c i s i o nl a p p i n gt e c h n o l o g yh a sag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dp r a c t i c a l v a l u e f i r s t ，b a s e do nt h ec o n c l u s i o no fm o n o c r y s t a l l i n ed i a m o n dm e c h a n i c a l p o l i s h i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hb yo t h e rs c h o l a r so rr e s e a r c h e r s ，s t u d i e dt h e n e wt e c h n o l o g yo fd i a m o n de l a s t i cf l o a t i n gg r i n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c h a ss y s t e me l a s t i c ，g r i n d i n gd i s hj u m p ，g r i n d i n gs p e e da n dg r i n d i n gp r e s s u r et o t h ei n f l u e n c eo fd i a m o n ds u r f a c eb ye x p e r i m e n t a la n a l y s i sm e t h o d t h em a i n p u r p o s eo ff l o a t i n gt h o u g h t so nd i a m o n d sg r i n d i n gi sm a k ed i a m o n dp u r i f y m a i n l yw i t hs m a l lc l e a v e sw a yb ys ol v i n gt h ei m p a c to ft h ew o r k p i e c eb e c a u s e o fg r i t si nt h eg r i n d i n g p r o c e s s e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tb yr e a s o n a b l e s e l e c t i o no fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa f t e rp r o c e s s i n gp r o c e s sf u l l ys t a b l e ， p r o c e s s i n gs u r f a c ei sv e r ys l i c k ，e v e n ，w i t h o u to b v i o u sm a c h i n i n gf e a t u r e s t h e r e f o r e ，t h i sp r o c e s s i n gm e t h o di ss u i t a b l ef o ru l t r a - p r e c i s i o ng r i n d i n g f r o mt h ed i a m o n ds u r f a c ea f t e re l a s t i cf l o a t i n gg r i n d i n g ，w ec a ng e tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h ec h a n g i n gi m p a c t m a i n l yf r o mg r i n d i n gp l a t ej u m pa n d e l a s t i cb e a mv i b r a t i o n t h e s ei n t e r f e r e n c e sb o t hv i b r a t i o na n di m p a c tw i l l m a k er e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt h el a p p e dd i a m o n dt o o l sa n dg r i n d i n gd i s cs o t h a td i a m o n dt o o l sc a nn o ta c h i e v et h e r e q u i r e dp r o c e s s i n gp r e c i s i o na n d i i i 广东工业大学硕士学位论文 s u r f a c eq u a l i t y n e v e r t h e l e s s ，t h es t i f f n e s so fe l a s t i cb e a m sh a v eas e r i o u s i n f l u e n c eo ns y s t e m sv i b r a t i o nr e s p o n s e t h eb e a mi nd i f f e r e n tr i g i d i t yh a v e d i f f e r e n td e f o r m a t i o nb yt h ei m p a c to fg r i t s ，a n dt h ev i b r a t i o no ft h eb e a ma l s o w i l lb ed i f f e r e n tb e c a u s eo ft h ei m p a c tb yg r i t si nd i f f e r e n tw a y s i no r d e rt o e l i m i n a t et h ei n f l u e n c e t h a tv i b r a t i o na n di m p a c tp r o d u c et o s u r f a c e q u a l i t yo fd i a m o n dl a p p i n g ，t h i s d i s s e r t a t i o nd i ds o m e w o r ka sf o l l o w s ： u n d e rt h ef l o a t i n gg r i n d i n gs y s t e m , s t u d i e dt h ed i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e d s ，d i f f e r e n t l o a dt ot h ei n f l u e n c e so fe l a s t i cb e a mv i b r a t i o na n dd i a m o n ds u r f a c eq u a l i t yb ya d o p t i n g s i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n t a lm e t h o d d os o m er e s e a r c ho fg r i n d i n gs u r f a c eo nd i f f e r e n ts t i f f n e s s a n a l y z e dt h ec a u s eo fe n dj u m pa n do p t i m i z e dt h ed e v i c e s ，i n c r e a s e dt h ee l a s t i cp a d a n dm a d et h ee n ds u r f a c eo f 鲫i i 冯d i s cl e v e l i n g ，g r e a t l yi m p r o v e dl a p p i n gq u a l i t yo f d i a m o n d r e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo ft h eb e a mt od i a m o n dg r i n d i n gs u r f a c eq u a l i t yb yt r a n s v e r s e k e y e o r d s ：e l a s t i cf l o a t ；d i a m o n d ；i m p a c t ；e n dj u m p ；v i b r a t o r yr e s p o n s e ； i v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n do f t h es u b j e c t 1 1 2t h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ”2 1 2 1m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s ms i n g l ec r y s t a ld i a m o n dt o o lt e c h n o l o g y 2 1 2 2p r o b l e m si nt e c h n i q u eo f g r i n d i n gw i t hd i a m o n d 。3 1 2 3s u r f a c ed e t e c t i o no f d i a m o n dt o o l 4 1 2 4c u r r e n td e v e l o p m e n to f s i n g l ec r y s t a ld i a m o n dg r i n d i n g 5 1 2 5v i b r a t i o na n dc u r r e n td e v e l o p m e n to f u l t r - p r e c i s i o ng r i n d i n gw i t hd i a m o n d 6 1 3v i b r a t i o nd u r i n gm a c h i n i n g 7 1 3 1t y p e so f m e c h a n i c a lv i b r a t i o n 7 1 3 2b e n d i n ga n dv i b r a t i o no f e l a s t i cb e a m 8 1 4g e n e r a li n f o r m a t i o no f t h es u b j e c t 9 1 4 1s o u r c eo f t h es u b j e c t 9 1 4 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n t j 。：j 9 c h a p t e r 2e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o na n ds c h e m e 1 0 2 1e x p e r i m e n t a ls a m p l e 1 0 2 2e l a s t i cf l o a t i n gg r i n d i n gp l a t f o r m 1 0 2 2 1p r i n c i p l eo f e l a s t i cf l o a t i n gg r i n d i n g 1 0 2 2 2e x p e r i m e n t a ld e v i c e 1 2 2 2 3f e e dt a b l e 1 3 2 3v i b r a t i o no f e l a s t i cb e a ma n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f d i a m o n ds u r f a c e 1 4 2 3 1s i g n a la c q u i s i t i o no f g r i n d i n g 1 4 2 3 2p r o f i l eo f d i a m o n ds u r f a c e 16 v 1 1 1 c o n t e n t s 2 3 3s u r f a c em o r p h o m g yo b s e r v a t i o n 17 2 4e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 18 2 5s u m m a r y 18 c h a p t e r3e f f e c to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e ro ne l a s t i cf l o a t i n gg r i n d i n gd i a m o n d 1 9 3 1e f f e c to f g r i n d i n gp r e s s u r e 1 9 3 1 1p a r a m e t e rs e l e c t i o n 19 ：；1 2e f f e c to f g r i n d i n gp r e s s u r eo nv i b r a t i o n 1 9 3 1 3e f f e c to f g r i n d i n gp r e s s u r eo nt o o la p p e a r a n c e 2 0 3 2e f f e c to f g r i n d i n gs p e e d 2 2 3 2 1p a r a m e t e rs e l e c t i o n 2 2 3 2 2e f f e c to f g r i n d i n gs p e e d0 1 3v i b r a t i o n 2 3 3 2 3e f f e c to f g r i n d i n gs p e e do ns u r f a c eq u a l i t y 2 4 3 3e f f e c to f e l a s t i cb e a ms t i f f n e s so ns u r f a c eq u a l i t y ? ：2 6 3 3 1b e n d i n gd e f o r m a t i o no f e l a s t i cb e a m 2 6 3 3 2p a r a m e t e rs e l e c t i o n 2 7 3 3 3e x p e r i m e n t a lp r o c e s sa n dr e s u l t s 2 8 3 4s u m m a r y 3 2 c h a p t e r 4e f f e c to fg r i n d i n gp l a t eo nd i a m o n dg r i n d i n g 二3 3 4 1t y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i co f g r i n d i n gp l a t e 3 3 4 2p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t o f g r i n d i n gp l a t ee n d i n gp u l s a t i o na n da n a l y s i s 3 4 4 2 1l e v e l i n gm e c h a n i s mo f g r i n d i n gp l a t e 3 4 4 2 2e f f e c to f e n d i n gp u l s a t i o no ns u r f a c eq u a l i t y 3 6 4 2 3a n a l y s i so f e n d i n gp u l s a t i o ne f f e c to ns u r f a c eq u a l i t y 3 8 4 3e f f e c to f w e a rp a r t i c l es i z eo ns u r f a c eq u a l i t y 3 9 4 4s u m m a r y 4 0 c h a p t e r 5a n t i - v i b r a t i o np e r f o r m a n c es t u d yo fe l a s t i cf l o a t i n gs y s t e m 4 2 5 1m e c h a n i c a lm o d e lo f t h ei m p a c to ng r i n d i n gs u r f a c e 4 2 5 2e f f e c to f e l a s t i cb e a mo ns y s t e mi m p a c t 4 4 5 2 1v i b r a t i o no f e l a s t i ：b e a m 4 4 5 2 2i m p a c tt y p eo f t h eb e a m 4 4 i x 广东工业大学硕士学位论文 5 2 3e f f e c to f h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lv i b r a t i o no ne l a s t i cb e a m 4 7 5 3e f f e c to f h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lv i b r a t i o no ns u r f a c eq u a l i t y 4 8 5 3 1e x p e r i m e n t a ld e s i g n 4 8 5 3 2e x p e r i r n e n t a lp r o e e s sa n dr e s u l t s 4 8 5 3 3e x p e r i m e n t a lr e s u l ta n a l y s i s 5 1 5 4s u m m a r y 5 1 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n s 5 3 r e f e r e n c e 5 5 p u b l i c a t i o nd u r i n gp o s t g r a d u a t es t u d y 5 8 d e c l a r a t i o n 5 9 c o p y r i g h t a u t h o r i z a t i o ns t a t e m e n t 5 9 a c k n o w l e d g m e n 6 0 x 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 超精密切削在国防和尖端技术的发展中起着重要的作用，金刚石具有 无与伦比的硬度和耐磨性，它是一种最佳的切削工具材料。近年来，利用 超精密金刚石刀具加工的产品已经进人一般家庭和工作场所，用单晶金刚 石制造切削工具，已经成为超精密加工的必要条件之一。现在超精密切 削使使用精密单晶金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以切除超光滑的 加工表面，。由于超精密切削可以以车代磨，这样就可以节省加工工序节 省工时，提高工业生产率。因此获得高精度的刀具刀刃是切出高形状精度、 表面精度和工件完整性的必要手段。在最近几十年，科技进步所取得的重 大成果，无不与制造技术，尤其与超精密加。工技术，当前超精密加工已进入 纳米尺度，纳米制造是超精密加工最前沿的课题，世界发达国家均予以高 度重视并启动了众多研究计划t 。，。 单晶金刚石的优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的大多 数要求，是理想的精密切削刀具材料。随着国防和尖端技术的进一步发展， 对刀具的各种性能也提出了相当高的要求，但众所周知，金刚石晶体材料 具有高硬度高脆性的特点，外界干扰因素带来的振动对刀具表面会造成大 的破坏，为了加工出好的刀刃质量，人们在研制了高精密机床，在高精密 机床下加工出更为精密的工件，但是这种方法代价较高，为了能够在现有 机器的机床上，加工出高精度的工件，人们通过改变加工工艺，或者从切 削机理等途径提高加工水平。目前对于加工单晶金刚石刀具仍然是一项很 难进行的工作，需要特殊的加工工艺t ，。 金刚石刀具的加工一般都采用机械研磨法，也是目前普遍采用的加工 方法。但是在用机械研磨法研磨金刚石时，表面质量对机器的精密程度依 靠很大，现在超精密加工中采用的是空气静压轴承，其使用精度可达到 0 0 5 u r n ，但还不能达到纳米加工的要求，。基于这个原因，通过提高研磨 工艺水平来提高金刚石表面质量成为一种非常重要的途径，所以研发新工 艺系统已成为一种需要1 。 本课题来之国家自然科学基金项目“弹性浮动研磨新技术及其金刚石 研磨应用研究( 项目编号：5 0 6 7 5 0 3 7 ) 的一部分，在浮动研磨研磨实验装 置上，以实验为基础，分析了研磨参数对浮动研磨系统浮动性能的影响， 在研磨过程中以工件的振动作为浮动系统好坏的一个参考因素，在此基础 上，对金刚石表面经行研磨，对比研磨表面质量，确定了最佳的研磨工艺 参数；由于弹性梁在不同方向受到冲击时，其振动响应会有所不同，实验 中，通过改变梁的冲击类型，研究梁在不同冲击时，系统的隔振性能及对 研磨表面的影响。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 金刚石刀具研磨机理去除研究 材料的去除机理直接影响着材料的加工加工效率及加工精度【，】，金刚 石研磨也是如此，所以为了能研磨出高质量的金刚石刀具，大多学者对金 刚石表面去除机理经行了实验研究。从相关文献资料中可知，金刚石的研 磨机理无外乎以下几种，1 晶体沿着晶面方向的解理去除；2 热化学去除， 3 脆性塑性去除。 解理是晶体受到外界冲击作用，沿一定方向的平面破裂。早在19 2 0 年， t o l k o w s k y 提出了用( 11 1 ) 面的微观解理来解析各晶面晶向上的材料去除机 理 8 1 ，此观点被众多学者所接受【9 1 。有学者对单晶金刚石晶体表面经行压 痕试验和刻划以证明，单晶金刚石晶体在一定条件下可以试验塑性变形d o 。 单晶金刚石晶体的脆塑转变临界研磨深度与研磨晶面和晶向的力学、物理 性能相关，在研磨过程中，当磨粒潜入金刚石晶体的深度大于脆塑转变的 临界研磨深度，材料就会发生脆性去除1 。宗文俊根据上述试验理论设置 试验对脆塑性去除机理进行研究，试验结果表明，在金刚石晶面上存在塑 性沟槽，说明在金刚石研磨过程中表层材料经历了塑性变形，其中沟槽的 数目，宽度及深度会有所不同 1 2 1 。所以在金刚石研磨过程中，只要磨粒压 入深度不超过临界压入深度，金刚石研磨主要以塑性变形为主。大连理工 大学的李曼等人在对聚晶金刚石去除机理时，设置了干研磨和湿研磨两组 2 第一章绪论 试验，在研磨时，首先对研磨前和研磨后的p c d 进行了s e m 拍照，对比发 现，研磨后的表面有大量的剥落坑，这种现象说明p c d 表面发生了脆性去 除，对干研磨的其表面没有剥落坑说明干研磨时p c d 材料基本不发生疲劳 脆性去除【1 3 l ，作者认为，由于这种研磨方式下，其主要差别在于研磨区域 的温度，干研磨有较高的温度，文献d 41 指出石墨是碳的稳定结构，当金刚 石表面温度超过3 5 0 ，金刚石表面硬度下降，在周围环境影响下p c d 材料 表面将会发生氧化、石墨化，此时金刚石材料的去除以热化学去除为主。、 季远等人1 1 5 1 对金刚石进行超声振动研磨时，通过改变单位时间内输入研磨 区域的能量来改变研磨区域的温度，结果发现，材料去除效率越高，说明 超声研磨振动研磨可以提高研磨效率。 以上三种机理的机理是现在人们主要提及到的材料去除机理，对金刚 石刀具去除机理有了准确的认识，会促进刀具研磨技术的发展，提高了刀 具研磨效率和刀刃质量。 1 2 2 金刚石刀具研磨存在的问题 刀具晶向技术：由于金刚石具有各项异性的特性，不同晶面和晶向刀 具研磨有很重要的影响，金刚石晶体有三个晶面( 10 0 ) 晶面微观强度高， 容易磨出完美的刀刃，( 1 11 ) 晶面硬度高，研磨困难，容易发生解理现象， ( 110 ) 晶面破损的几率最大，所以，即使其它研磨工艺相同，因为磨削晶 面不同，也会对加工效果带来很大的影响。现在常用的有三种晶体定向的 方法，1 人工目测法，这种方法精度较低，且可重复性差；2 x 射线晶体定 向法，是由u e g a m i 等人【1 提出的，这种方法是用是利用x 射线在在不同晶 面上会产生不同的衍射图案，进而达到晶体定向的目的，这种方法精度较 高，但x 射线容易对人身体造成伤害；3 ，激光定向法，也是利用光对晶面 的衍射图案来做判断的，其精度高于目测法，也不会对人的健康造成危害。 系统平稳性：随着超精密加工领域的发展，人们对金刚石刀具质量也 有有了更高的要求。在刀具研磨过程中的振动比较敏感，是影响加工表面 质量的一个重要因素，所以降低系统的振动已成为超精密加工领域一个共 同的课题。为了能够降低系统的振动对金刚石表面形貌的影响，般有两 种方式，一种是加工出运转更为精密的机床，另一种采用隔振措施，来降 3 广东工业大学硕士学位论文 低系统，减小磨粒对刀具表面的冲击。研磨机主轴系统对是影响机床振动 的主要因素，为减小主轴系统产生的振动，用高精密的主轴代替现有的主 轴系统，现在精密机床上般采用空气静压轴承，其精度可达到0 0 5 u r n ， 提高系统的稳定性，广东工业大学的陈东升等【 1 采用精密流体动力学轴承 及相关控制技术，同时结合无位置传感器无刷直流电机技术设计出的高速 运转的、平稳的小型精密主轴系统，用这种主轴设计的研磨机能加工出金 刚石表面粗糙度为3 2 5 n m ：另外有些一研究人员采用隔振技术降低系统振 动的影响，例如哈尔滨工业大学的宗文俊采用空气隔振垫对机床振动进行 隔离，使得金刚石刀具切削刃的半径从隔振前的9 3 8 n m 降为隔振后的 7 2 7 n m ，提高了研磨质量；为了加工出纳米级别光滑表面，有一些学者提 出了非接触式研磨( 浮动研抛) 加工技术1 ，非接触研磨是实现超精密抛 光的有效方法，因其在微小研磨粒子的撞击和研磨液的化学作用下产生研 磨作用，可获得极高的研磨表面质量，所以具有广泛的应用范围，为了降 级磨粒对表面的冲击作用，日本学者提出粘弹性机构的特性对工件经行加 工，其原理就是利用粘弹性材料在受到外力冲击时会发生微小的变小，降 低了因为磨盘上有凸起是对工件的冲击作用，实现材料的选择性去除，得 到高精度的研磨表面，实现材料的纳米级加工”。 1 2 3 金刚石刀具表面检测技术 在超精密加工领域，对工件表面的测试技术的要求是越来越高。当测 量表面精度不高是，粗糙度在5 u m - 3 0 u m 之间时，可采用显微镜光切法以及 微分干涉显微等来测量；目前广泛使用扫描电子显微镜来测量刃口精度较 高的金刚石刀具，其分辨率为几十个纳米，在用该方法测试工件时，需要 对测量表面经行清洗”。也有学者利用光学原理即通过测量刃口表面的散 射光的强度分布获得刀刃的几何精度，原子力显微镜( a f m ) 是一种分辨率 极高的测量仪器，用来研究材料的微纳米加工，其分辨率可达到3 n m ，其工 作原理是利用对微弱力极其敏感的为悬臂一段被固定，另一端处于悬浮状 态，且带有微小的针尖。a f m 在探测物体表面时，针尖与物体表面轻轻接 触时，针尖尖端的原子与被观测物体表面原子间存在极微弱的排斥力，使悬 臂梁产生微小偏转。测得的偏转信号利用工作台驱动的控制，使工作台做 4 第一章绪论 适时跟踪，保持排斥力的恒定，综合处理悬臂的偏转信号和工作台位置信 息即可对测量工件表面的信息”。 表面微轮廓测量方法主要有：触针测量法、光学测量法和扫描测量法三 种。触针法对测量环境要求不高，操作简单，触针测量发刀头半径对测量 影响较大，触针半径过小时，对样品测量力过大，造成样品损伤，影响测 量精度，其不适合纳米测量。光学测量方法，使非接触的光学测量方法在 近十几年得到了很大发展，常用的微轮廓及微小尺寸光学测量方法有光触 针式的聚焦法、光学离焦法和共焦法等测量方法。聚焦误差检测技术类似 于机械触针技术，其用光学触针代替了接触式机械触针，分辨能力可达 ln m m ，。本论文中采用激光共聚焦显微镜对研磨表面经行测量，其可以满足 实验要求。 1 2 4 单晶金刚石机械研磨加工工艺研究现状 单晶金刚石硬度高、韧性差、各向异性，因此极难研磨。合理的选择研 磨工艺参数能够提高刀具研磨质量和研磨效率。磨削速率对研磨效率的影 响，文献 8 】可知，研磨速率越大，热点温度越高，从而加剧了材料去除的各 种机制( 主要为机械磨损和热化学去除) ，提高了研磨效率。一般来说，粗磨时 以去除余量为主要目的，研磨速度较大，一般认为0 5 m s 比较合适。但在精 磨时，获得完美刃口为主要目的，为减小磨粒对刃口的撞击程度，研磨速度可 以降低到0 16 m s t 2 n 。磨削压力对研磨效率的影响，增加研磨压力，则切削 作用增强，提高研磨效率，但压力过大，磨粒会划伤加工表面，粗糙度增 高。若压力过低，由于磨粒的自励性差，不仅影响生产效率，而且磨粒也 易于钝化，对降低表面粗糙度也不利f l o ，粗磨时施加9 12 n 左右的压力，精 磨时则为5 n 左右的压力。磨盘对研磨质量的影响，研磨盘使用优质的铸铁 盘，一般多采用高磷铸铁盘，研磨盘表面不能有缺陷。研磨盘的直径一般 为3 0 0 m m ，转速为2 0 0 0 3 0 0 0 r a d 。研磨前要在研磨盘表面涂抹金刚石微粉， 金刚石研磨粉的颗粒尺寸可从小于0 5 u m 直到4 0 u m ，粗颗粒的金刚石粉具有 较高的研磨效率，但研磨质量较差，因此粗磨时一般采用粗粉，而精磨时 则采用尺寸小于lu m 的细粉，涂抹前，首先将金刚石粉与橄榄油或其它类似 物质混合成研磨膏，然后涂敷在研磨盘表面，放置一段时间使研磨膏充分 5 广东工业大学硕士学位论文 渗入研磨盘的铸铁孔隙中，再用一颗较大的金刚石在研磨盘表面进行来回 预研磨，以进一步强化金刚石粉在铸铁孔隙中的镶嵌作用。而且在研磨过 程中要经常添加金刚石研磨膏。另外，盘面端跳也会影响刀具研磨质量， 由于端跳的存在，使得磨粒与工件间的接触变得不可控制，增加了磨粒对 工件的冲击，当磨盘转速较高时，盘面端跳对加工的影响更明显。 由上可知，工艺参数在金刚石刀具研磨过程中起着重要的作用，在研 磨刀具时，要根据实验目的选择合理的研磨参数，恰当的研磨速度和研磨 压力并采用精度高、运转平稳且振动小的研磨机床，研磨盘类型和磨粒粒 度、研磨进给轨迹、磨削液等，在保证各种加工条件处于较理想状态时， 才能研磨出无崩口、刀刃锯齿度小的高质量金刚石刀具t 2 。圳。本文中在浮动 研磨装置中做了研磨转速，研磨压力与磨粒粒度对金刚石研磨表面的影响。 1 2 5 振动与金刚石超精密研磨加工研究现状 金刚石是高脆性固体材料，其不同晶向和晶面存在很大的强度差异， 这将导致加工产生解理破坏和解理台阶的形成”，因此金刚石表面加工对 振动冲击非常敏感，冲击和振动成为影响金刚石加工的一个重要因素，因 而刀具研磨质量对研磨机振动状态非常敏感，要研磨出超精密的金刚石刀 具，研磨机械系统必须运转平稳，特别是在最后精研磨工序，。实验表明， 如果研磨机械系统运转平稳，金刚石表面的微观解理解理十分脆弱，材料 去除均匀，能够研磨出光滑的金刚石表面。所以要想加工出光滑的加工表 面，就需要对加工过程中的冲击振动进行隔离，实现材料的微小量去除。 机床主轴系统的振动是影响高速加工的一个主要因素，所以研发运转 更精密的主轴系统已成为一个很重要的课题。现在超精密加工中采用的是 空气静压轴承，其使用精度可达到0 0 5 u m ，但还不能达到纳米加工的要求。 因此，在研磨过程中，系统的振动对研磨表面影响很大，要获得高的研磨 表面，就需要对系统振动进行隔离处理，隔振垫隔振后可以降低机床振动 的固有频率和振动幅值，减小工件与磨盘之间多余的相对运动，降低了磨 粒对金刚石表的冲击，只有这样才能获得较好的研磨质量。哈尔滨工业大 学宗文俊、李旦、孙涛等人经过试验证明，机床采用空气隔振店隔振后， 与隔振前相比，刃口钝圆半径降低了2 2 5 左右，表面粗糙度的r a 降低 6 第一章绪论 5 8 3 ，提高刀具研磨质量”。 1 3 机械加工过程中的振动 1 3 1 机械振动的种类 机械加工过程中的振动是一种十分有害的现象。如果加工中产生了振 动，刀具与工件间的相对位移会使加工表面产生振痕，将严重影响零件的 表面质量和使用性能；工艺系统将持续承受动态交变载荷的作用，刀具极 易磨损，机床连续性能受到破坏，严重影响甚至使加工无法经行；振动中 产生的噪音还将危害操作者的身体健康。机械加工中的振动主要有强迫振 动和自激振动两种类型”。 ( 1 ) 强迫振动：加工过程中的强迫振动是由于外界周期干扰力的作用 而引起的的振动。强迫振动是影响精密加工质量和生产率的关键问题。强 迫振动的振源有来之