（机械制造及其自动化专业论文）非金属材料的精密加工技术.pdf

重庆人学f j 士学位论文中义摘要 摘要 y3 1 t 0 9 6 随着非金属特别是硬脆非金属材料应用领域的扩大，作为硬脆非金属材 料的主要加工技术的精密超精密磨削技术，受到广泛重视，成为当今热门的科 研领域。进行非金属材料精密加工技术的研究，对该领域的生产：实践和科研活 动有极其重要的意义。 本文中以硬脆非金属材料的精密磨削技术为主体作了有益的探索，并取得 了一些成果，主要包括： 1 建立了一套非金属材料精密加工技术体系； 2 运用该体系进行了简易磨削设备的开发研制； 3 运用该体系进行了a l ：o ：，、s i ：i n 等硬脆非金属材料的精密磨削工艺实验： 4 综合研究目前的各种研究方向，提出了“非金属材料精密加工技术微 观领域发展”这一研究发展趋势。 关键词：非金属材料，硬脆材料，精密加工技术，精密磨削 a 8 s t r a e t w i t ht h ee x t e n s i o no ft h e a p p l y i n g f i e l d so ft h en o n m e t a l l i e m a t e r i a l s e s p e c i a l l y h a r da n db r i t t l en o n m e t a l l i c m a t e r i a l s ，t h e p r e e i s i o na n du l t r a p r e c i s i o ng r i n d i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw h i c h i sr e g a r d e da st h em a i nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fh a r da n db r i t t l e n o n m e t a l l i cm a t e r i a l si sc o m p z e h e n s i v e l yl a i ds t r e s so n ，a n dp r e s e n t l y b e c o m e st h et e m p t i n gr e s e a r c hf i e l d s 。tli sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e n o n m e t a l i i cm a t e r i a l sp r e c i s i o nl n a n u f a c t u r i n gt e c h n o t o g y ，s ot h a tt h e p r o d u c t i v ep r a c t i c ea n dr e s e a r c ha c t i v i t yi sw e l 】g u i d e d 。 i nt h i sp a p e r ，t h em a i nr e s e a r c ho b j e c ti st h ep r e c i s i o ng r i n d i n g t e c h n o l o g yo fh a r da n db r i t t l en o n m e t a l l i cm a t e r i a l s s o m eb e n e f ic a ip r o b a t i o njsm a d ea n ds o m es t u d yf r u i t sa r eg a i n e d t h e s ei n e l u d e ： 1 e s t a b l i s h i n s a s y s t e m o fn o n m e t a l l i cm a t e r i a l s p r e c i s i o n m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ； 2 a p p l y i n gt h es y s t e mt od e s i g na n dm a n u f a c t u r eas i m p l eg r i n d i n g m a c h i r e ： 3 a p p t y i n gt h es y s t e m t od o p r e c i s i o ng r i n d i n gt e c h n o l o g i c a l e x p e r i m e n to fs o m eh a r da n db r i t t l en o n m e t a l l i cm a t e r i a l ss u c h a sa i 2 0 3 、s i3 n ： 4 c o m p r e h e n s i v e l y s t u d y i n g t h ec u r r e n tv a r i o u sr e s e a r c h d i r e c t i o n sa n dp u t t i n gf o r w a r dt h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g t r e n d 一t h en o n m e t a l l i cm a t e r i a l sp r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y i sa d v a n cin gt ot h em i c r o f i e d s ， k e y w o r d a ：h a r da n db r i t t l em a t e r i a l s ，n o n m e t a l l i cm a t e r i a l s ，p r e c i s i o n m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，p r e c i s i o ng r i n d i n g 重赋大学硬：k 学位论文第一章绪论 第一章绪论“ 在人类社会发展史上，对材料的使用经历了一个从非金属( 磊器) 至金属( 篱 铜器、铁器) 又回- n j i z 金属( 新型工稚材料) 这样一个变化发展过程“】。由于目前 所馒用的非金属燃料妇擎晶硅、工程塑料、复合书孝誊喜、晦瓷、玻璃、蕊宝石等它识 的理化性质、机械性能多不同予以往使用的金属材料，这给非金属材料的使用带 来了很多加工l 黪难题。恻热斑瓷、玻璃、残筹硬赡非金属材料，因它们豹耐黪、 低膨胀、商硬度等等优良特性耐倍受人们的膏睐：然而要利用此种材料制造机械零 l 孛无1 一例乡 都需要进行燃工，藤虽为了充分毒瘸其钱炎性往锂鬟蛩进行糖密、趣 精密加工矬o 。因此，进行非金属材料梢密加工技术研究成为当今又一重大热f - 7 的科 研镁减。 1 1 非金属材料在现代工业中的应用与地位 1 1 1 非金属材料现代新的应用领域 随着电子设备高度集成化，超小型化的商速发展，出现了电予陶瓷元件，元件 小、轻露游，霹靠蛙毫，糖度嵩。 在航空航天领域，美国国家航空和航天管理局n a s a 的朗兰研究中心，研制成 一耱陶瓷，可以代替不锈钢、锫台金等金疆材凄萼，测遥飞瓤、魅天飞扭仪器设备中 的光学构件，尺寸稳定性很好，热膨胀系数低于多种会属，比重仅相当于铝，成本 强，l 铝含金低5 倍，e 镰 氐澎胀会金低1 0 0 接o ”。 生物陶瓷的应用也有广阔的前景。据统计，世界上有4 0 万陶瓷魄关节和隙燕 节移疆手求。壹诧爵见，- l l z n 枣孝糕在般撬嫉工稷，汽车王程，瞧气工程，黢空 航天等领域得到广泛的应用并逐年增加”。 不论燕军蜀逐是民瘸，是一般科技镢城遥是美臻秘菠镶域， # 衾羼榜辩越来越 受到藿视，地位逐渐提高。 1 1 2 近几年研究应用最具代表 生的非金属材料 随着微电子、光电子、传感器技术和材料科学技术的发展，以及航奎航天等科 技的研究与应用，以硬脆燃料为主的非念属材料的开发、应用、加工已成为最活跃 款萃淳黟 矮域5 3 。疆本、奖鬣、英国、德国等发达工照国家蠢投入大量静资金、入力， 致力于研究有特殊使用价值的新型：| 金属材料以及相关的精密与趟精密加工技术。 最鬟代表梭豹硬稳# 金藩奉季辩育：璃瓷、光学玻璃及磊 奉、半导体等滔；一m 。 1 2 菲金属材料的加工技术 菲盒耩耱秘滁传统熬翻工方法舞，运，l 年来，卣予硬珑注j 衾瘸橱瓣褥至l 广泛 应用，传统加工技术由于成本离、效率低，日益难以满足霾求，因而出现了趋于精 密、趣精密乃至缡米缀瀚精麓工疆术。 2 精密攘羔技术麓分类 糖密系列擞王技术按吏l 工糖度可划分如下： 普通粕皮j j l l l l , 加。l ：带f _ i j = 3uf n ，| = _ | 时工业发达i 驾家的做二l 厂都能稳 定达至g 北奏l 工麟度。我国一般工厂荧5 # 袋。 高精度加工：加工精度小于3um ，其下又细分为三个层次： 髓塞嬲工：糖度3 - 0 。3 * 糟，褪糙波娩0 。3 - 0 。0 3 p 融 超精密或亚微米加工：精度0 3 - 0 0 3 um ，粗糙度r a0 0 3 - 0 + 0 0 5 um 雅米鸯蟊工：糖度毫予0 。0 3 # 浆，耀糙凄爨予廷鑫0 0 0 5 # m 戳上 镜面加工投术要求r a 在0 ，0 lum 左右，因此镜面加工技术属于精密超精密加 工范錾。 1 。2 2 精加工技术的藿要意义 硬脆非金属材料育诲多不同于金| j 磊的特殊理纯、枫槭襁能，如陶瓷、玻璃怒目 前工程界所用的材料中最硬的几 材料，有搬高的耐磨性，很好的热稳定性，非常 好的耐高温往，而且跣麓小，热膨胀很小，性能优良。但怒因为类似的硬脆非金属 材料的性能也给加工繁柬巨大的围难，如磨撙4 购瓷时，相比于单点金翘i 石切垮力， 其法向力疆大几十倍乃援上千倍。很容易导数硬脆非金属材料破裂、内部产生裂纹。 恧要使用遮样的疆脆材料，所加工的零部l 牛糙度及光洁度鞭求e 嚣裹，王 牛表颓质 量宪整性骚非常好。普通精度加工方法难以胜任，只有精密、超精密加工才能达到 如此裹的烟工质爨要求”一”j 。 1 ，2 3 实现精密加工的途径 2 望塞2 三鲎婴主竺垡堡兰笙二里缝堡 要实现非金属丰葶料的精密加工必须从加工硬件及加工软件方露着手，间时荠 攀，映一不可。 1 2 3 1 加工硬件 它包括加工工艺系统，如机床、工件、工具、量具、夹具，还包括加工环境如 漫度、滠度、清洁度等“。 1 对于商精度枫臻，要求有斑的剐度，振翻小，运转平稳，重复定位精度商， 实现微耕之亚微米级的微量进给。其关键组件有三部分：主轴及l i 轴承，机床导轨， 实现刀舆、工作台进给的微量进给机构。目前主轴轴承采用液体动压轴承、液体静 压轴承、汽浮辜蠹承，够潢是裹转遮、裹回转糖艘、低瀑舞静豢糖瘦规痰要浓。导 簸酌形式有滚动导轨、液体静压导鞔、汽浮导轨、半汽浮导孰、滑动导孰，能实现 高精度、高刚度、低麟擦、低温升遮动。微量迸给机构目前实用的有热胀式、电 致伸缩式、机械式、弹性变传动形式等，能实现旺微米级的微擞进给“2 “”。 2 黠于精密粕王豹工馋，姆羰楚对于投荬磺赡瓣建瓷、玻璃等葵金属零孝瓣， 要摄简的精度和极好的表面粗糙度 如镜面粮糙度) ，要求工件材质无微观缺陷， 组织分布均匀，局部物理、化学、机械加工性能藏异不大，在精加工前工件肖较好 的形状、尺寸精度”“6 ” 。 3 蜜获褥0 3 赫m 热工赣发，0 。0 3 0 。0 0 5 塾m 鹁程耧菠，还必绥鸯分瓣搴 极高的测量工具。訇前精密及超精密加工测量使用的仪器有：激光干涉仪，分辨率 l o n m ；扫描电子显微镜s b m ，及隧j 趋扫描电子显微镜s t m ，其分辨0 2 r i m , 辍直分 辨率0 o l n m ，是目前世界上精度最瀚的测量仪器【l “。 4 怼予 金霪毒季精精密超稽寮溶澍，瘗瓣聚翔s i c 、金瓣石、c b n ，结翕裁有 树脂、陶瓷、铸铁等“42 2 o 袋得到精密级麟削表面，常采用高转速、细粒度 的砂轮。| 司时，要实现精密及超精键i 磨削，还必须对砂轮进行动念平衡和修熬。 5 硬脆非金属枣葶料的精密加工工艺系统中逐霄一些其他辅助设备，能露效地 挺毫鸯蟊工精褒帮光港滚。热真空啜瓣夹其、氟垂藩蠢动移轮乎鬟仪、塞葫对弼铰等。 6 精密加工除了骚求高精度的工艺系统外，对加工环境舞求也很高。如为了 保证机床最小温升及溉度分布均匀，出现了将整机浸入油池的设计。对环境的基本 湿度及滠度精度也提搬了要求，国外一般为2 0 士( 0 o l 一0 5 ) 。日本、荧国等 发达z 泣霾家霹妻l 工现场中蕊尘埃岔藿瞧 睾了严按要求。 1 2 3 2 加工软件 包括涉及到的各种基础理论和备种加工技术。对加工机理的认识，往往嚣瞰新 秘工技术鲍产生。扶翔王软搏萋手巍窝夯l 工壤瘦魄提褰工艺暴绫精度性缝意义蹙爻 重大。 妻墨銮鲎堡j ：鲎堡婆苎苎二望塑堡 1 延馁域磨削 对予硬脆；# 金属材料，传统谫鸯4 机璐认为材料的去豫方式为袭帮破碎脱落，因 此对于骥脆糖精懿密测，只憨采用低速、 鑫送给量，效率缀低登蕊z 矮量不商。八 十年代由日本科技工作者对硬脆材料去除机理进行深入研究，发现了硬赡a g 金属孝才 料的塑性去除机理，由此产生了延性域壤削，结合e l i d ( 电解在线砂轮修控披术) 可以高效、离质爨获褥夯掰工零件汹“。 2 缓遴络密潮技术“ 磨女是一 巾加工麟度较裹的女g 工方法，毽由予瘗剡效率低，其应鼹受到缀大羧 制。后来由德国竟先研究菸运用了缓遂绘重负荧磨女技本，菸奉季辫去除霉离予牵、 铣等工2 方法，而加工质餐高，大存取代车铣工黧的势头。 3 商效深磨技术酾3 结合缓避绘爨l 羧术帮筵佼域瘸澍疆论，移轮速度在离子1 0 0 m s ，韬深小予 l 囊赛甥燃厚发黠，溪熊提舞生产率，又缳蹇艇王矮羹，交溅了缓滋绘露粪撩避给 量的缺点。 4 对磨削各工艺参数的研究0 7 ”“3 ” 传统认为，砂轮速度爨高会导致工 牛烧伤、加工威量下降，因此限制了壤青0 生 产率酶撬裔。魏 弋磺究表鞠，移轮速度高子浆润毽( 茹1 0 0 m s ) 砂轮速度提商 会测蔻王释寝恧澄度、键离表露矮量、撬蓠生产率。瓣对各国帮| - 分霆褫各警粪参 数的最健用嫩组合，以期成本最低、质檄最好、生产黎最高。 5 复台加工 针对机械加工原璎上酌缺陷，引进电学、化学、光学、声学的加工原理，将机 褫女日工、纯学鸯# 工、藏电潮工等工瓮方法复合在一超，潋提离垒产率和表谣船工旗 量。如彀勰壤女凝工艺，材料9 0 由瞧化学去除，剩余1 0 e 曩磨g 去除，这样甄提 赢了材料去除率，又搬赢了磨鄹褒聪厦撼。 6 计算机补偿技术 预先测出导致加工精度下降的各种相关参数，应用计算机分析处理，避行预先 释戆，觚嚣获得薄予机床骈缝这戮的精澄。困瓷擎熊掩蕊篓；穑元传糟凌来罐离翔工 壤凄是缀毒鞭懿，瑟冀成零裹，舔诗舞獭 缮按零提麓精度潜力基丈，残本羝。 炽工方露的毅理论、裁技术还蠢许多。已经实用熊、正在硪究的、技术成熟甏 加工机理还未知的等等。对于加工软件的研究运用，无疑会使精加工水平大大提高。 我酗精密加工技术研究运用b e 较晚，相 e 于发达国家，瓣落磁凡十年，技术低， 设螯拣| 嚣。鬣经济有效麴办法楚将落蒺鹣谨餐避褥滚装，旋离骚有鸯工精度，灌怒 社会一般薅求；同时瑶| 进国外；毫逃技术、没冬，瀵他吸收、敬逊，驻嬲在疑技零镀 4 重庆犬举硕士学位论文第一章绪论 域占鸯席之地；开发研制高性能加工硬件，深入研究力e 工软传，为高技术黼琴h 滤 熬国辩觉争凄强螽蓟。 1 3 阉内外非金属材料精密加工发展动态 瑷代糖船工技术疆究，疰l 予枣毒糕运焉熬健绕懿金震撼秘转到了激硬憝秘瓣必l 弋 表钓掰豺料，加工技术也由金属加工重点转到了非金耩材料，特剐是陶瓷、玻璃、 光学晶体、s i 等非金属材料上来。 1 。3 1 葛摹球嚣光学镜加王 非球面光学零件常见的有抛物砸镜、双曲例镜、椭球面镜，应用在光学系统中， 能够很好地纠正像差，改善成象质墩。它能以少数几个代替多个球面零件，简化设 备结构，减轻重量，烂球噬镜无浚比拟的o “。j “泛应用于航空航天镁域和民用光 奄产品，魏掇象镬头、逢毒雯摄象警、翌星熟乡 望逶镜、录蒙蔽镜头，条形鹦读穗头、 医疗仪器等。 在非球面镜精加工中，对于大多数硬脆非金属材料，现在主露是通过精密超精 密磨巍i 霉口研磨、抛光。另乡 ，在； 球强光学零 孛嘉l 工中，还采耀了谗多特秘鸯l 工技 术。戳外很多公司已褥超精密的车、癣、研、g 女翔下集成一 零，研翻礤复合憋精密 加工机床。r a n kp n e u m o 公司生产的n a n o f o r m 3 0 0 ，n a n of o r m2 5 0 ，c u p e 研制的 n a n oc e n t e r ，h 术a h n 6 0 3 d c n c ，u l p - 1 0 0 ( h ) 都具有复合加工功能。 我嗣钛8 0 年l 弋开始超壤密热王技术的磅究，魄国多 整整落矮2 0 年。大多数 仍采蠲传统方法，依掇有经验靛非球面翔工技术人员，利用刀爵绽和精密女溉工具， 逐点修磨抛光加工出非球面曲面，工期数月，成本高，只能雎件小批量生产。近 年来，隙项工作开殿牟蹙好的单位有北京机床研究所，中国航空糙辩机械研究所，哈 尔滨工媳大学，中辩陵长誊光祝黪 驻鲻竞学重点实验室。囤露潮防磁工委1 9 9 5 年 在中髫航空精密枫辍研究所首先建立了国内第一个从事超精密嬲工技术研究的重点 实验室。 1 。3 + 2 陶瓷材料搬王 嗣瓷以其高硬魔、耐磨性、热稳定性等优良憾s 应用于航空航天、电子机械工 程，倍受青睐。据有关专家的训淡研究表明，陶瓷的机械加工方式占8 3 其中 金熙石黪巍4 加工方式占3 2 咕，研磨与抛光加工占2 8 。陶瓷的鬻瘸加工方法商车、 磐、磷、挠稻特静热工，每一耱不鞘翡工艺方法酃赞i 季特定豹产鑫。翻掘+ 1 9 本磅 5 里鉴态鲎塑圭兰垡垒苎堑= 兰楚堡 究开发了磁流体磨削陶瓷轴承球工装方法，陶瓷塔直径6 - 1 5 r a m ，尺寸精度0 1 弘m ， 衰瑟糕糙疲r 。0 0 0 5 0 。o ipi l l 。渡方法将传统热王对闻 ，b 测) 降低鬻瓣嚣篁三产 ( 1 0 t 0 0 个球次) 时间4 6 小时，而其材料去除机理由英豳科技工作者襁1 9 9 4 年作了研究分析【3 。 我国科技工作密瓣陶瓷的性髓、趣工也l 乍了大量实验磷究，莛取褥了谗多重 要的幂嘻磷戒采。魏焱j 工、监大学 乍了“精密瀚瓷球磅密工艺掰究”，晗尔浚工韭 大学作了“新陶瓷材料的砂轮电晔镜面磨削”。机械密封行业已成批制造炭化硅 密封件，如浙江奉化机械密封件厂的陶瓷密封件产量在全国憾羼前列。 ，3 3s i 等半导俸材霉莓翻王 随着大规模、越大规模集成电路，计算机的黼速发展，硅片的加工数量、质量 要求越来越高，其加王方法除传统的研磨抛光外，现代又出现了许多特种加工技术， 匹予糖密趣糖建；雍臻茨歼发运| = | l 以及徽缨蹬羧壤鬟鞠疆测，瑙弼豳王邂澎麓滚浚茨 方法取代了传统的研抛工艺“。 八十年代，同立精工， 二发出了g h l n b 3 0 9 u 烈超精密平面麟床，采用法纳克f s m 系统，设有自动测擞装置来测量砂轮磨损和各部分热变形影响。磨削精度1 41 1 m ( 3 0 0 x 2 0 0 ) 。豫了瓣本之癸，箕 蠹王遘发达整家也在赣强磷簇硅片瘗疼。 目前我国半导体行业各厂仍采用硅片双面研精法，硅片在机械加工过稷中引起 的厚度、平行度误差，翘曲、塌边等各种缺陷，都通过研磨来消除。 为解决这些问题，我国从国外引进了一些设备，同时又自行研制开发，嫩樽了 较大翁突酸。 1 3 4 其他非金属材料的加z 。3 ，4 。 夏耪女l 王# ” 由于建筑业高逸发展，石材市场需求逐年增加。到2 0 0 0 年我国将成为世界 第一大石材生产国。然而我国由于石材加工技术、设备很落后，我i 鲴石材企业多生 产生料、初级、次级产t 鸡，商档石材j ”品很少。 隧麓天强物厦文亿生溪弱烫囊滚及逡灭国鼯石李孝毒绣懿懿滚，= 嚣麓产 l i 凌藿翻 技术要求越来越高，深加工石材制品将臼益壮大。而作为石材加工重要方法乏的 石材磨削加工，受到广泛关注，备众事业单位也在这方面作了大量的工作。 例如，武汉工业大学对单颗粒犁削石材的粼削量进行了研究；大连联工大学 对者石抛光密l 簿l 理及工艺逶芎亍了系统深入戆骈究；武汉工渔大学还迸专亍了“多 6 藤废人学硼j ：学位论业笫一帮绪论 头连续露辘定辍碴醮辩磨潮鞔述努秘及效应探讨”。这些科磺二 二作掰取褥豹秘研 成果，都推动了我国石材工业i 劬商质疑、f 哥技术方腑发艘。 3 。4 2 磁往毒才 i 渊 磁性材料是电予工业不可缺少的元l 牛，主要是铁甄体。m n - z n 铁氧体，具枣寒 频饿好，耐磨和精加工稳定性商的特点。磁头的磁邋宽度为2 5 - 9 0um ，间隙0 3 ”m 。磨蜉啊 磨是磁头加工中媛重要的寒精度加工工序，热工糌发一般为：磁遴 宽2 m ，单节距精度lum ，节距累积精度1 5um ，深度精度5 um 。一般 磁头没糖宓e 工采建枫城礤磨，鹅平露藤痰搬工可达0 。0 3 耻辩。 随着我囡录鲰机、影碟机需求| ! | 勺不断上卅，对磁头和磁盘的磨削加工日髓增 长，磁性材嚣 行业会有较大鲍发展，对赢效生产设粲蛉嚣扶不叛增粕，这一状况 为摩削加工在此一领域运用提供了良好的市场环境。 1 4 小继 非金属材料精密加工技术研究的任务及方向 1 4 1 任务 目前对于非盒属材料的精密加工研究主要内容如前文所述，其内容多少有一媸 教乱，建立非金属拳耋料糖密妻e 工技术爨= 系以全藏系统地指导该领域的秘硪敷生产活 动十分必要，也蔑本课题的任务之一。 从兹文豹论述中可以魄建魏下的技术体系： 1 n 金属材料糟密加：r 技术i l ”“。“。1 。“+ + 1 + 。1 1 j ，一匕i _ i 二l 1 l 加工硬传l豳工软 牛l 工二 臣鲞 囱囱速 期5 1 非金属材料精誉加。i ：技术体系 在本文将戳琰耱 金器榜餐糖密蹙薅g 技零为主俸在2 、3 、4 耄蹲该体系进行详 细论述和应用实验研究。 重廉大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 方向 商本庄司克雅教授在重庆大学蘑潮学术会议上提出，加工璜薰( 精度及光洁 度) 和加工费用以及对工件的要求有关，纯理论性的提高精度及光洁度，没有实际 意义。 市场缎济的今天，对于金属材料精密加工技术的研究，首先要立足于实用，立 足予中国鸯h 工水乎落后这一实际情况，着力予提高现有产晶的加工质量，以满魑社 会的广大需求，创造较好的经济效益。 而高精技术能带来离利澜回报，在激烈的世界离精尖技术市场竞争中占一精之 地，立足予浅国经济和披术现状，集中力量进彳予硬脆e 金属材料糙锻办工技术移腕， 也徽有必要。 提高产品的性e 孵日质量，一方厦要提毫办& 工硬l 牛的性疑日质量，但由于业i 穆提 高成本商，且受现有相关基础技术的限制，因此另一方面应着力于研究计算机误箍 於镁技术，以实瑷产品性2 秘质量毫予工艺系统蛙e 秘质量数柔瞧生产，找方嚣磅 究潜力巨大。 就女l 工硬件、软件磷究力发蕊言，应特菇重视工软饽瓣移 究、运舆。 i h j h , j 从舯文论述中训。以看出，不沧从上岂系统还是从加上技术方面看，研究领 域誉辫i 自微戏发袋，邈此罄眼予微黢l 锁域的j 衾聪糖燃髓密船工技术磺突涛是一令 不可逆转的发展趋势。 本课题为自然利一学基盒淡助项目 8 重庆大学坝= e 学位论文 第二章非金属材料的精密磨削技术 第二章非金属材料的精密磨削技术 2 1 磨削的一般理论 相比于切削加工，磨削加工7 0 8 0 的磨削能转化到工件表面上，从而引起明 显的塑性变形和较大的残余应力。而切削所转化的热能有9 0 被切屑带走，只有5 转化到t 件表而，引起的残余应力就很小了。在廉削加t 中，廓削的各种输入条件 对磨削过程会产生很大影i 札会出现各种磨削现象，从而决定了不同的输出结果。 随着新材料的发展和应用，磨削加工地位日趋重要，在许多方面其优势是其他机械 加工方法不可比的。 磨削的输入条件一般有：磨床静刚度、动刚度以及动态特性：工件的几何形状、 材料的性能；砂轮特征、地貌、形状及修整条件；砂轮速度、工件速度、进给量等 磨削用量。 出现的磨削现象包括：砂轮磨损、磨削力、磨削温度及颤振等。 所产生的输出结果指：工件精度、表面完整性、磨削效率、磨削成本等内容。 静动态磨削参数有：砂轮工件的接触弧长，砂轮有效磨粒数，未变形磨屑厚度 等内容。 2 1 1 磨削过程及磨削参数 2 1 1 1 磨削特点及过程 相比于其他机械加工方法，磨削加工有以下几个特点： 1 磨削力比值大。( 法向班削力f 切向磨削力f 。) = 3 ，而车削时一般为0 5 。 2 砂轮速度v 。很高，作用时间t 很小。由此使磨削区温度很高( 4 0 0 1 0 0 0 ) ， 会引起工件烧伤严重，产生有害残余应力和裂纹，使磨粒产生物理化学变化、氧化 以及扩散磨损。 3 ，切屑体积很小。根据尺寸效应原理可知，磨粒切屑厚度很小时，单位磨削 力及单位磨削能e 。很大， e 。= k a 。l ( _ 一常数 a ，一磨屑厚度 切屑形状一般有以下几种：细长形、挤裂状连续形、高温熔成的球状。 4 磨粒作用。在磨削过程中，砂轮表面磨粒只有1 0 1 5 参加磨削过程，其中 一部分进行切削，一部分在工件表面划沟痕，还有一部分与工件表面进行磨擦。 9 图2 1 1 卜l 磨粒切削刃的磨削模型 磨削过程可以用如下的模型表示： 滑擦( 弹性变形) 一耕犁( 塑性变形) 一刨削( 成刨眉粒自u 流出) 以上三个阶段与磨粒状况、被加工材料性质及砂轮速度v s 有关。v s 越高，弹 塑性区越小：同时砂轮结合剂的弹性与支持作用会产生弹性恢复，也会影响弹塑性 区。 2 1 1 2 磨削参数 1 临界切削厚度a 。 指能产生切削作用的最小切入量。与磨削速度、工件材料、瑭刃状况有关，而 与磨料种类无关。当磨粒尖端半径p 。较大( 钝) 时，高速下也能生成切屑。 2 材料切除率z 。，砂轮损耗率z 。 3 磨削比g g = 九。肛n 。工件切除参数， _ _ 沙轮损耗参数。 g 与f 。有关，f 、上升则g 下降。 4 ，砂轮与工件接触长度【。 与砂轮v 。，工件速度v 。，磨削深度a 。和砂轮当量直径d 。有关。 5 未变形切削厚度a 。 指相邻两有效磨刃间切得的切屑在进刀方向上的最大厚度。a 。取决于连续 磨削的墙列 磨削条件等参数。e j , 。将影1 1 蚰磨粒上磨削力人小，从而影响磨 粒结合强度；影响磨削比能e 。大小；影响磨削区温度t ，进而影响砂轮磨损，表面 残余应力性质、大小及分布：以及影响工件表面粗糙度。 21 2 磨削力与磨削温度 21 2 1 磨削力 1 0 南焉勘警耘翟 重庆人学坝l ? 学位沦义 椎一章 l f 金属辩秘鹣糟崭瓣削技术 磨削力与砂轮耐用度，磨削表面粗糙度，比磨削能簿均有直接关系，易于测量 秘控翱，可粥此诊断癌女l 状态，搏为逶庭援铡的评定参数。 法氖密削力以及切肉簸育i 力均是砂轮速度k 、工件速度毪及纛海深度a 。鹃 函数，即： ( r 。或f 。) = f ( v 。，v 。，a 。) 葵意义在予： 】v 。上升则单位时间总磨粒数上升，5 f - t s s 翻腐脬殿森。f 降，闭此f 。，f 。搿 下降。 2 。当砂轮径向进给量v ，上升，也即磨9 9 深度鄯增加，则会便嚣。增加以及砂 轮与工搏接蠡蠡羝l 。拥大，参鸯鬟工幸筝的瘗耱数霆多，簌露会导交f 、，f ，主舞。 3 当工件速度v 。加大时，同样导致磊，加大，因此均会使f ，f 。增大。 4 其他的凶索：砂轮及j 二件制料对磨削力有很火的影响：砂轮特性、砂轮磨 投状念以及嬲蠢蟠的不阿使愆接况均会导数磨削力的改变。 2 1 2 2 磨剐溢度t 由于磨自, j j j n m 中，所糯的磨削能所转化的热能几乎全部停留于砂轮与工件之 间，而强由予麟削加工蚋特殊性，致锼加工区温升报离，例如( 4 0 0 一1 0 0 0 ) ，磨 鸯溢度懿影哟不容忽鬣。密潮毫溢懿存在往往导致零耱袭瑟矮羹下降，鲷蟊浇痿、 残余应力、裂纹和上共j t 、j 形状柏g 俊降低；i , i j n , j 还严敷破坏鳢粒叻削性能，使磨糙 硬度降低，出现粘结磨损和扩散磨损，致使磨粒很快钝化。 影峨壤j i | 温度的困豢缎多：诸如盛削用量，砂轮参数，疮削加王材料的不同以 及各种因素的组合影t 哟。 1 壤目4 用量的影响； 当增大径囱进给量r 时，会加大磨削深度舢幽此使切稻变形麟擦力上升， 困露擐终霞 女l 大。 当增加工件速度u 时，虽然热源强度有所蹭加，但因为工件袭西移动随之粕 大，热作用随时问下降，因此总的泌来t 会下降。 当增加砂轮速度址，在一定条件下，单位时间磨粒增多，使切屑厚度变薄，切 藩细小，蠢诧经翻溪变j 蓼熊l 螫大摩擦女l 瓣，会警蘩t 壤大。 所以，在般磨闯加工巾，耍降低腑m 温度t ，则应降低砂轮速度v 。和磨削深 a p ，适当提瀚工件速度v 。 2 砂羧参数对壤4 激发t 粒影螭 重庆大学硕士学位论文 第二章非盘属材料的精密磨削技术 一般研究表明，采用较软的砂轮磨削温度t 较低，而采用较硬的砂轮，温度t 则较高。砂轮精度对于磨削温度t 的作用还不太明确。对于同一种材料，使用不 同种类的磨料，以及同一种磨料加工不同材料，磨削温度均有较大差别。 例如：对于钢质件，使用碳化硅磨粒所产生的磨削温度高于使用刚玉时的磨削 温度，然而对于钛合金工件而言，其结果哈恰相反。 由于磨削温度对最终加工输出有重大影响，因此可以利用磨自0 温度作为参考， 去选择合适的磨削用量及砂轮。 2 1 3 砂轮的磨损与修整 2 1 3 1 砂轮磨损 幽21 31 一l 不同磨损形式的生成条件及影响“ 砂轮磨钝，修整，更换的判断依据： 当砂轮变钝后，磨削力剧增，工件上有颤振痕迹，磨削噪音巨变，工件粗糙度 增大而精度下降：同样，磨粒破碎脱落也会导致工件表面粗糙度上升，而砂轮粘附 堵塞严重时，砂轮根本就无法加工了。 1 2 重庆大学涮士学位论文 第二章非畿属材料的精密磨削投术 因此t 瘗削力熬巨变，工 孛表嚣辍糙度的增大及精度的鬏暖，以爱颤振、噪音 酌量变可隧作为翔断砂轮修整与凳羧麓依据。 2 1 3 2 砂轮修整 在般鲍生产自n 工中，是将修皴与磨削分开进行的，但在随生产率场合，也有 将咎婺与瘗女l 连续逶褥豹，鏊乡 诲多瘗割热王藏袋瑟瑟释谬整方式，其留滁效率要 高5 一1 0 倍，但另一方面结构复杂，成本高。 在修整过程中，珂i 同的修整工麒和修整条件会影响砂轮的地貌和磨刃锐利程 度，进疆影响砂轮磨损、磨削力、壤削温度和工馋褒嚣质量。 投据修蘩麓砂轮密科，可隧分为普通痞睾萼秽轮的修整釉超硬瑭辩移轮的修 整。 1 普通磨料砂轮的修艇 渗熬方法司以分为车潮法、滚 l 法；英中又哥分为静虫修熬工吴或运凄惨整工 具的方法。 在修整用量选择时要考虑以一f 几方面的问题： 修熬量越小，磨属表面粗糙度趟低：但用量越小，砂轮表蕊光滑，降低磨女 往鼹。 丌始修整时，修艇深度钆可以大些，以提商修整速度，最后采用光修，但次 数不真过多，否则会降低磨削性能。光修的目的在于去除不牢磨粒，避免划伤工件， 如果次数越多，则越褰易造成工件烧伤。 2 怒疆宏辩砂轮的修整甜铂 趟碾磨料砂轮不同于普通磨料砂轮，它具有优良的磨削性能，抗磨掼| 生好，不 需要经常修楚，但是韧始安装和用钝后修整和修锐较为困难。 怒嫒容辩砂轮的修整一般毽掺渗形秘修锐瑟帮分。整形黪俘惩在于对移耱涟簿 微量镯削使砂轮达譬8 一定豹j l 何精艘，同时使黪粒尖端微细破碎成锋利警翊。修 锐的目的是去除粒间结合剂，便于容屑；同时使磨粮露出结合荆之外形成磨刃。 修锐的方法很多，常见的有以下几秘： 游离臻粒按器移锐法，溪菇渗锐法，嚣l 玉块翻入法，瘗潮法，宅舞法，滚疆嚷 刺法。 根据砂轮的不同，整形方法各界： 陶瓷c b n 砂轮嚣袋矧单枝金喇搭，金埘石金腻笔，甄及金域石滚轮进行熬彤。 2 4 潦番酾女 1 3 2 1 4 1 磨削液作用及组成 痊囊l 滚的糖类移组或如下表耩示 种类成份其他 油性矿物油 低、中猫度轻质矿物油十油溶性 防锈泓拥荆+ 极性添加剂 油性縻自4 渡用于齿轮、螺纹、成型磨削、 密刳 黧一度轻凄矿黼罐姜善- 淼i 嚣浆= 黼 液极蕊油 添加剂l 乳化液( 1 ) 水+ 矿物油+ 乳化剂+ 防锈添 壤舔9 0 乇溃女i 翔 2 ) # t 纯漓极歪添女i 裁翔于难瓣捞料：不锈钢、钛台金、纯铁。 水溶( 1 ) 泳+ 采而活性荆( 椎离子璀、用于高散磨削：浸润性，冷却性斑； 性磨化学台成液阴离f 型戏皂类) 。( 2 ) 水十表面透明；广泛使削 削液活性剂+ 臃锈添加蠢u + 极压添加荆 无毫 t 簸( 1 ) 隶+ 笼辘薤类，( 2 ) 承+ 无朝9 冷帮效莱好；不纂堵；荤镪瘩滚； 磨削液盐类十袭丽活性剂降低绝缘性；破捌：润滑油润滑性 2 1 4 2 磨削液的效应 瘗龚液懿效应蟊强2 + l 。4 。2 - 1 鬃示 砂轮 磨粒 台期 气i l - m j j 疆损 丛尘塑墨i 翔翻罄链流动 抑制磨粒与工件间的他举反应 山丁热威力自锐 瘗粒叁骥卜 _ 厩囊缀器焉叁锈 防止粘附 由于表丽能的变化调节破碎强度 强2 ，l ，4 。2 - 1 瘗嚣渡露工谗与砂耱貔影自 1 4 2 1 5 磨削加工零件的表面完整性 表面完整性指工件表面经加工处理后所具有的表面纹理亦即表面几何特征，还 指所具有的表层状态。 表面纹理包括：粗糙度，波纹度，纹理方向，表面瑕庇等。 表层状态指：塑性变形，显微硬度变化，微观裂纹，残余应力，晶粒变化，热 损伤区，化学性能变化及电性能变化。 研究工件表面完整性应研究如下的内容： 砂轮特性，磨削参数及工件材料的相配关系。日的是控制残余应力，畸变，消 除裂纹、撕裂、皱叠和相变。 2 1 5 1 磨削表面粗糙度 周向磨削加工表面粗糙度经验公式 一c 砌a y p f p a k l k 2 k3 y ；d q b ： c 。工件材料机械性能参数 k 粒度系数 k ，无火花磨削次数系数 k l - 一磨削液有关的系数 d 。砂轮直径 b i 一砂轮宽度 f _ 一轴向进给量 注：所有指数为待定系数，墩正。 影响表面粗糙度的因素很多，般包括i i f t t ：材料、工艺参数和砂轮特性等。 从上式中可以看出，r 随工件速度v 。，磨削深度a 。及f 。增大而有所增加，而 随砂轮速度v 。增加而下降。一般情况下使f n o 3 b 。 在一定范围内增加无火花磨削行程数n ，有利于阿氐粗糙度，一般用1 0 - 1 8 次， 当超过此范围后，粗糙度基本不变。 一般的砂轮直径对粗糙度影n 向较小而和轮修状况、粒度和硬度有关。当修整深 度a d 与修整轴向进给量f 。比值即a , f 增大时，粗糙度上升。 1 5 重庆火学坝l 学位论立第二二章非愈榭利判的糖密麟削技术 粒度越细，粗糙度越低，粗糙度变化越缓慢。 2 1 52 磨削残余应力 由于残余应力的存在，会导致工件出现如下问题： l 。工件变形难以达到加工精度。 2 降低其屈服极限。 3 ，残余压应力可以提高其疲劳强度，残余拉应力作用相反。 4 表层硬度下降，残余应力将使塑性变形提早发生，变形范围加大。 5 残余应力将导致抗腐蚀性能下降，而压应力有提高作用。 6 由于残余应力的存在还会影响工件的磁性和结构件静稳定性。 7 摩削温度r 的变化，塑性变形，挤光作用，塑性变形引起的比容变化以及 金相组织变化，都会导致磨削残余应力产生。 在磨削加工过程中，摩削用量a n 、v 。、v 。，砂轮修整状况及磨损特征，砂轮 的磨料种类、粒度、硬度、结合剂及结构形式，工件材料性能及预处理状况，磨削 液种类及供液压力等加工因素可以改变磨削残余应力。 在实际磨削加工中，除控制上述磨削条件外，还可以采用无火花磨削、滚光、 珩磨 2 t5 3 磨削表面完整性参数问的关系及改善措施 当表面粗糙度上升时，表层硬化层的硬度及深度均增加；同时残余应力也与表 层硬化有一定关系；裂纹一般在烧伤表层中发生，而表层污染与烧伤密不可分。 表面粗糙度残余应力、表层硬化对工件质量起着不同的作用，同时，它们均会影响 工件的疲劳强度。 在影响工件表面完整性的诸多因素中，热效应是最主要的原因，同时还应根据 工件用途、成本和精度要求确定表面完整性要求。 在实际生产中，常采用如下一些方法来提高工件表面完整性： 1 采用低应力磨削，降低变形及损伤，基本没有残余应力。 2 + 提高v 。，降低v 。，町以适当提高生产率和表面完整性。 3 保证砂轮孔隙通畅，磨粒锋利，可以降低磨削温度，防止损伤。 4 。使用磨削液时，注意流量和喷向，以及不同的化学成分。 5 粗磨时检查裂纹状况，精磨时适当采用低应力磨削，切除量应大于前道工 序的影响厚度。 6 提高修整工具的锋利度，采用砂轮自动修整和补偿技术，合理采用高速磨 1 6 重庆j k 学坝士学位论文第二章仆盎属材末斗的精密躺肖u 技术 削。 2 2 精密加工工艺 2 。2 + 视械蕊工精度霸 零件的加工质量一般包括其强度、刚度、表面质量及精度。 精度司。戋t 分为精密度( 精度范雕) 和精确度( 捆e e 于理想尺寸的精确程度) 。 翡礁度又可爨分为设诗精度霹秘互糖菠，蘸密麓足寸、彩霞公差表示，谣矮者 包括尺寸精度、形状精度和位罱精废。而影n 向加工精度最主饕的原因是因为加工工 艺系缆本身存在着原盘厶误差。 工装琴统原有原始误差包括：机床误差、夹基误差、刀其误差、量具谖麓、工 孛静庭豫安装误差。 另一方面还有其他原因引起工蕊系统产生原始误差，具体指：工艺系统受力变 形、热变形、工具磨损和工件残余应力存在。 爨懿，要达到疑鼗求的精度，一方面要保诞尺寸澳4 量、工传安装、成形逯动静 准确浚、对刀具透行适当调整；勇一方蟊要尽登撼少存在于低嚣度俘、特豫鞠传和 梢密零件中的热变形、力变形、蛾余应力和堵：i 6 _ i 。 2 2 1 1 系统原有原女盎误差分析 系绫原有爨始误蒺黯撬攘螽王精度黪雾璃簿控涮，螽下圈2 。2 + l 。1 - i 获示： 圈2 2 1 卜1 系统原始误差对概加工精度的影向与控制 1 7 网 l 龠r _ i 一 辱鹚 娑 霉 一 r 控 、l 制 测措 量施 柑 度 当前最精确测鼍法是：被测 尺寸与激光波长相比较，精 唑0 0 lu l i 1 ，用于实体基准。 1 8 一一巫一一一一一 重庆大学硕士学位论文第二章非金属材料的精密磨削技术 微 薄 切 削刀 层具 极方 限面 厚 度 一定 定位 位安 和装 调方 整面 精 度 v 匦匦囵巫五j 亟圈 整法：按标准样件，对刀块调， 式切，实测尺寸调 施 件，对刀块，目测，切削弹性 ，行程挡块变形 给机构，重复定位 j 具重复定位精度1 i 够 匦瓦雨可丽雨丽固 1 9 ，。l 望盎查兰堡兰三鲎堡堡苎篓兰茎! ! 垒星盟整蝗塑堕壁型堡查。 系统暴鸯鹫i 始谡差对形状精度豹影蛹襄控到，如强2 。2 。1 。l 一2 掰示： 图2 ，2 ，1 i - 2 系统簌始谟差对形状精度静彩向与掇潮 匿亘画弼困 厩西西噩司 匦亟噩匠王匾丕圃 区匦歪匾亘圆 匮匦亟亟固 3 基壹线运动王馋形状精度 ( 轴向形状误麓r = 导轨水平 日聪线度误差a y ) 耱絮工件台童线运动与工 形状精度( 1 ：1 被反映 加工平面的平丽腹误著) 贬 蠹一 雾 重庆大学硕士学位论文第二章非搬属材料的精密磨削技术 2 2 1 2 其他原始误麓分析 l 。 工艺系统受力变形斡影蛹及控裁 在工件加工中，影响加工精度的力包括如下内容：夹紧力、拨动力、离一0 力、 切削力、重力及测鬃力等。 常采用如下一些方法来控制力变形的影响： 降低甥粪臻量，魄鞍游援。 补偿变形量，眈较复杂。 重庆大学硕士学位论文 第二章非金属材料的精密磨削技术 使用恒力装置。 针对刚度弱的环节，提高系统刚度，此法最为彻底。 在加工中，由于刀具不同位置、切削力变化和加工中过裕量的磨削均会引起刚 度不等，从而影响加2 1 2 精度。 工艺系统刚度k 可以用如下式子表示： k = s y 叩加工表面浊m 力f j 各切削力分力作j t j i ：f j t r 、叫二的法向力综合变形位移量y 之比。 在生产中，常采用如下方式来提高系统刚度： 提高零件加工时刚度。 提高刀具加工时刚度。 提高机床、夹具刚度。可以通过减少零件数，提高连接面形状精度降低表面粗 糙度以及装配时预紧来达到此目的。 2 工艺系统磨坝及残余应力的影响及控制 一舣情况下，机床、央具、量具晌短期磨损很小，而刀具、磨具等工具磨损 最快。因此应从以下几方面作手控制磨损： 机床零件结构合理，在工件易磨损面加防护姨置，采用静压结构。 提高系统抗磨损性能，使用刑磨损材料，对易磨损面进行热处理，提高元件表 面形状精度，降低其表面粗糙度，采用合理的润滑方式。 选择合理的刀具材料，切削用量及刃口形式。 除了j 二艺系统受力变彤、磨损会导敛加上精度降低外，另一个剀索也1 i 容忽视， 即工艺系统的残余应力。特别是各元件及工件的残余应力存在，往往使最终加工精 度改变，达不到应有婴求。 残余应力一般存在于毛坯、机械加工过程及冷校直工艺中。 为了有效地减少消除残余应力，应对零件结构合理性给予充分考虑，同时也采 用人工时效及机械式激振时效等方式进行时效处理。 3 工艺系统热变形的控