（机械制造及其自动化专业论文）硬脆材料氮化硅陶瓷的elid超精密磨削技术研究.pdf

天津大学牌j 。学位论文 摘要 本文分析了电火花整形和e l i d 磨削的技术现状，进行了铸铁结合剂金刚石 微粉砂轮的电火花精密整形和钝化膜状态主动控制条件下的氮化硅陶瓷e l i d 精 密、超精密磨削实验研究。研究成果对工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金等硬脆材 料的e l i d 超精密、镜面磨削具有指导意义。 论文以m m 7 1 2 0 平面磨床为对象设计制造了e l i d 磨削附加装置并完成了 e l i d 超精密平面磨削系统的配置。自行丌发了实时数据采集、分析系统用于监 测电火花整形过程和e l i d 磨削过程的电压、电流和蘑削力等特征信号，为实现 金属结合剂微粉砂轮的精密整形和揭示氮化硅陶瓷e l d 磨削过程中的磨削现 蒙、磨削特征提供了技术手段上的保障。 在金属结合剂会刚石微粉砂轮电火花精密整形过程中，工作电压和工作电流 的在线监测不仅使得获取有效电舰准和判别电规准是否具有整形能力变得非常 简便，而且可以及时发现空载与短路的发生，有助于提岛整形效率与整形精度。 避免短路和使用高绝缘性的工作液是提高整形精度的关键。本文在以去离子水作 为工作液，采用甲面电极，电规准为6 0 v 、2 0 1 a s ：2 0 , i t s 的条件下获得了砂轮径向 跳动小于1 t t m 的整形精度，为进一步的氮化硅陶瓷e l l d 精密、超精密磨削实验 研究提供了较理想的工具技术。 建立了e l i d 壤削系统的电解反应回路等效模型，提出用极问电流表征令属 结合剂砂轮表面的钝化膜状态。在分析e l i d 动念平衡磨削机理的基础上，提出 了钝化膜状态主动控制概念及间歇电解和问歇磨削控制策略。作者成功地对钝化 膜状态进行了有效控制，并进行了钝化膜状态主动控制条件下的氮化硅陶瓷 e l i d 精密、超精密磨削实验研究。受硬件条件限制极问电流的控制范围设定较 宽，导致钝化膜状态在控制循环中变化较大。实验中钝化膜状态主动控制条件f e l i d 磨削的磨削力波动幅度明显大r 动念甲衡条件下e l i d 麽削，位两种条件 下磨削力的波动卜| 限相当；钝化膜状态主动控制条件下e h d 磨削的氮化硅_ l 件 的表面料糙度略人于动态平衡条件下e l i d 磨削的氮化硅工件的表面车h 糙度，但 两者并没有本质的区别。 e l i d 超精密磨削的制料去除是以微量磨削与研磨抛光相结合的复合方式进 行的，钝化膜状态决定着材料的t 要去除方式及不同去除方式之问的比例。选择 合理的磨粒尺、j ，匀化砂轮组织，对砂轮进行精细的整形和动平衡，严格控制机 床的热变形刘e l i d 超精密磨削极为重要。 关键词：氮化硅，金属结合荆会刚石砂轮，电火花整形f e dt r u i n g ) ， 在线电解修整( e l i d ) ，钝化膜状念， 动控制策略，实时监测 天津大学f 【! 二学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ea u t h o ra n a l y z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n so fe l i dg r i n d i n g t e c h n i q u ea n de dt r u i n gt e c h n i q u e ，a n dc o n d u c t e dt h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho n e l e c t r o d i s c h a r g ep r e c i s i o nt r u i n g f o rc a s ti r o n b o n d e dd i a m o n dw h e e la n d u l t r a p r e c i s i o ng r i n d i n gt e c h n i q u e sf o rs i l i c o nn i t r i d ec e r a m i cu n d e r t h ec o n d i t i o no f a c t i v ec o n t r o lo ff i l ms t a t e t h er e s u l t sh a v eg u i d a n c em e a n i n g sf o ru l t r a p r e c i s i o n e l i dg r i n d i n go fh a r da n db r i t t l em a t e r i a l ss u c ha se n g i n e e r i n gc e r a m i c s ，o p t i c a l 岔a s s e s ，h a r da l l o y s ，e t c i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a c c e s s o r i a le q u i p m e n t sf o re l i dg r i n d i n gh a db e e nd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o no fe l i du l t r a p r e c i s i o np l a n eg r i n d i n g s y s t e mw a sc a r r i e do u t t op r o v i d et e c h n i c a lg u a r a n t e ef o rp r e c i s i o nt r u i n g o f m e t a l b o n d e df i n eg r a i nd i a m o n dw h e e la n df o rt h es t u d yo fg r i n d i n gp h e n o m e n o n a n dg r i n d i n gf e a t u r e si nt h ee l i dg r i n d i n go fs i l i c o nn i t r i d e ，ar e a l t i m ed a t a a c q u i s i t i o n a n d a n a l y s i ss y s t e m w a s d e v e l o p e d f o rt h e m o n i t o r i n g o f e l e c t r o d i s c h a r g e ( e d ) t r u i n ga n dc h a r a c t e r i s t i cs i g n a l si nt h ee l i dg r i n d i n gs u c ha s v o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n ta n dg r i n d i n gf o r c e i nt h ep r e c i s i o ne d t r u i n go fm e t a l b o n d e df i n eg r a i nd i a m o n dw h e e l ，r e a l t i m e m o n i t o r i n go fw o r k i n gv o l t a g ea n dw o r k i n gc u r r e n tc a r ln o to n l ym a k ea c q u i s i t i o no f e f f e c t i v ee l e c t r i cs p e c i f i c a t i o na n dj u d g e m e n tc r i t e r i o nt h a te l e c t r i cs p e c i f i c a t i o nh a s t r u i n gc a p a c i t ym o r es i m p l ea n dm o r ec o n v e n i e n t ，b u ta l s o a v o i da p p e a r a n c eo f n o l o a da n ds h o r t c i r c u i t ，a n di sh e l p f u lt oe l e v a t et h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no ff i n e t r u i n g t h ek e yf o rt h ee l e v a t i o no ft r u i n gp r e c i s i o ni s t h ea v o i d a n c eo fs h o r t c i r c u i t a n dt h eu s eo fh i 曲i n s u l a t i o nw o r k i n gl i q u i d i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h er a d i a lr u n o u t l e s st h a n1 山1 1f o rd i a m o n dw h e e lh a sb e e no b t a i n e dw i t hp l a n ee l e c t r o d e su n d e rt h e e l e c t r i cs p e c i f i c a t i o no f6 0va n d2 0i t s ：2 0g sw h i l ed e - i o n i z e dw a t e ru s e da sw o r k i n g l i q u i d ，w h i c hp r o v i d e sa ni d e a lt o o lt e c h n i q u ef o rf u r t h e re x p e r i m e n t a ls t u d i e so n e l i dp r e c 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 g t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fe l e c t r o l y s i sr e a c t i o nc i r c u i to fe l i dg r i n d i n gs y s t e m w a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ef i h ns t a t ew a sp r o p o s e dt ob ec h a r a c t e r i z e dw i t ht h ec i r c u i t a l c u r r e n tb e t w e e ne l e c t r o d e s b a s e do nt h ea n a l y s i so fe l i dg r i n d i n gp r i n c i p l e ，t h e c o n c e p t i o no fa c t i v ec o n t r o lf o rt h ef i l ms t a t ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fi n t e r m i t t e n t e l e c t r o l y z i n ga n di n t e r m i t t e n tg r i n d i n gw e r ep r o p o s e d t h ea u t h o rh a sa c c o m p l i s h e d e f f e c t i v ec o n t r o lf o rf i l ms t a t es u c c e s s f u l l ya n dc a r r i e do u te x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h e e h d p r e c 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 go fs i l i c o nn i t r i d eu n d e rt h ec o n d i t i o no f 天津人学博i 学位论殳 f i l ms t a t eb e i n ga c t i v e l yc o n t r o l l e d b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fe q u i p m e n t s ，t h e c o n t r o lr a n g eo fc i r c u i t a lc u r r e n tb e t w e e ne l e c t r o d e sw a ss e tt o ow i d e l y , r e s u l t i n gi n l a r g ev a r i a t i o no ff i l ms t a l ei nt h ec o n t r o lc y c l e ，i ne x p e r i m e n t s ，t h ef l u c t u a t i o nr a n g e o fg r i n d i n gf o r c eu n d e rt h ec o n d i t i o no ff i l ms t a t e b e i n ga c t i v e l yc o n t r o l l e dw a s o b v i o u s l yl a r g e rt h a n t h a t i n d y n a m i cb a l a n c e ，b u tt h el o wl i m i t s u n d e rt h e s e c o n d i t i o n sw a sa p p r o x i m a t e l y e q u a l t h e s u r f a c er o u 曲n e s so fs i l i c o n n i t r i d e w o r k p i e c eg r o u n dw i t hf i l ms t a t eb e i n gc o n t r o l l e dw a ss l i 曲t l yl a r g e rt h a nt h a t i n d y n a m i cb a l a n c e ，b u tt h e r ew a sn os u b s t a n t i a ld i f f e r e n c e m a t e r i a lr e m o v a lo fe l i du l t r a p r e c i s i o ng r i n d i n gi sp e r f o r m e dw i t hc o m p o s i t e m o d eo fm i c r o g r i n d i n g ，l a p p i n ga n dp o l i s h i n g t h ef i l ms t a t ed e t e r m i n e st h e p r i n c i p a lr e m o v a lm o d eo fw o r k p i e c em a t e r i a la n dt h ep r o p o r t i o no fd i f f e r e n tr e m o v a l m o d e t h ef o l l o w i n gt e c h n i c a lm e a n si sv e r yi m p o r t a n tt ot h eu l t r a p r e c i s i o ne h d g r i n d i n g ：t os e l e c tr e a s o n a b l eg r a i ns i z e ；t ou n i f o r mt h eo r g a n i z a t i o no fg r i n d i n g w h e e l ；t om a k ef i n et r u i n ga n dd y n a m i cb a l a n c i n gf o rg r i n d i n gw h e e l ；t ol i m i th e a t d e f o r m a t i o no fg r i n d i n gm a c h i n es t r i c t l y ，e t c k e y w o r d s ：s i l i c o nn i t r i d e ，m e t a l b o n d e dd i a m o n dw h e e l ，e l e c t r o d i s c h a r g et r u i n g ( e dt r u i n g ) ，e l e c t r o l y t i ci n p r o c e s sd r e s s i n g ( e l i d ) ，s t a t eo fp a s s i v a t i n g f i l m ，a c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y , r e a l t i m em o n i t o r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘鲎或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了，明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者魏钰签字日期年例7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用奉授权说明) 学位论文作者签名 磐嗍渺，。月 铷签名劭讫 签字r 期：多哗，饲缗 第一章绪论 第一章绪论 制造技术的最终研究目标是高效率、低成本地生产出满足各种社会需求的产 品。精密、超精密加工技术是适应现代高科技发展需要而发展起来的机械加工新 技术，精密、超精密加工技术集成了机械科学、材料科学、计算机科学、信息科 学、测量科学及管理科学等诸多领域的最先进成果，精密、超精密加工所能达到 的精度、表面粗糙度、加一f 尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要 标志之一。精密、超精密加工技术不仅在提高机电产品的性能、质量方面起着罕 关重要的作用，而且直接影响电子信息、航空航天、核能工业、国防工业等尖端 技术领域的发展速度与水平。因此，作为现代制造技术的个重要组成部分与发 展方向，精密、超精密加工技术已经成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要 标志，发达因家都把精密、超精密加工技术作为重点与关键技术投入大量人力、 物力进行研究。川【2 】p j f 4 j 近年来，随着科学技术的飞速发展，许多具有独特性能的功能材料如单品硅 片、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在超精密领域获得了，“泛的应用。工程陶瓷 氯化硅是无机非金属强共价键化合物，氮原子之问结合得非常牢固，因而具有很 强的剐高温和高强度、t 笥硬度性能。氮化硅本身具有润滑性，与碳和金属元素化 学反应小，摩擦系数也较低，并且还具有抗氧化、耐磨损等优点，所以氮化硅陶 瓷在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的使用价值。比如，氮化硅 基陶瓷刀具、氮化硅陶瓷轴承、氮化硅陶瓷发动机就是氮化硅陶瓷最典型、最重 要的应用，氮化硅陶瓷还可用作制造球阀、高温密封阀、各类水泵的密封件等。 作为一种最具有发展潜力与应用市场的新型工程材料，氮化硅陶瓷在现代制造丁 业中正发挥着越来越重要的作用川。但作为典型的硬脆材料，氮化硅陶瓷的原 子结构导致材料对于剪切应力的变形阻力较大，结晶内的错位密度低也导致不易 发生滑动变形( 即塑性交形) 1 7 。因此，硬脆难加： 材料是精密与超精密加工的主 要对象，工程陶瓷的精密、超精密磨削加工技术是当今世界各国研究的热点。 存线电解修整( e l e c t r o l y t i c i n p r o c e s sd r e s s i n g ，简称e l i i ) ) 磨削技术是由 几本物理化学研究所大森整先生和东京大学中川i 威雄先生于1 9 8 7 年研制成功 的，浚技术不仅成功地解决了金属结合剂砂轮整形、修锐的难题，而且使得超微 细会刚石、c b n 摩料( 粒径为数t x m 5 n m ) 能够制成砂轮用于硬脆材料的精密、超 精密与镜面磨削f 2 】【8 l 1 】。e l i d 磨削技术的出现，成功地解决了金属摧超硬磨料砂 轮修整的难题。同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保 第一章绪沧 持锋锐性，为实现硬脆材料稳定的超精密磨削创造了有利条件。 本文主要是在分析e l i d 磨削过程与磨削机理的基础上研究硬脆材料氮化 硅陶瓷的e l i d 精密与超精密磨削技术。 1 1 精密与超精密加工技术 生产的发展要求不断提高机器的工作精度和运转精度，为此，在2 0 世纪7 0 年代提出了精密、超精密加工的概念。精密、超精密加工技术在提高机电产品的 性能、质量和发展商新技术中起着至关重要的作用。凶此这一概念的提出，就迅 速在美国、日本和英国等国家得到了重视和发展。超精密加工领域起步最早的是 美国，n 本则是当今世界| 二超精密加工技术发展最伙的国家【1 。 精密和超精密加工是一项内容广泛的新技术，涉及超精密机床的设计理论、 超精密加工刀具制造技术、超精密加工机理、超精密测量与误差补偿技术、加i 工 坏境控制技术等许多方面【”。在不同的历史时期，由于加工手段和支持技术的限 制，超精密力工曾被瞅于4 i 同的内涵( 就能达到的极限指标而吉。) l i l 【4 1 i 1 2 1 。闲 此，对j i 超精密加工还没有确切统一的定义，但是“般将加工精度为l l x m 0 1 l x m 、 表面粗糙度r a 0 i f w a 0 0 2 5 p m 的加工称作精密加工，将加工精度高于o 1 9 m 、表 面相糙度r a 0 0 2 5 p i 3 1 的加工就是超精密加工3 】【4 】。国内外的文献中还将精 密与超精密加 _ 分为微米级( 形状尺寸误差为3 - 0 3 9 m 、表面粗糙度为 r a 0 3 0 0 3 9 i n ) 、和亚微米级( 形状尺寸误差为0 3 0 0 3 p m 、表面粗糙度为 r a 0 ( 1 3 0 0 0 5 9 m ) 和纳米级( 形状尺寸误差小于0 0 3 j _ m a 、表面粗糙度小于 r a 0 o ( ) 5 h m ) 精度的加j ：，并且把微米绒精度加工称为精密加工。为了实现这 些加工所采取的工艺力法和技术措施，则称为精密、超精密加工技术。由于其涉 及到测量技术、环境保障和 才料等问题，困此，人们把这种加工技术总称为精密 工程【1 j ( = l j f l 4j 。 1 1 1 超精密加工技术的研究领域 超精密加工技术主要包括以下三个领域嘲： 1 ) 超精密切削超精密切削又称单点会刚石车削( s p d t ) 会刚石超精密 切削主要厢子对表商质量要求非常高的有色金属材料进行“镜面加工”，如加工 训算机磁盘、光学系统的反射镜( 平面、球面及非球面) 和多面棱镜：也可进行 人型零件和复杂形状零件的超精密d hi ；, 。对脆性材料进行塑性域的超精密车削加 工始于1 9 8 7 年，美匡l 卡罗莱那州立大学的学者b l a k e 和s c a t t e r g o o d 等人首先对 光学材料单晶锗进行了一系列车削实验研究，并成功实现了脆性材料塑性域超粘 第一章绪论 密车削i ”j 。另外，结合超声振动或超低温技术等辅助措施的超精密金刚石切削也 取得了进展。 2 ) 超精密磨削与研磨作为传统超精密加工工艺的磨削，在超精密加工研 究的初期曾被国内外研究者所忽视。主要原因在于砂轮切削刃高度沿径向分布的 随机性和磨损的不规律性。随着砂轮精密修整技术的解决及超微细粒度砂轮的使 用，超精密镜面磨削逐渐受到了人们的重视。精密和超精密磨削具有广泛的应用 范围，可用于超精密会刚石车自0 无法实现的黑色金属、硬质合金、工程陶瓷、光 学玻璃、蓝宝石、光学晶体、单晶硅、砷化镓等材料的超精密加工。现在，超精 密磨削可以达到0 1u j n 以下的加工精度和r a 0 0 0 3 p m 左右的表面粗糙度。 超精密研磨也取得了巨大的发展，并在实际生产中得到了应用。比如解决了 集成乜路基片( 硅、硎 化镓) 、高精度磁盘、v c r 磁头、光学平晶及超精密光学 镜面等的加工问题，并且是一种能实现无加一r 变质层、无表面损伤( 不破坏晶体 的原刊- 4 b y 0 ) 的超精密加工方法。超精密研磨已经形成了一个规模宏大的技术群， 典型的代表有：化学机械研磨、弹性发射加工( e e m ) 、悬浮抛光、磁性流体研 磨和磁性磨料研磨等。 3 ) 超精密特l , b d r l ，| 超精密特殊加工工艺包括电子束加i ：、激光束加l ：、 电化学喷射加工、电火花加工、电化学加工、扫描隧道显微加工技术和l i g a 技 术( l i t h o g r a p h i c g a l v a n o f o r m u n g a b f o r m u n g ) 等。其中，电子束和离子束加= 实 现了集成电路线宽小于0 1 9 m ；电火花加工得到了尺寸为几十微米的零件；l i g a 技术可批量生产各种金属及其合金、陶瓷、玻璃等材料制成的高度达数百微米， 加二【精度为0 1 u m 的三三维立体微结构；扫描隧道显微加工可以用束进行单个原予 的去除、添d d , f d 移动，是目前所谓的最极限加工技术的代表。 1 1 2 超精密加工技术的研究内容 精密和超精密加r 的研究内容主要包括【1 6 】： 1 ) 加工机理当前，传统加工方法主要有金刚石刀具超精密切削，余刚石 微粉砂轮超精密磨削，精密高速切削和精密沙带磨削等。非传统加工方法主要有 电子束、离子束、激光束等高能束加工，电火花、电化学加工，光刻f 刻蚀) 等。 并出现了具有复合加二r 机理的电解研磨，磁流体抛光，超声研磨等复合加t 方法。 加工机理的研究是精密加f 的理论基础和新按术的生长点。 2 ) 被加工材料精密和超精密加工的被加工材料在化学成分、物理力学性 能和可加工性上均宵严格的要求，它们应浚质地均匀、性能稳定、外部和内部均 无宏观和微观缺陷。 3 ) d h 工设备和： 艺装备精密和超精密加工应有高精度、高刚度、高稳定 第一章绪论 性和自动化的机床，十廿应的会刚石刀具、立方氧化硼刀具、会刚石砂轮、立方氮 化硼砂轮，以及相应的高精度、高刚度夹具等工艺装备，才能保证加工质量。 4 ) 检测技术精密和超精密加工必须具备相应的检测技术，形成加工和检 测一体化。检测有三种方法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度的 尺寸、形状、位置精度可采用电感测微仪、电容测微仪、自准直仪、激光干涉仪 来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪进行接触测量，可用光 纤法、电容法、超声微波法、隧道显镜法进行接触测量；表面应力、表面微裂纹、 表面变质层深度缺陷可用x 射线衍射法、激光干涉法、超声波法柬测量。 5 ) 工作环境精密和超精密加工要求在一定的环境下工作，爿能达到在精 度和表面质量上的技术参数。工作环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等 方面的要求，有时还有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求。 超精密加工的发展趋势包括以下几个方面【l 【j 】： 1 ) 向更高精度、更高效率和大型化方向发展； 2 ) 采用计算机补偿技术提高加工精度： 3 ) 超精密加工与在线测量一体化： 4 ) 采用自动化制造系统避免人工操作引起的随机误差； 5 ) 发展模块化超精密机床； 6 ) 提高工件材料的组织均匀性。 1 1 3 超精密镜面磨削技术 超精密镜面磨削技术是指借助于高性能的机床、良好的工具技术( 砂轮) 、 完善的辅助技术和稳定的环境条件，控制加工精度在0 1 t x m 级以下、表面粗糙度 r a 0 0 4 t x m 甚至r a 0 0 1 l - t m 的磨削方法f 7 】。超精密镜面磨削可以加一 超精密切 削无法加工的非会属硬脆材料和淬硬黑色金属材料。与超精密研磨相比，超精密 镜面磨削加工效率高，而且可以实现自动化与在线测量。 近年来，随着微f b 子学、光学、计算机学等尖端技术的发展，促进了工程陶 瓷、硬质合会、光学玻璃、单晶硅等高硬度、高脆性材料的低成本高效率的超精 密加丁技术的研究【作。特别是随着砂轮精密修整技术的解决及超微细粒度砂轮 的使用，超精密镜面磨削逐渐受到了人们的重视，b i 起了各国专家学者空前的研 究热潮。主要研究方向有：适用于塑性磨削技术的砂轮韦0 造与精密修整技术、支 持塑性磨削的超精密磨床设计理论、各种非金属硬脆材料的临界脆塑转化磨削深 度、磨削过程的在线精密控制技术，以及磨削液对超精密镜面磨削过程和磨削效 果的影响等口1 。 1 2 硬脆材料超精密磨削技术的发展 4 第一章绪论 眭和闩动化的机床，相应的会刚石刀具、立方氧化硼刀具、金刚石砂轮、立方氮 化硼砂轮，以及相应的高精度、商刚度夹具等工艺装备，爿能保证加上质量。 4 ) 检测技术精密和超精密加工必须具备相应的检测技术，形成加工和检 测一体化。检测有兰种方法：离线检测、在位检测、在线榆测。目盼，高精度的 尺寸、形状、位置精度可采用电感测微仪、电容测微仪、自准直仪、激光干涉仪 来测量。表衙粗糙度可用电感式、压电品体式表面形貌仪进行接触测量，可用光 纤法、电容法、超声微波法、隧道显镜法进行接触测量；表面应力、表面微裂纹、 表面变质层深度缺陷可用x 射线衍射法、激光干涉法、超声波法柬测量。 5 ) 工作环境精密和超精密加工要求在一定的环境下工作，才能达到在精 度和表面质量上的技术参数。工作环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等 方面的要求，有时还有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求。 超精密加工的发展趋势包括以下几个方面【i ”】： 1 ) 向更高精度、史高效率和大型化方向发展； 2 ) 采用计算机补偿技术提高加工精度： 3 ) 超精密加工与在线测量一体化： 4 ) 采用自动化制造系统避免人工操作引起的随机误差； 5 ) 发展模块化超精密机床； 6 ) 提高工件材料的组织均匀性。 1 1 3 超精密镜面磨削技术 超精密镜面摩削技术是指借助于高性能的机，末、良好的工具技术( 砂轮) 、 完善的辅助技术和稳定的环境条件，控匍j i 3 h z 精度在0 1 9 m 级以下、表面粗糙度 r a o0 4 1 x m 甚至r a 0 0 1 a m 的磨削方法1 2 l 。超精密镜血磨削可以7 9 h s l ；超精密切 削无i j _ i ) j u z 的j 会属硬脆材料和淬硬黑色会属材料。与超精密研磨相比，超精密 镜面磨削加工效率高，而且可以实现自动化与在线测量。 近年柬，随着微f 匕子学、光学、计算机学等尖端技术的发展，促进了t 程陶 瓷、馒质合会、光学玻璃、单晶硅等高硬度、高脆性材料的低成本高效率的超精 崭加l 技术的研究1 7 作。特别是随着砂轮精密修整技术的解决及超微细粒度砂轮 的使用，超精密镜面磨削逐渐受到了人们的重视，引起了各国专家学者空前的研 究热潮。主要研究方向有：适用十塑性麽削技术的砂轮制造与精密修整技术、支 持塑性磨削的超精密磨床设计理论、各种非金属硬脆材料的临界脆塑转化磨削深 度、磨削过程的在线精密控韦4 技术，以及磨削液对超精密镜面摩削过程和摩削效 果的影响等f 2 】。 1 2 硬脆材料超精密磨削技术的发展 1 2 硬脆材料超精密磨削技术的发展 第一章绪论 1 2 1 硬脆材料的超精密磨削 目6 u ，高硬度高脆性材料的超精密加工主要通过超硬精细磨料的精密磨削及 研磨、抛光束实现。硬脆材料的麽削一般用作粗加工工序柬获取工件的基本形状 和尺、r ，要求高的表面质量则通过研磨、抛光获得。研磨、抛光加工是采用游离 磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。 这种加工方法工艺复杂、对机床的要求高，而且生产效率很低。 超精密磨削技术足近年来发展起来的一种新的用于脆性材料超精密加工的 方法，它是在高刚度超精密磨床上，用余刚石砂轮对材料表面进行磨削加工。实 现对脆性材料的超精密磨削，关键是使材料以塑性变形方式去除【2 】【”1 。 超精密磨床是保证精密、超精密磨削精度的关键，工业发达国家首先将重点 放在门：发研制高精度的加_ i 二设备上。英国c u p e ( c r a n f i e l du n i tp r e c i s i o n e n g l n e e r i n g ) 精密研究中心1 9 9 2 年丌发的n a n o c e n t e r 6 0 0 超精密车床带有磨头和 可延性磨削装置，具有控制实际磨削深度达亚微米级的能力，从而可进行光学元 件的超精密磨削，达到最好的形状精度和最小的表面损伤。1 9 9 4 年c u p e 设计 制造了o a g m 2 5 0 0 超精密磨床，主要用于大型超精密镜面元件与玻璃、陶瓷及 其他硬脆材料光滑表面的磨削d r i il ”i 。1 9 9 2 年，在美国芝加哥国际制造技术展 览会上，h 本卜1 立精机公司展示了所丌发的v k c 4 5 型陶瓷磨削中心，不仅磨削 精度和磨自0 效率很高，而且自动化程度也很高，该项技术的应用是对陶瓷加一r 的 个突破【】。美国n o r t hc a r o l i n as t a t eu n i v e r s i t y 的精密工程中心研制的 p e g a s u s ( p r e c i s i o ne n g i n e e r i n gg r i n d i n ga p p a r a t u sf o rs u p e r f i n i s h i n gu l t r a h a r d s u r f a c e ) x j 、型超硬材判加工专用磨床，接触刚度达5 3 1 0 6n r o ，具有微进给系统 及误差补偿装置，不仅能用于基础试验研究，也能实现结构陶瓷等硬脆材料磨削 表面粗糙度达到纳米级的水平【”l 。另外，英国的克兰菲尔德精密工程中心开发了 世界上主轴 9 0 度最大的磨床、n 本丰阳精机公司丌发出了零膨胀系数主轴的超精 密磨床主要用于硬脆材料的超精密加工。 超精密磨削的生产效率及加工表面质量均很高，但这种加工技术也存在以下 问题：如何保证砂轮上的磨粒分布均匀、高度一致；由于磨屑堵塞砂轮而导致磨 削力增加，在工件表面易产生裂纹。 1 2 2 超硬磨料砂轮与金属结合剂 超硬磨料是指金刚石、：、) = 方氮化硼( c b n ) 。超硬磨料具有硬度高、耐磨性 好等优良的切削性能，非常适合硬脆材料的高效磨削加工【“。 日自口，固外在磨削硬脆材料超光滑表面时使用金刚石微粉砂轮已经非常普 遍，其磨料粒度尺寸一般为o 0 1 1 0 9 m 。美国l l n l 国家试验室，f 1 本宫卜研究 第一章绪论 室、难波研究室和理化研究所，英国c u p e 研究中心等先后丌发出用于硬脆材料 纳米级表面超精密磨削的陶瓷、树脂、青铜、铸铁基超微细粒度会刚石砂轮，实 现了表面粗糙度在1 0 r i m 以下的超光滑表面磨削加上。n 本微细粒度及超微细粒 度会刚石砂轮的研究成果处于世界领先地位，已研制出5 ，o o o ( 1 5 - 3 肛m ) 、8 , 0 0 0 4 ( 1 2 9 m ) 、1 5 ，0 0 0 ( 0 5 1 5 9 m ) ，甚至3 0 0 ，0 0 0 4 ( 0 0 1 5 p m ) 等粒度号的树脂、 金属结合剂会刚石砂轮。最具有代表性的新磨具如：r 本东京大学的庄司克雄研 制的陶瓷结合剂微粉会刚石和c b n 砂轮，f _ i 本宇都大学市田良夫研制的铜一锡、 铜一钴一锡混合金属结合剂微粉会刚石和c b n 砂轮，r 本池野顺一用电泳沉积 法制得1 0 。2 0 r i m 超微细磨粒的钮状小砂片，将其贴于基体上做成高浓度低结合 剂超微细磨粒磨具。f 1 本理化学研究所的大森整还曾进行过3 0 0 0 ，0 0 矿( 即5 r i m ) 粒度会刚石砂轮超精密磨削结构陶瓷、光学玻璃的试验研究，取得了非常理想的 磨削效果，磨削表面粗糙度达r a0 9 7 1n m 。i l 2 j 用于金刚石、c b n 超硬磨料砂轮的结合剂主要有树脂、陶瓷、金属( 青铜、 铸铁等) 和电镀镍i ，表l l 为各种结合剂超硬砂轮的性能比较i ”1 。树脂结合 剂弹性好、能在高速下工作，但耐热性差。在高温下，结合剂与磨料的结合强度 低，不能发挥超硬磨料的高效切削性能。陶瓷结合剂砂轮气孔多、能埘热、h 0 性 较好，但结合强度和导热性较差。电镀砂轮结合强度高，表层磨料密度大，刃口 锋利，加j ：效率较高，但镀层较薄，寿命短。而金属结合剂具有高的强度、硬度 和导热性，而且与磨判结合力强，砂轮形状保持能力好，能够充分发挥超硬磨料 的切削性能。 9 1 【2 1 【2 2 1 表1 1 各种结合剂超硬砂轮的性能比较 结合剂特结强度耐热性导热性可修枢性磨削质苗价格 树脂一般一般 芹 一般良 优 陶瓷一股，良优筹良，一般优 一般 【u 镀 优优优筹著优 金属优优优 筹 一般 良 白人造会刚石、c b n 用于磨具制造以来，早期主要以青铜结合剂为主。进 入8 0 年代后，国内外除了研究各种电镀砂轮外，还，i ：发了多种配方的会属结合 剂砂轮。铸铁结合剂砂轮比青锕结合剂砂轮具有更高的强度、刚度和对磨料的把 持力，以及良好的抗磨损能力。早在1 9 8 3 年，同本的获生罔善明用狄铸铁切屑 经球磨粉碎筛选后的粉术、羟基铁粉、镍粉作结合剂，与磨料混合后在高温1 1 2 ( ) 左右烧结丽成铸铁结合剂金刚石砂轮1 2 1 】 z 3 l 。1 9 8 4 年同本东京大学的中川戚雄 用振动切削方法得到的铸铁纤维粉末，混以羟基铁粉在氢气、氮气保护中用1 1 1 5 高温烧结1 小时划成铸铁纤维金刚石砂轮【2 1 z 3 j 。铸铁纤维结合弃t j ( c i f b ) 、铸 第一章绪论 铁结合剂( c i b ) 超硬磨料砂轮具有更高的刚度、强度，而且与磨料的粘结强度高、 润滑性能好、磨削比高，特别适合二【：程陶瓷、硬质合金等硬脆材料的高效磨削， 但这种砂轮的整形和修锐非常困难2 i 【8 】1 9 。 闩本理化学研究所的大森整、东京大学的中川威雄于1 9 8 7 年开发的金属结 合剂超硬磨料砂轮在线电解修整技术，不但成功地解决了铸铁基砂轮整形、修锐 的难题，而且使得超微细金刚石、c b n 磨料能够制成砂轮用于精密、超精密与 镜面磨削。 2 1 8 1 9 1 【2 i l 1 3el | d 磨削技术及其发展概况 e l i d 磨削技术主要应用于超精密磨削过程中金属基结合剂超硬微细磨粒砂 轮的在线修整。会属基超硬磨料砂轮e l l d 磨 j 0 技术可以很好地解决树脂基超硬 磨料砂轮在超精密磨削过程中存在的问题，如磨粒把持能力差、砂轮磨耗快、保 形精度低、砂轮修锐困难且修锐频繁、加工效率低等【9 】 2 t 1 1 3 1 l 。e l i d 磨削技术可 以充分发挥超硬微细磨料微量切削作用，为实现工程陶瓷、硬质合金、光学玻璃 等硬脆材料的超精密磨削创造了条件。 1 3 。1el | d 磨削原理 e l l d 磨削技术是在电化学加工、电解磨削原理基础上发展起来的一项磨削 新技术。图1 - 1 为电解磨削原理图，图l 一2 为e l i d 磨削原理图。两者之间的主 要区别就是在电解磨削中的工件为阳极，而在e l i d 磨削中金属结合剂超硬磨料 砂轮为阳极。1 9 1 l 2 2 1 箨电亳占蛄挣i 剀1 - 1 电解磨削原理幽 图t - 2e l i d 磨削原理酗 如图1 2 所示，e l i d 磨削系统包括金属结合剂超硬磨料砂轮、电解修整脉 冲电源、电解修整电极( 阴极) 、电解液( 兼作磨削液) ，以及电刷和机床设备。 在磨削过程中，砂轮通过电刷与电源正极相接；安装在机床上的修整电极与电源 的负极相接，砂轮与电极之问浇注电解液。这样由电源、砂轮、电极、和电极与 第一章绪论 砂轮之间的电解液组成一个完整的电化学系统，可实现会属结合剂砂轮的在线电 解修整。 在e l i d 磨削过程中，金属基结合剂砂轮作为阳极，工具电极作阴极，在砂 轮外圆表面和电极的问隙中通过有电解能力的磨削液。在电源作用下，利用电解 过程中的阳极溶解效应，对砂轮表层的会属基体进行电解去除。由于磨粒不会被 电解而逐渐露出砂轮表面，从而形成对砂轮的修整作用。在电解修整过程中，由 于阳极反应砂轮表面的铁原子电离，磨料凸出，同时在砂轮表面形成一层有绝缘 作用的氧化膜，铸铁基砂轮表面氧化膜的主要成分是氢氧化铁和氢氧化亚铁。该 膜可以减缓和阻止进一步的电解，使电解速度降低，避免砂轮损耗过快。当砂轮 表面的磨料磨损后，出刃高度降低。同时由于工件材料的刮擦作用，使氧化膜变 薄，导电性恢复，金属基体咆解过程加快，使磨料出刃高度增加，氧化膜变厚。 l f 是由于这种非线性电解作用，可以使修整过程对磨削过程有一定的自适应能 力，砂轮表面会属基体的去除速度与磨料的消耗速度达到种动态平衡。最终使 碍砂轮表面结合剂基体不断被电解，耨的磨料不断地露出，以保证金属基砂轮在 磨削过程中的锐利性。同时，使得砂轮不会