超精密磨削加工技术详解

超精密磨削加工是指利用细粒度的磨粒或微粉磨料进行砂轮磨削、砂带磨削，以及研磨、珩磨和抛光等进行超精密加工的总称，是加工精度达到或高于0.1μm、表面粗糙度小于Ra 0.025μm的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展，是当前超精密加工的重要研究之一。

对于铜、铝及其合金等软金属，利用金刚石刀具进行超精密车削是十分有效的；而对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨削加工在当前是最主要的精密加工手段。

精密磨削，超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。

1.超精密磨削砂轮

在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料（CBN），硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮。用超硬磨料制成的砂轮、砂带如图2-71、图2-72所示。超硬磨料磨具适用于超精密磨削，其特点有以下几方面。①磨料本身磨损少，可较长时间地保持锋利，磨具修整次数少，耐用度和寿命长；②磨具在尺寸和形状上保持性好，磨削精度高；③磨削时一般工件温度较低，因此可以减小内应力、裂纹、烧伤等缺陷；④超硬磨料磨具价格较贵，修整比较困难，但由于使用寿命长，使得在性能价格比上仍占有优势；⑤超硬磨料磨具能加工各种硬脆材料，如磨削陶瓷、光学玻璃、宝石、硬质合金、铜合金，耐热钢、不锈钢等难加工材料，应用十分广泛。

图2-71　超硬磨料砂轮

1—磨料层；2—过渡层；3—机体

图2-72　超硬磨料砂带

1—磨粒；2，3—结合剂；4—黏结膜；5—基底

超硬磨料砂轮通常采用如下几种结合剂形式。

1）树脂结合剂。树脂结合剂砂轮能够保持良好的锋利性，可加工出较好的工件表面，但耐磨性差，磨粒的保持力小，主要用于磨削硬质合金，也可用于磨削表面质量要求较高或较难加工的非金属硬脆材料，如金属陶瓷等难磨材料。

2）金属结合剂。金属结合剂砂轮有很好的耐磨性，磨粒保持力大，形状保持性好、磨削性能好，但自锐性差，砂轮修整困难。常用的结合剂材料有青铜、电镀金属和铸铁纤维等。用金刚石砂轮磨削石材、玻璃、陶瓷等材料时，选择金属结合剂，砂轮的锋利性和寿命都好。

3）陶瓷结合剂。它是以硅酸钠作为主要成分的玻璃质结合剂，具有化学稳定性高、耐热、耐酸碱功能，脆性较大，适合于高速、高效、高精密磨削。CBN砂轮一般用树脂结合剂和陶瓷结合剂。

2.超精密磨削砂轮的修整

超精密磨削获得极低的表面粗糙度，主要是通过精细修整，使砂轮得到大量的、等高性很好的微刃，利用微刃进行微量切削，从工件表面上切除极微薄的、尚具有一些微量缺陷和微量形状、尺寸误差的余量，并通过磨粒对工件的摩擦抛光、研磨作用进一步细化工件表面，从而得到高质量的磨削表面。(www.xing528.com)

砂轮的修整包括整形和修锐两部分，整形是使砂轮达到一定精度要求的几何形状，修锐是去除结合剂，使磨粒突出结合剂一定高度，形成足够的切削刃和容屑空间。对于密实型无气孔的金刚石砂轮，如金属结合剂金刚石砂轮，一般在整形后还必须修锐；有气孔型陶瓷结合剂金刚石砂轮在整形后即可使用。砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的一个技术难题，它直接影响被磨工件的加工质量、生产效率和生产成本。超硬磨料砂轮，如金刚石和立方氮化硼，都比较坚硬，很难用别的磨料磨削以形成新的切削刃，故通过去除磨粒间的结合剂方法，使磨粒突出结合剂一定高度，形成新的磨粒。超硬磨料砂轮修整的方法很多，可归纳为以下几类。

1）车削法。用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮以达到修整目的。这种方法的修整精度和效率都比较高；但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低，同时修整成本也高。

2）磨削法。用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对磨修整。这种方法的效率和质量都较好，是目前较常用的修整方法，但普通砂轮的磨损消耗量较大。

3）喷射法。将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到转动的砂轮表面，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒突出，这种方法主要用于修锐。

4）电解在线修锐法。是由日本大森整等人在1987年推出的超硬磨料砂轮修锐新方法。主要用于铸铁纤维为结合剂的金刚石砂轮，电解法修整如图2-73所示，将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极接电源负极，在砂轮与电极之间通以电解液，通过电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，从而达到修锐效果。在这种电解修锐过程中，被腐蚀的砂轮铸铁结合剂表面逐渐形成钝化膜，这种不导电的钝化膜将阻止电解的进一步进行，只有当突出的磨粒磨损后，钝化膜被破坏，电解修锐作用才会继续进行，这样可使金刚石砂轮能够保持长时间的切削能力。

5）电火花修整法。如图2-74所示，将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器（石墨电极），其原理是电火花放电加工。这种方法适用于各种金属结合剂砂轮，既可整形又可修锐，效率较高；若在结合剂中加入石墨粉，也可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮的修整。

图2-73　在线电解修锐法原理图

1—工件；2—磨削液；3—电极；4—电解液；5—电刷

图2-74　电火花修整法

1—工作台；2—绝缘体；3—被修整砂轮；4—电刷；5—石墨电极

3.磨削速度和磨削液

金刚石砂轮磨削速度一般不能很高，其磨削速度为12～30 m/s。如果磨削速度太低，单颗磨粒的切削厚度过大，工件表面粗糙度将增加，同时也会使金刚石砂轮磨损加快；如果磨削速度过高，工件表面粗糙度将有所降低，但磨削温度将随之升高，因为金刚石的热稳定性仅为700～800℃，磨削温度的上升将使金刚石砂轮磨损加快。所以，应根据具体情况选择合适磨削速度，一般陶瓷结合剂、树脂结合剂的金刚石砂轮其磨削速度可选高些，金属结合剂的金刚石砂轮磨削速度可选低些。而立方氮化硼砂轮的磨削速度可比金刚石砂轮高得多，可达80～100 m/s，主要是因为立方氮化硼磨料的热稳定性好。

超硬磨料砂轮磨削时，磨削液的使用与否对砂轮的寿命影响很大，如树脂结合剂超硬磨料砂轮湿磨可比干磨提高砂轮寿命40%左右。磨削液除了具有润滑、冷却、清洗功能之外，还有渗透性、防锈、提高切削性功能。磨削液可分为油性液和水溶性液两大类，油性液主要成分是矿物油，其润滑性能好，主要有全损耗系统用油（机油）、煤油、轻质柴油等；水溶性液主要成分是水，其冷却性能好，主要有乳化液、无机盐水溶液、化学合成液等。

磨削液的使用应视具体情况合理选择。金刚石砂轮磨削硬质合金时，普遍采用煤油，而不宜采用乳化液；树脂结合剂砂轮不宜使用苏打水。立方氮化硼砂轮磨削时宜采用油性的磨削液，一般不用水溶性液，因为在高温状态下，立方氮化硼砂轮与水会起化学反应（水解作用），使砂轮磨损加剧，当不得不使用水溶性磨削液时，可加极压添加剂，以减弱水解作用。