超精密磨削加工：纳米级精度的实现

对于铜、铝及其合金等软金属，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。磨削加工可分为砂轮磨削、砂带磨削，以及研磨、珩磨和抛光等加工方法，这里仅介绍超精密砂轮磨削加工。

超精密磨削是指加工精度达到或高于0.1μm、表面粗糙度Ra低于0.025μm的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展。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，因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮有较强的磨削能力和较高的磨削效率，在加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金时有较大的优势。由于金刚石易于与铁族元素产生化学反应和亲和作用，故对于硬而韧、高温硬度高、热导率低的钢铁材料，则用立方氮化硼砂轮磨削较好。立方氮化硼比金刚石有较好的热稳定性和较强的化学惰性，其热稳定性可达1 250～1 350℃，而金刚石磨料只有700～800℃，虽然当前立方氮化硼磨料的应用不如金刚石磨料广，且价格也比较贵，但它是一种很有发展前途的磨具磨料。

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。

（2）金属结合剂。该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。

（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。

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；对于硬质合金和金属陶瓷等难磨材料，选用树脂结合剂，具有较好的自锐性。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

砂轮的修整直接影响被磨工件的加工质量、生产效率和生产成本。砂轮修整通常包括修形和修锐两个过程。所谓修形，是使砂轮达到一定精度要求的几何形状；修锐是去除磨粒间的结合剂，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。普通砂轮的修形与修锐一般是同步进行的，而超硬磨料砂轮的修形和修锐一般是分为先后两步进行。修形要求砂轮有精确的几何形状，修锐要求砂轮有好的磨削性能。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，常通过去除磨粒间结合剂的方法，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：(www.xing528.com)

（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，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。普通砂轮磨料如碳化硅、刚玉等磨粒被破碎，对超硬磨料砂轮结合剂起到切削作用，失去结合剂后磨粒就会脱落，从而达到修整的目的。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。

图10-11　在线电解修锐法原理图

（4）电解在线修锐法（Electrolytic inprocess dressing，ELID）。ELID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。该法用于以铸铁纤维为结合剂的金刚石砂轮，应用电解加工原理完成砂轮的修锐过程。如图10-11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。

此外，尚有电火花修整法、超声波修整法、激光修整法等，有待进一步研究开发。

3）磨削速度和磨削液

金刚石砂轮的磨削速度一般不能很高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为12～30m／s。磨削速度太低，单颗磨粒的切屑厚度过大，不但使工件表面粗糙度值增加，而且也使金刚石砂轮磨损增加；磨削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削温度将随之升高，而金刚石的热稳定性只有700～800℃，因此金刚石砂轮的磨损也会增加。所以，应根据具体情况选择合适的磨削速度，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。

立方氮化硼砂轮的磨削速度可比金刚石砂轮高得多，可达80～100m／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、提高切削性等功能。磨削液被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；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，CBN砂轮与水会起化学反应，称为水解作用，会加剧砂轮磨损。若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。