精密和超精密磨削機(jī)理及磨削砂輪的選擇分析

馬博磊 李興華 郭孝祖

摘要：在現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)中，人們對(duì)部件結(jié)構(gòu)的精密度要求越來(lái)越高。因此，器件的精密與超精密加工成為了熱門的研究課題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，精密控制已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。而磨削砂輪的選擇則成為了限制精密與超精密加工發(fā)展的最大因素。在本文中，我們通過(guò)介紹精密與超精密加工的定義，分析了精密磨削加工的工作機(jī)理，并以此為基礎(chǔ)，研究了精密加工磨削砂輪選擇的方法。這些研究對(duì)精密和超精密磨削加工的發(fā)展應(yīng)用有很重要的意義，有很好的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：精密加工；磨削機(jī)理；磨削砂輪

引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多的工作儀器向超小型化和高精密度的方向發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)這些儀器的制造，首先需要生產(chǎn)極高精密度的工作部件。因此，精密與超精密的部件加工越來(lái)越受到人們的重視。

在機(jī)械加工中，磨削加工是比較常用的一種加工方式。由于現(xiàn)階段的磨削加工主要有機(jī)床完成，距離精密還有一定的距離。因此，展開(kāi)精密與超精密磨削加工的相關(guān)研究有很大的必要性。

本文擬通過(guò)分析精密與超精密磨削加工的特點(diǎn)和機(jī)理，研究探討磨削砂輪的選擇準(zhǔn)則和方法。

一、精密與超精密分析

上世紀(jì)六十年代，隨著核能、大規(guī)模集成電路等大量新興技術(shù)的發(fā)展，人們迫切需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)極高精密度部件加工的加工技術(shù)。精密與超精密加工由此產(chǎn)生。

精密與超精密加工技術(shù)誕生之后，很快在計(jì)算機(jī)、航空航天等諸多領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。隨著多年的發(fā)展，精密與超精密加工技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。目前，該加工技術(shù)的加工精密度已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)別，并在朝著更高的精密度級(jí)別發(fā)展。

由于精密與超精密加工在加工精密度上有比較高的要求，所以相比其它加工技術(shù)，其在控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等多個(gè)方面都有很大的變化。特別是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了微誤差精密加工的要求，也極大推動(dòng)了該類智能控制系統(tǒng)在其它加工領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于信息化時(shí)代的發(fā)展推動(dòng)也有很重要的意義。

二、精密磨削機(jī)理分析

磨削加工是現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛的一種切削加工方法。由于現(xiàn)代儀器對(duì)于高精密度部件的要求越來(lái)越迫切，所以精密與超精密磨削的研究也越來(lái)越熱門。而精密與超精密磨削的機(jī)理則主要分為微加工與連續(xù)加工兩方面。

2.1 器件結(jié)構(gòu)的微加工

微加工是精密與超精密磨削加工的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)中，人們一般會(huì)先選擇一個(gè)毛坯部件，再利用切削等技術(shù)手段，對(duì)其外部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行改變。精密與超精密磨削為了實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的加工要求，磨削厚度等甚至可能會(huì)小于器件晶粒的大小。這就要求磨具要有比較大的切削力。

同時(shí)，在磨削工作的過(guò)程中，磨具基本都處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。劇烈運(yùn)動(dòng)下與加工器件產(chǎn)生摩擦，會(huì)導(dǎo)致局部加工區(qū)域的溫度急劇上升。如果選擇的磨具不當(dāng)，很容易在高溫下發(fā)生形變，進(jìn)而影響到加工精密度。

從上述兩點(diǎn)分析，我們可以判斷要實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)的微加工，所選擇的磨具必須同時(shí)具有高硬度和耐高溫兩個(gè)特性。按照現(xiàn)有的模具材料篩選，我們認(rèn)為精密與超精密磨削加工的磨具材料應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇金剛石、立方氮化硼等材料。

2.2 連續(xù)性的精密磨削加工

連續(xù)加工是精密與超精密加工的另一個(gè)顯著特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)加工器件精密度的控制，精密磨削加工一般采用了“逐步逼近”的加工方法，即利用磨具等主次對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微加工。為了保證工作的準(zhǔn)確性，在逐步加工的過(guò)程中，一般不能中斷。這就要求精密磨削加工有比較高的連續(xù)性。

另外，在連續(xù)磨削加工的過(guò)程中，加工器件等在磨具的作用力下，會(huì)發(fā)生微小的彈性形變。在系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定之后，磨削的切入量才會(huì)與加工器件的尺寸減少量保存一致。在普通情況下，這種現(xiàn)象會(huì)被計(jì)算到正常誤差范圍內(nèi)。但是在精密與超精密加工中，這種誤差會(huì)極大地影響精密度。因此，在連續(xù)磨削加工的時(shí)候，需要預(yù)先將這一部分誤差量考慮進(jìn)去，并在加工的時(shí)候控制刀具合理處理這一部分工作量。所以，精密與超精密磨削加工對(duì)于刀具的把控性要求比較高。

三、磨削砂輪的選擇分析

在上文中我們分析到，精密與超精密加工所用磨具需要同時(shí)具有高硬度和耐高溫的特性。而在磨削加工連續(xù)工作狀態(tài)中，又需要比較高的刀具把控度。所以，磨削加工的砂輪在選擇準(zhǔn)則和方法上有一定的注意事項(xiàng)。

3.1 磨削砂輪選擇準(zhǔn)則

首先需要注意的是磨削砂輪的硬度選擇。模具需要高硬度是相對(duì)于加工器件而言，如果硬度比較低，無(wú)法滿足未加工切削的需求；如果硬度過(guò)高，會(huì)因?yàn)樯拜喤c加工器件的硬摩擦而留下擦傷等。所以，磨削砂輪的硬度選擇準(zhǔn)則是以加工器件的硬度為參考物?？紤]到需要精密加工的器件硬度一般都比較低，所以我們建議選擇中硬度的磨削砂輪。

為了滿足刀具高把控性的要求，磨削砂輪的粒度也是選擇的一項(xiàng)準(zhǔn)則。特別是為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磨削加工開(kāi)始時(shí)彈性形變產(chǎn)生誤差的補(bǔ)償，磨削砂輪要保持比較好的微刃。而具體的磨削砂輪粒度的粗細(xì)，則可以根據(jù)圖1進(jìn)行選擇，如下：

另外，磨削砂輪在工作的時(shí)候還涉及到修整的問(wèn)題。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出適用于金剛石等常用磨削砂輪材料的修整器，在此我們不進(jìn)行一一贅述。在實(shí)際工作中，工作者可根據(jù)自己的需求合理選擇。

3.2 磨削砂輪選擇方法

根據(jù)上文所述的磨削砂輪選擇的準(zhǔn)則，我們對(duì)磨削砂輪的選擇方法提出了如下的建議：

（1）確定加工器件的屬性；工作者首先要明確加工器件的加工精密度、硬度和晶粒大小，并以此為依據(jù)，選擇合適的精密加工機(jī)床等；

（2）根據(jù)加工器件的屬性，選擇磨料和磨削砂輪的硬度和粒度等；硬度選擇一般以中硬度為基準(zhǔn)，在合理范圍內(nèi)適當(dāng)提高。粒度則可以根據(jù)選擇參考圖進(jìn)行判別；

（3）適當(dāng)選擇修整器。由于目前使用的精密與超精密加工的模具砂輪基本都采用了金剛石等材料，而該材料的修整器應(yīng)用也比較廣泛。所以，我們建議在能夠滿足精密度等工作條件的要求下，優(yōu)先選擇金剛石作為磨料。

結(jié)束語(yǔ)

精密與超精密磨削加工將在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)為人們提供服務(wù)，在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)扮演重要的角色。本文通過(guò)分析精密與超精密磨削加工的特點(diǎn)，確定了磨削砂輪需要的高硬度、耐高溫的特性，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)其選擇方法等進(jìn)行了建議。這些研究對(duì)精密與超精密磨削加工的發(fā)展有很好的幫助。

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