大尺寸氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌超精研拋工藝研究

劉 劍，蔡黎明，成賢鍇，顧國剛，于 涌*

(1.長春理工大學(xué)，吉林 長春 130022；2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；3.中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163)

1 引 言

導(dǎo)軌是機床的重要部件之一，是機床的裝配基礎(chǔ)，也是機床運動的精度基礎(chǔ)，機床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機床導(dǎo)軌的質(zhì)量[1]。結(jié)構(gòu)陶瓷是近代發(fā)展起來的新型材料，在高科技領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，因其高硬度、高耐磨性、耐腐蝕性等優(yōu)異性能，逐漸開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料應(yīng)用于機床導(dǎo)軌副中[2]。然而也正因為陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性，以現(xiàn)有的加工條件及手段想要獲得高精度的大行程陶瓷導(dǎo)軌副，工藝極為復(fù)雜[3-7]。

清華大學(xué)信迎春研究了大尺寸、高精度陶瓷導(dǎo)軌制備的工藝方法[8]，天津大學(xué)張方陽做了高純度氧化鋁陶瓷凹球面精密磨削的研究[9]。湖南大學(xué)謝桂枝、尚振濤等人建立了工程陶瓷高速深磨磨削的力學(xué)模型[10-12]，為氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌的粗加工提供了理論基礎(chǔ)。德國切削物理學(xué)家薩羅蒙提出的超高速磨削機理，大幅度提高了機床生產(chǎn)效率，并得到了很高的加工質(zhì)量[13-17]。湖南大學(xué)郭力[18]采用超高速磨削方法，得到了0.72 μm的粗糙度。浙江工業(yè)大學(xué)紀宏波等人，對氧化鋯陶瓷平面零件的超精密研磨做了相關(guān)實驗[5]，在一定的加工范圍內(nèi)得到了6.55 nm的超光滑表面。超高速磨削加工方法效率高，但是對設(shè)備本身的要求較高。近年來，出現(xiàn)了半硬半軟的聚氨酯、瀝青等拋光工具，兼?zhèn)溲心ズ蛼伖庾饔?研磨和拋光的復(fù)合加工稱之為研拋)。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所陳琦等人[19-20]，提出了一種氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌的超精密加工方法，并得到了0.6 μm的面型精度，但沒有對氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌的研磨拋光工藝進行詳細的研究。

本文通過研究氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌超精密研拋的工藝過程發(fā)現(xiàn)，氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌表面面型研磨拋光效率與研磨壓力、研磨轉(zhuǎn)速及磨料的添加間隔有關(guān)。因此總結(jié)出一套適用于類似導(dǎo)軌的研磨拋光工藝。本文工作對提高工作效率，降低成本具有重要意義。

2 研拋裝置

由于氧化鋁陶瓷莫氏硬度為9.5，屬高耐磨材料，被研表面的材質(zhì)密度及表面硬度或多或少存在一定的差異，通過傳統(tǒng)的機械研磨和光學(xué)精密拋光后，導(dǎo)軌面上可能會存在局部凸點區(qū)域和拐點區(qū)域，傳統(tǒng)的研磨拋光工藝很難對這些區(qū)域進行加工。本文所用的氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌的樣件尺寸為700 mm×260 mm×200 mm，研拋設(shè)備為自行研制的數(shù)控超精密研磨拋光機。研磨拋光機采用的是平面研磨方式，設(shè)備外形如圖1所示。

圖1 數(shù)控超精密研磨拋光機Fig.1 Computerized Numerical Control(CNC) grinding and polishing machine with ultra precision

其核心部件研磨拋光頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，研磨拋光頭安裝在Z向位移平臺上，研磨拋光頭處的研盤可以根據(jù)不同工藝需要，選取不同大小及重量。

圖2 超精密研磨拋光機主軸結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of spindle for grinding and polishing machine with ultra-precision

力矩電機定子固定在主軸外殼上，電機轉(zhuǎn)子通過電機轉(zhuǎn)子端蓋與電機輸出軸固定。電缸伸縮軸的上部與電機輸出軸由花鍵連接，即能傳遞扭矩又能實現(xiàn)軸向移動。電缸伸縮軸的下部與電機輸出軸有較小的間隙配合，保證有較好的定位和回轉(zhuǎn)精度。電缸伸縮軸設(shè)有限位槽，圓銷穿過夾持主軸，通過過盈配合固定在夾持主軸上，圓銷能在限位槽上滑動，實現(xiàn)夾持主軸在電缸伸縮軸內(nèi)進行有限的軸向移動。圓銷在限位槽的作用下，受到一對力耦。電缸伸縮軸通過該力偶將扭矩傳遞到夾持主軸，通過調(diào)節(jié)主軸高度，可以得到不同的研磨拋光壓力。彈簧套在夾持主軸上，一端是電缸伸縮軸，一端是夾持主軸，開始時處于壓縮狀態(tài)。圓銷壓在限位槽的下端。當(dāng)電缸伸縮軸向下移動時，夾持主軸也跟隨往下移動。當(dāng)研具碰到工件時，外力使彈簧縮短，夾持主軸相對于伸縮主軸往回運動，從而實現(xiàn)了研具與工件的緩沖接觸，避免研具將工件面形磕傷。

半精研和精研時以濕法、半濕法研磨為主，因此研具材料采用瀝青。瀝青研磨盤結(jié)構(gòu)如圖3所示，研磨盤端面開有寬5 mm，間距30 mm，交叉角60°溝槽。此結(jié)構(gòu)便于存儲多余的研磨料，并可以增加切削力；可防止研磨劑的堆積，避免工件塌邊；可以及時排除產(chǎn)生的切屑，避免劃傷工件，有助于散熱。由于工件材料為氧化鋁陶瓷，莫氏硬度為9.5，因此磨料采用超硬磨料，粗研時采用碳化硼以降低成本，精研時采用金剛砂。

圖3 瀝青研具Fig.3 Grinding tool with asphalt

3 研拋過程及檢測

整個氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌分為研磨階段、拋光及超精密研磨拋光階段。

在研磨階段，采用鑄鐵研磨平板自由研磨，磨料采用碳化硼。當(dāng)平面度達到2 μm以后，進入超精密研拋加工，拋光工具采用直徑為200 mm的瀝青拋光盤；拋光運動軌跡為覆蓋整個導(dǎo)軌面的擺線軌跡；磨料依次采用W10～5的金剛石微粉；超精研拋線速度選擇40～60 m/min(主軸轉(zhuǎn)速為95 r/min)；超精研拋壓力取0.01～0.06 MPa；冷卻潤滑液為純水。

本文中所用的氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌樣件尺寸為700 mm×260 mm×200 mm，目標(biāo)平面度為0.3 μm，超出傳統(tǒng)檢測手段，因此本文采用光學(xué)干涉條紋檢測方案，配合研磨拋光機進行加工。前期檢測采用檢測平晶進行，如圖4所示，平晶外形尺寸為220 mm×30 mm，材料為K9。

圖4 干涉條紋示意Fig.4 Schematic of interference fringes for the test

經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，影響氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌研磨效率的因素主要有壓力、線速度及研磨料。超精密研拋階段，為了定量分析，用每小時減少的條紋數(shù)量表征研拋效率(n/h)。

3.1 研拋壓力對研拋效率的影響

當(dāng)電缸伸縮軸在電缸作用下，進行軸向移動時，彈簧隨之發(fā)生變形，夾持主軸受到向下的力增大，研磨拋光工具對工件的壓力也增大了，實現(xiàn)了主動壓力調(diào)節(jié)。經(jīng)過計算選取了20、30、40、50、60、70、80 N等不同壓力下的條紋減少速度。

研拋壓力與研拋效率的關(guān)系如圖5所示，開始時研拋效率隨著研拋壓力的增加而增大，但當(dāng)壓力大于40 N，研拋效率即條紋數(shù)量減少的速度降低了。分析其原因：(1)主要是當(dāng)研拋壓力過大時，金剛石微粉因其脆性特質(zhì)，由大的顆粒轉(zhuǎn)為小的顆粒，造成研拋效率降低；(2)由于壓力過大，冷卻潤滑液無法完全浸潤整個研磨平面，導(dǎo)致研拋效率降低。

圖5 研拋壓力與研拋效率的關(guān)系Fig.5 Relationship between grinding efficiency and grinding pressure

3.2 主軸轉(zhuǎn)速對研拋效率的影響

控制力矩電機輸出轉(zhuǎn)速，分別在不同主軸轉(zhuǎn)速下觀察條紋減少速度。研拋轉(zhuǎn)速與研拋效率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 主軸轉(zhuǎn)速與研拋效率的關(guān)系Fig.6 Relationship between grinding efficiency and grinding speed

可見，有一個最佳線速度43.9 m/min(主軸轉(zhuǎn)速70 r/min)左右，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高于200 r/min，研拋效率明顯下降，分析其原因：

(1)主軸轉(zhuǎn)速過低：10～40 r/min，磨料與氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌之間相對速度較低，沒有形成有效的磨削。

(2)主軸轉(zhuǎn)速過高：研拋盤上產(chǎn)生較大的離心力，冷卻潤滑劑無法繼續(xù)附著在研拋盤上，金剛石微粉也只能處于研拋盤的邊緣，使作用面變窄，導(dǎo)致研拋效率降低。

3.3 磨料添加間隔對研拋效率的影響

整個研拋過程中，磨料隨著時間變細，導(dǎo)致研拋效率逐漸降低，因此需要及時補充磨料。磨料(金剛石微粉)事先與純凈水混合以作為研磨液，研磨液對材料去除速率的提高和表面質(zhì)量的改善具有促進作用[21]，在研拋盤運動軌跡上預(yù)先添加一些研磨液。

磨料的添加周期及添加量對研拋效率的影響如圖7所示，可見磨料的作用時間存在一個最大值，當(dāng)超過120 min以后，原先的磨料顆粒由于擠壓、碰撞已經(jīng)變小，無法起到加工作用。

圖7 磨料添加間隔與研拋效率的關(guān)系Fig.7 Relationship between grinding efficiency and abrasive added interval

此外磨料添加量也存在一個最佳值，當(dāng)超過該值以后，多余的磨料會在離心力作用下飛散到邊緣，造成研拋效率下降。

4 工藝試驗

利用Zygo GPI 18″平面干涉儀檢測同一根導(dǎo)軌的兩個面型，圖8(a)為700 mm×200 mm區(qū)域的面型精度(X、Y坐標(biāo)值均為像素)，圖8(b)為采用傳統(tǒng)工藝參數(shù)(拋光壓力為20 N；研拋主軸轉(zhuǎn)速為210 r/min；研磨劑的添加時間為20 min)加工1 h后獲得的面型精度，PV值從0.96λ降低至0.92λ，同時RMS由0.122λ變成0.133λ。

圖8 傳統(tǒng)工藝參數(shù)磨削效果Fig.8 Results with traditional grinding process

利用研磨拋光機，將研拋壓力控制在40 N；研拋主軸轉(zhuǎn)速為43.9 m/min；研磨劑的添加時間為30 min，導(dǎo)軌拋亮后，即利用干涉儀檢查面型，并用干涉儀數(shù)據(jù)指導(dǎo)研拋路線，對局部凹、凸面進行針對性加工，避免過度研拋，以提高整個導(dǎo)軌的平面度，而保證導(dǎo)軌平行度的難點則在于工件的裝夾設(shè)計。圖9(a)為700 mm×260 mm范圍內(nèi)的面型精度(X、Y坐標(biāo)值均為像素)，圖9(b)為采用本文工藝參數(shù)加工1 h后獲得的面型精度，PV值從0.86λ降低至0.6λ，RMS值從0.107降低到0.079。相比圖8的結(jié)果，本套工藝參數(shù)能在同樣時間內(nèi)獲得更好的局部面形精度。鄭州大學(xué)鄭錦華等人發(fā)現(xiàn)研磨拋光表面會有微孔織構(gòu)的形成[22]，本文限于條件，將在下一階段繼續(xù)深入研究分析拋光表面的微裂紋情況。

圖9 新型工藝參數(shù)磨削效果Fig.9 Results with new grinding process

5 結(jié) 論

針對本文提到的大面積氧化鋁陶瓷導(dǎo)軌面，通過分析研拋效率得出結(jié)論：

(1)采用專用的研拋主軸結(jié)合研磨拋光機的XY工作臺，可以取代原先人工研磨的方式獲得較高的面型精度，降低了工作強度，提高了研拋效率。

(2)根據(jù)不同研拋參數(shù)下的試驗結(jié)果，總結(jié)出了一套工藝參數(shù)：研拋壓力為40 N；研拋線速度45 m/min；研磨劑的添加時間為30 min。此套工藝方法較傳統(tǒng)研磨拋光加工在同樣時間內(nèi)可以達到更高的面型精度。