超精密磨粒加工新發(fā)展及應(yīng)用

莊召鵬

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和新材料的不斷出現(xiàn)，人們對零件加工的精度及表面質(zhì)量要求越來越高。磨削技術(shù)一直是一種精密超精密加工方法，近年來精密超精密磨削技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的磨削方法和應(yīng)用。文章圍繞超精密磨粒加工技術(shù)最新發(fā)展及應(yīng)用，分別介紹了在超精密磨削裝備、固結(jié)磨粒的超精密磨削和自由磨粒精密超精密磨削方面相關(guān)技術(shù)新的發(fā)展情況。并在此基礎(chǔ)上對超精密磨粒加工的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：精密超精密;磨粒加工;超精密磨削;超精密磨削裝備

0 ?引言

加工精度一直是機(jī)械加工永恒追求的目標(biāo)，人們通常把加工精度比較高的加工稱之為精密超精密加工，目前階段加工精度0.1-1μm， 表面質(zhì)量Ra0.04-0.16μm的加工稱之為精密加工;加工精度<0.1μm， 表面質(zhì)量Ra<0.1μm的加工稱之為超精密加工[1]。通過精密超精密加工提高制造精度可以使裝備體積更小、性能更加可靠、工能更強(qiáng)大和能耗更小，從而提高了人們探索微觀世界的能力。隨著精密超精密技術(shù)的發(fā)展和普及，目前在國防工業(yè)、航空航天工業(yè)、計(jì)算機(jī)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程以及家用電器等領(lǐng)域都可以見到精密超精密加工的應(yīng)用[2]。磨削加工方法由于具有容易實(shí)現(xiàn)微小切深的特點(diǎn)，一直是傳統(tǒng)的精密超精密加工的主要方法之一，近年來隨著超硬磨料的應(yīng)用，磨削技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展，在精密超精密領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的磨削方法，大大的推進(jìn)了磨削在超精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。

精密超精密磨粒加工包括了固結(jié)磨粒的磨削加工和自由游離磨粒的研磨拋光。固結(jié)磨料精密磨削分為普通磨料磨削和超硬磨料磨削。普通固結(jié)磨料精密磨削是采用微修整和微切深對其進(jìn)行精細(xì)修整，使具有等高微刃的普通磨料砂輪加工工件，使工件表面粗糙度值變小并提高精度。由于這種磨削方式需要不斷對普通磨料砂輪進(jìn)行修整，且容易出現(xiàn)誤差[4-5]，人們開始尋求較難磨損的超硬磨料加工方法。超硬磨料精密超精密磨削是利用它高的硬度、耐磨性和晶粒棱角鋒利的特點(diǎn)，采用微細(xì)修整技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其精密超精密磨削[6-7]。在自由磨粒精密超精密加工方面，常見的有傳統(tǒng)的散粒磨料研磨，研磨、珩磨等技術(shù)在上世紀(jì)20年代就開始應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)，后來由于他的許多優(yōu)點(diǎn)，被推廣應(yīng)用于船舶，軸承，軍工等精密加工領(lǐng)域[8]。近年來也發(fā)展了許多先進(jìn)的拋光技術(shù)，先進(jìn)的自由磨粒超精密拋光方法有磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械和電復(fù)合等拋光、磨粒流噴射表面光整加工拋光、復(fù)合磨粒的超精密拋光、等離子體輔助磨粒拋光、力流變拋光技術(shù)等。

1 ?超精密磨粒加工裝備

超精密磨削加工過程中，由于加工精度非常高，一般在加工精度<0.1μm、加工表面質(zhì)量 Ra<0.025μm范圍，加工質(zhì)量容易受到機(jī)床剛性、振動、熱變形等因素影響，因此超精密磨粒加工裝備的研究對超精密磨粒加工方法的發(fā)展至關(guān)重要[9]。在超精密磨削裝備方面，歐美發(fā)展比較早，已經(jīng)形成了技術(shù)研究和裝備制造配套完整的技術(shù)鏈[10]。超硬精密磨削機(jī)床是英國CUPE公司最早研究的，該公司研制生產(chǎn)的OAGM超精密磨削機(jī)床到目前為止都是最大的，它主要用來對光學(xué)玻璃等硬脆材料的超精密磨削，它2.5m的大工作空間需要床子本身具有較高剛度，尺寸精度以及很強(qiáng)的振動衰減能力，代表了超精密磨床的較高水平;由于光電設(shè)備等普及，日本的超精密磨削設(shè)備也得到了發(fā)展，日本的東芝、日立和日本大阪大學(xué)等都對超精密磨削加工技術(shù)進(jìn)行研究，ANN10磨床是由日本豐田工機(jī)研制的，在加工直徑為100mm的基礎(chǔ)上加工精度可達(dá)納米。它的AHN60-3D型號最大可加工工件直徑為600mm，最高截形精度可達(dá)0.35μm，加工精度極高[11-12]。超精密磨削設(shè)備較為復(fù)雜，同時對加工環(huán)境等要求也比較高，加工條件難達(dá)到。國內(nèi)在超精密加工方面研究起步晚，與國外存在明顯的差距，目前有能力開發(fā)超精密裝備的廠家不多，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的亞微米級超精密機(jī)床，是利用電壓陶瓷的亞微米級進(jìn)給裝置，實(shí)現(xiàn)超精密加工的。哈工大研制的此機(jī)床主要用于研究脆硬材料微細(xì)去除、刀具磨損等，目前還沒有用于實(shí)際生產(chǎn)加工。FSG數(shù)字加工中心系列是由長春光機(jī)所研究的，它集合銑研拋磨檢測等功能，有集成化特點(diǎn)與優(yōu)勢，由于采用智能化方式加工，可以減少裝夾誤差、提高加工精度和增大加工柔性。隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的發(fā)展，中國科學(xué)院光電技術(shù)已經(jīng)研制出了集計(jì)算機(jī)與加工機(jī)床于一體的數(shù)控設(shè)備CCOM1600和CCAL1600，它把金剛石砂輪傾斜單刃非球面成形的粗磨和精磨，包括各種方法的拋光組合在一起，實(shí)現(xiàn)多功能方法的綜合與交叉，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無偏心取80%口徑擬合殘差為pv=0.75微米，rms=0.32微米，其盤的能動變形精度rsm=2微米，重復(fù)精度rms=1微米以內(nèi)，高于國外相關(guān)文獻(xiàn)中應(yīng)力盤控制變形為rsm=4的精度[13-15]。

2 ?超精密磨削方法

2.1 普通精密磨削

普通磨料精密磨削是最早的精密磨削方法，屬于精密磨削，其加工精度范圍在0.1-1μm之間， 表面質(zhì)量為Ra0.04-0.16μm之間，主要應(yīng)用于早期機(jī)床主軸、軸承、液壓滑閥、滾動導(dǎo)軌、量規(guī)等的加工。其工作原理如圖1所示：通過對普通磨料砂輪的微細(xì)修整，使砂輪工作表面形成等高的微細(xì)磨削刃，在微小的進(jìn)刀量下完成對工件的精密加工。磨削過程中砂輪對工件有三方面的作用：鋒利微刃的微切削作用;半鈍化微刃的等高切削作用;鈍化微刃的滑擠、摩擦、拋光作用。然后通過適當(dāng)?shù)奈⑿∵M(jìn)給量最終獲得精密超精密加工表面。由于其加工成本低，技術(shù)成熟，目前仍然被廣發(fā)應(yīng)用。其局限性有：只能加工普通硬度材料，進(jìn)刀量小，加工效率低等[16]。

2.2 ELID磨削

隨著超硬材料的發(fā)展以及人們對超硬材料零件的精度要求越來越高，超硬磨料的超精密磨削技術(shù)被越來越多的科研工作者研究。目前超硬磨料超精密磨削方法主要是在線電解修整超精密磨削（ELID），該方法是由日本大森（H.Ohmori）教授提出的[17-19]。ELID在線電解修整超精密磨削屬于超硬磨料超精密磨削的加工方法，此方法采用可以導(dǎo)電的金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪，利用電解技術(shù)對超硬磨料砂輪的金屬結(jié)合劑進(jìn)行在線修銳及修整，主要應(yīng)用于硅片陶瓷或其他硬脆材料的超精密磨削。如圖2所示，它采用砂輪作為陽極，構(gòu)造電解液回路，利用電解過程陽極溶解原理，達(dá)到對砂輪在線修銳和等高性修整目的，從而實(shí)現(xiàn)超精密磨削加工，其工件表面質(zhì)量最高可以達(dá)到鏡面加工水平[20]。ELID在線電解磨削是一種金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的磨削方法，它保證了砂輪金剛石磨粒的裸漏高度，大大減少了先進(jìn)陶瓷零配件的表面殘留微裂紋，實(shí)現(xiàn)對難磨材料超精密加工[21]。其不足之處是其設(shè)備復(fù)雜，需使用導(dǎo)電結(jié)合劑的超硬磨料砂輪，且在砂輪速度達(dá)到一定值時電解液回路難以實(shí)現(xiàn)等。目前對ELID氧化膜的成膜機(jī)理及其有效控制方面仍有待進(jìn)一步深入研究。

2.3 磁流變拋光

20世紀(jì)90年代初，美國Rochester大學(xué)光學(xué)加工中心結(jié)合電磁學(xué)、流體力學(xué)、分析化學(xué)等理論將磁流變液應(yīng)用到機(jī)械精密超精密加工過程， 提出了磁流變光整加工技術(shù)（MRF），從而開辟了異形形面光學(xué)零部件或超精密模芯加工的新途徑。MRF是利用帶有磁性的液體在磁場中的特性對脆硬材料進(jìn)行拋光。MRF具有加工力學(xué)性能良好，易于通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的特點(diǎn)[22-23]，近年來廣泛應(yīng)用于對手持設(shè)備等集成電路的單晶SiC的加工。圖3是一種永磁體磁流變拋光技術(shù)，其原理是通過含有穩(wěn)定懸浮的帶有磁性顆粒的液體（一般有水基或者油基），在具有梯度的磁場中產(chǎn)生流變效應(yīng)，這種流變效應(yīng)是指磁流變拋光液在拋光區(qū)域的梯度磁場作用下瞬間變成賓漢流體，并附著在拋光輪上形成拋光膜，從而對工件材料進(jìn)行去除[24]。工件與拋光輪全程不接觸，只利用磁流變拋光液對工件材料進(jìn)行去除，其加工的工件表面粗糙度可達(dá)0.3-1nm，工件面型精度可達(dá)0.05微米。

2.4 化學(xué)、電機(jī)械復(fù)合拋光

在超精密拋光加工結(jié)合超精密特種加工方面，眾多學(xué)者都做了比較深入的研究，其中最廣泛應(yīng)用的方法之一是化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）和電解機(jī)械復(fù)合拋光。

圖4為化學(xué)機(jī)械拋光的原理，工件與拋光墊在化學(xué)拋光液中進(jìn)行具有一定壓力的相對運(yùn)動，在此過程中化學(xué)拋光液會與工件加工表面發(fā)生反應(yīng)，形成較為容易去除的軟質(zhì)層，軟質(zhì)層容易被拋光墊機(jī)械去除[25-28]。其特點(diǎn)主要是能夠獲得平坦低損傷、無劃痕和雜質(zhì)玷污的加工表面。CMP大量應(yīng)用于單晶硅、銅等材料的低損傷加工。目前在硬脆材料加工中得到了很好的應(yīng)用，如 YASUNAGA等人致力于化學(xué)機(jī)械拋光的研究，他們用二氧化硅拋光藍(lán)寶石等，研究結(jié)果顯示其工件表面Ra值可達(dá)1nm[29]。

電解機(jī)械復(fù)合拋光是利用電解與機(jī)械拋光相結(jié)合的技術(shù)，其加工原理如圖5所示，工件與電源陽極相連，拋光盤與電源負(fù)極相連，接通電源后，工件和拋光盤在一定電解液中以一定的速度和壓力相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)材料的去除[30]。此方法利用工件表面的電化學(xué)反應(yīng)，使工件表面形成一層鈍化膜，鈍化膜硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工件本身材料，且鈍化膜阻止了金屬的進(jìn)一步溶解，從而實(shí)現(xiàn)超精密電負(fù)荷拋光[31]。采用此技術(shù)對可導(dǎo)電的難加工材料拋光，可取的拋光表面質(zhì)量好模具磨損小、工序少、加工效率高、成本低等效果。北京航空制造工程研究所成功使用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對長5m的內(nèi)徑20-40mm的不銹鋼管內(nèi)壁進(jìn)行了內(nèi)壁光整加工，并將該技術(shù)運(yùn)用于生產(chǎn)[32]。

2.5 磨粒流噴射表面光整加工技術(shù)

彈性發(fā)射技術(shù)（EEM）是由TSUWA等首先提出，其材料去除可達(dá)原子級，EEM技術(shù)的原理是把工件浸入拋光液中，使拋光液中的納米級自由磨粒高速旋轉(zhuǎn)作用于工件，實(shí)現(xiàn)材料原子級去除[33]。蔡光啟、李長河等人基于彈性發(fā)射技術(shù)原理研究出一種磨粒流噴射表面光整加工技術(shù)。如圖6所示，磨粒流噴射表面光整加工技術(shù)是通過對磨粒流束邊界約束，并利用砂輪的旋轉(zhuǎn)帶動磨粒流，使磨粒噴射光整加工工件表面。這種方法先利用砂輪磨削再利用此砂輪帶動磨粒進(jìn)行噴射光整加工，使磨削和表面光整加工技術(shù)連續(xù)進(jìn)行，省去了重新裝夾換工位等時間，提高了效率，光整表面粗糙度達(dá)Ra0.15-0.16um，用于工件表面的光整加工[34-36]。

2.6 復(fù)合磨粒拋光技術(shù)

Hiroyuki Yano等采發(fā)展了一種復(fù)合磨粒的拋光技術(shù)，如圖7所示，用Resin/Al2O3核殼復(fù)合型磨粒對鋁等低k材料進(jìn)行拋光，獲得良好的拋光效果。Lu Y等用BG/SiO2核殼型復(fù)合磨粒對硅片進(jìn)行拋光，提高材料去除率的同時降低表面波紋度提高表面質(zhì)量[37]。

與傳統(tǒng)的拋光技術(shù)相比復(fù)合磨粒加工技術(shù)利用納米粒子技術(shù)合成出具有特定結(jié)構(gòu)或物理化學(xué)性質(zhì)的新型粒子，然后使用這種新型粒子進(jìn)行拋光加工的新型技術(shù)。復(fù)合磨粒按照結(jié)構(gòu)可以分為核殼型和摻雜型。其中核殼型復(fù)合磨粒是利用粒徑較大的粒子為核，粒徑小的粒子包覆其周圍組成殼，形成具有殼核包覆結(jié)構(gòu)的粒子[38];摻雜型復(fù)合磨粒是將Fe、Zr、Ti、Sn等元素通過物理或者化學(xué)的方法摻入硬質(zhì)磨粒，改變其表面化學(xué)性能或者表面活性[39]。這種復(fù)合磨粒加工技術(shù)可以提高拋光速率、提高工件表面精度與質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[40]。

2.7 等離子體輔助磨粒拋光（PaP）

日本大阪大學(xué)工程研究生院精密科學(xué)與技術(shù)系的山村助理研究員，研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)超精密加工工藝及其應(yīng)用，開發(fā)了幾種獨(dú)特的超精密成形加工技術(shù)，其中等離子體輔助拋光（PaP）是將大氣壓等離子體輻射和軟磨料干拋光技術(shù)相結(jié)合，用于寬間隙半導(dǎo)體材料和精細(xì)陶瓷的拋光。其去除機(jī)理如圖8所示，采用輔助等離子體照射被加工材料表面，表面材料在等離子體的作用下，發(fā)生表面層軟化，同時自由磨粒通過劃擦將軟化層材料去除。由此提高了這種硬脆難加工材料的可加工性，同時也實(shí)現(xiàn)了納米級的去除。等離子體輔助拋光PaP是一種用于間隙半導(dǎo)體材料的無損傷拋光技術(shù)，加工對象是碳化硅、氮化鎵、金剛石、藍(lán)寶石等，他的一些研究成果已在CIRP大會上發(fā)表[41-42]。

2.8 力流變拋光技術(shù)

袁巨龍教授一直致力于精密超精密加工技術(shù)與裝備的研究，其團(tuán)隊(duì)在剪切增稠拋光方法基礎(chǔ)上開發(fā)出一種新的拋光技術(shù)—力流變拋光技術(shù)。力流變拋光是利用非牛頓拋光液的剪切特性實(shí)現(xiàn)表面拋光的一種有效的超精密加工方法，如圖9所示，其具體原理是利用非牛頓流體拋光液的剪切增稠特性進(jìn)行加工，這種非牛頓流體也叫做剪切增稠液體（Shear thickening fluid，STF）[43-44]。STF在不受剪切力沖擊時是以液態(tài)形式存在，當(dāng)工件與拋光液之間的剪切速率超過一定值的瞬間，拋光液的粘度會急劇上升，變?yōu)轭惞虘B(tài)，當(dāng)沖擊消失后又恢復(fù)液體狀態(tài)，利用STF 這種特性實(shí)現(xiàn)對工件的低損傷超精密拋光[45-46]。他們分別對不同磨料的拋光液及不同粒度的氧化鋁磨粒進(jìn)行了試驗(yàn)，確定了基本工藝實(shí)驗(yàn)曲線;并對碳酸鋰基片進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)，圖10是刀具拋光加工前后效果對比，拋光15分鐘，其表面粗糙度從121.8nm快速減小到7.1nm[47]。

3 ?結(jié)束語

除了上述論述的超精密磨粒加工新技術(shù)之外，在磨粒超精密加工領(lǐng)域還有低溫拋光，動壓浮離拋光，離子束拋光等與超聲、電化學(xué)等相結(jié)合的一些新技術(shù)新方法，這些技術(shù)都是針對不同材料特性，結(jié)合合適的方法，來提高加工表面質(zhì)量。這些新技術(shù)不但豐富了精密加工領(lǐng)域的磨粒加工方法，同時也大大促進(jìn)了磨粒加工技術(shù)在精密超精密方面的應(yīng)用，為精密超精密加工的發(fā)展提供了有效的手段。

盡管超精密磨削已經(jīng)發(fā)展到很高的技術(shù)階段，但對超精密磨粒加工的研究沒有就此止步，隨著科技的進(jìn)步，還在往更高的目標(biāo)發(fā)展。在全球科技競爭的當(dāng)代，精密超精密加工技術(shù)需要有自己的核心競爭力，向更高的效率、更高精度方向發(fā)展。

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