3.1 精密与超精密磨削加工

精密与超精密磨削是一种可获得亚微米级精度的加工方法，并向纳米级精度发展。这种砂轮磨削加工方法获得的精度达到或高于0.1μm、表面粗糙度 Ra 低于0.025μm，适用于钢铁材料、陶瓷和玻璃等材料的加工。

3.1.1 精密与超精密砂轮磨削加工

1.精密磨削原理

精密磨削主要是依靠砂轮的具有微刃性和等高性的磨粒实现的（见图3-2），精密磨削多用于机床主轴、轴承、液压阀件、滚动导轨、量规等的精密加工。精密磨削原理如下。

（1）微刃的微切削作用。应用较小的修整导程（纵向进给量）和修整深度（横向进给量）对砂轮实施精细修整，从而得到微刃，其效果等同于砂轮磨粒的粒度变小。通过微刃的微切削，可得到表面粗糙度小的加工表面。

（2）微刃的等高切削作用。由于微刃是在砂轮精细修整的基础上形成的，因此分布在砂轮表层的同一深度上的微刃数量多、等高性好，从而使加工表面的残留高度极小。

（3）微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。修整得到的砂轮微刃比较锐利，切削作用强，虽然它会随着磨削时间的增加而逐渐钝化，但等高性逐渐得到改善，因而切削作用减弱，滑挤、摩擦、抛光作用加强。同时磨削区的高温会使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面的凸峰辗平，降低了表面粗糙度。

2.超精密磨削原理

超精密磨削是近年来发展起来的有最高加工精度、最小表面粗糙度的砂轮磨削方法，特别适合硬脆材料的超精加工。

超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削在晶粒内进行，因此磨削力大小要超过晶体内部非常大的原子或分子的结合力，从而使磨粒上所承受的切应力急速增加，甚至可能接近被磨削材料的剪切强度极限。同时，磨粒切削刃处受到高温和高压的作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高温硬度。对于普通磨粒，在这种高温、高压和高剪切力的作用下，磨粒将会很快磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然可以连续磨削，但不能得到高精度、表面粗糙度小的磨削质量。因此，在超精密磨削时，一般多采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。

对超精密砂轮磨削加工过程的分析，可从单颗粒磨削和连续磨削两个方面进行。

1）单颗粒磨削

砂轮中磨粒的分布是随机的，磨削时磨粒与工件的接触是无规律的，为研究方便起见，先对单颗粒的磨削加工过程进行分析。图3-3所示为单颗粒磨削的切入模型，设磨粒以切削速度 v 、切入角 α 切入平面状工件，理想磨削轨迹是从接触点开始的，但是由于磨削系统的刚性，实际磨削轨迹变短，因此磨削深度减小。从该模型中可以说明以下几点。

（1）磨粒是一颗具有弹性支撑物（结合剂）的和大负前角切削刃的弹性体。弹性支撑物是指结合剂，磨粒虽有相当硬度，但本身受力变形量极小，实际上仍属于弹性体。

（2）磨粒切削刃的切入深度是从零开始逐渐增加的，到达最大值后逐渐减小，最后减小到零。

（3）磨粒磨削时在工件的接触过程中，开始是弹性区，继而塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区，与切屑形成的形状相符合。

（4）超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。当切削刃锋利且有一定磨削深度时，微切削作用加强；如果切削刃不够锋利，或磨削深度太浅，磨粒切削刃不能切入工件，就会产生塑性流动、弹性破坏或滑擦。

2）连续磨削

磨削加工是指无数单颗磨粒的连续磨削，即工件连续转动，砂轮持续切入。磨削开始时，整个磨削系统发生弹性变形，磨削切入量和实际工件尺寸的减小量之间产生差值，这种差值称为弹性让刀量。然后磨削切入量逐渐变得与实际工件尺寸的减小量相等，磨削系统处于稳定状态。最后磨削切入量到达给定值，磨削系统弹性变形逐渐消失，到达无切深磨削状态（或称无火花磨削状态）。在超精密磨削加工过程中，弹性让刀量十分重要，应尽量减小弹性让刀量。

3.砂轮修整

在实际磨削过程中，由于砂轮磨粒的磨损、脱落等因素使砂轮工作型面发生不均匀磨损而使砂轮的几何精度降低，同时随着磨削的进行，砂轮工作表面的磨粒会被磨钝，磨削下来的切屑也会黏附在砂轮磨粒的切削刃上或者堵塞容屑空间，造成砂轮钝化，使磨削性能下降，甚至会因摩擦导致的高温而烧伤工件，使表面加工质量下降，影响砂轮的正常使用，因此必须对砂轮进行修整。

修整通常包括整形和修锐两个过程，修整是整形和修锐的总称。整形是指使砂轮达到一定精度要求的几何形状；修锐是指去除磨粒间的结合剂，使磨粒凸出结合剂一定高度（一般是磨粒尺寸的1/3左右），形成足够的切削刃和足够的容屑空间。前者是为了获得理想的砂轮几何形状，后者是为了提高磨削锋利度。普通砂轮的整形和修锐一般是合二为一进行的，超硬磨料砂轮的整形和修锐一般分开进行。砂轮修整从本质上讲是对砂轮的加工，因此有很多方法都可以用于砂轮修整，如车削、磨削及电解等。

1）普通精密磨削砂轮修整

砂轮的修整方法有车削、磨削、电解、电火花等，这些方法均可应用于修整精密磨削砂轮。下面着重介绍金刚石笔和金刚石滚轮修整技术。精密磨削中使用最广泛的是单颗粒金刚石笔修整，所用金刚石颗粒尺寸较大，一般要求质量大于1mg。用金刚石笔修整砂轮时按车削法进行工作，该修整器的切入量和进给速度都应该使修整出来的新磨粒刃口精细地排列在砂轮表面。金刚石笔修整器及其与砂轮的相对位置如图3-4所示。金刚石笔修整器一般安装在低于砂轮中心0.5～1.5mm处，并向右上倾斜10°～15°，以减小承受的作用力。

砂轮的修整参量有修整速度、修整深度、修整次数和光修次数。修整速度一般为l0～15mm/min；修整深度为2.5μm/单行程；修整速度（纵向进给）和修整深度越小，工件表面粗糙度值越低。但修整速度过小，容易烧伤工件、产生螺旋形等缺陷。修整深度一般为0.05mm即可恢复砂轮的切削性能。修整一般分为初修与精修，初修用量可大些，逐次减小，精修一般为2～3次单行程。光修为无深度修整，一般为1次单行程，主要目的是去除砂轮表面个别凸出的微刃，使砂轮表面更加平整。

此外，比较常用的还有金刚石滚轮修整法。金刚石滚轮是用烧结或电镀的方法把金刚石固结在滚轮金属基材的圆周表面上制成的。金刚石滚轮本身像砂轮一样由电动机单独驱动，并可以正反转。用滚轮修整时的运动与用单颗粒金刚石笔修整时不同，其运动类似切入磨削法的运动。滚轮按磨削法来修整砂轮，一般时间很短，仅用几秒就可以完成。

2）超硬磨料砂轮修整

超硬磨料砂轮目前主要指金刚石砂轮和立方氮化硼（CBN）砂轮，用来加工各种高硬度、高脆性的难加工材料。超硬磨料砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的重要问题和技术难题，直接影响被加工工件的质量、生产率和成本。超硬磨料砂轮的整形和修锐一般分两步进行，有时对整形和修锐采用不同的方法。这是因为整形和修锐的目的与要求不同，整形要求高效率和高砂轮几何形状，修锐要求有好的磨削性能。

超硬砂轮修整的方法很多，可归纳以下几类。

（1）车削法。车削法是用单点/聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮达到修整目的。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。

（2）磨削法。磨削法是用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、金属结合剂，失去结合剂的超硬磨粒就会脱落。这种方法效率和质量都较好，是目前广泛采用的修整法。

（3）滚压挤轧法。滚压挤轧法是指用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮，与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚（修整轮无动力），使结合剂破裂而形成容屑空间，并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料，依靠这些游离磨料的挤轧作用进行修锐，效果较好。该方法的修整效率低，修整压力大，对磨床的刚度要求高。

（4）喷射法。有气压喷砂法和液压喷砂法两种。气压喷砂法是指将碳化硅、刚玉磨料从高速喷嘴喷射到转动的砂轮表面上，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒凸出；主要用于修锐，效果较好。液压喷砂法是指用高压泵打出冷却液，当冷却液进入喷嘴的旋涡室时，形成低压，从边孔吸入碳化硅或刚玉等磨粒及空气，与冷却液形成混合液，然后以高速从喷嘴喷射到转动的砂轮上；这种方法修锐的砂轮精度高且锋利，修锐时间短。

（5）电加工修整法。主要有电解修锐法和电火花修整法。电解修锐法其原理是利用电化学的腐蚀作用蚀除金属结合剂；该方法多用于金属结合剂砂轮的修锐，非金属结合剂砂轮无效，并且不能用于整形。电火花修整法的原理是火花放电，适用于各种金属结合剂砂轮的修整。若在结合剂中加入石墨粉，可用于使用树脂、陶瓷结合剂的砂轮。既可整形，又可修锐，效率高，质量可与磨削法相当。

（6）超声修整法。可以分为金刚石笔辅助振动修整和游离磨料超声修整。金刚石笔辅助振动修整砂轮时，金刚石笔切入砂轮表面并沿砂轮轴向进给。同时，金刚石笔在振动装置的驱动下进行有规律的振动，这相当于车床的振动车削。在振动条件下，金刚石笔具有优良的切削性能，能够很好地改善砂轮的微观形貌。采用游离磨料进行超声修整时，在砂轮和修整器之间放入游离磨料，以撞击砂轮的结合剂，使超硬磨粒从结合剂中凸出，游离磨料修锐效果较好。

3.1.2 砂带磨削加工

砂带磨削是一种新的高效磨削方法，能得到高的加工精度和表面质量，具有广泛的应用范围，可以补充或部分代替砂轮磨削。

1.砂带磨削方式和特点

砂带磨削方式从总体上可以分为闭式和开式两大类。

1）闭式砂带磨削

采用无接头或有接头的环形砂带，通过张紧轮撑紧，由电动机通过接触轮带动砂带高速回转。工件回转，砂带头架或工作台纵向及横向进给运动，从而实现工件的磨削。闭式砂带磨削效率高、但是噪声大、易发热，适用于粗加工、半精加工和精加工。

2）开式砂带磨削

采用成卷砂带，由电动机经减速机构通过卷带轮推动砂带，使其极缓慢地移动。砂带绕过接触轮并以一定的工作压力与工件被加工表面接触。工件回转，砂带头架或工作台纵向及横向进给，从而实现对工件进行磨削。砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削区不断出现新砂粒，磨削质量高且稳定，磨削效果好。开式砂带磨削效率不如闭式砂带，多用于精密与超精密磨削加工中。

砂带磨削的特点如下。

（1）砂带与工件是柔性接触，磨粒载荷小而均匀，砂带磨削工件表面质量高，表面粗糙度可达到0.05～0.01μm。因此，砂带磨削有“弹性”磨削之称。

（2）静电植砂法制作的砂带使磨粒具有方向性，力作用和热作用小，有较好的切削性，有效地避免了工件变形和表面烧伤。工件的尺寸精度可达到5～0.5μm，平面度可达到1μm。因此，砂带磨削有“冷态”磨削之称。

（3）砂带磨削效率高，可以与铣削和砂轮磨削媲美，强力砂带磨削的效率可为铣削的10倍，普通砂轮磨削的5倍。砂带磨削无须修整，磨削比可高达400:1。因此，砂带磨削有“高效”磨削之称。

（4）砂带制作简单方便，无烧结、动平衡等问题，价格也便宜，砂带磨削设备结构简单。因此，砂带磨削有“廉价”磨削之称。

（5）砂带磨削有广阔的工艺性、应用范围和很强的适应性，不仅可以加工各种金属材料，而且可以加工木材、塑料、石材、水泥制品、橡胶等非金属，以及单晶硅、陶瓷、宝石等硬脆材料。因此，砂带磨削有“万能”磨削之称。

2.砂带磨削原理

用砂带磨削时，砂带经接触轮与工件被加工表面接触。接触轮的外缘材料一般都是有一定硬度的橡胶或塑料（弹性体），同时砂带的基材是纸、布或聚酯薄膜，也有一定的弹性。因此，砂带磨削时的弹性区的面积较大，使磨粒承受的载荷大大减小，载荷值也较均匀且有减振作用。图3-5所示为砂轮磨削和砂带磨削的接触区与载荷分布情况，由该图可知，砂带磨削时的材料塑性变形量和摩擦力均较砂轮磨削时减小，力作用和热作用影响降低，工件温度降低。砂带上的磨粒大小均匀、等高性好，磨粒的尖刃向上，有方向性且切削刃间隔长，不易造成切屑堵塞，有较好的切削性。

用砂带磨削时，除了砂轮磨削的滑擦、犁耕和切削作用，还有弹性和磨粒的挤压作用，使加工表面产生塑性变形、磨粒的压力使加工表面产生加工硬化或断裂，以及因摩擦升温引起的加工表面塑性流动等。因此，从加工原理看，砂带磨削兼有磨削、研磨和抛光的综合作用，它是一种复合加工。精密与超精密加工对加工精度和表面质量均要求很高，砂带磨削在提高加工表面质量，特别是在减小表面粗糙度方面效果明显，但是在如何提高加工精度的机理和实践方面还需要进一步研究。

3.1.3 精密与超精密磨削加工的应用

普通磨料精密磨削是最早的精密磨削方法，其加工精度范围为0.1～1μm，表面粗糙度 Ra 为0.04～0.16μm，主要应用于早期机床主轴、轴承、液压滑阀、滚动导轨和量规等的加工。

随着超硬材料和航空材料的发展，以及人们对超硬材料和航空材料零件的精度要求越来越高，越来越多的科研工作者研究超硬材料和航空材料的超精密磨削技术。

1.微结构功能表面的超精密磨削

物体表面的一些特定形状的微结构特征会使该物体具有一些特定的功能，如超疏水特性、减阻特性、隐身特性等，这种具有一定功能的微结构表面称为微结构功能表面。随着科技的发展，微结构功能表面在光学、机械电子、生物医学与军事等领域有着越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。

利用单点金刚石切削加工技术，可以在没有后续抛光的情况下直接加工出具有纳米级表面粗糙度和亚微米级面形精度的微结构表面。而在微结构功能表面的复制过程中，具有微结构表面模具的超精密加工质量对最终的产品性能和成本控制起着决定性的作用。随着被复制元件光学性能要求以及模压温度的不断提高，模具材料正在向碳化硅、碳化钨和氮化硅等具有高硬度、耐高温、耐磨损、化学稳定性好等特征的超硬材料发展，借此提高模具的使用寿命和精度的长期一致性。因此，研究并开发针对微结构光学功能元件模具的高效率超精密加工方法，将是未来微结构光学功能元件实现确定性、经济性与柔性大批量生产的关键。

作为一种理想的模具材料加工方法，超精密磨削加工技术在微结构光学功能元件模具制造领域受到极大的重视，已成功应用于衍射光学元件、多棱镜、微透镜阵列、金字塔微结构等微结构的加工。

德国不来梅大学的精密加工实验室（LFM）与德国亚琛技术大学、美国俄克拉荷马州立大学从2002年开始合作进行一项跨区域合作研究项目“复杂光学元件的制造工艺链集成技术（SFB/TR4）”。在此项目的资助下，LFM使用金属基金刚石砂轮，通过仿形磨削的方法，在碳化钨上加工出了半径为1.123mm±0.0125mm的圆柱槽阵列微结构（共21个槽），磨削后的微槽表面粗糙度 Ra 为33～40nm。另外，LFM还在氮化硅上加工出了半径为0.7437mm，槽宽450μm、槽深31μm的圆柱槽阵列微结构。

德国弗劳恩霍夫生产工程研究所（IPT）在无结合剂碳化钨、碳化硅和氮化硅等超硬模具材料上使用金刚石砂轮进行了大量的微结构表面磨削加工试验研究。他们采用微砂轮轨迹磨削的方法，对窥视矩阵微结构表面模具进行加工试验，加工后的表面粗糙度小于10nm，随后进行玻璃模压试验。IPT指出，目前对这些超硬材料的微结构表面模具来说，唯一行之有效的加工方法是超精密磨削。

日本神户大学在硬质合金和陶瓷材料上使用带有尖角的金刚石砂轮，通过 Y 轴和 Z 轴的联动磨削加工出了菲涅尔透镜玻璃模压模具，面形精度PV值达到0.1μm。同时，也用树脂基金刚石砂轮，采用四轴联动的方法磨削加工出了直径为100μm的微透镜阵列（由19个微透镜组成），每个微透镜的面形精度PV值都在0.1～0.2μm之间。

2.航空典型零件的超精密磨削

作为航空发动机的关键零件，叶片类复杂曲面零件的几何精度和表面质量直接影响着发动机的工作效率。为了获得更高的动力和更好的效率，按照流体动力学规律设计的发动机叶片型面越来越复杂，叶片截面几何尺寸设计越来越薄，进/排气边越来越小，例如，压气机叶片进/排气边设计尺寸最小达到0.1mm；现代叶片制造精度要求越来越高，例如，发动机叶片型面轮廓制造精度最高要求小于0.03mm。这些要求对叶片制造工艺和检测方法提出了新挑战。

对叶片型面加工而言，使用五轴联动数控铣床能够精确加工出叶片型面，加工空间轮廓精度可达到0.05mm或更高。但数控铣削加工表面质量通常不能满足叶片的精度和性能要求，必须进一步打磨抛光。在我国叶片型面的超精加工经历了手工砂轮打磨、手工砂布打磨抛光、砂带仿形磨削等发展过程，现在已逐步迈入多坐标数控超精密磨削加工。叶片磨削运动原理示意如图3-6所示，这种多坐标数控磨削加工方式也将会成为叶片进/排气边加工的主流方法。