微機械制造中的微磨削加工技術

吳偉濤 劉宏楠遼寧廣播電視大學 （沈陽 110034）

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微機械制造中的微磨削加工技術

吳偉濤 劉宏楠
遼寧廣播電視大學 （沈陽 110034）

摘 要微機械加工一般包含有很多種材料去除過程，微磨削是在傳統磨削的基礎上，采用直徑小于1mm的微磨棒，在桌面化數控微磨床上實現多種材料的三維微加工，鑒于加工后的工件能獲得納米級表面粗糙度的良好效果，微磨削技術已成功應用在光學元件、微透鏡陣列以及反射光柵等微結構的加工中。對于硬脆材料及其它難加工材料，微磨削將取代傳統的研磨拋光工藝進行超精密加工，成為一種新的加工技術。

關鍵詞微磨削；微磨棒；耕犁機理；數控微磨

近年來，隨著微納米科學技術的快速發展，以及微型元器件在諸多領域的廣泛應用，微機械制造技術憑借其獨特優勢登上了工業制造領域的舞臺。微機械加工一般包含有很多種材料去除過程，比如微切削、微銑削、微鉆削及微細蝕刻、微細電火花等，而像傳統的磨削加工一樣，微磨削仍然作為微機械加工的最后一個步驟扮演著其重要的角色。由于微磨削加工在制造微小型零件方面，既能兼顧加工效率和產品質量，又能夠適應微機械結構三維化、零件材料多樣化、批量柔性化的產品要求，所以它在微傳感器、微制動器、微流體設備和等微型器件的加工中更具有競爭優勢。

1 國內外研究現狀及發展動態

1.1 微磨削加工的設備技術

在微磨削加工中，通常采用的砂輪是直徑小于1mm的微磨棒，由于這種微磨棒在實際加工中極易磨損，從而縮短了刀具的使用壽命，所以微磨削刀具和微型機床的制備是國內外早期研究的重點。

在微磨削刀具的制作上，國外Kentucky大學的Chris.J.Morgan［1］結合微電火花加工和線電極電火花磨削加工的方法，制備出了直徑為110μm和1mm的PCD 微 磨 棒 。 Wiseonsin-Madision 大 學 的Patriek.J.Heaney［2］用熱絲化學蒸氣沉積的方法對微刀具進行金剛石微粉涂覆，制作成了多晶金剛石微磨棒，如圖1（a）所示。另外，Kaiserslautern大學的J.C.Aurich等人［3］通過超精密桌面化微刀具加工機床，用電鍍金剛石磨粒的方法制造出了刀具直徑為13～100μm且磨粒直徑為1～3μm的圓柱形微磨削刀具。國內東北大學的程軍等人用電鍍方法制作出了直徑為600μm、磨粒為500#的金剛石微磨削刀具。另外，鞏亞東教授等人采用冷噴涂工藝，在直徑為0.5～0.9mm的硬質合金微小圓柱基體上，鍍鎳鈷合金后冷噴涂直徑為2～25μm的超硬磨料，制作出CBN微磨棒［4］。

在微型磨削機床的制作上，國外的Pil-Ho Lee等人［5］將壓縮冷空氣作為冷卻劑引入到微磨削加工過程中，制備成了微磨削機床系統，如圖1（b）所示。該系統使用壓縮冷空氣進行冷卻有助于減小磨削力、延長刀具的使用壽命。另外，Michigan大學的Jie Feng等人針對微磨削陶瓷試驗也研制了一套位置精度可達1μm、分辨率高達0.1μm的微磨削系統，該系統采用直流電機驅動，包含四個線性運動平臺和兩個電主軸，其中一個用于磨削加工，另一個用于砂輪修整。國內東北大學的鞏亞東教授和藺佳搭建了微磨削加工系統，舒啟林和孔培培基于公理設計出了數控微磨床的結構，并進行了模擬仿真。

1.2 微磨削加工的基礎理論

隨著國內外對微磨削刀具和微磨削機床的設計及研制成功，學者們開始對微磨削加工的基礎理論等進行試驗研究和模型分析，并取得了一定的成果。

國外的Hahn和Linsay用試驗的方法對微磨削過程中的材料去除率以及刀具磨損等方面的內容進行了研究，通過在加工過程中改變磨削參數，最終獲得了經驗方程。Tonshoff等人通過試驗研究了微磨削過程中的磨屑厚度、溫度和微磨削加工后的刀具形貌以及工件的表面粗糙度，并與傳統磨削過程進行了對比。

圖1 微磨削設備示意圖

Michigan大學的Jie Feng等人通過對微磨削過程中的最大切屑厚度進行深入分析，在有限元的基礎上結合軟熔帶方法建立了微磨削加工陶瓷材料過程中的磨削力仿真模型。國內的程軍等人在硬脆材料去除機理的基礎上，探討了微磨削加工下硬脆材料的切屑形成過程，并建立了硬脆材料微磨削加工的去除機理模型。另外，哈爾濱工業大學的孫雅洲教授和鄭青竹對微磨削過程中的磨削力和切削厚度建立了預測模型，并通過試驗進行了驗證。

2 微磨削加工的原理及特點

微磨削是在傳統磨削的基礎上，采用直徑小于1mm的微磨棒，在桌面化數控微磨床上實現多種材料的三維微加工，鑒于加工后的工件能獲得納米級表面粗糙度的良好效果，微磨削技術已成功應用在光學元件、微透鏡陣列以及反射光柵等微結構的加工中。

圖2 微磨削加工過程示意圖

微磨削與傳統磨削的加工過程極為類似，都是將具有鋒利切削刃的超硬磨粒附著在砂輪基體上后通過高速旋轉來對工件進行材料去除，如圖2所示，但由于微磨削采用的砂輪通常是直徑小于1mm的微磨棒，即砂輪直徑和工件直徑的大小在同等數量級，所以在磨削過程中由單顆磨粒和工件之間的動力學和熱力學影響等因素造成的尺寸效應就不容忽視了。

另外，在研究微磨削加工的機理時，由于微磨削與傳統磨削一樣，砂輪上的磨粒分布具有隨機性，所以微磨削加工也是一個復雜的過程，需要從單顆磨料與工件之間的相互作用來研究加工機理，然后再推廣到整個微磨削過程。國內外很多學者已成功建立出單顆磨料與工件的作用模型，如圖3所示為Asma Perveen.M等人建立的垂直平面微磨削過程的切屑形成模型，該模型的建立耦合了微切削機理與耕犁機理，而且考慮了尺寸效應和摩擦效應等因素的影響。

圖3 —微磨削原理及切屑成型示意圖

3 微磨削加工的發展趨勢

對于硬脆材料及其它難加工材料，微磨削將取代傳統的研磨拋光工藝進行超精密加工，它作為一種新興的加工技術，不僅可以有效的提高加工效率，而且還能改善加工表面的質量，具有很好的應用前景。目前，該技術無論在設備技術還是基礎理論方面，都有一定的研究成果，但由于微磨削是相對較新的領域，所以需要更深一步地改進和完善。其研究趨勢包括一下幾個方面：

（1）微磨削加工中砂輪的形貌是一個關鍵的因素，通過它可以預測微磨削過程中由刀具磨損引起的一些機理變化。我們需要對新刀具和磨損后刀具上的磨粒尺寸進行對比分析，然后建立一個刀具磨損模型來代表微磨削過程中的刀具磨損機理，這樣不僅可以有效避免微磨削實驗中由刀具磨損而引起的實驗中止現象，而且還可以大大減少做實驗所需的時間和成本損耗。

（2）在微磨削過程中，由于磨屑大小和磨粒尺寸比較接近，所以極易在磨粒之間造成磨屑堵塞的現象，這樣便阻礙了其他鄰近磨粒對工件的拋光磨削等行為，影響了加工質量。因此，我們有必要建立一個表征磨粒空間特性的模型，這個模型必須結合表面粗糙度和微磨削力等工藝條件的影響，從而才能為微磨削過程提供更好的預測。

（3）對于硬脆材料的微磨削加工，如何保證精密零件的加工質量，砂輪的修整技術是關鍵，所以建議在微磨削系統的基礎上增加一套砂輪修整設備，通過將微磨削技術和其他砂輪修整技術相結合，形成一種切實可行的、整形效率高的復合修整技術，這樣既可延長刀具的使用壽命，降低經濟成本，又可提高加工精度。

4 結語

隨著微磨削加工技術的理論研究日趨成熟，其產業化應用也將會得到進一步的推廣，但若想取得突破性進展，還需解決一些關鍵問題：如在微砂輪的制作過程中，如何提高砂輪磨粒粒徑的均勻性和分布的均勻性；在微磨床的開發研制過程中，如何提高磨床的進給進度；在微磨削加工的過程中，如何優化工藝過程以提高效率、降低成本等。這些問題正是未來微磨削加工發展改進的方向，相信隨著該技術的不斷完善，將會對我國的工業建設產生巨大的影響。

參考文獻

［1］Morgan，C.J.Micro-machining and micro-grinding with tools fabricated by micro electro-discharge machining［J］，Nanomanufacturing，2004（2）：242-258.

［2］G?bler J，Sch?fer L，Menze B，et al.Micro abrasive pencils with CVD diamond coating［J］.Diamond and related materials，2003，12（3）：707-710.

［3］Aurich J C，Engmann J，Schueler G M，et al.Micro-grinding tool for manufacture of complex structures in brittle materials［J］.CIRPAnnals-Manufacturing Technology，2009，58（1）：311-314.

［4］程軍，鞏亞東，武治政等.硬脆材料微磨削表面形成機理實驗研究［J］.機械工程學報，2012（21）：190-198.

［5］鄭青竹.微細磨削性能及微徑砂輪磨損試驗研究［D］.哈爾濱工業大學，2011.

（責任編輯：文婷）

中圖分類號：TG580.699

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3319（2016）02-00015-03