精密和超精密磨削機理及磨削砂輪的選擇分析

馬博磊 李興華 郭孝祖

摘要：在現代生產活動中，人們對部件結構的精密度要求越來越高。因此，器件的精密與超精密加工成為了熱門的研究課題。隨著計算機技術的發展，精密控制已經成為了現實。而磨削砂輪的選擇則成為了限制精密與超精密加工發展的最大因素。在本文中，我們通過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理，并以此為基礎，研究了精密加工磨削砂輪選擇的方法。這些研究對精密和超精密磨削加工的發展應用有很重要的意義，有很好的現實價值。

關鍵詞：精密加工；磨削機理；磨削砂輪

引言

隨著時代的發展，越來越多的工作儀器向超小型化和高精密度的方向發展。要實現這些儀器的制造，首先需要生產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越受到人們的重視。

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

本文擬通過分析精密與超精密磨削加工的特點和機理，研究探討磨削砂輪的選擇準則和方法。

一、精密與超精密分析

上世紀六十年代，隨著核能、大規模集成電路等大量新興技術的發展，人們迫切需要一種能夠實現極高精密度部件加工的加工技術。精密與超精密加工由此產生。

精密與超精密加工技術誕生之后，很快在計算機、航空航天等諸多領域取得了廣泛應用。隨著多年的發展，精密與超精密加工技術已經取得了巨大的進步。目前，該加工技術的加工精密度已經達到了納米級別，并在朝著更高的精密度級別發展。

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，其在控制系統、伺服系統、測量系統等多個方面都有很大的變化。特別是計算機控制系統的應用，不僅實現了微誤差精密加工的要求，也極大推動了該類智能控制系統在其它加工領域的應用，對于信息化時代的發展推動也有很重要的意義。

二、精密磨削機理分析

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

2.1 器件結構的微加工

微加工是精密與超精密磨削加工的基礎。在現代生產活動中，人們一般會先選擇一個毛坯部件，再利用切削等技術手段，對其外部結構等進行改變。精密與超精密磨削為了實現高精準度的加工要求，磨削厚度等甚至可能會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，在磨削工作的過程中，磨具基本都處于高速運轉的狀態。劇烈運動下與加工器件產生摩擦，會導致局部加工區域的溫度急劇上升。如果選擇的磨具不當，很容易在高溫下發生形變，進而影響到加工精密度。

從上述兩點分析，我們可以判斷要實現器件結構的微加工，所選擇的磨具必須同時具有高硬度和耐高溫兩個特性。按照現有的模具材料篩選，我們認為精密與超精密磨削加工的磨具材料應當優先選擇金剛石、立方氮化硼等材料。

2.2 連續性的精密磨削加工

連續加工是精密與超精密加工的另一個顯著特點。為了實現對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器件的結構進行微加工。為了保證工作的準確性，在逐步加工的過程中，一般不能中斷。這就要求精密磨削加工有比較高的連續性。

另外，在連續磨削加工的過程中，加工器件等在磨具的作用力下，會發生微小的彈性形變。在系統工作狀態穩定之后，磨削的切入量才會與加工器件的尺寸減少量保存一致。在普通情況下，這種現象會被計算到正常誤差范圍內。但是在精密與超精密加工中，這種誤差會極大地影響精密度。因此，在連續磨削加工的時候，需要預先將這一部分誤差量考慮進去，并在加工的時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具有高硬度和耐高溫的特性。而在磨削加工連續工作狀態中，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則和方法上有一定的注意事項。

3.1 磨削砂輪選擇準則

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于加工器件而言，如果硬度比較低，無法滿足未加工切削的需求；如果硬度過高，會因為砂輪與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則是以加工器件的硬度為參考物。考慮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準則。特別是為了能夠實現對磨削加工開始時彈性形變產生誤差的補償，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，則可以根據圖1進行選擇，如下：

另外，磨削砂輪在工作的時候還涉及到修整的問題。目前已經開發出適用于金剛石等常用磨削砂輪材料的修整器，在此我們不進行一一贅述。在實際工作中，工作者可根據自己的需求合理選擇。

3.2 磨削砂輪選擇方法

根據上文所述的磨削砂輪選擇的準則，我們對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，選擇合適的精密加工機床等；

（2）根據加工器件的屬性，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，在合理范圍內適當提高。粒度則可以根據選擇參考圖進行判別；

（3）適當選擇修整器。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，優先選擇金剛石作為磨料。

結束語

精密與超精密磨削加工將在未來很長一段時間內繼續為人們提供服務，在工業生產中會扮演重要的角色。本文通過分析精密與超精密磨削加工的特點，確定了磨削砂輪需要的高硬度、耐高溫的特性，并根據現實情況，對其選擇方法等進行了建議。這些研究對精密與超精密磨削加工的發展有很好的幫助。

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