大尺寸氧化鋁陶瓷導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，吉林 長春 130022；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；3.中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163)

1 引 言

導軌是機床的重要部件之一，是機床的裝配基礎，也是機床運動的精度基礎，機床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機床導軌的質量[1]。結構陶瓷是近代發展起來的新型材料，在高科技領域應用日益廣泛，因其高硬度、高耐磨性、耐腐蝕性等優異性能，逐漸開始代替傳統的金屬材料應用于機床導軌副中[2]。然而也正因為陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性，以現有的加工條件及手段想要獲得高精度的大行程陶瓷導軌副，工藝極為復雜[3-7]。

清華大學信迎春研究了大尺寸、高精度陶瓷導軌制備的工藝方法[8]，天津大學張方陽做了高純度氧化鋁陶瓷凹球面精密磨削的研究[9]。湖南大學謝桂枝、尚振濤等人建立了工程陶瓷高速深磨磨削的力學模型[10-12]，為氧化鋁陶瓷導軌的粗加工提供了理論基礎。德國切削物理學家薩羅蒙提出的超高速磨削機理，大幅度提高了機床生產效率，并得到了很高的加工質量[13-17]。湖南大學郭力[18]采用超高速磨削方法，得到了0.72 μm的粗糙度。浙江工業大學紀宏波等人，對氧化鋯陶瓷平面零件的超精密研磨做了相關實驗[5]，在一定的加工范圍內得到了6.55 nm的超光滑表面。超高速磨削加工方法效率高，但是對設備本身的要求較高。近年來，出現了半硬半軟的聚氨酯、瀝青等拋光工具，兼備研磨和拋光作用(研磨和拋光的復合加工稱之為研拋)。中國科學院長春光學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軌超精密研拋的工藝過程發現，氧化鋁陶瓷導軌表面面型研磨拋光效率與研磨壓力、研磨轉速及磨料的添加間隔有關。因此總結出一套適用于類似導軌的研磨拋光工藝。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，被研表面的材質密度及表面硬度或多或少存在一定的差異，通過傳統的機械研磨和光學精密拋光后，導軌面上可能會存在局部凸點區域和拐點區域，傳統的研磨拋光工藝很難對這些區域進行加工。本文所用的氧化鋁陶瓷導軌的樣件尺寸為700 mm×260 mm×200 mm，研拋設備為自行研制的數控超精密研磨拋光機。研磨拋光機采用的是平面研磨方式，設備外形如圖1所示。

圖1 數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構如圖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構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，電機轉子通過電機轉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精度。電缸伸縮軸設有限位槽，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，實現夾持主軸在電缸伸縮軸內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，通過調節主軸高度，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。圓銷壓在限位槽的下端。當電缸伸縮軸向下移動時，夾持主軸也跟隨往下移動。當研具碰到工件時，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。瀝青研磨盤結構如圖3所示，研磨盤端面開有寬5 mm，間距30 mm，交叉角60°溝槽。此結構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軌樣件尺寸為700 mm×260 mm×200 mm，目標平面度為0.3 μm，超出傳統檢測手段，因此本文采用光學干涉條紋檢測方案，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

經過多次試驗發現，影響氧化鋁陶瓷導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量表征研拋效率(n/h)。

3.1 研拋壓力對研拋效率的影響

當電缸伸縮軸在電缸作用下，進行軸向移動時，彈簧隨之發生變形，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，實現了主動壓力調節。經過計算選取了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，但當壓力大于40 N，研拋效率即條紋數量減少的速度降低了。分析其原因：(1)主要是當研拋壓力過大時，金剛石微粉因其脆性特質，由大的顆粒轉為小的顆粒，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，導致研拋效率降低。

圖5 研拋壓力與研拋效率的關系Fig.5 Relationship between grinding efficiency and grinding pressure

3.2 主軸轉速對研拋效率的影響

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

圖6 主軸轉速與研拋效率的關系Fig.6 Relationship between grinding efficiency and grinding speed

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

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

(2)主軸轉速過高：研拋盤上產生較大的離心力，冷卻潤滑劑無法繼續附著在研拋盤上，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量的改善具有促進作用[21]，在研拋盤運動軌跡上預先添加一些研磨液。

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，當超過120 min以后，原先的磨料顆粒由于擠壓、碰撞已經變小，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軌的兩個面型，圖8(a)為700 mm×200 mm區域的面型精度(X、Y坐標值均為像素)，圖8(b)為采用傳統工藝參數(拋光壓力為20 N；研拋主軸轉速為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 傳統工藝參數磨削效果Fig.8 Results with traditional grinding process

利用研磨拋光機，將研拋壓力控制在40 N；研拋主軸轉速為43.9 m/min；研磨劑的添加時間為30 min，導軌拋亮后，即利用干涉儀檢查面型，并用干涉儀數據指導研拋路線，對局部凹、凸面進行針對性加工，避免過度研拋，以提高整個導軌的平面度，而保證導軌平行度的難點則在于工件的裝夾設計。圖9(a)為700 mm×260 mm范圍內的面型精度(X、Y坐標值均為像素)，圖9(b)為采用本文工藝參數加工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的結果，本套工藝參數能在同樣時間內獲得更好的局部面形精度。鄭州大學鄭錦華等人發現研磨拋光表面會有微孔織構的形成[22]，本文限于條件，將在下一階段繼續深入研究分析拋光表面的微裂紋情況。

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

5 結 論

針對本文提到的大面積氧化鋁陶瓷導軌面，通過分析研拋效率得出結論：

(1)采用專用的研拋主軸結合研磨拋光機的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)根據不同研拋參數下的試驗結果，總結出了一套工藝參數：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研磨拋光加工在同樣時間內可以達到更高的面型精度。