【摘要】論述了金剛石微粉砂輪超精密磨削的特點、存在的技術難題及其發展前景。對金剛石微粉砂輪超精密磨削機理進行了探討，認為它是以微切削為主的多種作用的融合；研究了金剛石微粉砂輪修整機理及其常用的有效修整方法；提出了樹脂一金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪的構想，論述其結構的形成、制作過程及其實際磨削效果。最后，探討了進行金剛石微粉砂輪超精密磨削時的影響因素及環境條件。

【關鍵詞】 金剛石微粉砂輪 超精密磨削 樹脂金屬復合結合劑 微納米加工

　　前言

　　金剛石刀具超精密切削在加工銅、鋁及其合金等軟金屬材料中已獲得極大成功，但在工程陶瓷、半導體、光學玻璃、石材等各種硬脆材料的精密和超精密加工上，卻在很大程度上仍依賴于研磨、拋光等加工方法，雖然這些方法可以達到很高的精度和極低的表面粗糙度，但加工效率較低，對于一些形狀復雜如非球面零件等的超精密加工就顯得比較困難。

　　金剛石砂輪磨削硬脆材料是一種有效的超硬磨料精密加工方法，它磨削能力強、耐磨性好、使用壽命長，磨削力小、磨削溫度低、表面無燒傷、無裂紋和組織變化，加工表面質量好，且磨削效率高，因此近年來得到廣泛應用，但在幾何形狀精度和表面粗糙度上很難滿足超精密加工的更高要求，因此提出了金剛石微粉砂輪超精密磨削加工方法。

　　按我國國家標準規定，磨粒直徑在50µm以下稱為微粉。金剛石微粉砂輪一般是以粒度為w40一w5的金剛石微粉為磨料，采用樹脂、陶瓷、金屬(如銅、纖維鑄鐵等)為結合劑燒結而成，其特點如下：

　　(1)金剛石微粉砂輪由于其微粉磨料的粒度很細，可以獲得極低的表面粗糙度，同時在精密磨床或超精密磨床上磨削可獲得很高的磨削精度，是一種比較理想的微納米超精密加工方法。

　　(2)金剛石微粉砂輪超精密磨削是一種固結磨料的微量去除加工方法，具有一般磨削的特點，可方便地磨削外圓、孑L、平面和成形等表面，加工效率高，加工質量好，極具發展前途。

　　(3)金剛石微粉砂輪由于磨料粒度很細，容屑空間很小，磨屑容易堵塞，因此，除一般修整外，尚要進行在線修整，才能保證磨削的正常進行和加工質量。本來，超硬磨料砂輪的修整就是一個難題，因此，金剛石微粉砂輪的修整是一項關鍵技術。

　　(4)由于金剛石微粉砂輪的容屑空間很小，因此要嚴格控制磨削時的磨削深度，磨削加工應在精密磨床或超精密磨床上進行，機床上應有微進給系統。

　　金剛石微粉砂輪超精密磨削機理

　　傳統的用游離磨料進行精密加工和超精密加工方法，如研磨、拋光等，其加工機理主要是磨粒的滾動和擠壓作用使被加工表面產生塑性變形和塑性流動，同時有磨粒的微切作用，總的可歸結為延展式磨削。金剛石微粉砂輪超精密磨削時，主要是微切削作用，在切削過程中有切屑形成、耕犁(隆起)、滑擦(滑動和摩擦)等現象產生，這是由于磨粒具有很大的負前角和切削刃鈍圓半徑；又由于是微粉磨粒，因此具有微刃性；同時，又由于砂輪經過精細修整，磨粒在砂輪表面上具很好的等高性，因此其切削機理比較復雜，可分析有以下幾種現象：

　　（1）切削形成 分布在砂輪表面上比較高（突出）且比較鋒利的磨粒，能獲得足夠大的磨削深度，可以形成切削，且能看到切屑離開工件表面時由于氧化和燃燒所產生的火花。

　　（2）耕犁 分布在砂輪表面上不夠突出和鋒利的磨粒不能形成切屑，只能在工件表面上劃出犁溝，在犁溝兩邊形成隆起，會影響表面粗糙度。

　　（3）滑擦 分布在砂輪表面上有些磨粒，其突出高度和鋒利程度很低，不能形成切屑和耕犁，只能在工件表面上產生滑動和摩擦，由于磨削速度很高，將產生磨削熱，形成熱塑性流動，影像表面質量。

　　（4）擠壓和塑性變形 分布在砂輪上的有些磨粒，突出高度很小，且無刃口，只能擠壓被加工表面的輪廓尖峰，使其產生塑性變形且趨于平坦和光滑，從而改變了表面粗糙度。

　　（5）單性破壞 在晶體結構材料中，有晶格缺陷存在，一般在大約1um的間隔內就有一個位錯缺陷。由于金剛石微粉砂輪超精密磨削時，其加工應力的作用范圍是在位錯缺陷平均間隔（1um）以內，因此會產生原子級或分子級的彈性破壞，這種破壞不會產生塑性變形和殘留變質層，但對表面微觀結構有影響。

　　超硬磨料砂輪的休整

　　目前超硬磨料是指金剛石和立方氮化硼，超硬磨料砂輪的休整一直是一個難題。

　　超硬磨料砂輪修正過程

　　超硬磨料砂輪的修整一般分為整形和修銳兩個過程。

　　整形是指砂輪達到一定得尺寸和幾何形狀，通常在砂輪產品出廠時進行，但在砂輪使用時由于安裝在磨床主軸上有安裝誤差，如砂輪外圓與磨床主軸不同心或其端面與磨床主軸不垂直，則必須進行修正。另外，要進行盛行磨削時也需要進行整形。整形要求有一定精度的尺寸和幾何形狀，而且有較高的效率。

　　修銳主要是使金剛石磨粒突出而形成切削刃和容屑空間，以便于磨削，因為金剛石非常硬，其他材料很難加工他，因此修銳主要是去除金剛石磨粒周圍的結合劑，使其裸露，如果去除的太多，則金剛石磨粒可能脫落，若去除太少可能不能形成切刃和足夠的容屑空間，通常以露出三分之一為宜。修銳過程中也可能有些金剛石磨粒會產生破碎而形成新刃，與所用修銳方法有關。

　　普通砂輪修整時，通常整形和修銳是一步完成的，在修整時其磨粒主要是被破碎而形成新刃，因此其修整機理有所不同。

　　超硬磨料砂輪的修整方法

　　超硬磨料砂輪的修整方法很多，現介紹幾種有效的常用修整方法：

　　（1）碳化硅（GC）杯形砂輪磨削法 如圖1所示，修整器安裝在磨床工作臺上，修整時，杯形砂輪軸線與被修整砂輪軸線垂直，杯形砂輪沿被修整砂輪圓周的切線方向作往復進給運動，并在每一往復進給運動中，當杯形砂輪與被修整砂輪脫開時，在垂直方向進行一定量的吃刀。這種修整方法比較實用，但杯形砂輪損耗較大，其修整機理是靠修整時碳化硅杯形砂輪的脫落磨粒起研磨作用去除金剛石磨粒周圍的結合劑。杯形砂輪修整法是由日本東北大學莊司克雄教授提出的。

圖1 杯形砂輪磨削法

　　（2）電解修整法 如圖2所示，砂輪接近正極，在其與負極之間通以電解液。通電時，電流由支架經電刷傳入砂輪，從而產生電解作用，通過電化學腐蝕去除砂輪上的金屬結合劑而達到修銳效果。這種方法可在線修銳，裝置簡單，修銳質量好，受到廣泛應用，但只能修銳金屬結合劑的金剛石砂輪，且需要專配的防腐蝕電解液以免銹蝕機床。電解修整法是由日本物理化學研究所大森整教授提出的，稱為電解在線修銳，英文縮寫為ELID（Electrolytic in-process dressing）。

圖2 電解在線修整法

　　(3)電火花修整法如圖3所示，電源提供直流電，砂輪接正極，修整器接負極，形成正極性加工。由于砂輪是旋轉的，故要通過電刷將電源接到砂輪軸上再傳至砂輪。這種修整方法既可整形，又可修銳，同時可用于在線修整，工作液可直接用磨床的磨削液，方法簡單方便，應用廣泛，但只適用于金屬結合劑砂輪。我國清華大學制造工程研究所在這方面做了不少工作，是一個很有前途的金剛石微粉砂輪修整方法。

圖3 電火花修整法

　　(4)砂帶磨削法如圖4所示，采用剛玉、碳化硅砂帶修整金剛石微粉砂輪是利用砂帶帶基的軟質材料的彈性來去除金剛石磨粒周圍的接合劑而進行修銳，是一種軟彈性修整法，簡稱彈性修整法。這種方法可用于各種結合劑的金剛石砂輪，修整效果較好，但在整形時效率較低，用于修銳較好。我國清華大學制造工程研究所在這方面也做了不少工作。

圖4 砂帶磨削法

　　其他尚有研磨法、噴射法、超聲波振動法、激光法、清掃法等，在此不再贅述。

　　樹脂一金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪超精密磨削

　　樹脂一金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪

　　對于外圓柱面和復雜的非球面的超精密加工，磨削過程則必須同時滿足高形狀精度和低表面粗糙度的雙重要求。磨粒的支持剛性影響形狀精度和表面粗糙度。為了確保高形狀精度，砂輪的剛性應盡可能大，但是為了得到低的表面粗糙度，砂輪的剛性低有利。金屬結合劑砂輪剛性大，對保證形狀精度有利，但修整困難，不易加工出鏡面程度的表面粗糙度，同時對磨床精度和剛性的要求十分苛刻，而樹脂結合劑砂輪的彈性好，易于磨出低粗糙度的表面。由于在實際的超精密磨削加工要求中，表面粗糙度的要求往往高于形狀精度，因此應充分發揮樹脂結合劑的彈性效果。

　　樹脂結合劑因為具有以下優點而適用于鏡面磨削：

　　(1)樹脂砂輪彈性高，具有吸振性，并且易于使切削刃突出高度均勻；

　　(2)使用樹脂砂輪可降低對磨床精度和剛性的苛刻要求；

　　(3)在磨削過程中會出現磨粒回轉現象，具有自生作用的效果。

　　但是由于樹脂結合劑彈性大易變形，因此很難保證形狀精度。同時，細粒度(小于W5．0)的樹脂結合劑金剛石微粉砂輪，磨粒易于埋于結合劑中，磨粒之間的容屑槽減小，極易發生阻塞，導致砂輪的切削能力大幅度降低，加工表面質量惡化。因此，提出了利用電解調整方法得到樹脂一金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪，現已成功地應用于超精密磨削中。

　　樹脂一金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪的電解調整原理

　　在砂輪制造過程中，把銅粉作為添加劑混入到樹脂結合劑中，金屬粉末可以限制樹脂的彈性變形，從而提高了砂輪的整體剛性。使用前先修整砂輪，然后對砂輪進行電解調整。電解過程中，砂輪表層的銅被腐蝕掉，而樹脂結合劑和金剛石磨粒因不受電解作用影響而保持修整后的原狀，從而在砂輪表層形成氣孑L。這樣，砂輪的內部保持了樹脂一金屬復合結合劑組織結構，而表層則是有氣孔的樹脂結合劑的組織結構。砂輪不僅具有高的整體剛性，而且參與磨削的表層部分具有彈性和氣孔，可以使砂輪具有持續磨削能力。圖5是樹脂一金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪的電解調整原理圖。如圖所示，將電源的正極接砂輪的輪轂，電源的負極接工具電極，砂輪表面與工具電極的間隙中通入電解液，砂輪在電解過程中做回轉運動。在電場作用下，樹脂-金屬復合結合劑砂輪表面的銅失去電子，成為銅離子，進入到電解液中，從而在砂輪表層形成氣孔，而樹脂結合劑和金剛石磨粒保持在原來的位置。

圖5 樹脂-金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪的電解調整原理

　　電解調整時，電源的正極由電刷接入砂輪的輪轂，導電電刷通過磁性夾座固定，并用絕緣材料與磨床工作臺絕緣。為了便于除去陰極上的附著物，陰極材料選用不銹鋼。陰極通過鋼制底座吸附在磨床工作臺上，陰極和底座之間用膠木絕緣。

　　圖6是砂輪表面同一位置電解調整前后的對比掃描電鏡照片。圖6a中白色物質是銅，從圖可以看出，電解調整后銅溶出，在原來銅占據的位置上形成孔穴，而樹脂結合劑和金剛石磨料維持原狀。

圖6 電解前后砂輪表面的電子掃描電鏡照片

a-電解調整前的砂輪表面  b-電解調整后的砂輪表面

　　樹脂-金屬復合結合劑金剛石微粉砂輪磨削

　　分別用未作電解調整和電解調整后的砂輪磨削光學玻璃，工件表面粗糙度的實驗結果如圖7所示，其中砂輪A中銅的體積百分比為30%，砂輪B中銅的百分比為20%，從實驗結果可以看出，電解調整后的砂輪的磨削表面粗糙度明顯降低，同時，凹坑和劃痕等加工損傷明顯減少。從圖中還可以看出，砂輪結合劑中，銅粉所占比例少些，表面粗糙度更低些，這是由于砂輪表面的彈性更好些，要從共建幾何形狀和表面質量的兩個方面要求來決定砂輪結合劑中銅的體積比。

圖6 電解調整對加工表面粗糙度的影響

　　金剛石微粉砂輪超精密磨削的影響因素和環境要求

　　金剛石微粉砂輪磨削是一種適應于難加工材料的精密加工方法，在一定的環境下，是一種亞微米、納米超精密加工方法，因此具有廣闊的應用范圍。

　　金剛石微粉砂輪超精密磨削不是一種單純的加工方法，它是一個系統工程，其組成要素有：被加工材料、磨床、砂輪及其修整、工件的定位和夾緊、工作環境、人的技藝等。要達到很高幾何精度和很低表面粗糙度要求，則應由相應的環境條件，如需要有嚴格材質的材料、超精密磨床、金剛石微粉砂輪、在線修整、工件的精密定位和不變形夾緊、恒溫室、超凈間、防振地基，以及具有高級技能的操作者等。

　　金剛石微粉砂輪磨削可以作為一種精密加工方法而被廣泛應用，這時，并不需要像超精密加工那樣的環境要求，可在一般加工環境下進行外圓、平面、內孔、成形等多種形式的磨削，達到精密加工、微細加工的精度和表面粗糙度，當然，砂輪的修整是必須要解決的。因此，從這點來看，金剛石微粉砂輪精密磨削具有廣闊的應用前景，它可以達到傳統研磨、拋光加工方法所達到的加工質量，但效率要高得多，不僅適于加工鋼鐵及其合金等金屬材料，如淬硬鋼、硬質合金、耐熱鋼、鈦合金、不銹鋼等；同時，可用于磨削非金屬的硬脆材料，如陶瓷、玻璃、半導體、石英、石材等難加工材料。

　　結論

　　當前，由于加工技術的發展，特別是納米技術的提出，國際上將精密和超精密加工技術統稱為精密工程和納米技術，并將其加工方法分為機械加工和非機械加工兩大類，前者是指金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密研磨和精密拋光等技術；后者是指電加工、電子束、離子束、激光束加工，以及集成電路制造所用的光刻等微電子加工技術等。

　　納米技術的發展，特別是微型機電系統(微型機械)的問世，使微細加工技術倍受重視，有關大規模集成電路的制作工藝成為微型機電系統的主要制造方法，從而忽視了傳統機械加工方法的改進和創新。

　　現在，制造業又將目光轉向于微納米機械加工方面，注意到這是一個很有潛力的領域，其特點有以下幾方面：(1)微納米加工技術的應用范圍比較廣，可以進行一般零件的精密加工和超精密加工，同時，也可進行微小零件的微納米加工，形成一個新的領域。(2)相對于大規模集成電路的制作工藝和設備，其設備成本和加工費用要低得多，而且，國內已有一些自己的技術可以應用。(3)所謂納米加工，其目前所指為0．1nm至100nm的范圍，因此，一些用光刻手段加工的部分可以用超精密機械加工或電加工等來完成；同時，在微型機電系統中，不是所有的零件都必須用大規模集成電路的制作方法來加工，這樣就給微納米機械加工一個生存空間和發展機遇。

　　綜上所述，可知金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、微細電火花成型、微細電火花磨削等就是當前具有代表性的微納米加工。

　　參考文獻

　　【1】莊司克雄．磨削與研磨技術的接點的探討．日本機械和工具，1994．8：18—22

　　【2】 廚川常元，吉田典夫，莊司克雄．微細磨料噴射加工方法在線修銳樹脂結合劑金剮石微粉砂輪．日本磨料加工學會志，1996，40(4)：39—44

　　【3】村越親，立花亨。用極微細金剛石砂輪進行無心磨削的精密加工——樹脂-金屬結合劑砂輪的性能。日本精密工學會，精密工學會春季大會學術講演論文集。東京：日本精密工學會，2000.334

　　【4】袁哲俊，王先逵。精密和超精密加工技術。北京：機械工業出版社，1999

　　【5】王先逵主編。精密加工技術使用手冊。北京：機械工業出版社，2001