金刚石刀具研磨压力自适应控制初探

2010-02-13匡昱

装备制造技术 2010年3期

匡昱

（江汉大学文理学院，湖北武汉430056）

超精密加工技术作为现代化科技战争装备的高新技术，同样也是现代高科技产品及科学技术发展的基石，指导了现代制造科学的方向。其中的单点金刚石的切割，是一种逐渐成熟完善的超精密加工技术，其具有微量切割能力和高精度的表面技术加工效率，同样也是超精密加工技术的研究热点。

天然的金刚石作为碳的结晶体，属六方晶系，有着极高的强度、硬度及耐磨性能，是自然界中硬度最大的材质。由于受到晶体结构的影响，金刚石的物理性质有着各向异性的特性，金刚石不同晶面的硬度、强度等物理性能有着极大的不同，其晶面的各个晶向耐磨性也有十分大的差异，体现在磨削率高的“软方向”及磨削率低的“硬方向”。

作为金刚石的物体特性之一的解理，例如金刚石的（111）晶面就是解理面，其受到定向的机械力的作用，金刚石会出现沿着（111）晶面出现开裂，从而产生了解理现象。金刚石的解理现象的存在，使得金刚石表现了一定的脆性，在外界的冲击下，金刚石较容易出现开裂或毁坏的现象。

金刚石的化学性质体现在石墨化、氧化以及与过渡金属出现化学作用等一系列方面。在常压情况下，金刚石的氧化温度在700～850℃，开始燃烧温度则为850～1000℃，在惰性气体中石墨化的温度大约在1500℃，在常温的空气中，石墨化的温度会更加低。在高温情况下，金刚石和W等合金元素进行化学反应，会形成稳定的碳化物；和Fe、Cr等金属进行接触，金刚石的碳原子摆脱了晶体的制约，扩散到金属的晶体内。

1 影响金刚石刀具研磨质量的工艺因素

由于金刚石的硬度极高，所以对金刚石刀具的研磨加工，就会出现很大的难题，研磨效率十分低下。由于金刚石的质脆、易开裂和在高温下容易出现化学和扩散的磨损缺点，对研磨锋锐度强、刃口好，耐磨度强的高品质的刀具就更加困难。我们可以在金刚石刀具的研磨过程中，合理地利用金刚石的特殊化学物理特性，控制金刚石的磨损量和磨损方式，在确保金刚石刀具质量前提下，提高研磨的效率。

依据金刚石刀具的研磨加工经验，在金刚石刀具研磨过程中，影响刀具研磨质量的主要工艺因素有：

（l）磨料粒度。选用颗粒较大的磨料，会增加砂轮对金刚石刀具研磨面的微量切削作用，提高研磨加工效率。若选用的磨料颗粒太大，就会对刀具的刃口产生冲击作用，加大了刃口开裂的可能，不能保证刃口表面度的良好。

（2）研磨方向。刀具刃口的方向和金刚石研磨面的软硬方向，对研磨方向的选择有着极大的作用。金刚石有较强的抗压强度，其抗拉强度相对来说较弱，所以研磨方向由刃口向刀体进行时，刃口不容易出现崩刃的现象，如果研磨方向相反，就会出现刃口崩裂。研磨方向偏离晶面的“软方向”，就会使得磨削效率大幅度下降；研磨方向偏离“硬方向”，就会发生打滑、磨不动等现象，使金刚石刀具的刃口锋锐度难以保证。

（3）研磨速度。研磨线速度的提高，不仅增大了研磨的切削作用，而且也提高了研磨效率。但是如果无限制的加大研磨线的速度，就会增大砂轮的直径及研磨机器的体积扩大，加大了研磨器具的加工和配置难度，所以一般选用的研磨线的速度为 30～50 m/s。

（4）研磨压力。研磨过程中，合理加大研磨的压力，可以增加砂轮对金刚石刀具研磨面的切削作用，在切削区域内提高瞬时温度，增大了刀具的化学和物理磨损，进而加速了研磨的效率。选用高磷铸铁的砂轮基体，其研磨压力更大，切削区域的温度更高，增加了金刚石晶体碳原子扩散到砂轮表面，提高了刀具研磨的效率。如果研磨压力太大，刃口受到冲击压力就越大，就会加剧刃口的开裂现象，很难保证刀具锋锐度和轮廓的指标。研磨的压力大，砂轮和刀具的切触区域温度就会瞬时增温，刀具刃口的石墨化组织就会增加，变质层的厚度也加大，会降低刀具质量和耐磨性。

2 研磨压力控制的重要性及基本实现方式

实践表明，减少在研磨过程中的冲击作用，可以保证刀具和砂轮的切触区域在瞬时高温中提高刀具的质量。刃口受到的冲击作用小，就会减弱刃口的开裂和破碎现象，保证了刀具的锋锐度和轮廓度的指标。切触区域温度的稳定，刀具刃口的石墨化和碳化物组织减弱，使得刀具的耐磨性得以保证。虽然研磨压力不能直接影响刀具的锋锐度和耐磨性能，但是研磨压力的波动，直接影响刃口的冲击作用大小，也决定了切触区域的温度，如果有效控制了研磨压力的使用，就会保证金刚石刀具的各项性能。和其他加工工艺进行对比，研磨压力的有效控制和合理选择，更为有效地提高金刚石刀具的研磨质量。刀具在粗磨时控制在9～12 N，精磨时为3～15 N。在研磨的过程中，需要的研磨压力比较小，所以压力的波动不能大，需要进行小压力的有效稳定控制。

一般金刚石刀具的研磨压力控制，有三种实现方式：液压式、机械式和电气机械式。

机械式的研磨压力，就是通过悬挂式的配重来控制研磨压力的稳定性，有着操作简单，结构易懂的优点。很多工具的磨床都是选用机械式，例如瑞士的EWAG公司的RS系列超硬刀具刃磨机床等，但是这种方式的研磨压力有效控制和手工操作有着紧密的关联，需要大量的经验性，研磨压力精度无法有效的进行检测，研磨参数也没有方法进行调节。

液压式的研磨压力控制系统，就是通过差动液压缸来控制研磨的进给量。虽然在一定程度上提高了系统的灵活性和控制性能，但其各环节的摩擦力对研磨控制影响比较大，其系统的响应速度也慢，所以没有很好得到应用。

三种方式的比较，灵活性最强的就是电气机械式系统。其主要利用力的传感器检测力信号控制的电机的运动平台，对运动平台进行控制，进而维持刀具和砂轮的研磨压力。电气机械式系统机构复杂，操作难度也高，但其可以和现代化的计算机技术进行有效地结合，可以有效实现研磨过程的状态检测和过程分析等功能，也可以适应复杂的工作条件和较好地完成金刚石刀具“小压力稳定控制”的基本需求。

3 自适应控制理论的应用

一般的预测控制计算式，在考虑控制结构特点的情况下，对目标进行优化函数从而得到某一刻的控制量，在快速随动系统控制内，可以有效地输出反应，但也伴随了大量不明控制的输入。由于预测控制需要通过在线优化，并在大范围内对研磨过程进行输出报告，使得控制系统结构复杂，难以进行大量的定量分析。

针对这个问题，Richalet在1988年提出了新的基于预测控制原理的预测函数的控制方法，且成功的运用到了工业机器人的快速跟踪控制上。Richalet在1993年发表了预测函数控制方法的专著，详细介绍了预测函数控制技术的干扰、输出输入制约、不稳定系统等方面，并研究分析了预测函数控制方法的特性。不仅在预测函数控制的理论上获得了良好的效果，也广泛的应用到了机器人、冶金轧制过程、红外摄像、火箭姿态调整、火炮或雷达的目标跟踪等快速的随动系统中。

国内研究预测函数控制方法，始源于上世纪的90时代，在理论和实际应用中也取得了有效的进展。许鸣珠等从解析法及优化法两种方法总结出了一阶、二阶和一阶加纯滞后过程的PFC控制算法。推导了PFC算法的内模结构，并简要分析了其稳定性及鲁棒性。总结出了PFC基本原理及基于PFC的透明结构控制系统的设计，研究开发了基于MATLAB环境的预测函数控制的计算机辅助软件。研究了单变量预测函数控制系统的闭环稳定性、跟踪性能及鲁棒性等关键问题，并在此基础上对控制参数的调节方法进行了讨论。设计了自适应的预测函数控制器，根据LyaPimov的稳定性和奇异值理论，对闭环系统状态方程做了稳定性分析，讨论了如何保证闭环系统稳定的条件因素等。