精密和超精密磨削机理及磨削砂轮的选择分析

马博磊 李兴华 郭孝祖

摘要：在现代生产活动中，人们对部件结构的精密度要求越来越高。因此，器件的精密与超精密加工成为了热门的研究课题。随着计算机技术的发展，精密控制已经成为了现实。而磨削砂轮的选择则成为了限制精密与超精密加工发展的最大因素。在本文中，我们通过介绍精密与超精密加工的定义，分析了精密磨削加工的工作机理，并以此为基础，研究了精密加工磨削砂轮选择的方法。这些研究对精密和超精密磨削加工的发展应用有很重要的意义，有很好的现实价值。

关键词：精密加工；磨削机理；磨削砂轮

引言

随着时代的发展，越来越多的工作仪器向超小型化和高精密度的方向发展。要实现这些仪器的制造，首先需要生产极高精密度的工作部件。因此，精密与超精密的部件加工越来越受到人们的重视。

在机械加工中，磨削加工是比较常用的一种加工方式。由于现阶段的磨削加工主要有机床完成，距离精密还有一定的距离。因此，展开精密与超精密磨削加工的相关研究有很大的必要性。

本文拟通过分析精密与超精密磨削加工的特点和机理，研究探讨磨削砂轮的选择准则和方法。

一、精密与超精密分析

上世纪六十年代，随着核能、大规模集成电路等大量新兴技术的发展，人们迫切需要一种能够实现极高精密度部件加工的加工技术。精密与超精密加工由此产生。

精密与超精密加工技术诞生之后，很快在计算机、航空航天等诸多领域取得了广泛应用。随着多年的发展，精密与超精密加工技术已经取得了巨大的进步。目前，该加工技术的加工精密度已经达到了纳米级别，并在朝着更高的精密度级别发展。

由于精密与超精密加工在加工精密度上有比较高的要求，所以相比其它加工技术，其在控制系统、伺服系统、测量系统等多个方面都有很大的变化。特别是计算机控制系统的应用，不仅实现了微误差精密加工的要求，也极大推动了该类智能控制系统在其它加工领域的应用，对于信息化时代的发展推动也有很重要的意义。

二、精密磨削机理分析

磨削加工是现代生产中应用比较广泛的一种切削加工方法。由于现代仪器对于高精密度部件的要求越来越迫切，所以精密与超精密磨削的研究也越来越热门。而精密与超精密磨削的机理则主要分为微加工与连续加工两方面。

2.1 器件结构的微加工

微加工是精密与超精密磨削加工的基础。在现代生产活动中，人们一般会先选择一个毛坯部件，再利用切削等技术手段，对其外部结构等进行改变。精密与超精密磨削为了实现高精准度的加工要求，磨削厚度等甚至可能会小于器件晶粒的大小。这就要求磨具要有比较大的切削力。

同时，在磨削工作的过程中，磨具基本都处于高速运转的状态。剧烈运动下与加工器件产生摩擦，会导致局部加工区域的温度急剧上升。如果选择的磨具不当，很容易在高温下发生形变，进而影响到加工精密度。

从上述两点分析，我们可以判断要实现器件结构的微加工，所选择的磨具必须同时具有高硬度和耐高温两个特性。按照现有的模具材料筛选，我们认为精密与超精密磨削加工的磨具材料应当优先选择金刚石、立方氮化硼等材料。

2.2 连续性的精密磨削加工

连续加工是精密与超精密加工的另一个显著特点。为了实现对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，即利用磨具等主次对器件的结构进行微加工。为了保证工作的准确性，在逐步加工的过程中，一般不能中断。这就要求精密磨削加工有比较高的连续性。

另外，在连续磨削加工的过程中，加工器件等在磨具的作用力下，会发生微小的弹性形变。在系统工作状态稳定之后，磨削的切入量才会与加工器件的尺寸减少量保存一致。在普通情况下，这种现象会被计算到正常误差范围内。但是在精密与超精密加工中，这种误差会极大地影响精密度。因此，在连续磨削加工的时候，需要预先将这一部分误差量考虑进去，并在加工的时候控制刀具合理处理这一部分工作量。所以，精密与超精密磨削加工对于刀具的把控性要求比较高。

三、磨削砂轮的选择分析

在上文中我们分析到，精密与超精密加工所用磨具需要同时具有高硬度和耐高温的特性。而在磨削加工连续工作状态中，又需要比较高的刀具把控度。所以，磨削加工的砂轮在选择准则和方法上有一定的注意事项。

3.1 磨削砂轮选择准则

首先需要注意的是磨削砂轮的硬度选择。模具需要高硬度是相对于加工器件而言，如果硬度比较低，无法满足未加工切削的需求；如果硬度过高，会因为砂轮与加工器件的硬摩擦而留下擦伤等。所以，磨削砂轮的硬度选择准则是以加工器件的硬度为参考物。考虑到需要精密加工的器件硬度一般都比较低，所以我们建议选择中硬度的磨削砂轮。

为了满足刀具高把控性的要求，磨削砂轮的粒度也是选择的一项准则。特别是为了能够实现对磨削加工开始时弹性形变产生误差的补偿，磨削砂輪要保持比较好的微刃。而具体的磨削砂轮粒度的粗细，则可以根据图1进行选择，如下：

另外，磨削砂轮在工作的时候还涉及到修整的问题。目前已经开发出适用于金刚石等常用磨削砂轮材料的修整器，在此我们不进行一一赘述。在实际工作中，工作者可根据自己的需求合理选择。

3.2 磨削砂轮选择方法

根据上文所述的磨削砂轮选择的准则，我们对磨削砂轮的选择方法提出了如下的建议：

（1）确定加工器件的属性；工作者首先要明确加工器件的加工精密度、硬度和晶粒大小，并以此为依据，选择合适的精密加工机床等；

（2）根据加工器件的属性，选择磨料和磨削砂轮的硬度和粒度等；硬度选择一般以中硬度为基准，在合理范围内适当提高。粒度则可以根据选择参考图进行判别；

（3）适当选择修整器。由于目前使用的精密与超精密加工的模具砂轮基本都采用了金刚石等材料，而该材料的修整器应用也比较广泛。所以，我们建议在能够满足精密度等工作条件的要求下，优先选择金刚石作为磨料。

结束语

精密与超精密磨削加工将在未来很长一段时间内继续为人们提供服务，在工业生产中会扮演重要的角色。本文通过分析精密与超精密磨削加工的特点，确定了磨削砂轮需要的高硬度、耐高温的特性，并根据现实情况，对其选择方法等进行了建议。这些研究对精密与超精密磨削加工的发展有很好的帮助。

参考文献：

[1]蒋志金.强力砂轮在硬质合金刀具精密磨削中的性能研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2018.

[2]王伟.石英玻璃的高校可控精密磨削机理研究[D].山东大学，2017.

[3]高兴军，赵恒华.粳米和超精密磨削机理及磨削砂轮选择的研究[J].机械制造，2004.