微磨削加工技術(shù)

微磨削加工技術(shù)主要分為精密和超精密磨削技術(shù)。

精密與超精密磨削的機(jī)理

精密磨削一般使用金剛石和立方氮化硼等高硬度磨料砂輪，主要靠對(duì)砂輪的精細(xì)修整，使用金剛石修整刀具以極小而又均勻的微進(jìn)給(10-15 mm/min)，獲得眾多的等高微刃，加工表面磨削痕跡微細(xì)，最后采用無(wú)火花光磨，由于微切削、滑移和摩擦等綜合作用，達(dá)到低表面粗糙度值和高精度要求。超精密磨削采用較小修整導(dǎo)程和吃刀量修整砂輪，靠超微細(xì)磨粒等高微刃磨削作用進(jìn)行磨削。精密與超精密磨削的機(jī)理與普通磨削有一些不同之處。

1)超微量切除。應(yīng)用較小的修整導(dǎo)程和修整深度精細(xì)修整砂輪，使磨粒細(xì)微破碎而產(chǎn)生微刃。一顆磨粒變成多顆磨粒，相當(dāng)于砂輪粒度變細(xì)，微刃的微切削作用就形成了低粗糙度。

2)微刃的等高切削作用。微刃是砂輪精細(xì)修整而成，分布在砂輪表層同一深度上的微刃數(shù)量多，等高性好，從而加工表面的殘留高度極小。

3)單顆粒磨削加工過(guò)程。磨粒是一顆具有彈性支承和大負(fù)前角切削刃的彈性體，單顆磨粒磨削時(shí)在與工件接觸過(guò)程中，開(kāi)始是彈性區(qū)，繼而是塑性區(qū)、切削區(qū)、塑性區(qū)，最后是彈性區(qū)，這與切屑形成形狀相符合。超精密磨削時(shí)有微切削作用、塑性流動(dòng)和彈性破壞作用，同時(shí)還有滑擦作用。當(dāng)?shù)度袖h利，有一定磨削深度時(shí)，微切削作用較強(qiáng)；如果刀刃不夠鋒利，或磨削深度太淺，磨粒切削刃不能切人工件，則產(chǎn)生塑性流動(dòng)、彈性破壞以及滑擦。

4)連續(xù)磨削加工過(guò)程。工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪持續(xù)切人，開(kāi)始磨削系統(tǒng)整個(gè)部分都產(chǎn)生彈性變形，磨削切人量(磨削深度)和實(shí)際工件尺寸的減少量之間產(chǎn)生差值即彈性讓刀量。此后，磨削切人量逐漸變得與實(shí)際工件尺寸減少量相等，磨削系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。最后，磨削切入量到達(dá)給定值，但磨削系統(tǒng)彈性變形逐漸恢復(fù)為無(wú)切深磨削狀態(tài)引。

精密與超精密磨削技術(shù)的發(fā)展

近年來(lái)，國(guó)外對(duì)精密和超精密磨削技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究獲得了不少成果，主要體現(xiàn)在ELID (Electro—lytic In process Dressing)鏡面磨削新工藝的研究和加工硅片以及非球面零件的應(yīng)用上。直徑300 mm硅片的集成制造系統(tǒng)采用單晶金剛石砂輪使延性磨削和光整加工可以在同一個(gè)裝置上進(jìn)行，使硅片平面粗糙度達(dá)到R<1nm。

日本國(guó)家理化學(xué)研究所的大森整教授于1987年研制成功了在線修整砂輪的ELID鏡面磨削新工藝。ELID鏡面磨削技術(shù)是利用在線電解修整作用連續(xù)修整砂輪來(lái)獲得恒定的出刃高度和良好的容屑空間，同時(shí)，在砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜，當(dāng)砂輪表面的磨粒磨損后，鈍化膜被工件表面磨屑刮擦去除，電解過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，對(duì)砂輪表面進(jìn)行修整，加工表面粗糙度 達(dá)到0.02～0.01Izm，表面光澤如鏡 。大森整教授將ELID技術(shù)應(yīng)用于硅片自旋轉(zhuǎn)磨削工藝，實(shí)現(xiàn)了硅片的延性域磨削。Ibaraki大學(xué)研究了基于自旋轉(zhuǎn)磨削原理的集成磨削系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)整砂輪主軸與工件軸的夾角控制硅片的面型精度，應(yīng)用精密氣缸和磨削力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制壓力磨削，可以在一個(gè)工序中完成硅片的延性域磨削加工和減小損傷層的磨拋(polishing—like grinding)加工，加工300 mm硅片達(dá)到表面粗糙度R <1 nm，表面損傷層減小到0.1—0.12 p,m，能源消耗比傳統(tǒng)工藝降低70％。

美國(guó)在應(yīng)用ELID磨削技術(shù)加工電子計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體微處理器方面已取得突破性進(jìn)展，在國(guó)防、航空航天及核工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也在進(jìn)行。Pei Z J等人對(duì)自旋轉(zhuǎn)磨削法精密磨削硅片的加工過(guò)程以及加工參數(shù)、砂輪粒度、冷卻液供給等加工條件對(duì)磨削力、硅片面型精度、表面磨削紋路、表面粗糙度的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

德國(guó)是最早研究ELID磨削技術(shù)的幾個(gè)國(guó)家之一。在1991年就有德國(guó)的機(jī)床廠家進(jìn)行了系列ELID專(zhuān)用機(jī)床的設(shè)計(jì)。此外，英、法等國(guó)對(duì)ELID磨削技術(shù)也進(jìn)行了深人的研究。超精密復(fù)合加工發(fā)展很快，如流體拋光加工、超聲振動(dòng)磨削、電化學(xué)拋光、超聲電化學(xué)拋光、放電磨削、電化學(xué)放電修整磨削、動(dòng)力懸浮研磨、磁流體研磨、磁性磨料拋光、動(dòng)磁性磨料拋光、軟粒子研磨、機(jī)械化學(xué)拋光、擺動(dòng)磨料流拋光和電泳磨削技術(shù)等。

我國(guó)對(duì)精密磨削研究尚處于初級(jí)階段，主要集中在高校。哈爾濱工業(yè)大學(xué)以袁哲俊教授為首的ELID課題組研制成功了ELID磨削專(zhuān)用的脈沖電源、磨削液和砂輪，在國(guó)產(chǎn)機(jī)床上開(kāi)發(fā)出平面、外圓和內(nèi)圓ELID磨削裝置，實(shí)現(xiàn)了多種難加工材料的精密鏡面磨削。目前正積極推廣普及該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品化 。東華大學(xué)機(jī)械學(xué)院的研究者利用固結(jié)磨粒低頻振動(dòng)(頻率廠為0.5—20 Hz、振幅為0.5～3 mm)壓力進(jìn)給的精整加工，研究了適宜的經(jīng)濟(jì)加工條件及有關(guān)參數(shù)，并驗(yàn)證了經(jīng)過(guò)磨削加工后的陶瓷工件，再經(jīng)過(guò)超精加工可以進(jìn)一步降低其表面粗糙度，可降低2～4個(gè)等級(jí)。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤(pán)加工及超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問(wèn)世 。

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