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    ［摘要］介紹了精密磨削與超精密磨削的機理，闡述了精密磨床以及精密磨削與超精密磨削技術的研究現狀，并分析了精密磨削與超精密磨削的發展趨勢。

 
      0 引言

     磨削加工是主要的精密加工和超精密加工方法，一般分為普通磨削、精密磨削、超精密磨削加工，它們能達到的磨削精度在生產發展的不同時期有不同的精度范圍 。

     目前，普通磨削一般指加工表面粗糙度為精度Ra在0. 16 ～ 1. 25 μm，加工精度> 1 μm 的磨削方法. 精密磨削當前可以達到的精度一般為表面粗糙度Ra為0. 04 ～ 1. 25 μm，加工精度為1 ～ 0. 5 μm.超精密磨削是當代能達到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法，表面粗糙度可達到Ra≤0. 01 μm，精度≤0. 01 μm，甚至進入納米級 。

      1、 精密與超精密磨削的機理

      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，主要靠對砂輪的精細修整，使用金剛石修整刀具以極小而又均勻的微進給( 10 ～ 15 mm/min) ，獲得眾多的等高微刃，加工表面磨削痕跡微細，最后采用無火花光磨，由于微切削、滑移和摩擦等綜合作用，達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程和吃刀量修整砂輪，靠超微細磨粒等高微刃磨削作用進行磨削［1］.精密與超精密磨削的機理與普通磨削有一些不同之處.

      1) 超微量切除. 應用較小的修整導程和修整深度精細修整砂輪，使磨粒細微破碎而產生微刃.一顆磨粒變成多顆磨粒，相當于砂輪粒度變細，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. 微刃是砂輪精細修整而成的，分布在砂輪表層同一深度上的微刃數量多，等高性好，從而加工表面的殘留高度極小［ .

      3) 單顆粒磨削加工過程. 磨粒是一顆具有彈性支承和大負前角切削刃的彈性體，單顆磨粒磨削時在與工件接觸過程中，開始是彈性區，繼而是塑性區、切削區、塑性區，最后是彈性區，這與切屑形成形狀相符合. 超精密磨削時有微切削作用、塑性流動和彈性破壞作用，同時還有滑擦作用. 當刀刃鋒利，有一定磨削深度時，微切削作用較強; 如果刀刃不夠鋒利，或磨削深度太淺，磨粒切削刃不能切入工件，則產生塑性流動、彈性破壞以及滑擦。
 

      4) 連續磨削加工過程. 工件連續轉動，砂輪持續切入，開始磨削系統整個部分都產生彈性變形，磨削切入量( 磨削深度) 和實際工件尺寸的減少量之間產生差值即彈性讓刀量. 此后，磨削切入量逐漸變得與實際工件尺寸減少量相等，磨削系統處于穩定狀態. 最后，磨削切入量到達給定值，但磨削系統彈性變形逐漸恢復為無切深磨削狀態 。

      2 、精密與超精密磨床的發展

     精密磨床是精密磨削加工的基礎. 當今精密磨床技術的發展方向是高精度化、集成化、自動化。

     英國Cranfield 大學精密工程公司( CUPE) 是較早從事超精密磨削加工機床研制的公司，該公司研制成功的OAGM2500 大型超精密磨床是迄今為止最大的超精密磨削加工設備，主要用于光學玻璃等硬脆材料的超精密磨削加工［3，6］. CUPE 生產的Nanocentre ( 納米加工中心) 帶有磨頭，可進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0. 1 μm，表面粗糙度Ra < 10 nm［3］. 2003 年英國Cranfield 大學和Cranfield 精密工程有限公司聯合研制成功一種新型的超精密磨床，可在一個工序中以很高的加工效率完成硅片的延性域納米磨削，獲得很好的表面和亞表面完整性. 據稱，用該超精密磨床磨削大直徑硅片可以完全代替傳統工藝的研磨和腐蝕工序，甚至有望取代拋光加工。

      美國Moore Nanotechnology system 公司生產的超精密磨床，采用的超精密靜壓導軌保持0. 3 μm 的直線度，加工幾何精度達0. 1 μm，表面粗糙度Ra = 5 nm［8］. 美國LLNL 實驗室為滿足更大口徑光學零件以及硬脆材料光學零件的超精密磨削加工的需求，2006 年開發下一代超精密光學加工設備POGAL( Optic Grinder and Lathe) ，其主軸的軸向、徑向精度技術指標為50 nm。

     日本對超精密加工技術研究比美國晚，它是應電子和光學等民用工業的需求才發展起來的. 以超精密車床為基礎，結合ELID 鏡面磨削技術，發展了加工回轉體非球曲面的ELID 精密數控鏡面磨床以后又發展了三坐標聯動的數控ELID 精密鏡面磨床，可實現精密自由曲面的鏡面加工. 其超精密磨削加工裝備主要有東芝( TOSHIBA) 機械公司20 世紀90 年代生產的ULG － 100A ( H) 型超精密非球面加工機床，機床主軸采用高剛度空氣靜壓軸承，兩軸全閉環控制，軸位移分辨率0. 01 μm. 它可加工各種光學零件和非球面透鏡注射成型金屬( 銅、非電解鎳) 模具、模壓成型陶瓷( WC) 模具，成型模具利用金剛石刀具或砂輪進行車削和研磨加工，能達到鏡面質量 。

      德國施奈德公司目前最典型的精密磨削設備是非球面超精密磨削加工中心SCGA121，該機床采用高剛度的混凝土聚合物作床身，多軸數控，既可以進行大去除量普通砂輪磨削，也可進行杯形砂輪磨削，同時與非球面拋光機床SCGA121，非球面在線檢測系統AU 集成，可以實現非球面光學元件的超精密、高效柔性自動化加工［6］. 德國G＆N 公司開發的Multi2Nano 全自動系列納米磨床，采用自旋轉磨削原理，裝備兩個砂輪主軸分別進行粗、精磨，具有3 個( 或4 個) 操作工位，自動完成硅片的粗磨、精磨、清洗或裝卸. 用于300 mm 硅片的超精密磨削可以獲得納米級的鏡面，用于背面磨削可將硅片減薄到100 ～ 150 μm。

      國內中科院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室研制的FSGJ － I，集銑磨成形、磨邊、精密拋光和檢測于一體。 大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室正在開展基于自旋轉磨削原理的大直徑硅片超精密磨削系統與裝備的開發與研究，并取得了初步成果。

      3 、精密與超精密磨削技術的發展

     近年來，國外對精密和超精密磨削技術的開發研究獲得了不少成果，主要體現在ELID ( ElectrolyticIn 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用上. 用于超精密鏡面磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石磨粒的平均粒徑可小至4 μm. 直徑300 mm 硅片的集成制造系統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裝置上進行，使硅片平面粗糙度達到Ra <1 nm ( Ry < 5 ～ 6 nm) ，平面度達到< 0. 2 μm/300 mm。

      日本國家理化學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 鏡面磨削技術是利用在線電解修整作用連續修整砂輪來獲得恒定的出刃高度和良好的容屑空間，同時，在砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜，當砂輪表面的磨粒磨損后，鈍化膜被工件表面磨屑刮擦去除，電解過程繼續進行，對砂輪表面進行修整，加工表面粗糙度Ra達到0. 02 ～ 0. 01 μm，表面光澤如鏡［2］. 大森整教授將ELID 技術應用于硅片自旋轉磨削工藝，實現了硅片的延性域磨削，亞表面損傷層深度< 014 μm，只有傳統研磨硅片損傷層深度的1 /3 ～ 1 /10［10 － 11］. Ibaraki 大學的H. Eda 等人研究了基于自旋轉磨削原理的集成磨削系統，該系統采用超磁致伸縮微驅動裝置調整砂輪主軸與工件軸的夾角控制硅片的面型精度，應用精密氣缸和磨削力檢測系統進行控制壓力磨削，可以在一個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 硅片達到表面粗糙度Ra < 1 nm，平面度< 0. 2 μm，表面損傷層減小到0. 1 ～ 0. 12 μm，能源消耗比傳統工藝降低70 %。
 

      美國在應用ELID 磨削技術加工電子計算機半導體微處理器方面已取得突破性進展，在國防、航空航天及核工業等領域的應用研究也在進行. Pei Z J 等人對自旋轉磨削法精密磨削硅片的加工過程以及加工參數、砂輪粒度、冷卻液供給等加工條件對磨削力、硅片面型精度、表面磨削紋路、表面粗糙度的影響進行了系統的試驗研究。

      德國是最早研究ELID 磨削技術的幾個國家之一. 在1991 年就有德國的機床廠家進行了系列ELID 專用機床的設計. 此外，英、法等國對ELID 磨削技術也進行了深入的研究.
超精密復合加工發展很快，如流體拋光加工、超聲振動磨削、電化學拋光、超聲電化學拋光、放電磨削、電化學放電修整磨削、動力懸浮研磨、磁流體研磨、磁性磨料拋光、動磁性磨料拋光、軟粒子研磨、機械化學拋光、擺動磨料流拋光和電泳磨削技術等. 采用超聲振動磨削加工微型硬質合金刀具比不采用超聲振動時磨削直徑可減小10 % ～ 20 %，長徑比可增加50 %，能夠獲得直徑11 ～23 μm，長度50 ～ 320 μm 的圓柱刀具. 電化學拋光可獲得表面粗糙度50 nm，自由磨料拋光達8 nm，而將兩者結合后可達6 nm，若將磨料粒度由21 μm 換為0. 51 μm，則可獲得2 nm 的表面粗糙度. 采用振動磁性磨料拋光，磨料粒度90 μm，可獲得表面粗糙度Ra為8 nm. 經流體拋光加工零熱膨脹的玻璃陶瓷試件其表面粗糙度Ra低于0. 1 nm，斷裂強度為546 MPa. 流體拋光加工不銹鋼毛細管內壁表面粗糙度優于Ra = 0. 5 μm。

      我國對精密磨削的研究尚處于初級階段，主要集中在高校. 哈爾濱工業大學以袁哲俊教授為首的ELID 課題組研制成功了ELID 磨削專用的脈沖電源、磨削液和砂輪，在國產機床上開發出平面、外圓和內圓ELID 磨削裝置，實現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，實現其產品化［8，15］. 東華大學機械學院的研究者利用固結磨粒低頻振動( 頻率f 為0. 5 ～ 20 Hz、振幅為0. 5 ～ 3 mm) 壓力進給的精整加工，研究了適宜的經濟加工條件及有關參數，并驗證了經過磨削加工后的陶瓷工件，再經過超精加工可以進一步降低其表面粗糙度，可降低2 ～ 4 個等級［16 － 17］. 清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤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行了深入研究，并有相應產品問世。

      4 、今后研究應關注的問題

      精密和超精密磨削技術在各方面均取得迅速發展，已成為先進制造技術的關鍵技術之一. 在今的研究中應著重關注以下幾個問題: 1) 超精密磨削的基本理論和工藝研究，著重研究多顆粒磨削機理、磨削表面生成及影響因素等; 2) 開發高精度、高性能、高自動化的加工機械及測試裝置的移動導向機構及軸承; 3) 目前ELID 鏡面磨削技術存在的問題是向高速回轉的砂輪供電非常困難，通常采用接觸式電刷供電設備，該設備復雜昂貴，影響了ELID 鏡面磨削技術的推廣應用，所以解決ELID鏡面磨削中向高速回轉的砂輪供電問題也是應關注的問題; 4) 開發適于超精密加工并能獲得超高精度，超高表面質量的新型材料，如超微粉燒結金屬、超微粉陶瓷、非結晶半導體陶瓷、新高分子材料等。