匡 昱

（江漢大學(xué)文理學(xué)院，湖北武漢430056）

超精密加工技術(shù)作為現(xiàn)代化科技戰(zhàn)爭(zhēng)裝備的高新技術(shù)，同樣也是現(xiàn)代高科技產(chǎn)品及科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基石，指導(dǎo)了現(xiàn)代制造科學(xué)的方向。其中的單點(diǎn)金剛石的切割，是一種逐漸成熟完善的超精密加工技術(shù)，其具有微量切割能力和高精度的表面技術(shù)加工效率，同樣也是超精密加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

天然的金剛石作為碳的結(jié)晶體，屬六方晶系，有著極高的強(qiáng)度、硬度及耐磨性能，是自然界中硬度最大的材質(zhì)。由于受到晶體結(jié)構(gòu)的影響，金剛石的物理性質(zhì)有著各向異性的特性，金剛石不同晶面的硬度、強(qiáng)度等物理性能有著極大的不同，其晶面的各個(gè)晶向耐磨性也有十分大的差異，體現(xiàn)在磨削率高的“軟方向”及磨削率低的“硬方向”。

作為金剛石的物體特性之一的解理，例如金剛石的（111）晶面就是解理面，其受到定向的機(jī)械力的作用，金剛石會(huì)出現(xiàn)沿著（111）晶面出現(xiàn)開(kāi)裂，從而產(chǎn)生了解理現(xiàn)象。金剛石的解理現(xiàn)象的存在，使得金剛石表現(xiàn)了一定的脆性，在外界的沖擊下，金剛石較容易出現(xiàn)開(kāi)裂或毀壞的現(xiàn)象。

金剛石的化學(xué)性質(zhì)體現(xiàn)在石墨化、氧化以及與過(guò)渡金屬出現(xiàn)化學(xué)作用等一系列方面。在常壓情況下，金剛石的氧化溫度在700～850℃，開(kāi)始燃燒溫度則為850～1000℃，在惰性氣體中石墨化的溫度大約在1500℃，在常溫的空氣中，石墨化的溫度會(huì)更加低。在高溫情況下，金剛石和W等合金元素進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，會(huì)形成穩(wěn)定的碳化物；和Fe、Cr等金屬進(jìn)行接觸，金剛石的碳原子擺脫了晶體的制約，擴(kuò)散到金屬的晶體內(nèi)。

1 影響金剛石刀具研磨質(zhì)量的工藝因素

由于金剛石的硬度極高，所以對(duì)金剛石刀具的研磨加工，就會(huì)出現(xiàn)很大的難題，研磨效率十分低下。由于金剛石的質(zhì)脆、易開(kāi)裂和在高溫下容易出現(xiàn)化學(xué)和擴(kuò)散的磨損缺點(diǎn)，對(duì)研磨鋒銳度強(qiáng)、刃口好，耐磨度強(qiáng)的高品質(zhì)的刀具就更加困難。我們可以在金剛石刀具的研磨過(guò)程中，合理地利用金剛石的特殊化學(xué)物理特性，控制金剛石的磨損量和磨損方式，在確保金剛石刀具質(zhì)量前提下，提高研磨的效率。

依據(jù)金剛石刀具的研磨加工經(jīng)驗(yàn)，在金剛石刀具研磨過(guò)程中，影響刀具研磨質(zhì)量的主要工藝因素有：

（l）磨料粒度。選用顆粒較大的磨料，會(huì)增加砂輪對(duì)金剛石刀具研磨面的微量切削作用，提高研磨加工效率。若選用的磨料顆粒太大，就會(huì)對(duì)刀具的刃口產(chǎn)生沖擊作用，加大了刃口開(kāi)裂的可能，不能保證刃口表面度的良好。

（2）研磨方向。刀具刃口的方向和金剛石研磨面的軟硬方向，對(duì)研磨方向的選擇有著極大的作用。金剛石有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)較弱，所以研磨方向由刃口向刀體進(jìn)行時(shí)，刃口不容易出現(xiàn)崩刃的現(xiàn)象，如果研磨方向相反，就會(huì)出現(xiàn)刃口崩裂。研磨方向偏離晶面的“軟方向”，就會(huì)使得磨削效率大幅度下降；研磨方向偏離“硬方向”，就會(huì)發(fā)生打滑、磨不動(dòng)等現(xiàn)象，使金剛石刀具的刃口鋒銳度難以保證。

（3）研磨速度。研磨線速度的提高，不僅增大了研磨的切削作用，而且也提高了研磨效率。但是如果無(wú)限制的加大研磨線的速度，就會(huì)增大砂輪的直徑及研磨機(jī)器的體積擴(kuò)大，加大了研磨器具的加工和配置難度，所以一般選用的研磨線的速度為 30～50 m/s。

（4）研磨壓力。研磨過(guò)程中，合理加大研磨的壓力，可以增加砂輪對(duì)金剛石刀具研磨面的切削作用，在切削區(qū)域內(nèi)提高瞬時(shí)溫度，增大了刀具的化學(xué)和物理磨損，進(jìn)而加速了研磨的效率。選用高磷鑄鐵的砂輪基體，其研磨壓力更大，切削區(qū)域的溫度更高，增加了金剛石晶體碳原子擴(kuò)散到砂輪表面，提高了刀具研磨的效率。如果研磨壓力太大，刃口受到?jīng)_擊壓力就越大，就會(huì)加劇刃口的開(kāi)裂現(xiàn)象，很難保證刀具鋒銳度和輪廓的指標(biāo)。研磨的壓力大，砂輪和刀具的切觸區(qū)域溫度就會(huì)瞬時(shí)增溫，刀具刃口的石墨化組織就會(huì)增加，變質(zhì)層的厚度也加大，會(huì)降低刀具質(zhì)量和耐磨性。

2 研磨壓力控制的重要性及基本實(shí)現(xiàn)方式

實(shí)踐表明，減少在研磨過(guò)程中的沖擊作用，可以保證刀具和砂輪的切觸區(qū)域在瞬時(shí)高溫中提高刀具的質(zhì)量。刃口受到的沖擊作用小，就會(huì)減弱刃口的開(kāi)裂和破碎現(xiàn)象，保證了刀具的鋒銳度和輪廓度的指標(biāo)。切觸區(qū)域溫度的穩(wěn)定，刀具刃口的石墨化和碳化物組織減弱，使得刀具的耐磨性得以保證。雖然研磨壓力不能直接影響刀具的鋒銳度和耐磨性能，但是研磨壓力的波動(dòng)，直接影響刃口的沖擊作用大小，也決定了切觸區(qū)域的溫度，如果有效控制了研磨壓力的使用，就會(huì)保證金剛石刀具的各項(xiàng)性能。和其他加工工藝進(jìn)行對(duì)比，研磨壓力的有效控制和合理選擇，更為有效地提高金剛石刀具的研磨質(zhì)量。刀具在粗磨時(shí)控制在9～12 N，精磨時(shí)為3～15 N。在研磨的過(guò)程中，需要的研磨壓力比較小，所以壓力的波動(dòng)不能大，需要進(jìn)行小壓力的有效穩(wěn)定控制。

一般金剛石刀具的研磨壓力控制，有三種實(shí)現(xiàn)方式：液壓式、機(jī)械式和電氣機(jī)械式。

機(jī)械式的研磨壓力，就是通過(guò)懸掛式的配重來(lái)控制研磨壓力的穩(wěn)定性，有著操作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)易懂的優(yōu)點(diǎn)。很多工具的磨床都是選用機(jī)械式，例如瑞士的EWAG公司的RS系列超硬刀具刃磨機(jī)床等，但是這種方式的研磨壓力有效控制和手工操作有著緊密的關(guān)聯(lián)，需要大量的經(jīng)驗(yàn)性，研磨壓力精度無(wú)法有效的進(jìn)行檢測(cè)，研磨參數(shù)也沒(méi)有方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

液壓式的研磨壓力控制系統(tǒng)，就是通過(guò)差動(dòng)液壓缸來(lái)控制研磨的進(jìn)給量。雖然在一定程度上提高了系統(tǒng)的靈活性和控制性能，但其各環(huán)節(jié)的摩擦力對(duì)研磨控制影響比較大，其系統(tǒng)的響應(yīng)速度也慢，所以沒(méi)有很好得到應(yīng)用。

三種方式的比較，靈活性最強(qiáng)的就是電氣機(jī)械式系統(tǒng)。其主要利用力的傳感器檢測(cè)力信號(hào)控制的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行控制，進(jìn)而維持刀具和砂輪的研磨壓力。電氣機(jī)械式系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，操作難度也高，但其可以和現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有效地結(jié)合，可以有效實(shí)現(xiàn)研磨過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)和過(guò)程分析等功能，也可以適應(yīng)復(fù)雜的工作條件和較好地完成金剛石刀具“小壓力穩(wěn)定控制”的基本需求。

3 自適應(yīng)控制理論的應(yīng)用

一般的預(yù)測(cè)控制計(jì)算式，在考慮控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的情況下，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化函數(shù)從而得到某一刻的控制量，在快速隨動(dòng)系統(tǒng)控制內(nèi)，可以有效地輸出反應(yīng)，但也伴隨了大量不明控制的輸入。由于預(yù)測(cè)控制需要通過(guò)在線優(yōu)化，并在大范圍內(nèi)對(duì)研磨過(guò)程進(jìn)行輸出報(bào)告，使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以進(jìn)行大量的定量分析。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Richalet在1988年提出了新的基于預(yù)測(cè)控制原理的預(yù)測(cè)函數(shù)的控制方法，且成功的運(yùn)用到了工業(yè)機(jī)器人的快速跟蹤控制上。Richalet在1993年發(fā)表了預(yù)測(cè)函數(shù)控制方法的專著，詳細(xì)介紹了預(yù)測(cè)函數(shù)控制技術(shù)的干擾、輸出輸入制約、不穩(wěn)定系統(tǒng)等方面，并研究分析了預(yù)測(cè)函數(shù)控制方法的特性。不僅在預(yù)測(cè)函數(shù)控制的理論上獲得了良好的效果，也廣泛的應(yīng)用到了機(jī)器人、冶金軋制過(guò)程、紅外攝像、火箭姿態(tài)調(diào)整、火炮或雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤等快速的隨動(dòng)系統(tǒng)中。

國(guó)內(nèi)研究預(yù)測(cè)函數(shù)控制方法，始源于上世紀(jì)的90時(shí)代，在理論和實(shí)際應(yīng)用中也取得了有效的進(jìn)展。許鳴珠等從解析法及優(yōu)化法兩種方法總結(jié)出了一階、二階和一階加純滯后過(guò)程的PFC控制算法。推導(dǎo)了PFC算法的內(nèi)模結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)要分析了其穩(wěn)定性及魯棒性。總結(jié)出了PFC基本原理及基于PFC的透明結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究開(kāi)發(fā)了基于MATLAB環(huán)境的預(yù)測(cè)函數(shù)控制的計(jì)算機(jī)輔助軟件。研究了單變量預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性、跟蹤性能及魯棒性等關(guān)鍵問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上對(duì)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了討論。設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的預(yù)測(cè)函數(shù)控制器，根據(jù)LyaPimov的穩(wěn)定性和奇異值理論，對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)方程做了穩(wěn)定性分析，討論了如何保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的條件因素等。

4 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于金剛石刀具研磨過(guò)程的“小壓力穩(wěn)定控制”，我們可以借鑒自適應(yīng)控制的理論和實(shí)踐的研究成果，依據(jù)研磨機(jī)床的技術(shù)，合理的對(duì)研磨壓力控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而可以對(duì)金剛石刀具研磨壓力進(jìn)行有效的穩(wěn)定控制，保證金剛石刀具的研磨質(zhì)量。

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