溫雪龍 鞏亞東 程 軍 武治政

東北大學(xué)，沈陽，110819

0 引言

近年來，微切削的發(fā)展很快，尤其是在微小工具和模具的制造業(yè)上，微切削在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)逐漸進(jìn)入商業(yè)化階段。但目前微切削加工所得到的微尺度表面質(zhì)量相對較差，所以將傳統(tǒng)的磨削工藝運(yùn)用到微尺度領(lǐng)域是現(xiàn)今及以后的發(fā)展趨勢和重要課題。

微磨削加工主要使用磨頭直徑小于1mm的微型磨棒對工件材料進(jìn)行直接的去除加工，以此來形成所需的工件表面形貌，或者對其他加工工藝形成的加工表面進(jìn)行再加工，以提高工件的表面質(zhì)量，達(dá)到工件的使用要求［1］。近些年來，使用磨削工藝獲得納米級粗糙度的表面質(zhì)量一直是國內(nèi)外磨削領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題。Gatzen等［2］將游離的磨粒嵌入到軟的金屬基盤中，制成磨具，并使用它對陶瓷材料進(jìn)行納米磨削，得到了極優(yōu)的表面質(zhì)量（Ra＝0.79nm）。Morgan等［3］對 ULE玻璃進(jìn)行槽加工，得到的槽底表面粗糙度Ra達(dá)到了5.7nm；他們還研究了一種利用微電火花加工（μEDM）和線電極電火花磨削加工（WEDG）修整多晶金剛石（PCD）工具的方法，制備了直徑110μm 和1mm 的 PCD微磨棒［4－5］。

國內(nèi)外學(xué)者對傳統(tǒng)磨削進(jìn)行了大量的研究與分析，利用傳統(tǒng)磨削可以得到納米級的表面粗糙度，但是對微尺度磨削的試驗(yàn)與分析研究還比較少。本文對鈉鈣玻璃材料進(jìn)行微磨削試驗(yàn)研究，進(jìn)而探索磨削因素對加工質(zhì)量的影響。

1 硬脆材料微磨削材料去除機(jī)理

1.1 微磨削機(jī)理

對于微磨削而言，一個(gè)個(gè)微小的磨粒可以看作是一個(gè)個(gè)小的切削刃。微磨削的加工過程中，由于磨削切深與微磨粒的刀刃圓角半徑基本上都在同一個(gè)數(shù)量級上，所以微磨粒的刃口半徑是不可以像傳統(tǒng)磨削加工那樣被忽視的。實(shí)際的微磨削加工過程中磨粒的切削刃應(yīng)該是一條近似圓弧形的表面。當(dāng)微磨削的磨削深度相對于微磨粒刃口半徑Re較小時(shí)，磨粒的刃口半徑Re的存在就更不容忽視了。傳統(tǒng)磨削中一般磨削深度都比較大，很少涉及最大未變形切屑厚度hm這個(gè)概念，但是對于微尺度加工，磨削的深度非常小，因此研究最大未變形切屑厚度有著重要的意義［6］。

1.2 材料的最大未變形切屑厚度

最大未變形切屑厚度是指只有當(dāng)磨削的切深大于某一個(gè)臨界的切深時(shí)才會(huì)有切屑的產(chǎn)生。如圖1所示，當(dāng)切深h小于最大未變形切屑厚度hm時(shí)，工件材料將會(huì)發(fā)生彈性變形，但是沒有材料的去除，當(dāng)切深接近最大未變形切屑厚度hm時(shí)，工件由于刀具的剪切作用而形成切屑，但是工件之前發(fā)生的彈性變形依舊存在。只有當(dāng)切深大于最大未變形切屑厚度時(shí)，工件材料的彈性變形的影響迅速減小，同時(shí)刀具會(huì)去除工件切深以內(nèi)的所有待磨削材料，這時(shí)候才會(huì)形成磨屑［7］。

多相多晶材料在不同晶粒的切屑形成時(shí)的最大未變形切屑厚度并不同，最主要的原因是不同的晶粒在加工過程中會(huì)有不同的彈性恢復(fù)高度。由于微磨削的磨削深度h一般都比磨粒的刃口半徑Re要小，在切深達(dá)到hm之前，微磨粒刃口處的材料會(huì)慢慢堆積，這嚴(yán)重影響了磨削的即時(shí)切深。當(dāng)材料的即時(shí)切深達(dá)到hm時(shí)切屑即可形成，從而實(shí)現(xiàn)了工件材料的去除。

最大未變形切屑厚度hm與兩個(gè)因素有關(guān)，一個(gè)是微磨粒材料和工件之間的摩擦因數(shù)μ，該因素取決于微磨粒和晶粒的物理特性。另一個(gè)因素就是刃口半徑Re。有了這兩個(gè)計(jì)算參數(shù)，就可以用下式計(jì)算hm：

其中，β是刀具材料與工件材料間的摩擦角，可以由下面的公式計(jì)算：

當(dāng)?shù)都饣^或者加工去除晶粒材料后，這些晶粒必然會(huì)在刀具的后刀面上產(chǎn)生彈性恢復(fù)。彈性恢復(fù)高度hr一般來說是由晶粒材料的彈性模量E決定的，它可由下面的公式來確定：

當(dāng)σ≤σp時(shí)，hr為

當(dāng)σ＞σp時(shí)，hr為

其中，σp為每一個(gè)晶粒的比例應(yīng)力極限，σ為施加在晶粒上的擠壓應(yīng)力，由下面的公式計(jì)算：

由上文可知：當(dāng)σ≤σp時(shí)，工件僅僅發(fā)生彈性形變，并沒有切屑的產(chǎn)生；當(dāng)σ＞σp時(shí)，工件除了發(fā)生彈性形變之外，還要發(fā)生塑性變形［8］。

2 硬脆材料微磨削試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)與檢測設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，試驗(yàn)所用三維微機(jī)械加工機(jī)床的尺寸為400mm×320mm×100mm，并且有50mm×50mm×50mm的工作空間。該機(jī)床由三臺精密直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并采用高精度光柵尺作為位置反饋系統(tǒng)，具備x、y、z三個(gè)方向10nm的分辨率和50mm的行程。機(jī)床配備有一臺高速氣動(dòng)主軸，工作氣壓范圍為0.3～0.5MPa，對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為120 000～160 000 r／min。機(jī)床還配備一個(gè)CCD立體顯微系統(tǒng)作為監(jiān)視裝置，有40～240倍的放大能力，對整個(gè)微加工過程進(jìn)行監(jiān)測。整臺機(jī)床由基于運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，并且配套有G代碼編程能力的人機(jī)界面交互軟件。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

檢測設(shè)備有超景深顯微鏡，能夠在需要的測量倍數(shù)上測量出工件的二維與三維照片，低倍鏡的放大倍數(shù)最大為200倍，高倍鏡的放大倍數(shù)最大為5000倍。非接觸式三維輪廓儀，可以檢測微磨削加工對工件表面產(chǎn)生的影響、加工后工件的表面粗糙度數(shù)值，以及合成的三維形貌等。

2.2 微磨削試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用直徑為3mm、磨粒粒度為200號和500號的磨粒微磨棒，分別進(jìn)行200號磨粒微磨棒粗磨與500號磨粒微磨棒精磨的三因素三水平槽磨正交試驗(yàn)，其試驗(yàn)方案如表1、表2所示，用以研究工作臺進(jìn)給速度、磨削深度、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對微磨削表面粗糙度的影響。

表1 微磨削槽磨粗磨（200號磨粒）三因素三水平試驗(yàn)方案

表2 微磨削槽磨精磨（500號磨粒）三因素三水平試驗(yàn)方案

為了進(jìn)一步觀察同一個(gè)磨粒粒度的不同磨棒直徑對工件表面粗糙度的影響，針對500號磨粒微磨棒，在所有加工參數(shù)相同的情況下，設(shè)計(jì)一組磨棒磨頭直徑分別為0.6mm與0.9mm的對比試驗(yàn)，進(jìn)一步研究影響槽磨加工的表面粗糙度數(shù)的因素。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對鈉鈣玻璃材料進(jìn)行溝槽的微磨削加工試驗(yàn)，得到不同加工條件下的加工工件表面粗糙度值，如表3、表4所示，其中表4列出了500號磨粒磨頭直徑分別為0.6mm和0.9mm兩種微磨棒加工后得到的工件表面粗糙度Ra1和Ra2。

表3 200號磨粒槽磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 500號磨粒（磨頭直徑分別為0.6mm、0.9mm）槽磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 不同進(jìn)給速度對加工表面粗糙度的影響

進(jìn)給速度直接影響切削力，較大的切削力將導(dǎo)致刀具偏移，加速刀具磨損并發(fā)生斷裂。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，微磨削加工后工件的表面粗糙度值與進(jìn)給速度之間大致成線性關(guān)系，在微磨削過程中，工件材料都存在彈性恢復(fù)，只不過對于不同的晶粒材料，其彈性恢復(fù)高度值不一樣，根據(jù)式（4），加工過程中如果采用比較小的進(jìn)給量，那么施加在晶粒上的擠壓應(yīng)力較小，這樣能夠有效地減低工件的彈性恢復(fù)高度值，微磨削加工時(shí)工件的表面粗糙度值一般隨工件進(jìn)給速度vw和磨削速度vs的比值（vw／vs）的增大而增大，在磨削速度vs一定的情況下，減小工件進(jìn)給速度可以減小工件的表面粗糙度值，進(jìn)而改善加工后工件的表面質(zhì)量。從圖3可以看出，隨著進(jìn)給速度的增大，工件的表面粗糙度值呈明顯上升趨勢，加工后的表面質(zhì)量也越差。

3.2 磨削深度對加工表面粗糙度的影響

微加工過程中，由于存在最大未變形切屑厚度值的問題，所以磨削深度不能太小，否則工件材料就只能發(fā)生彈性形變，沒有材料的去除。在微磨削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨削深度值增大時(shí)，工件的表面粗糙度值隨著增大，但是達(dá)到一定的深度后如果磨削深度繼續(xù)增大，工件的表面粗糙度值會(huì)有一個(gè)下降的趨勢，如圖4所示。這是因?yàn)閷τ谀バ级?，隨著磨削深度的增大，磨屑的排出就越困難，更多的磨屑會(huì)堵塞在磨棒上面，導(dǎo)致磨棒與工件材料相接觸的有效磨粒數(shù)減少，影響磨削的表面質(zhì)量。但是當(dāng)磨削深度達(dá)到一定的數(shù)值再繼續(xù)增大的話，微磨削中發(fā)生在材料晶粒之間的斷裂會(huì)大幅度減小，更多的磨屑是在晶界之間產(chǎn)生的，由此斷裂的毛刺會(huì)減少很多，這就不難解釋隨著磨削深度的增大，工件表面粗糙度值會(huì)有一個(gè)減小的趨勢。這其實(shí)也是傳統(tǒng)工業(yè)上采用的提高加工效率的緩進(jìn)給大縱深的磨削方式。

圖3 不同磨粒磨棒進(jìn)給速度對工件表面粗糙度的影響

圖4 不同磨粒磨棒磨削深度對工件表面粗糙度的影響

3.3 主軸轉(zhuǎn)速對加工表面粗糙度的影響

微磨削加工過程中，由于微磨棒的直徑過小，一般為3mm左右，磨頭直徑一般小于1mm，所以相對傳統(tǒng)加工來說，即使微加工有更高的主軸轉(zhuǎn)速，磨粒的實(shí)際線速度也很小。本試驗(yàn)中由于微加工機(jī)床采用的是高速的氣動(dòng)主軸，能夠提供最大150 000r／min的轉(zhuǎn)速，相對來說，磨粒的線速度能夠達(dá)到7m／s左右。由圖5可知，磨粒的線速度越高，所得到的工件的表面粗糙度值越小，在高速加工過程中甚至能夠得到延性域相對比較好的表面。所以在微加工過程中，我們應(yīng)該盡量使用高的主軸轉(zhuǎn)速。

3.4 不同磨頭直徑下磨削參數(shù)對工件表面粗糙度的影響

圖5 不同磨粒磨棒主軸轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度的影響

從圖6～圖8可以看出，用500號磨粒微磨棒加工得到的表面質(zhì)量比200號磨粒微磨棒加工得到的表面質(zhì)量更好。兩種直徑的微磨棒同樣是進(jìn)給速度越小主軸轉(zhuǎn)速越高，工件的表面粗糙度越低，加工表面質(zhì)量越好。磨削深度值增大時(shí)，工件的表面粗糙度值隨著增大，達(dá)到一定的深度后，如果磨削深度繼續(xù)增大，工件的表面粗糙度值會(huì)有一個(gè)下降的趨勢。這些變化規(guī)律與用200號磨粒微磨棒加工時(shí)所得到的規(guī)律基本一樣，但是用直徑0.9mm磨頭磨削加工后的工件表面粗糙度值比用直徑0.6mm磨頭加工后的工件表面粗糙度值要小，這主要是因?yàn)橹睆?.9mm的磨頭直徑大，磨頭表面的磨粒數(shù)量要比直徑0.6mm的多，在其他加工參數(shù)相同的情況下，轉(zhuǎn)化成磨粒的線速度就越大，磨削效率越高，單位時(shí)間內(nèi)通過工件單位面積的磨粒數(shù)越多，所以加工之后工件的表面質(zhì)量就會(huì)相應(yīng)好一些，這也啟示我們在以后的加工中盡可能使用磨頭直徑比較大的磨棒來進(jìn)行磨削加工。

圖6 不同直徑磨棒磨削深度的影響

圖7 不同直徑磨棒進(jìn)給速度的影響

圖8 不同直徑磨棒主軸轉(zhuǎn)速的影響

3.5 主軸轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)研究

經(jīng)試驗(yàn)研究，200號磨粒磨削時(shí)進(jìn)給速度對工件表面粗糙度的影響較大，而500號磨粒磨削時(shí)主軸轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度的影響較大，綜合比較，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度的影響較大，如圖9所示。

圖9 不同加工參數(shù)對工件表面粗糙度的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，我們又進(jìn)行了一組關(guān)于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的單因素槽磨試驗(yàn)，設(shè)定進(jìn)給速度為10μm／s，磨削深度為10μm，所得試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 主軸轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表

圖10所示為200號磨粒微磨棒主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響，可以明顯地看出：機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速從35 000r／min升高到120 000r／min，工件加工表面粗糙度由490nm下降到137nm，即機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速越高，加工工件的表面質(zhì)量越好。

圖10 200號磨粒微磨棒主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

4 結(jié)論

（1）通過微磨削試驗(yàn)，得出了進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和磨削深度對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。用200號磨粒的微磨棒進(jìn)行加工，工作臺進(jìn)給速度從500μm／s下降到100μm／s，加工工件表面粗糙度Ra由999nm下降到373nm；主軸轉(zhuǎn)速從35 000 r／min增加到120 000r／min，加工工件表面粗糙度Ra由607nm下降到321nm。隨著進(jìn)給速度的不斷減小，磨削速度的不斷增大，加工工件的表面質(zhì)量越來越高。用500號磨粒的微磨棒進(jìn)行加工，得到同樣的變化規(guī)律，只是加工后的表面粗糙度Ra更小，可以達(dá)到137nm，加工質(zhì)量更高。

（2）當(dāng)磨削深度不斷增大時(shí)，工件的表面粗糙度Ra隨著增大，但是磨削深度達(dá)到一定的大小時(shí)，如果磨削深度繼續(xù)增加，工件的表面粗糙度Ra會(huì)有一個(gè)下降的趨勢。用500號磨粒的微磨棒加工時(shí)較為明顯，當(dāng)磨削深度為10μm，加工后的表面粗糙度Ra為273nm，隨著磨削深度增大到15μm，加工后的表面粗糙度Ra為457nm，磨削深度繼續(xù)增大到20μm，加工工件表面粗糙度Ra為293nm。所以，在微磨削加工過程中我們要選擇合適的磨削深度，既不能偏大，也不能偏小。

（3）綜合分析比較，兩種磨粒的微磨棒加工過程中主軸轉(zhuǎn)速對加工質(zhì)量的影響最大。通過對500號磨粒微磨棒單因素試驗(yàn)研究，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高到120 000r／min，加工表面粗糙度Ra可以達(dá)到137nm，所以微磨削過程中一定要保證較高的主軸轉(zhuǎn)速。

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